电化学质谱与转录组学联用技术研究一氧化氮在乳腺癌细胞中的代谢及其受Saikosaponin D的调控作用

《Microchemical Journal》：Electrochemical mass spectrometry coupled transcriptomics to investigate nitric oxide metabolism and its modulation by Saikosaponin D in breast cancer cells

乳腺癌细胞中Saikosaponin D调控一氧化氮代谢的机制研究采用电化学质谱联用转录组学方法，通过Pt/MOF/Pt/FTO传感器实时检测NO释放，结合高分辨质谱鉴定代谢物变化（精氨酸减少、鸟氨酸增加），转录组学验证代谢通路基因表达调控，揭示SsD通过抑制NO代谢发挥抗增殖作用。

　　

刘博通|杨彤彤|李宣竹|徐家全|苏瑞

中国吉林省长春市吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室，邮编130012

摘要

研究药物对癌细胞代谢的影响对于推进癌症治疗至关重要。涉及的代谢物包括寿命较短的无机小分子（如活性氧ROS、活性氮RNS）和生物分子（如氨基酸）。这需要高灵敏度和高通量的分析方法。本文建立了一种将电化学质谱（MS）与转录组学相结合的新方法，以研究柴胡皂苷D（SsD）对乳腺癌细胞中NO代谢的调节作用。在氟掺杂的二氧化锡上制备了具有高灵敏度和可再生性的金属有机框架，作为原位检测NO释放的电化学传感器，而质谱用于鉴定与NO相关的代谢物，转录组学则用于检测SsD处理后基因表达的变化。电化学与高分辨率质谱数据的结合显示，精氨酸和NO的水平下降，而鸟氨酸的水平上升，表明精氨酸-脯氨酸代谢途径发生了变化。转录组学分析进一步证实SsD处理改变了该途径中的基因表达。这些发现阐明了SsD如何影响乳腺癌的代谢，揭示了一种通过NO代谢视角评估药物效果的新方法。

引言

癌症由于其侵袭性和转移性，对全球健康构成了重大威胁，导致严重的发病率和死亡率[1]、[2]。了解癌症的发病机制并开发有效的治疗方法对于对抗这种疾病至关重要[3]、[4]。研究药物对癌症代谢的影响对于揭示癌症发展和进展背后的复杂生物学机制至关重要[5]。这项研究深入探讨了代谢物的复杂变化，包括活性氧（ROS）和活性氮（RNS）等寿命较短的无机小分子，以及氨基酸和脂肪酸等生物分子。这些代谢变化往往很微妙，需要高灵敏度和高通量的检测方法来准确监测其动态[6]、[7]、[8]、[9]。能够检测和量化这些微小变化对于理解癌细胞如何适应治疗干预至关重要，从而为开发更精准和有效的癌症治疗方法提供依据。

在代谢组学分析中使用了多种分析技术，包括气相色谱-质谱（GC-MS）[10]、[11]、液相色谱-质谱（LC-MS）[12]、[13]、毛细管电泳-质谱（CE-MS）[14]、[15]和核磁共振（NMR）光谱[16]、[17]。其中，LC-MS因其出色的灵敏度、准确性、高通量以及无需标记即可检测化合物的能力而广泛应用于代谢组学研究[18]、[19]。然而，使用LC-MS结合超高性能液相色谱和高分辨率质谱直接检测快速扩散的RNS（如一氧化氮NO）存在挑战。Griess反应常与质谱联合使用来检测NO代谢物，但在活细胞中缺乏实时检测能力，并且可能因副反应干扰代谢物分析[20]。电化学提供了一种成本效益高、操作简单的方法，具有高时间和空间分辨率及灵敏度，可用于检测活细胞和组织中NO、多巴胺和活性氧等生物分子的瞬时释放[21]。然而，其有限的处理能力和无法检测非电活性物质的特点限制了其在代谢研究中的应用。因此，开发一种同时具备高灵敏度和广泛代谢物覆盖范围的方法至关重要。

本文建立了一种电化学质谱与转录组学相结合的方法，用于分析柴胡皂苷D（SsD）对乳腺癌细胞中NO代谢的调节作用（图1a）。电化学用于在SsD处理过程中实时监测乳腺癌细胞释放的NO，采用了一种简单、成本效益高且可再生的电化学传感器（图1b和c）。代谢组学利用高分辨率质谱研究SsD处理后细胞和培养基中NO相关代谢物的变化，而转录组学用于分析SsD处理后基因表达的变化，进一步验证了所研究的代谢途径的正确性。结果的综合表明精氨酸水平下降，从而获得了SsD调节乳腺癌细胞中NO代谢的机制（图1d）。与以往主要关注NO气体单一表型并基于其浓度变化评估药物效果的研究不同，所提出的方法捕捉到了复杂的代谢过程和药物作用的更广泛机制。通过多维数据分析，从多个角度验证了基于NO代谢的药物效果评估，加强了药物作用的理论基础并提高了实验结果的可靠性。

电化学传感器的制备和性能表征

我们通过将合成的负载铂的金属有机框架（Pt/MOF）结合到Pt/FTO基底上，制备了一种对NO敏感且可再生的电化学传感器Pt/MOF/Pt/FTO。Pt/MOF具有基于簇的原子排列、可调的电子结构、高孔隙率、化学稳定性、较大的比表面积、可调的可见光带隙和光催化活性，使其具有优异的可再生特性，可用于降解R6G等污染物

SsD在乳腺癌中的抗增殖作用

为了阐明SsD的抗增殖作用，将人类乳腺癌MCF-7细胞和小鼠乳腺癌4T-1细胞分别用不同浓度的SsD处理24小时或48小时，然后使用CCK-8试剂检测细胞活力。如图S1a-S1d所示，SsD以剂量依赖的方式抑制了MCF-7和4T-1细胞的生长。根据48小时处理后的细胞活力结果，确定了半数抑制浓度（IC50）

结论

我们提出了一种结合电化学质谱和转录组学的新方法，全面分析了SsD对乳腺癌细胞代谢的影响。通过开发一种高灵敏度和可再生的电化学传感器（Pt/MOF/Pt/FTO），实现了对SsD处理后NO浓度变化的实时、准确监测。这种方法通过连续测量减少了检测误差和浪费。此外，通过

CRediT作者贡献声明

刘博通：撰写——原始稿件、方法学设计、实验研究、数据管理、概念构思。杨彤彤：撰写——审稿与编辑。李宣竹：实验研究、数据管理、概念构思。徐家全：撰写——审稿与编辑、验证。苏瑞：撰写——审稿与编辑、指导、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了吉林大学实验技术项目（SYXM2026a004）、国家自然科学基金（项目编号22422402）、吉林省科技发展计划（20260102134JC）和吉林省科技发展计划项目（SKL202402007）的支持。