《Microchemical Journal》：Distinct plasma metabolic signature and potential biomarkers in female sigmoid Colon Cancer: A mass spectrometry-based untargeted metabolomics study
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基于质谱代谢组学和SIRIUS分析，本研究发现女性 sigmoid结肠癌（SCC）患者术前术后静脉/动脉血浆样本存在23个差异代谢物，包括2种新化合物，并验证了火山图与S-Plot联合分析在筛选代谢标志物中的有效性。
肖琴玉|吴子宁|杨佳敏|刘青|赵阳|黄洪波|陶一文|丁波
中国广州医科大学药学院分子靶标与临床药理学国家重点实验室及呼吸疾病国家重点实验室
摘要
为推进基于精准医学的个性化疾病预防和治疗，对女性乙状结肠癌（SCC）的潜在代谢生物标志物进行注释至关重要。在本研究中，我们采用了基于质谱的代谢组学方法和SIRIUS软件来分析女性SCC患者的静脉和动脉血浆样本。通过结合Volcano图和S-Plot图的分析方法，我们识别出了具有区分性的代谢生物标志物。共鉴定出23种显著的代谢物，主要分为磷脂酰胆碱、碳水化合物和有机酸类，其中两种新化合物分别为N-(4-甲基-1-((2-(3-甲基丁酰胺)乙基)氨基)-1-氧戊-2-基)环丁烷羧酰胺和3,4,5-三羟基-6-((3-巯基-2-(4-(2-(甲基氨基)乙氧基)-2-丙基苯氧基)丙酰)氧)四氢-2H-吡喃-2-羧酸。这些代谢物中包括12种能够区分术前SCC患者与健康对照组的特征性生物标志物，8种能够区分术前和术后动脉/静脉血浆样本的生物标志物，以及3种能够在动脉和静脉采样部位之间产生差异的生物标志物。SIRIUS软件共注释了797种来自动脉和静脉样本的代谢物，这些注释的代谢物与先前报道的SCC相关代谢物有所不同。最终，本研究筛选出一组独特的代谢生物标志物，加深了我们对SCC发病机制的理解。结合Volcano图和S-Plot图的分析方法被证明是一种有效的代谢物筛选策略。这些发现为女性SCC的精准医学治疗提供了潜在的治疗靶点。
引言
结直肠癌（CRC）是男性癌症相关死亡的第三大原因，女性癌症相关死亡的第四大原因；但当合并男女数据时，它成为癌症死亡的第二大原因，约占所有癌症死亡的8%[1]。根据不同的风险因素，男性患结直肠癌的终生风险约为1/23，女性约为1/25。这意味着在一个性别中发现的诊断和预后生物标志物可能不适用于另一个性别。因此，迫切需要研究和挖掘特定于女性患者的潜在生物标志物，以提高诊断准确性、治疗效果和整体患者预后。
根据国际疾病分类系统，CRC病例被分为结肠癌（C18.0-C18.9和C26.0）或直肠癌（C19.9和C20.9）[2]。结肠肿瘤进一步分为左半结肠和右半结肠，以横结肠的脾曲为分界线。左半结肠包括脾曲、降结肠和乙状结肠（C18.5-C18.7），而右半结肠包括盲肠、升结肠和肝曲以及横结肠。早期诊断的CRC患者五年生存率可高达90%；然而，大多数患者是在晚期才被诊断出来，导致生存率低于10%[3]。尽管粪便隐血试验（FOBT）和结肠镜检查是标准的筛查方法，但它们存在患者依从性差和假阳性率高的局限性[4],[5],[6]。目前的临床实践中广泛使用非侵入性筛查方法，如检测癌胚抗原（CEA）和碳水化合物抗原19-9（CA19-9）[7],[8]，但由于其敏感性和特异性不足，仍需开发更准确的非侵入性筛查方法来诊断结直肠癌，尤其是乙状结肠癌（SCC）。作为CRC最常见的亚型之一，SCC占所有CRC病例的25-33%。其特点是发生在结肠远端，狭窄的管腔常导致早期临床症状，如排便习惯改变和肠梗阻。虽然局部SCC的五年生存率较高，约为80-90%，但在晚期伴有淋巴结受累或远处转移时，预后会显著下降[9]。目前，手术切除结合个体化辅助治疗仍是标准治疗方法，但这些患者动脉和静脉环境中的代谢和分子异质性尚未得到充分探索[10]。
2011年，美国国家研究委员会提出了精准医学的概念，强调考虑个体之间的遗传、环境和生活方式差异以个性化疾病预防和治疗策略的重要性[11]。性别作为一种基本的遗传修饰因素，在疾病病理生理学、临床表现和治疗反应中起着关键作用，是精准医学的重要组成部分[12]。代谢组学的最新进展揭示了结直肠癌肿瘤组织样本中的性别特异性差异。值得注意的是，一项研究在右侧结肠癌女性患者中发现了独特的营养缺乏型代谢亚型[13]。这些发现表明，包括升结肠癌（ACC）、横结肠癌（TCC）、降结肠癌（DCC）和乙状结肠癌（SCC）在内的不同亚型的结直肠癌存在性别和遗传差异。预计在不同性别的个体血浆样本中也会观察到代谢物的显著差异。基于这些发现，本研究利用血浆代谢组学分析方法对女性患者的乙状结肠癌（SCC）进行了研究，具有重要的科学价值。它为精准医学的发展提供了重要见解，特别是在制定针对性别的治疗策略方面。通过揭示性别特异性的代谢变化，这项研究为未来的个性化治疗方法铺平了道路，有可能显著改善女性SCC患者的治疗效果。
与肿瘤组织样本相比，血浆样本在基于代谢组学的诊断中具有更大的潜力，使其成为未来临床应用中更实用和可行的选择。基于质谱的代谢组学方法，特别是液相色谱-质谱（LC-MS），是一种高通量方法，广泛用于生物标志物的发现和精准医学筛查。非靶向代谢组学方法具有广泛的分析范围，有助于大规模注释新的代谢生物标志物，而靶向代谢组学则侧重于特定代谢物的精确定量[14],[15],[16]。LC-MS代谢组学已被广泛应用于识别与结直肠癌相关的代谢生物标志物，研究范围包括血浆、尿液、粪便和组织[17],[18],[19]。然而，尽管取得了显著进展并展现出良好前景，目前还没有任何基于代谢组学的诊断方法获得临床应用批准。这引发了这样一个关键问题：基于质谱的代谢组学诊断方法究竟还只是一个愿景，还是即将成为临床现实？代谢组学临床转化中的一个主要技术挑战是代谢物的注释，这仍然是该领域的一个瓶颈[20]。基于特征的分子网络（FBMN）技术通过Global Natural Products Social Molecular Networking（GNPS）平台实现了这一目标，它能够根据糖基化、烷基化和氧化还原等结构修饰高效地对相关分子进行光谱对齐和基于相似性的聚类[21],[22]。分子网络技术有助于可视化LC-MS数据集中的异构化合物，并显著改善数据解释和化合物分类[23]。为了进一步提高代谢物注释的准确性，已经开发了多种互补的代谢组学数据挖掘工作和计算工具，包括SIRIUS[24]、CSI:FingerID[25]、MetFusion[26]和MetFamily[27]。其中，SIRIUS及其集成工具CSI:FingerID、CANOPUS和MSNovelist为小分子结构的确定和结构指纹预测提供了强大的解决方案。这些进展使得它成为基于质谱的代谢组学研究中的强大工具，推动了该领域向可靠且具有临床应用价值的代谢组学诊断方法的发展。
在本研究中，我们对女性乙状结肠癌（SCC）患者的动脉和静脉血液样本进行了代谢组学分析，并将其与健康个体的样本进行了比较。我们的主要目标是利用基于质谱的代谢组学和基于特征的分子网络（FBMN）方法来识别女性SCC患者的潜在代谢生物标志物。通过将FBMN与SIRIUS结合使用，实现了全面的代谢物结构注释。本研究的结果有助于推动精准医学的发展，为制定针对女性SCC患者的个性化治疗策略提供了有价值的见解。
参与者
本研究遵循《赫尔辛基宣言》进行，并获得了广州医科大学伦理委员会的批准（批准编号：L202307004）。所有参与者在纳入研究前均签署了书面知情同意书。研究队列包括44名女性乙状结肠癌（SCC）患者和13名年龄和性别匹配的健康对照组（HC），所有参与者均来自中山大学第六附属医院。
血浆样本的临床信息
这项前瞻性研究共招募了57名女性参与者，其中包括44名被诊断为乙状结肠癌（SCC）的患者和13名年龄和性别匹配的健康对照组（HC）。表1总结了她们的人口统计和临床特征。值得注意的是，本研究中的所有SCC患者均为女性，且平均年龄高于健康对照组。这种年龄差异突显了衰老对SCC发病机制和代谢变化的潜在影响，值得进一步研究。
讨论
为了识别女性SCC的潜在代谢生物标志物，本研究采用了一种结合Volcano图和S-Plot图的分析方法。这种方法整合旨在通过同时考虑统计显著性和代谢变化的幅度来增强生物标志物选择的可靠性。因此，与单独使用任一方法相比，鉴定出的显著代谢物数量有所减少，从而提高了诊断的准确性。
局限性
本研究存在一些固有的局限性。首先，研究对象仅为女性，且缺乏关于癌症分期的临床信息。该队列最初是为了分析麻醉相关并发症而建立的，因此原始数据收集并未包含详细的肿瘤分期信息。虽然关注单一性别有助于减少性别依赖的代谢变异性（例如激素波动），但这也限制了研究的全面性。
结论
本研究旨在利用基于质谱的代谢组学和SIRIUS软件分析静脉和动脉血浆样本，以识别和评估女性SCC的特定代谢生物标志物。基于VIP>1对原始质谱数据进行降维处理被证明是一种有效的血浆生物标志物发现策略。研究发现了与碳水化合物相关的显著代谢物，这些代谢物可能是区分术前和术后样本的潜在生物标志物。仅有三种代谢物显示出了明确的生物学意义。
CRediT作者贡献声明
肖琴玉：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据分析。
吴子宁：方法学设计。
杨佳敏：数据管理。
刘青：数据验证。
赵阳：数据验证。
黄洪波：撰写初稿、监督工作。
陶一文：撰写、审稿与编辑、监督工作。
丁波：撰写、审稿与编辑、数据验证、监督工作以及资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了广州医科大学研究能力提升计划（项目编号：2024SRP026）、广东省中医药项目（项目编号：20232101）以及国家药品监督管理局药品快速检测技术重点实验室开放项目（项目编号：KF2022003）的资助。
