《JCO Precision Oncology》：Developing a Metabolic-Associated Prognostic Index for Risk Stratification and Therapeutic Guidance in Stage I Lung Adenocarcinoma via Multiomics Analysis
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这篇研究构建了一个基于代谢基因的预后指数（MAPI），用于对I期肺腺癌（LUAD）患者进行风险分层。MAPI能够区分高风险与低风险患者，预测其生存差异、免疫微环境特征及药物敏感性，为早期LUAD的精准治疗决策提供了新工具。
引言
肺腺癌（LUAD）是全球癌症相关死亡的主要原因，I期患者的长期预后仍不理想，5年总生存（OS）率为67%-90%，复发风险约为17.9%。代谢重编程是癌症的重要特征，在LUAD的早期阶段即发挥作用，可能为预后建模提供基础。然而，目前仍缺乏专门针对I期LUAD的代谢预后模型。为此，本研究旨在开发一个代谢相关预后指数（MAPI），以识别高风险患者并支持治疗决策。
材料与方法
研究纳入了来自TCGA、GEO和EGA数据库的550例I期LUAD患者样本。从KEGG、REACTOME和Human-GEM数据库收集了3,663个代谢基因。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）和差异表达分析，筛选出与LUAD恶性程度及预后相关的代谢基因。随后，利用十种经典机器学习算法及其组合构建了针对无病生存期（DFS）的预后模型，并通过一致性指数（C-index）评估模型性能，最终选择了StepCox[forward]与Ridge组合作为最终的MAPI模型。
结果
MAPI的构建与验证
MAPI模型在训练队列（TCGA）中将患者分为高风险和低风险组，高风险组患者表现出显著更短的DFS和OS。受试者工作特征（ROC）曲线显示，MAPI在预测DFS和OS方面优于常规临床病理学特征。时间依赖性ROC曲线显示，MAPI对1年、3年和5年DFS及OS的预测具有稳健的效能。亚组分析显示，在不同肿瘤分期（IA和IB期）中，低风险组的DFS均 consistently更好。多变量Cox分析证实，MAPI是DFS和OS的独立预测因子。在三个独立验证队列（GSE30219、GSE31210、FUSCC）中，MAPI同样能有效分层患者的DFS和OS，并在多变量分析中保持独立预后价值。与先前已发表的预后模型相比，MAPI的性能在所有队列中均名列前茅。
MAPI风险组间不同的分子特征与遗传改变
高风险组的聚糖代谢、辅因子和维生素代谢通路活性显著增强，而低风险组的脂质代谢和初级胆汁酸生物合成通路更为活跃。基因集富集分析（GSEA）同样强调了低风险组中脂肪酸代谢和胆汁酸代谢的富集。除了代谢差异，高风险组还表现出与细胞增殖、迁移和抗细胞死亡相关通路的 upregulation，这些均与肿瘤干细胞性相关。通过OCLR算法评估的肿瘤干细胞性指数（mRNAsi）在高风险组中更高。遗传改变分析显示，高风险组的肿瘤突变负荷（TMB）更高，且TP53突变频率显著高于低风险组。无论TMB高低，高风险组均表现出更差的DFS。
低风险组表现出增强的免疫浸润和潜在的免疫治疗获益
肿瘤微环境（TME）分析表明，低风险组中大多数免疫细胞亚型（包括树突状细胞、粒细胞和淋巴细胞）的浸润水平升高，而高风险组中无任何免疫细胞富集。MAPI评分与免疫浸润呈负相关。癌症-免疫周期评分分析显示，低风险组在多个步骤（如免疫细胞向肿瘤的运输和浸润）活性上调。通过TIDE算法预测，低风险组对免疫治疗的反应率显著更高，TIDE评分和排除评分更低。免疫表型评分（IPS）同样提示低风险组可能从免疫治疗中获益。SubMap分析进一步表明，低风险组患者与接受过继性T细胞治疗的完全或部分缓解者相似。
针对高风险组的治疗筛选
由于预测高风险组对免疫治疗反应有限，研究利用基因组学药物敏感性数据库（GDSC）和癌症治疗反应门户（CTRP）筛选潜在治疗药物。分析发现，BI-2536、硼替佐米（bortezomib）、拉帕替尼（lapatinib）、MK-1775、紫杉醇（paclitaxel）和长春新碱（vincristine）这六种化合物在高风险组中的预测敏感性评分较低，且与MAPI评分负相关。其中，紫杉醇、硼替佐米和长春新碱的CMap评分小于0，表明它们有潜力将高风险转录程序逆转至正常样状态，因此成为高风险I期LUAD患者的潜在候选治疗药物。
在单细胞分辨率下验证MAPI
利用早期LUAD（包括原位腺癌AIS、微浸润性腺癌MIA和浸润性腺癌IAC）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，计算每个上皮细胞的MAPI评分。结果显示，来自MIA和IAC的细胞具有更高的MAPI评分。通过CytoTRACE预测细胞分化状态，发现低风险细胞的CytoTRACE评分更低，且CytoTRACE评分与MAPI评分呈正相关。高风险细胞上调了与细胞增殖和能量代谢相关的通路，并表现出整体增强的代谢活性，在单细胞水平证实了MAPI的稳健性和机制合理性。
评估DEGS1和PLOD1的致癌作用
在构成MAPI的所有基因中，DEGS1和PLOD1对MAPI评分的贡献最大，且与其呈正相关。在TCGA队列中，这两个基因的高表达均与较差的DFS相关。在A549和H358两种LUAD细胞系中敲低DEGS1或PLOD1后，细胞的增殖和迁移能力均被显著抑制。这些体外实验结果证实了DEGS1和PLOD1在LUAD中的致癌功能。
讨论
目前LUAD的管理依赖于TNM分期系统，但该系统仅捕捉了疾病生物学异质性的一部分。本研究开发的MAPI能够 robustly 将I期LUAD患者分层为具有不同生存结局、分子特征和治疗脆弱性的两组。研究发现了与肿瘤进展相关的代谢模块，如涉及细胞呼吸的模块13、丝氨酸代谢模块15和磷脂代谢模块16。高风险患者可能从免疫治疗中获益有限，但对紫杉醇、硼替佐米和长春新碱显示出更高的敏感性。然而，这些预测是基于生物信息学分析，仍需进一步的临床验证。研究还确认了DEGS1和PLOD1作为MAPI的核心组分及其促癌功能。
本研究的局限性包括纳入的队列是回顾性的、特定生物学验证（如scRNA-seq）的样本量有限、药物敏感性分析是计算性的，以及未进行超参数调优（如嵌套交叉验证）。未来研究需要纳入这些方法以进一步优化模型的复杂性和普适性。
总之，本研究为I期LUAD患者建立了一个新颖的预后模型，该模型能够解释其临床异质性，有助于识别高风险患者，并支持精准治疗的实施。
