癌症患者代谢定量化路线图：从体内稳定同位素示踪到代谢通量分析

《TRENDS IN Cancer》：A roadmap for quantifying metabolism in patients with cancer

　　

体内（in vivo）稳定同位素示踪（stable isotope tracing）的进展彻底改变了研究人员对癌症代谢的理解，使该领域从静态代谢组学快照转向动态代谢通路活性分析。然而，解读原始分数富集（fractional enrichment）数据仍存在重要的生物学与分析学挑战。本综述系统梳理了体内示踪的方法学全貌，并试图填补由临床限制（例如单时间点手术取样）所造成的解读空白。研究人员剖析了次级循环示踪剂（secondary circulating tracers）以及肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）固有的异质性如何干扰代谢信号。研究人员强调，向代谢通量分析（metabolic flux analysis, MFA）的关键转变是克服上述挑战并在精准肿瘤学（precision oncology）中识别可靶向代谢脆弱性的必要计算步骤。

应对体内癌症代谢的复杂性

代谢是将营养物质转化为能量、热量以及RNA、DNA、蛋白质和脂肪等大分子构件的一组细胞反应。正常细胞的代谢通路维持稳态与生长，而癌细胞则通过代谢转变支持快速、失控的增殖，并重塑与肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）中异质细胞群的相互作用。研究这种重编程可发现诊断生物标志物和可靶向的代谢脆弱性。本综述聚焦于患者肿瘤代谢的研究方法，以及从静态代谢谱到动态通量分析的转变。

从静态代谢快照到更具动态性的模态

研究肿瘤代谢的静态模态

正电子发射断层成像（positron emission tomography, PET）利用放射性示踪剂[¹⁸F]氟代脱氧葡萄糖（[¹⁸F]FDG）实现肿瘤葡萄糖摄取的在体可视化。但前列腺癌等肿瘤对[¹⁸F]FDG的亲和力低，且该技术只能反映摄取和滞留，无法追踪葡萄糖的后续利用。代谢组学通过测定代谢物丰度寻找疾病标志物，例如胰腺导管腺癌患者循环支链氨基酸升高可在诊断前数年出现，而异柠檬酸脱氢酶1（isocitrate dehydrogenase 1, IDH1）R132突变胶质瘤中2-羟基戊二酸的大量积累推动了突变IDH1抑制剂ivosidenib的研发。然而代谢组学是静态的，无法区分高产生率与低消耗率，也难以判断多条汇聚通路各自的贡献。

推进用于代谢通量分析的同位素示踪

稳定同位素（如¹³C、¹⁵N、²H）可通过质量数差异追踪原子从示踪剂到下游代谢物的转移。在胶质瘤患者中，给予²H标记的[6,6′-²H₂]葡萄糖或[²H₃]乙酸后，磁共振波谱成像可观察到肿瘤内乳酸和谷氨酰胺标记升高。超极化¹³C-MRI使用[1-¹³C]丙酮酸可检测其向乳酸、丙氨酸和碳酸氢盐的转化，但受极化寿命短和需未质子化碳位点限制。质谱（mass spectrometry, MS）和核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）波谱可定量多种代谢物的同位素富集；NMR能提供位置异构体（isotopomer）信息，MS灵敏度高但通常只能区分质量同位素体（mass isotopologue），串联质谱方法可部分突破该限制。体内示踪会产生由次级循环示踪剂、组织区室化和反应可逆性导致的复杂富集模式，因此需要代谢通量分析（metabolic flux analysis, MFA）来估算绝对反应速率。MFA基于质量平衡构建代谢网络，在（伪）稳态假设下拟合同位素数据；若标记未达稳态，则采用同位素非稳态MFA（isotopically nonstationary MFA, INST-MFA）对时间过程数据积分求解。MFA通过多起点优化和统计检验获得通量及其置信区间，从而定位代谢瓶颈和靶向治疗点。

患者同位素示踪的技术与临床考量

临床示踪研究常从均匀标记的[U-¹³C]葡萄糖开始，之后扩展到乳酸、乙酸和谷氨酰胺。给药方式包括口服、腹腔注射和静脉输注；与弹丸式注射相比，持续静脉输注可使循环示踪剂达到同位素稳态，更符合MFA的伪稳态假设。临床解读受多重因素限制：单时间点手术切除无法确证组织代谢物已达同位素稳态；患者共病（肥胖、糖尿病、脂肪肝、恶病质）可改变全身营养物周转；术后热缺血（warm ischemia）会改变代谢物富集；肿瘤旁正常组织可能已受肿瘤诱导的应激影响。这些因素都使肿瘤特异性代谢解释变得复杂。

解读同位素示踪数据的挑战（从示踪到MFA）

乳酸作为次级示踪剂的反常现象

在非小细胞肺癌（non-small-cell lung cancer, NSCLC）、胸腺瘤、肉瘤、神经母细胞瘤、胶质瘤、透明细胞肾细胞癌（clear cell renal cell carcinoma, ccRCC）和三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer, TNBC）等多种肿瘤中都观察到高乳酸富集。肿瘤乳酸可来自肿瘤细胞糖酵解、摄取循环中其他器官分泌的标记乳酸，或摄取TME中糖酵解细胞释放的乳酸。若乳酸富集超过其上游前体3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate, 3PG），提示存在额外的强标记底物如血浆乳酸直接进入肿瘤乳酸池；若乳酸富集甚至超过血浆乳酸，则在均质混合系统中数学上不可能，提示代谢区室化。对NSCLC这类相对接近均质混合的肿瘤，MFA估计了乳酸净导入/导出；随后直接输注[U-¹³C]乳酸证实人肺肿瘤会摄取循环乳酸并进入TCA循环。

肿瘤对三羧酸循环及替代燃料的依赖

人体肿瘤常高度依赖三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环提供能量和生物合成前体。通过不同标记模式可区分：丙酮酸经丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase, PDH）进入TCA产生M+2柠檬酸，经丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）产生M+3柠檬酸；[1,2-¹³C]乙酸示踪可评估乙酸经乙酰辅酶A合成酶（acetyl-CoA synthetase, ACSS）进入TCA；TCA循环第二轮周转可由M+4柠檬酸或3,4,5-¹³C-谷氨酸指示；[U-¹³C]谷氨酰胺示踪可区分氧化TCA与还原羧化。跨患者队列比较显示，肺肿瘤中PC和PDH均上调（PC更显著），肾肿瘤中两者均下调；对NSCLC的MFA证实PDH和PC通量较癌旁组织升高。肺肿瘤TCA通量升高与疾病进展、转移和较差总生存相关。相反，小鼠原位模型的INST-MFA显示原发实体瘤TCA通量降低，与患者稳态MFA结果存在争议，可能源于稳态假设、物种差异或癌旁组织状态。建模估计乙酰辅酶A池来源后发现，肾和脑肿瘤的PDH贡献降低，而肺肿瘤略升高；[1,2-¹³C]乙酸示踪证实脑和肾癌活跃摄取并氧化乙酸，胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM）中乙酸提供48%的乙酰辅酶A。谷氨酰胺示踪还显示多发性骨髓瘤恶性CD138+浆细胞TCA富集升高，而ccRCC中M+5柠檬酸升高提示还原羧化途径活跃。

解析肿瘤丝氨酸来源

在输注[1,2-¹³C]葡萄糖的TNBC患者中，肿瘤M+2丝氨酸提示活跃的丝氨酸从头合成；M+1相对高于M+2则提示甘氨酸与丝氨酸的相互转换。要区分为从头合成、甘氨酸转换和外源摄取，需借助MFA。在输注[U-¹³C]葡萄糖的胶质瘤患者中，M+3丝氨酸提示存在从头合成，但M+1循环丝氨酸的富集更高；MFA解析发现肿瘤丝氨酸池主要由循环丝氨酸摄取驱动，丝氨酸羟甲基转移酶（serine hydroxymethyltransferase, SHMT）净通量偏向甘氨酸生成，而癌旁脑组织更依赖从头合成。这些预测随后在荷瘤小鼠的[U-¹³C]丝氨酸示踪中得到验证。

解析核苷酸生物合成

核苷酸合成包括从头合成和补救途径。人胶质瘤中嘌呤和嘧啶核苷酸的葡萄糖来源富集高于癌旁皮层，但体内解析合成路线困难。[U-¹³C]葡萄糖示踪在胶质瘤中经非氧化磷酸戊糖途径产生多种核糖-5-磷酸（ribose 5-phosphate, R5P）同位素体，掩盖下游标记；而TNBC患者输注[1,2-¹³C]葡萄糖后M+1 R5P超过M+2，提示氧化磷酸戊糖途径（oxidative pentose phosphate pathway, oxPPP）通量更高。利用荷瘤小鼠多时间点组织样本和INST-MFA，研究人员发现脑肿瘤同时上调从头合成与补救途径；该结果随后经肌苷（补救途径示踪剂）和谷氨酰胺（从头合成示踪剂）示踪验证。

通过数字孪生将MFA转化为精准治疗

针对临床单时间点取样与非稳态标记难以满足MFA假设的问题，研究人员将机器学习与INST-MFA整合：先利用患者来源异种移植（patient-derived xenograft, PDX）的时间过程同位素数据约束通量范围，再模拟不同输注时间下的代谢物同位素谱，形成反映患者肿瘤代谢的“数字孪生”（digital twin）。将该框架用于脑癌患者的丝氨酸和嘌呤核苷酸代谢，可识别瘤间异质性，并预测丝氨酸/甘氨酸限制饮食或霉酚酸酯（mycophenolate mofetil, MMF）抑制从头嘌呤合成的治疗反应，且预测在临床前模型中得到验证。此类模型必须通过正负对照实验验证保真度。已有多类代谢靶向药物获批或处于试验阶段，如嘧啶类似物、核苷类似物、嘌呤类似物和平衡型核苷转运体抑制剂；数字孪生有望定量各代谢通路贡献，从而改善精准治疗策略。

结论与未来展望

未来需在复杂异质性肿瘤中解析代谢活动。仅依赖组织整体示踪会平均化瘤内异质性，掩盖缺氧、局部营养耗竭和细胞互作。将空间转录组学、质谱成像（mass spectrometry imaging, MSI）和PET/代谢成像与同位素示踪结合，可在原位绘制代谢活动；例如空间代谢/蛋白组学分析显示肺癌中谷氨酰胺在肿瘤细胞富集，抑制谷氨酰胺转运可缩小肿瘤。临床示踪常只报告相对通量，需将¹³C-MRI、²H-MRI与MFA结合以设置示踪剂摄取的边界并逼近绝对通量；单细胞分辨率的¹³C单细胞代谢通量分析（¹³C-scMFA）结合单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）可解析细胞类型特异通量。最终，细胞类型特异性代谢组学与转录组学联合数字孪生建模有望定义人类肿瘤中肿瘤细胞特异的代谢脆弱性，推动精准代谢治疗。

未解问题

该综述提出若干开放问题：如何将传统组织MFA扩展为空间MFA以解释细胞区室化；空间代谢组学（如MALDI-MSI）和单细胞代谢谱能否与体内同位素输注整合；如何标准化多示踪剂同时输注以量化各代谢途径对TCA循环的贡献；肾癌和脑癌抑制PDH并偏好乙酸等替代燃料的上游驱动因素是什么；以及能否发展微创替代方法（如系列液体活检或功能性循环肿瘤细胞）来估算患者代谢通量。