孔大陆教授组稿｜李连成：整合血浆和粪便代谢组学识别腺瘤-结直肠癌进展中的功能性代谢物及作为早期诊断生物标志物

结直肠癌（CRC）是全球癌症死亡的主要原因之一。而结肠镜检查是目前CRC诊断的标准程序，其侵入性和高成本限制了其在大型筛查中的应用。因此，寻找非侵入性的早期诊断方法显得尤为重要。

近年来，血浆和粪便中的微生物代谢物在CRC中的作用受到了越来越多的关注。研究表明，CRC患者体内存在一些促肿瘤生成的代谢物[如三甲胺N-氧化物（TMAO）和脱氧胆酸]的富集，以及一些具有抗肿瘤功能代谢物（如短链脂肪酸和吲哚衍生物）的耗竭。

随着代谢组学技术的进步，越来越多的研究开始探索粪便和血液代谢物作为CRC非侵入性诊断标志物的可行性。例如，一些研究已经表明，粪便代谢物和细菌标志物的组合可以区分不同阶段的CRC患者。然而，目前仍缺乏对粪便和血液代谢物诊断性能的比较研究。

本研究通过大规模的代谢组学分析，揭示CRC进展过程中血浆和粪便代谢物的变化，并确定具有早期诊断潜力的生物标志物。通过比较粪便和血液代谢物的诊断性能，建立一个准确诊断CRC的生物标志物面板，并探讨这些代谢物在CRC发生和发展中的机制作用。

研究团队收集了来自1251名参与者的血浆和粪便样本，包括结直肠癌患者、腺瘤患者及健康对照者，并利用代谢技术进行分析血浆和粪便样本中的代谢物，通过靶向代谢组学、独立验证队列和生物信息学分析验证发现。

在此简单介绍代谢组学技术。代谢组学技术是一种系统生物学方法，用于全面分析生物体内代谢物的种类和含量。这种技术通过高通量的分析手段，可以同时检测和量化生物样本（如血浆、尿液、组织等）中的数百到数千种代谢物，从而揭示生物体的代谢状态和变化。代谢组学技术主要包括以下几个关键步骤：

收集生物样本（如血浆、尿液、组织等），并进行适当的预处理，如提取、纯化等，以去除干扰物质并稳定代谢物。

使用高灵敏度和高分辨率的分析仪器（如液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪等）对代谢物进行检测。这些仪器能够提供代谢物的精确质量和结构信息。

将检测到的原始数据进行处理和分析，包括数据校正、峰识别、峰对齐、归一化等步骤，以获得代谢物的定量信息。

使用生物信息学工具进行统计分析、模式识别和生物标志物发现，以揭示代谢物之间的关联和差异。

通过代谢途径分析、代谢网络构建等方法，将代谢物数据与生物学背景知识相结合，以理解代谢物在生物体内的功能和作用机制。

对发现的潜在生物标志物进行进一步的验证和确认，如使用靶向代谢组学技术进行定量分析，或在独立样本集上进行验证。

代谢组学技术在疾病诊断、发病机制研究、药物发现和营养学等领域具有广泛的应用前景。通过代谢组学技术，研究人员能够从代谢物的角度揭示生物体的生理和病理状态，为疾病的早期诊断和治疗提供新的策略和工具。 

1. 血浆和粪便代谢物的改变：

研究发现，结直肠癌（CRC）和结直肠腺瘤（CRA）患者的血浆和粪便代谢物谱与正常对照（NC）存在显著差异。具体来说，CRC患者血浆中油酸（oleic acid）显著富集，而别胆酸（allocholic acid）显著减少。

2. 关键代谢物的作用：

油酸在CRC细胞中表现出促肿瘤作用，而别胆酸则表现出相反的抗肿瘤作用。

油酸的作用机制：

1）与α-烯醇酶（ENO1）结合：

油酸能够与CRC细胞中的α-烯醇酶（ENO1）结合。分子对接分析显示，油酸通过烷基相互作用与ENO1的Arg49残基结合，平均结合能为-6.28千卡/摩尔。

2）激活PI3K/Akt信号通路：

油酸与ENO1结合后，激活了PI3K/Akt信号通路。RNA测序分析显示，油酸处理后的CRC细胞中，PI3K/Akt信号通路相关基因显著上调。Western blot分析进一步证实，油酸增加了磷酸化JAK1、PI3K和AKT的蛋白表达。

3）促进CRC细胞的生长和存活：

油酸通过激活PI3K/Akt信号通路，促进了CRC细胞的生长和存活。在体外实验中，油酸显著提高了CRC细胞的存活率和增殖能力，并减少了细胞凋亡。此外，油酸还促进了CRC细胞周期从G1期向S期的转变。

别胆酸的作用机制：

1）与法尼醇X受体1（FXR1）结合：

别胆酸能够与CRC细胞中的法尼醇X受体1（FXR1）结合。分子对接分析显示，别胆酸通过氢键与FXR1的Arg70残基结合，平均结合能为-6.045千卡/摩尔。

2）抑制MAPK信号通路：

别胆酸与FXR1结合后，抑制了MAPK信号通路。RNA测序分析显示，别胆酸处理后的CRC细胞中，MAPK信号通路相关基因显著下调。Western blot分析进一步证实，别胆酸减少了磷酸化p38、ERK和JNK的蛋白表达。

3）抑制CRC细胞的生长和存活：

别胆酸通过抑制MAPK信号通路，抑制了CRC细胞的生长和存活。在体外实验中，别胆酸显著降低了CRC细胞的存活率和增殖能力，并促进了细胞凋亡。此外，别胆酸还诱导了CRC细胞周期停滞在G1期。

3. 代谢物作为诊断生物标志物：

研究建立了一个由17种血浆代谢物组成的诊断组合，这些代谢物能够准确区分CRC患者和CRA患者以及健康对照。在发现队列和三个验证队列中，该诊断组合的AUC值在0.848至0.987之间，表现出良好的诊断性能。

4. 代谢物与化疗反应的相关性：

研究发现，化疗响应者和非响应者的血浆代谢物谱存在显著差异。一个由19种血浆代谢物组成的诊断组合能够准确区分化疗响应者和非响应者，AUC值为0.908，灵敏度为86.4%，特异性为83.3%。

5. 多组学整合分析：

通过整合血浆和粪便代谢组学分析、微生物组学分析和细胞因子分析，研究揭示了代谢物在CRC进展中的作用及其与肠道微生物和宿主免疫系统的相互作用。这些发现有助于更全面地理解CRC的发病机制，为早期诊断和治疗提供新的策略和工具。

通过对血浆和粪便代谢物的综合分析，研究发现CRC患者血浆中油酸显著富集，而别胆酸显著减少。这些发现揭示了CRC进展过程中代谢物的变化规律，为理解CRC的发病机制提供了新的视角。

2. 确定了关键代谢物的功能

研究发现，油酸具有促肿瘤作用，而别胆酸具有抗肿瘤作用。油酸通过与α-烯醇酶（ENO1）结合，激活PI3K/Akt信号通路，从而促进CRC细胞的生长和存活。别胆酸通过与法尼醇X受体1（FXR1）结合，抑制MAPK信号通路，从而抑制CRC细胞的生长和存活。这些发现揭示了关键代谢物在CRC进展中的具体作用机制，为CRC的治疗提供了新的靶点。

3. 开发了高灵敏度的诊断组合

研究建立了一个由17种血浆代谢物组成的诊断组合，这些代谢物能够准确区分CRC患者和CRA患者以及健康对照。在发现队列和三个验证队列中，该诊断组合的AUC值在0.848至0.987之间，表现出良好的诊断性能。这一诊断组合为CRC的早期诊断提供了新的工具，具有重要的临床意义。

4. 阐明了代谢物与化疗反应的相关性

研究发现，化疗响应者和非响应者的血浆代谢物谱存在显著差异。一个由19种血浆代谢物组成的诊断组合能够准确区分化疗响应者和非响应者，AUC值为0.908，灵敏度为86.4%，特异性为83.3%。这些发现为预测CRC患者的化疗反应提供了新的生物标志物，有助于实现个性化治疗。

5. 整合多组学分析

通过整合血浆和粪便代谢组学分析、微生物组学分析和细胞因子分析，研究揭示了代谢物在CRC进展中的作用及其与肠道微生物和宿主免疫系统的相互作用。这些发现有助于更全面地理解CRC的发病机制，为早期诊断和治疗提供新的策略和工具。

6. 临床转化潜力

本研究不仅揭示了CRC进展中的代谢物变化和关键代谢物的功能，还开发了高灵敏度的诊断组合和预测化疗反应的生物标志物。这些成果具有重要的临床转化潜力，有望为CRC的早期诊断和个性化治疗带来突破。