基于血液代谢特征的五标志物面板用于肺癌早期检测

《Cell Reports Medicine》：A blood-based metabolic signature for earlier detection of lung cancer

　　

研究人员对前列腺、肺、结直肠和卵巢（PLCO）癌症筛查试验中1,259份确诊肺癌前五年内采集的血清及8,470份曾有吸烟史的非病例血清进行了代谢组学分析，以识别用于肺癌早期检测的代谢特征。研究人员开发了一个由五种肺癌相关代谢物组成的组合面板（L5MetP：二乙酰精胺、肌酸核糖苷、精氨酸、次黄嘌呤和酰基肉碱C18:1），用于评估肺癌的1年发病风险。在测试集中，L5MetP预测肺癌1年风险的受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.79（95% CI：0.76–0.82）。L5MetP还能补充现有的预测肺癌发病风险及肺癌死亡风险的临床风险模型。L5MetP为识别需要接受肺癌筛查的曾有吸烟史个体提供了一种手段。

肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，早期检测是改善患者预后的关键。目前以低剂量计算机断层扫描（LDCT）为基础的肺癌筛查虽已证实可降低死亡率，但美国预防服务工作组（USPSTF）推荐的筛选标准仅纳入吸烟史符合特定阈值的人群，导致相当一部分实际发生肺癌的个体因不符合现行筛查条件而漏诊，同时筛查依从性整体偏低。肿瘤发生发展过程中伴随显著的代谢重编程，这些变化可在外周血中被检测到，为开发基于血液的代谢物标志物用于肺癌风险分层提供了机会。然而，此前缺乏在大型前瞻性队列中对诊断前血清进行系统代谢组学筛选并验证的研究。

研究人员利用前列腺、肺、结直肠和卵巢（PLCO）癌症筛查试验中10个研究中心共计1,259份肺癌确诊前五年内采集的血清和8,470份非病例血清，随机划分为开发集和独立验证集，采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）非靶向代谢组学分析，建立了由五种肺癌相关代谢物组成的组合面板（L5MetP：二乙酰精胺、肌酸核糖苷、精氨酸、次黄嘌呤和酰基肉碱C18:1），用于预测1年肺癌风险。进一步在癌症基因组图谱（TCGA）肺腺癌（LUAD）和鳞状细胞癌（LUSC）转录组数据、公共空间转录组（ST）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据以及K-ras^G12D LUAD小鼠模型中验证了该面板的生物学相关性，并与现有临床风险模型PLCOm2012、肺癌风险评估工具（LCRAT）、利物浦肺癌项目发病率模型（LLPI）及肺癌死亡风险评估工具（LCDRAT）进行了互补性比较。该研究发表在《Cell Reports Medicine》。

主要技术方法包括：对PLCO试验血清样本进行单批次非靶向代谢组学筛选，使用Lasso正则化回归构建组合面板并在独立的set-aside测试集中进行固定系数验证；使用TCGA-LUAD和TCGA-LUSC转录组数据（510例LUAD和484例LUSC肿瘤组织及110例正常肺组织）分析相关代谢通路基因表达；使用人类肿瘤图谱网络（HTAN）数据门户获取的空间转录组和单细胞RNA测序数据解析细胞类型特异的代谢通路富集模式；采用CCSPCre/LSL-K-ras^G12D（CC-LR）小鼠模型（N=7）及野生型（WT）对照小鼠（N=12）进行肺组织和血浆代谢组学分析；在开发集建立、测试集及全PLCO样本集中评估L5MetP与临床风险模型联合的性能。

研究发现主要包含以下几个部分：

**PLCO开发集中循环代谢物与肺癌风险的关联**。对489份确诊前五年内血清和3,445份非病例血清进行非靶向代谢组学分析，共检测并定量81种注释代谢物。无监督聚类识别出四个动态轨迹簇：簇1（n=21）稳定，簇2（n=40）随诊断临近逐渐升高，簇3（n=13）逐渐降低，簇4（n=7）在诊断前2年内呈指数升高。簇2包含多种氨基酸和嘌呤/嘧啶代谢物，簇4富集乙酰化多胺及肌酸核糖苷等与肺癌先验相关的代谢物。81种代谢物中有33种与肺癌风险升高独立相关（调整后比值比[OR] > 1，错误发现率[FDR]校正p < 0.05）。

**PLCO开发集中1年肺癌风险评估组合规则的建立**。使用Lasso正则化回归从81种代谢物中筛选出五种标志物构成L5MetP，对1年肺癌风险预测的受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.75（95% CI：0.71–0.79）。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）个体中AUC为0.75（95% CI：0.64–0.86）。按分期分层时，I-II期和III-IV期病例的AUC分别为0.69（95% CI：0.61–0.77）和0.82（95% CI：0.76–0.87）；按组织学分层时，非小细胞肺癌（NSCLC）和小细胞肺癌（SCLC）的AUC分别为0.74（95% CI：0.69–0.78）和0.82（95% CI：0.73–0.91）。

**独立PLCO测试集中L5MetP的1年风险预测验证**。使用来自其余5个独立研究中心的770份确诊前血清和4,984份非病例血清进行固定系数验证。L5MetP的预测性能随采血时间临近诊断而指数增加，诊断前1年内采血的病例AUC达到0.79（95% CI：0.76–0.82）。早期（I-II期）和晚期（III-IV期）病例的AUC分别为0.75（95% CI：0.70–0.79）和0.82（95% CI：0.77–0.87）；NSCLC和SCLC的AUC分别为0.80（95% CI：0.76–0.83）和0.75（95% CI：0.65–0.85）。

**肺肿瘤及正常肺组织中L5MetP相关代谢酶基因表达模式**。基于KEGG数据库和相关研究，L5MetP五种代谢物的生物合成涉及多胺代谢、尿素循环、肌酸合成、磷酸戊糖途径（PPP）、脂肪酸氧化（FAO）和嘌呤代谢六条代谢通路。对TCGA中994例肺肿瘤（510例LUAD和484例LUSC）和110例正常肺组织分析显示，LUAD和LUSC肿瘤中多胺代谢、尿素循环、肌酸合成、PPP和嘌呤代谢通路签名评分显著高于正常肺组织（校正p < 0.0001），FAO签名总体降低但关键酶CPT2在肿瘤中显著升高。空间转录组分析显示上述通路在肿瘤上皮中高度富集；单细胞RNA测序数据进一步证实FAO、尿素循环、肌酸合成、PPP和嘌呤代谢在LUAD和SCLC肿瘤上皮中高度富集，而多胺代谢信号在多种细胞群体中广泛表达。CC-LR小鼠肺组织中五种代谢物均被检测到，L5MetP评分在LUAD小鼠肺组织（p = 0.0072）和血浆（AUC = 0.75）中显著高于WT小鼠，表明L5MetP反映肺癌存在。

**L5MetP与现有临床风险预测模型的互补性**。在set-aside测试集中，L5MetP与PLCOm2012、LCRAT和LLPI结合后，AUC分别提升5.1%、4.7%和5.8%。例如，L5MetP+PLCOm2012的1年风险预测AUC为0.85（95% CI：0.83–0.87），而PLCOm2012单独为0.81（95% CI：0.78–0.84）（p < 0.0001）。在58%特异性下，USPSTF现行筛查标准的灵敏度为79%，而L5MetP+PLCOm2012模型灵敏度为92%；在79%灵敏度下，联合模型特异性为75%。联合模型的改善在符合现行筛查条件（AUC从0.73提升至0.80）和不符合筛查条件（AUC从0.75提升至0.85）的个体中均显著。

**L5MetP预测肺癌特异性死亡的表现**。在PLCO队列中，552例肺癌患者中387例（70%）死于肺癌。基于全PLCO样本集的连续L5MetP评分的肺癌死亡原因特异性风险比（CS-HR）和亚分布风险比（SD-HR）分别为3.05（95% CI：2.63–3.54）和3.19（95% CI：2.75–3.71）。以最低四分位组（Q1）为参照，最高四分位组（Q4）的肺癌死亡CS-HR为5.31（95% CI：4.14–6.80）。L5MetP+LCDRAT联合模型的肺癌死亡预测AUC为0.85（95% CI：0.82–0.87），显著优于LCDRAT单独使用的0.81（95% CI：0.79–0.83）（p = 0.0002），Q4组的CS-HR达到118.86（95% CI：29.53–478.35）。

讨论部分指出，L5MetP在生物学上与肺癌中多胺代谢、精氨酸-尿素循环、肌酸核糖苷生成、PPP、嘌呤代谢和FAO等通路的异常激活相关，这些通路在肺肿瘤中较正常肺组织显著富集。精氨酸作为连接尿素循环与肌酸核糖苷和多胺生物合成的中枢代谢物，其循环水平升高与癌症风险增加相关；KRAS等致癌基因可抑制ASS1表达并上调SLC7A1转运体，促进肿瘤细胞外源性精氨酸摄取。多胺代谢的关键限速酶ODC1受致癌性c-MYC转录调控，在肺肿瘤中过表达。次黄嘌呤作为黄嘌呤氧化还原酶（XOR）的底物，其产物活性氧（ROS）可促进肿瘤进展。长链酰基肉碱可损害肺表面活性物质功能并诱导巨噬细胞NF-κB信号和炎症反应。临床意义上，L5MetP可单独或与临床风险模型联合，为现行筛查标准之外的吸烟史个体提供风险评估，促进LDCT筛查的精准转诊。研究局限性包括队列仅纳入吸烟者、未评估其他癌种特异性、非病例对照定义可能引入选择偏倚、良性肺部疾病可能导致假阳性，以及缺乏PLCO病例肿瘤组织与循环代谢物水平的直接关联分析。

研究结论为：L5MetP与临床风险模型相结合，为更好地识别具有吸烟史且受益于肺癌筛查以进行早期检测的个体提供了有效手段。