馬曉梅，李龍泉，劉敏，王玉平，郭慶紅

(蘭州大學第一臨床醫(yī)學院，蘭州 730000)

胰腺癌是世界上最致命的惡性腫瘤之一。據(jù)估計，2020年美國胰腺癌在男性與女性癌癥新發(fā)病例中分別居第10位和第9位，占新發(fā)病例總數(shù)的3%,而癌癥相關死亡人數(shù)中，胰腺癌居第4位，占癌癥相關死亡總?cè)藬?shù)的8%[1]。目前，胰腺癌的主要治療手段為手術(shù)切除，然而由于其早期診斷困難，80%～85%的患者在發(fā)現(xiàn)時已進展為局部晚期或轉(zhuǎn)移狀態(tài)，失去了最佳治療時機，同時胰腺癌在放療和化療時存在不敏感或耐藥的現(xiàn)象[2]。胰腺癌的預后非常差，癌癥各發(fā)展階段平均5年生存率為9%，而遠處轉(zhuǎn)移的胰腺癌5年生存率僅為3%[1]。早期發(fā)現(xiàn)的胰腺癌患者的生存率遠高于晚期診斷的患者[3]，在可切除時期發(fā)現(xiàn)胰腺癌，可使患者的生存率提高30%～40%[4]。血清糖類抗原(carbohydrate antigen，CA)19-9是目前美國食品藥品管理局批準用于胰腺癌診斷的生物標志物，但其敏感性和特異性均不高[4]。代謝紊亂是腫瘤的特征，癌癥患者與正常人之間有巨大的代謝差異，因此利用代謝組學發(fā)現(xiàn)差異代謝分子作為新的腫瘤標志物來早期診斷胰腺癌，并在分子水平上尋找針對胰腺癌的新治療方式已成為研究熱點。現(xiàn)就胰腺癌的代謝組學研究進展予以綜述。

1 代謝組學概述

代謝組學是對內(nèi)源性代謝物的定性和定量分析，通過核磁共振光譜或質(zhì)譜來檢測細胞、組織及生物液中的小分子代謝產(chǎn)物，并跟蹤特定代謝產(chǎn)物的變化，來進一步推導生物體的生理或病理狀態(tài)[3,5]。代謝組學能尋找潛在的可用于疾病診斷、治療反應和預后的生物標志物，與基因組學、轉(zhuǎn)錄組學及蛋白質(zhì)組學等多種組學技術(shù)一起被廣泛應用于癌癥研究[6]。在基因組-蛋白質(zhì)組-代謝組的順序中生物信號被逐級放大，代謝組學最接近表型，因此代謝組學診斷標志物會更敏感[7-8]。代謝組學可用的標本包括血液[9]、組織[10]、尿液[11]、糞便[12]、膽汁[13]、唾液[14-15]及腸道微生物群[16]等，這些標本的獲取相對容易，且大多是非侵入性的。

2 胰腺癌的代謝紊亂

腫瘤的組織致密，血液供應不良，存在高氧化及炎癥反應，在惡劣的生長環(huán)境下，腫瘤細胞為滿足快速繁殖，必須要改變自身代謝[10,17]。腫瘤的發(fā)生一般起始于抑癌基因的丟失和(或)癌基因的表達，而基因的改變也會導致代謝的變化。胰腺癌的高危因素(如慢性胰腺炎、吸煙、酗酒、肥胖和2型糖尿病)均與代謝紊亂有關[18]。所以，癌細胞與正常分化細胞有著不同的代謝特征，最終表現(xiàn)為代謝小分子質(zhì)和量的改變。代謝組學試圖尋找胰腺癌患者與正常人體內(nèi)具有明顯差異的代謝小分子，并將其作為篩選早期胰腺癌患者或監(jiān)測胰腺癌患者疾病進展以及預測患者治療反應的生物標志物。這種診斷方式不僅可以更早期、更準確地診斷疾病，而且還能減少侵入性檢查的傷害[5,16,19]。關于胰腺癌代謝組學的研究證明，參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)、膽堿和核酸代謝途徑的小分子物質(zhì)有將胰腺癌患者與正常人或良性胰腺疾病患者區(qū)分開的潛力[20]。

2.1氨基酸代謝 氨基酸是體液代謝組學中最常用的診斷標志物，其水平變化與胰腺癌的危險因素(肥胖和胰島素抵抗)相關[8]。胰腺癌患者標本中水平升高的氨基酸有絲氨酸、異亮氨酸等[21]；水平降低的氨基酸有谷氨酰胺[6,8-9,22]、組氨酸[8-9,21]、谷氨酸[22]、苯丙酸[22]、色氨酸[22]、精氨酸[22]、纈氨酸[8]、丙氨酸[8]、脯氨酸[8]、天冬酰胺[8]、酪氨酸[8]、賴氨酸[8]、5-羥色氨酸[10]等。在低血糖條件下，胰腺癌細胞會利用脂肪酸和氨基酸來代替葡萄糖參與三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量，如谷氨酰胺常通過谷氨酰胺分解途徑來產(chǎn)生能量[6]，這可能是胰腺癌患者血清內(nèi)一些氨基酸水平降低的原因。研究顯示，在癌細胞中谷氨酰胺的利用率增加，谷氨酰胺作為主要生物能量來促進癌細胞合成代謝過程，這種現(xiàn)象稱為“谷氨酰胺上癮”，而這種代謝重編程可能是致癌基因Kras及MYC所調(diào)控[23-24]。Mizuno等[21]的研究顯示，用血漿游離氨基酸(絲氨酸、異亮氨酸、組氨酸、天冬酰胺、丙氨酸和色氨酸)計算的多變量指標有在糖尿病患者中篩查胰腺癌的潛力。前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，血漿支鏈氨基酸(即異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸)水平升高與胰腺癌的未來發(fā)病風險增加有關[18,25]。以往文獻報道，支鏈氨基酸的預測價值在診斷前2～5年最為突出[26]，而Katagiri等[25]研究認為，支鏈氨基酸的水平在胰腺癌診斷前10年才會有明顯的升高。但也有研究并未觀察到病例和對照者之間血漿支鏈氨基酸的差異[9]，可能是試驗方法的不同或個體差異造成。肥胖、胰島素抵抗的惡化和糖尿病的發(fā)展均會引起支鏈氨基酸水平的變化，而這些均是胰腺癌的危險因素[25]。有研究表明，胰腺癌細胞可能利用支鏈氨基酸作為脂肪酸合成的碳源，故破壞支鏈氨基酸代謝的酶將抑制腫瘤生長[19]。這些研究結(jié)果提示，氨基酸可能作為胰腺癌的診斷標志物或新的治療靶點。

2.2脂質(zhì)代謝 癌細胞的快速增殖需要大量的脂質(zhì)來合成生物膜，因此癌細胞脂質(zhì)的外源性攝入量和內(nèi)源性合成量增加，研究表明癌細胞中有關脂質(zhì)合成酶的水平升高[19]。甘油磷脂是細胞膜的重要組成部分，而溶血磷脂是甘油磷脂的代謝中間產(chǎn)物。研究證明，胰腺癌患者血漿溶血磷脂水平下降，提示溶血磷脂可以降低胰腺癌的發(fā)病風險，而溶血磷脂水平的降低可能因為胰腺癌細胞對溶血磷脂的分解代謝增加以及癌癥伴隨的肝功能異常造成[10,18,27-30]。不同類型的甘油磷脂(主要為磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺)增減趨勢不同，如磷脂酰膽堿(16∶0/16∶0)、磷脂酰乙醇胺(16∶0/18∶1)水平上升[10,27]，磷脂酰膽堿(18∶1/18∶4)和磷脂酰乙醇胺(22∶6/16∶0)水平下降[18]。膽汁酸是膽汁的重要成分，有證據(jù)表明膽汁酸在胃腸道惡性腫瘤的發(fā)展中起重要作用，胰腺癌患者血清內(nèi)的?；悄懰帷⒛懼?、甘膽酸水平明顯升高，故血清膽汁酸可能成為鑒別胰腺癌患者的重要診斷標志物[22,31]。Wood[32]研究表明，內(nèi)源性超長鏈二羧酸(28∶4)在胰腺癌患者血漿中的水平降低，給癌癥患者補充這種脂質(zhì)，可能會延緩或防止癌癥。此外，胰腺癌患者體內(nèi)二酰甘油、三酰甘油以及鞘磷脂水平也均降低[10,27]。這些脂質(zhì)水平的變化將來可能能應用于胰腺癌的早期診斷及治療。

2.3能量代謝 正常細胞只在氧氣缺乏的情況下才會進行無氧糖酵解。而腫瘤細胞即使在氧氣充足的條件下也會進行無氧糖酵解，將葡萄糖代謝為乳酸，癌細胞的這種代謝特性被稱為Warburg效應[33]。Warburg效應可以利用糖酵解的中間產(chǎn)物來大量合成核酸、脂類及蛋白質(zhì)，滿足腫瘤快速生長的需要[31]。通過Warburg效應腫瘤細胞會產(chǎn)生大量乳酸，使局部組織pH值降低，刺激腫瘤細胞的浸潤和轉(zhuǎn)移。乳酸脫氫酶產(chǎn)生乳酸的速率與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展呈正相關[34]。研究表明，丙酮酸激酶M2在胰腺癌組織中過表達，這可能是Warburg效應發(fā)生的機制之一[35]。另一項研究顯示，轉(zhuǎn)化生長因子-β可以增加細胞的糖酵解，抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β可減弱胰腺癌細胞的遷移和侵襲能力[36]。參與轉(zhuǎn)化生長因子-β信號通路的Smad基因在胰腺癌中普遍失活(50%～60%)，而Liang等[37]通過實驗證明，在Smad基因缺失的胰腺癌中，糖酵解途徑中的第一個ATP生成酶——磷酸甘油酸激酶1表達上調(diào)，繼而增強癌細胞中的Warburg效應。另外，一項對胰腺癌細胞衰老機制的研究發(fā)現(xiàn)，衰老胰腺癌細胞的線粒體代謝出現(xiàn)明顯異常，癌細胞線粒體內(nèi)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1C活性降低，從而使胰腺癌細胞能量代謝異常，導致細胞衰老及凋亡，這個發(fā)現(xiàn)提示可通過抑制肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1C來誘導腫瘤衰老，為胰腺癌的治療提供新思路[38]。

2.4微生物代謝 人的消化系統(tǒng)內(nèi)寄居著種類繁多的微生物，如腸道微生物群和口腔微生物群，它們能影響人的體重和消化能力，幫助機體抵御感染和自身免疫疾病。研究表明，有害微生物可以通過不同機制來引發(fā)癌癥，而某些益生菌可能會抑制腫瘤的發(fā)生[39-40]。有研究證實，胰腺癌患者的口腔微生物組成有顯著變化，這些有明顯異常的微生物可能直接參與了胰腺癌的發(fā)生與進展[41]?？谇晃⑸锏淖兓０l(fā)生于牙周病患者，而研究證實牙周病患者胰腺癌的發(fā)病率增加[42]。Farrell等[43]通過檢測唾液來比較胰腺癌患者與正常人的口腔微生物群，發(fā)現(xiàn)細長奈瑟氏菌和米氏鏈球菌存在明顯差異。Kita等[40]的研究結(jié)果顯示，干酪乳桿菌可通過分泌高鐵色素來促進胰腺癌細胞的凋亡，從而抑制胰腺癌的發(fā)生與進展。以上研究結(jié)果提示，微生物可能通過其代謝影響腫瘤的發(fā)生，可成為胰腺癌診斷及治療的新靶點。

3 代謝組學在胰腺癌中的應用

3.1胰腺癌的早期診斷與鑒別診斷 胰腺癌的早期診斷是臨床的一大難題，目前臨床上診斷的胰腺癌多處于中晚期，已失去最佳治療機會，因此早期識別胰腺癌是提高患者生存率的關鍵。胰腺癌的發(fā)生過程很漫長，至少需要10年才會發(fā)生轉(zhuǎn)移，這為臨床早期發(fā)現(xiàn)胰腺癌提供了機會[10]。胰腺上皮內(nèi)瘤變已被確認是胰腺癌的癌前病變，但目前臨床尚未有可以檢測胰腺上皮內(nèi)瘤變的有效方法[10]。在一項檢測轉(zhuǎn)基因小鼠胰腺上皮內(nèi)腫瘤的動物實驗中，學者發(fā)現(xiàn)隨著胰腺上皮內(nèi)瘤變由低級別發(fā)展到高級別，小鼠體內(nèi)的丙氨酸/乳酸信號強度比逐漸降低，提示丙氨酸/乳酸信號強度比可用于發(fā)現(xiàn)胰腺癌癌前病變[34]。Unger等[10]用由溶血磷脂酰膽堿(0∶0/18∶2)、磷脂酰膽堿(16∶0/16∶0)、磷脂酰膽堿(18∶0/22∶4)、磷脂酰膽堿(17∶0/0∶0)、丹參素(D18∶1/16∶0)和5-羥色氨酸6種代謝物構(gòu)成的診斷標志物組合可區(qū)分早期胰腺癌和良性胰腺疾病，其準確率高于95%。一項臨床研究對可切除胰腺癌與非胰腺癌患者的胰液樣本進行了分析，共找出18種差異代謝物，其中胰腺癌患者樣本中糖酵解最終產(chǎn)物乳酸水平顯著升高；隨后，學者在包含106例樣本的隊列研究中證實，胰液中的乳酸水平可以區(qū)分胰腺癌與非胰腺癌患者[44]。一項隊列研究對92例胰腺癌患者和56名健康志愿者的尿液代謝產(chǎn)物進行分析，確定了由6種代謝物(葫蘆巴堿、乙醇酸、馬尿酸鹽、肌酸、肌醇和羥丙酮)組成的診斷標志物組合，并驗證了該標志物組合對早期胰腺癌患者具有很好的診斷潛力[45]。另外，F(xiàn)arrell等[43]用細長奈瑟氏菌和米氏鏈球菌來鑒別胰腺癌患者與健康人，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其靈敏度為96.4%，特異度為82.1%。胰腺癌和遠端膽管癌解剖學位置相鄰，均可引起肝外梗阻性膽汁淤積，由于它們具有相似的癥狀和影像學表現(xiàn)，故臨床很難鑒別。有研究者試圖通過尋找差異代謝物來區(qū)分胰腺癌、遠端膽管癌和位于胰頭的其他良性病變，結(jié)果顯示胰腺癌和遠端膽管癌患者膽汁中的磷脂酰膽堿水平均降低，且胰腺癌患者的血清溶血磷脂酰膽堿水平明顯低于膽管癌患者[13]。另有研究提出，由酰肉堿(16∶0)、神經(jīng)酰胺(D18∶1/24∶0)、磷脂酰膽堿(20∶0/0∶0)和(O-16∶0/20∶3)、溶血磷脂酰膽堿(20∶0/0∶0)和(0∶0/20∶0)、溶血磷脂酰乙醇胺(P-18∶2/0∶0),鞘磷脂(d18∶2/22∶0) 和(d18∶2/23∶0)以及CA19-9組成的診斷標志物組合有助于胰腺癌和遠端膽管癌的鑒別診斷[46]。

3.2監(jiān)測胰腺癌的進展與轉(zhuǎn)移 胰腺癌的進展在臨床上可分為4個階段：可切除、臨界可切除、局部晚期和轉(zhuǎn)移，準確判斷腫瘤的分期可為患者選擇最合適的治療方式，避免無效或過度治療帶來的傷害。腫瘤的發(fā)展常伴有代謝的改變，所以可根據(jù)代謝分子的動態(tài)變化來監(jiān)測胰腺癌的進展與轉(zhuǎn)移。在關于胰腺癌轉(zhuǎn)移的代謝驅(qū)動因素研究中，Rozeveld等[47]報道，癌基因KRAS通過調(diào)節(jié)激素敏感脂肪酶控制細胞中脂滴的儲存和利用，在胰腺癌細胞中，KRAS-激素敏感脂肪酶軸的破壞會使細胞中儲存過多的脂滴，而過量的脂肪酸增強了癌細胞的生長與轉(zhuǎn)移能力。另有研究指出，谷氨酰胺缺乏引起的營養(yǎng)應激會通過上調(diào)相關調(diào)節(jié)因子Slug來誘導胰腺導管腺癌細胞上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，進而增強癌細胞的侵襲與遷移能力[48]。在尋找監(jiān)測癌癥轉(zhuǎn)移的生物標志物方面，有研究發(fā)現(xiàn)琥珀酸和葡萄糖酸具有很強的監(jiān)測胰腺癌進展和轉(zhuǎn)移的能力[31]。Tumas等[8]觀察發(fā)現(xiàn)，血漿組氨酸水平與胰腺癌分期呈顯著負相關，并觀察到酪氨酸、脯氨酸、甘氨酸、精氨酸、絲氨酸和蘇氨酸水平從胰腺癌第一階段到第四階段的U型變化曲線。一項對胰腺癌患者血清外泌體的代謝分析發(fā)現(xiàn)，溶血磷脂酰膽堿(22∶0)、磷脂酰膽堿(P-14∶0/22∶2)和磷脂酰乙醇胺(16∶0/18∶1)與胰腺癌腫瘤分期有關，CA19-9、CA242和胰腺癌腫瘤直徑有關[27]。隨著更多研究的深入，這些標志物可能在臨床監(jiān)測胰腺癌的進展與轉(zhuǎn)移方面起重要作用。

3.3研發(fā)胰腺癌靶向藥物及預測治療反應 胰腺癌對現(xiàn)有放化療具有很高的耐藥及抵抗性，且現(xiàn)階段臨床缺少針對胰腺癌的靶向治療藥物，因此胰腺癌的治愈率不甚理想。而代謝組學作為一種研究工具可用于研究藥物的作用機制、作用靶點及治療效果，并進一步探討更加精準的治療方法，避免無效治療帶來的沉重負擔，同時通過及時有效的靶向治療提高患者生存率。Liu等[2]用細胞代謝組學的方法研究了小檗堿對胰腺癌的治療作用，結(jié)果表明小檗堿通過影響線粒體中檸檬酸的代謝和運輸來抑制胰腺癌細胞的存活及轉(zhuǎn)移，提示檸檬酸可能成為胰腺癌治療的新靶點。Warburg效應是腫瘤細胞的能量代謝特性，也是一個潛在的治療靶點，已有臨床試驗證實作用于糖酵解限速酶——6-磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3的抑制劑PFK-158對晚期胰腺癌患者有益處[49]。同時在一項胰腺癌細胞與動物模型實驗中，研究者從代謝組學層面證實了一種植物種子提取物——水飛薊賓可通過誘導胰腺癌細胞的整體代謝重編程，下調(diào)糖酵解關鍵酶的表達來抑制胰腺癌細胞的葡萄糖攝取和乳酸釋放，進而抑制胰腺癌細胞和動物模型的細胞生長和惡病質(zhì)特性[50]?？焖俜至训陌┘毎怨劝滨０纷鳛橹饕芰縼碓?，因此利用靶向藥物來干擾谷氨酰胺代謝進而抑制腫瘤的生長是癌癥治療的新方向。Elgogary等[51]將谷氨酰胺酶抑制劑——BPTES(bis-2-(5-phenylaceta-mido-1,2,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide)封裝在納米顆粒中來治療胰腺癌小鼠模型，結(jié)果證明BPTES納米顆粒有抗腫瘤效果。且該實驗發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺酶被抑制后仍存活的腫瘤細胞依賴糖酵解和糖原合成，因此實驗進一步用可抑制糖酵解的藥物——二甲雙胍與BPTES納米顆粒聯(lián)合治療，結(jié)果證實聯(lián)合治療較單藥治療更能有效抑制腫瘤生長。目前，以吉西他濱為主的化療方案是治療胰腺癌的標準方案，然而由于化療耐藥等原因，大部分患者最終治療失敗。因此，亟須尋找生物標志物來提前評估患者對吉西他濱化療的反應，根據(jù)評估結(jié)果決定是否采取化療，可最大程度避免無效治療[52]。研究報道，吉西他濱耐藥胰腺癌細胞能夠?qū)⑻紡钠咸烟谴x途徑中轉(zhuǎn)移到核苷酸合成途徑中，使核苷酸的合成增加，而大量合成的核苷酸通過競爭性抑制吉西他濱使癌細胞對吉西他濱耐藥[53]。另有研究表明，3-羥基己二酸、D-半乳糖、溶血磷脂酰膽堿和十四烯酰-L-肉堿[54]以及包括乳酸、脯氨酸和焦谷氨酸在內(nèi)的19種標志性代謝物[52]可以作為有效指標來預測胰腺癌患者對化療的反應。

4 目前研究存在的問題

4.1樣本量不足 很多關于胰腺癌代謝組學的研究由于樣本量不足，產(chǎn)生的結(jié)果信服力不夠，極有可能產(chǎn)生虛假結(jié)果[16,30]。胰腺癌是一種異質(zhì)性很強的疾病，需要大量的樣本來確保結(jié)果有足夠的代表性。此外，研究樣本被分成獨立的發(fā)現(xiàn)隊列和驗證隊列，進一步使所需樣本的數(shù)量增加。然而，胰腺癌發(fā)病率很低(在美國為10/100 000人)[10]，很難去收集足夠數(shù)量的樣本。為解決該難題，研究者可考慮多中心合作來增加樣本量[55]，以提高研究的質(zhì)量和結(jié)果的準確性。

4.2混雜因素較多 代謝物受到許多因素的影響，包括年齡、性別、黃疸、藥物、合并癥、晝夜節(jié)律、生活方式及環(huán)境等，晚期胰腺癌患者的血清代謝物會在一天之內(nèi)發(fā)生重要變化。但現(xiàn)有研究尚未完全考慮這些混雜因素，甚至有些其他混雜因素尚未被發(fā)現(xiàn)，這使得研究結(jié)果的有效性無法保證。這可能是同一類型的研究，會出現(xiàn)不同結(jié)果或得出相反結(jié)論的重要原因。因此，研究者在進行相關研究時應充分考慮并校正這些混雜因素[30,46]。

4.3對早期癌癥的診斷價值不明 代謝組學運用于胰腺癌診斷的最大意義為篩選出高?；蛟缙诨颊?，以提高胰腺癌的存活率。而目前研究中納入的一般為用現(xiàn)有方法明確診斷為胰腺癌甚至已進入晚期的患者，這些研究結(jié)果中的代謝變化可能是癌癥進展、生活方式的改變及治療造成[18]。研究顯示，在發(fā)現(xiàn)隊列中有統(tǒng)計學意義的差異代謝產(chǎn)物并不能在驗證隊列中篩選出早期胰腺癌患者[10,20]。所以，需進一步的大型隊列研究來驗證這些差異表達代謝物是否能篩選出早期患者。但是對于低發(fā)病率的胰腺癌進行隊列研究的成本高、可行性低，這是目前研究面臨的一大困難。

5 小 結(jié)

胰腺癌癥狀出現(xiàn)晚且特異性較低，早期診斷困難，難以與胰腺良性病變或遠端膽管癌有效鑒別，錯過最佳手術(shù)時機的概率很大，而化療僅有助于輕微延長生存期，且有很高的耐藥性[15]。因此，胰腺癌是預后最差的惡性腫瘤之一，是臨床亟須解決的一大難題。代謝組學作為一種新的研究工具，通過監(jiān)測低分子量內(nèi)源性代謝物的質(zhì)和量來反映生物體的疾病狀態(tài)[56]，在胰腺癌的早期診斷、鑒別診斷、治療及疾病進展和術(shù)后管理、預后等方面具有重要作用。目前代謝組學的研究雖取得了一定進展，但仍缺乏統(tǒng)一的研究標準及結(jié)果，存在許多不足。相信隨著研究的不斷深入，與代謝組學相關的診斷標志物將在胰腺癌及其他癌癥的診治過程中發(fā)揮重要作用。