整合多组学分析揭示了胶质瘤的典型代谢特征，并实现了基于血浆的液体活检技术

《Research》：Integrative Multi-Omics Analysis Reveals the Characteristic Metabolic Signature of Glioma and Enables Plasma-Based Liquid Biopsy

　　

3. 论文摘要翻译 利用基于液相色谱-质谱联用（LC-MS）的代谢组学和蛋白质组学技术，对来自122例成人胶质瘤患者的189份组织样本进行了分析，并利用基于核磁共振（NMR）的靶向代谢组学技术，对涵盖82例成人胶质瘤患者、53例儿童原发性脑肿瘤患者、80例胰腺癌患者和215例非肿瘤对照者的430名参与者的血浆样本进行了分析。结果表明，“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”以及“三羧酸（TCA）循环”通路的异常在胶质瘤各亚型及进展过程中普遍存在。值得注意的是，这些特征可在血浆中被捕获，从而反映了肿瘤组织与循环系统之间共享的代谢特征。基于此，研究人员开发了一种包含7种血浆代谢物（包括肌酸、乳酸、琥珀酸、N,N-二甲基甘氨酸、2-酮戊二酸、乙酸和谷氨酸）的液体活检模型。该模型在独立测试集中表现出较高的诊断准确性（成人胶质瘤组受试者工作特征曲线下面积[AUC] = 0.964；儿童原发性脑肿瘤组AUC = 0.925）。同时，该模型对胶质瘤的灵敏度（0.885）高于胰腺癌（0.800），为模型的肿瘤选择性提供了证据。总之，研究人员提出了一种基于血浆的代谢组学分类器，它能忠实反映胶质瘤的核心代谢重编程，并可作为易获取的液体活检工具。

4. 论文主体解读

研究背景与立项依据

胶质瘤是最常见的原发性恶性脑肿瘤，其准确诊断对患者管理至关重要。目前的临床诊断主要依赖影像学、循环生物标志物和病理活检。然而，与其他器官肿瘤不同，颅内肿瘤活检风险较高，尤其是位于脑干或功能区的病变。无创神经影像学虽然是主要的术前手段，但其诊断准确率仅约为70%，且在早期小体积胶质瘤中局限性明显。目前尚无获批用于临床的胶质瘤循环生物标志物，血脑屏障（BBB）严重限制了血液循环中颅内肿瘤来源遗传突变的可检测水平，循环肿瘤细胞（CTCs）或游离DNA（cfDNA）等液体活检方法未能取得令人满意的结果。代谢重编程是胶质瘤最显著的特征之一，且代谢产物因其小分子尺寸可自由通过脑微血管内皮细胞的相容性孔，因此血清代谢谱有望成为液体活检的替代方案。然而，胶质瘤的高度异质性以及肿瘤局部代谢重编程与全身系统性代谢变化之间的关系尚不明确，阻碍了基于外周血代谢组学的液体活检策略的开发。

研究方法概述

研究人员在南方医科大学珠江医院招募了566名参与者，包括胶质瘤患者、胰腺癌患者和非肿瘤对照者。研究采用了液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术对胶质瘤组织样本进行非靶向代谢组学和蛋白质组学分析，并利用600 MHz核磁共振（NMR）平台对血浆样本进行靶向代谢组学分析。通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析等多组学整合分析方法，识别关键的代谢重编程特征。随后，利用最小绝对收缩和选择算子（LASSO）回归、随机森林（RF）和支持向量机（SVM）等多种机器学习算法构建并验证了基于血浆代谢物的诊断模型。

研究结果

研究设计与参与者临床信息

研究共纳入430份血浆样本和122例成人胶质瘤患者的组织样本。组织样本被细分为肿瘤核心（TC）、瘤周脑组织区（PBZ）和正常邻近组织（NAT）。血浆样本被分为训练集和三个独立的测试集（成人胶质瘤测试集、儿童原发性脑肿瘤测试集和成人胰腺癌测试集）。

胶质瘤组织的代谢组学景观

基于LC-MS的非靶向代谢组学分析鉴定出2119种代谢物。OPLS-DA分析显示各组样本分离良好。差异分析发现，与正常邻近组织相比，肿瘤核心中55种代谢物上调，45种下调，包括同型丝氨酸、2'-脱氧肌苷以及L-天冬氨酸、L-谷氨酸等。KEGG通路分析强调“色氨酸代谢”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”以及精氨酸代谢通路受到显著干扰。网络分析表明L-谷氨酸、吡哆醇和5-氨基戊酸处于中心位置。

胶质瘤组织的蛋白质组学景观

基于数据非依赖性采集（DIA）模式的蛋白质组学分析鉴定出11658种蛋白质。差异表达蛋白（DEPs）的GO和KEGG分析显示，能量代谢、线粒体功能和氧化还原酶活性相关的通路发生显著改变，特别是“三羧酸（TCA）循环”和“氧化磷酸化”。联合通路分析证实“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”和“TCA循环”在蛋白质和代谢物水平上均存在显著扰动。生存分析还鉴定出P4HB、PML、PDIA4、CTSB和PLOD3等5种蛋白与不良预后相关。

多组学分析确定胶质瘤代谢重编程的关键特征

通过整合差异代谢物和差异蛋白的联合通路分析，进一步证实了能量代谢和氨基酸代谢通路（如TCA循环和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢）的核心地位。蛋白质-代谢物相互作用网络分析强调了L-谷氨酸的核心作用。O2PLS模型进一步验证了这两种代谢通路在胶质瘤代谢重编程中的关键地位。

成人胶质瘤亚型的代谢特征

针对IDH野生型胶质母细胞瘤（GBM）、IDH野生型星形细胞瘤、IDH突变型星形细胞瘤和IDH突变型少突胶质细胞瘤四种主要亚型的分析显示，尽管不同亚型间存在异质性，但“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”通路在代谢组和蛋白质组分析中均显著富集，而“TCA循环”通路在蛋白质组水平上受到关键影响。

WGCNA鉴定GBM中的枢纽代谢物和蛋白质

对IDH野生型GBM样本的WGCNA分析显示，紫色模块（包含63种代谢物）与GBM状态关联最强，其中“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”是主要富集通路，L-谷氨酸、L-天冬氨酸等是关键枢纽代谢物。蛋白质组的蓝绿色模块则包含了GLS、GOT1、CAD等关键酶，联合通路分析再次确认了TCA循环和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的核心地位。

成人胶质瘤患者的血浆代谢景观

基于NMR的靶向血浆代谢组学分析显示，胶质瘤患者与健康对照者的血浆代谢组存在显著差异。筛选出15种差异代谢物，其中“丁酸代谢”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”及“TCA循环”通路受到显著扰动。随机森林模型识别出肌酸、乳酸、N,N-二甲基甘氨酸、乙酸、琥珀酸、d-半乳糖、谷氨酸、谷氨酰胺和2-酮戊二酸是对预测准确性影响最大的代谢物。

胶质瘤患者血浆代谢物的诊断价值

在训练集中，12种血浆代谢物显示出AUC值超过0.75。通过LASSO回归和RF模型筛选，最终确定了包含肌酸、乳酸、琥珀酸、N,N-二甲基甘氨酸、2-酮戊二酸、乙酸和谷氨酸这7种代谢物的组合。基于SVM算法的模型在交叉验证中AUC达到0.978，在独立留样测试集中AUC为0.972，平均准确率为0.917。

基于血浆的胶质瘤液体活检的开发

研究人员将基于7种血浆代谢物的模型转化为逻辑回归列线图（Nomogram），以便于临床应用。校准曲线和决策曲线分析（DCA）证实了模型的稳健性和临床效用。SHAP分析揭示了各代谢物对模型预测的相对重要性，其中乳酸、肌酸和2-酮戊二酸的贡献最大。外部验证显示，该模型在成人胶质瘤测试集（AUC=0.964）和儿童原发性脑肿瘤测试集（AUC=0.925）中均保持高性能，但在胰腺癌测试集中的灵敏度有所下降，表明模型具有一定的肿瘤选择性。

基于血浆代谢组学的胶质瘤分子分型潜力

利用LC-MS非靶向代谢组学进一步探索分子分型潜力。结果显示，IDH突变型和IDH野生型胶质瘤患者的血浆代谢组显著分离，主要涉及“维生素B6代谢”、“谷胱甘肽代谢”等通路。此外，高级别胶质瘤（WHO III-IV级）与低级别胶质瘤（WHO I-II级）的血浆代谢特征也存在显著差异，涉及色氨酸代谢和嘌呤代谢等通路。

讨论与结论

该研究通过整合多组学分析，揭示了“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”以及“TCA循环”是胶质瘤发生发展过程中最显著扰动的代谢通路。研究证实了血浆代谢组学能够忠实地反映胶质瘤组织的代谢重编程特征，建立了一种基于7种血浆代谢物的高准确性诊断模型。该模型在不同年龄组和病理特征的胶质瘤患者中均表现出优异的诊断性能，优于现有的脑脊液cfDNA和血浆ctDNA检测策略。尽管该研究存在样本种族单一等局限性，但其开发的基于NMR的代谢组学临床诊断模型成本低、稳定性好，具有极高的临床转化潜力，特别是在缺乏先进影像设备的资源有限地区，可作为胶质瘤筛查或辅助诊断的有价值的非侵入性工具。该研究发表于《Research》期刊。