最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平課題組應(yīng)邀發(fā)表“代謝組學(xué)、代謝流技術(shù)及腫瘤藥理”的綜述文章
時間：2021-04-09 00:22:05學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平課題組應(yīng)邀發(fā)文系統(tǒng)總結(jié)了代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)的最新研究進(jìn)展，及其在腫瘤藥理學(xué)應(yīng)用中的重要研究進(jìn)展，包括發(fā)現(xiàn)抗腫瘤藥物靶點(diǎn)以及生物標(biāo)記物、揭示藥物作用機(jī)制和耐藥機(jī)制、促進(jìn)精準(zhǔn)治療等。值得一提的是，該綜述首次系統(tǒng)地總結(jié)繪制了代謝流分析中各種穩(wěn)定同位素標(biāo)記示蹤物的工作原理及其應(yīng)用（詳見圖2），這將為代謝流分析技術(shù)在代謝研究領(lǐng)域和腫瘤藥理中的廣泛應(yīng)用起到重要的推動作用。
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增殖中的腫瘤細(xì)胞通常以代謝重塑的方式來提供更多的生物能量和物質(zhì)，以滿足其自身快速增殖的需求。譬如，沃伯格效應(yīng)（Warburg effect）描述了即便是在有氧的情況下，腫瘤細(xì)胞仍然會上調(diào)糖酵解途徑，并產(chǎn)生更多的乳酸。深入理解腫瘤中的代謝重塑對于我們發(fā)現(xiàn)新型治療靶點(diǎn)，開發(fā)抗腫瘤藥物有著重大的啟示作用；而代謝組學(xué)和代謝流技術(shù)的發(fā)展則極大地促進(jìn)了我們對于腫瘤代謝的理解。代謝組學(xué)能夠給我們提供某一靜態(tài)時刻下的大量代謝物信息，而代謝流分析能夠動態(tài)地告訴我們某一代謝通路的流量變化。代謝組學(xué)和代謝流相輔相成，為我們理解腫瘤代謝打開了全面且動態(tài)的嶄新視角。
圖1. 基于液相色譜-質(zhì)譜的代謝組學(xué)-代謝流分析流程簡圖
代謝組學(xué)分析主要分為三步驟：樣品制備、數(shù)據(jù)采集、和數(shù)據(jù)處理分析與生物學(xué)意義闡釋。生物樣本經(jīng)過提取處理后，通過色譜-質(zhì)譜（mass spectrometry, MS）聯(lián)用或核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）來對代謝物進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)采集。簡要數(shù)據(jù)處理則主要包括通過火山圖和熱圖呈現(xiàn)代謝物的豐度和倍數(shù)變化，對代謝物進(jìn)行通路富集分析。后續(xù)則可選擇使用同位素標(biāo)記的代謝流分析來揭示代謝通路的動態(tài)變化，并使用體外或者體內(nèi)模型來進(jìn)行代謝重塑的功能和機(jī)制驗(yàn)證。近年來的代謝組學(xué)技術(shù)取得一些重要進(jìn)展，如胡澤平課題組發(fā)展的可用于極微量樣本（如1,000-5,000個造血干細(xì)胞或者60個卵母細(xì)胞）的超靈敏代謝組學(xué)技術(shù)和Sabatini課題組發(fā)展的線粒體代謝組學(xué)等，都推動了代謝組學(xué)在代謝生物學(xué)和腫瘤生物學(xué)中的應(yīng)用。
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代謝流分析（metabolic flux analysis, MFA）可以動態(tài)地揭示代謝通路的流量變化。當(dāng)一個代謝物產(chǎn)生積累時，可能是由于其生產(chǎn)的增加或者是消耗的減少?；诜€(wěn)定同位素示蹤法的MFA則可以幫助我們測量代謝流量：帶有穩(wěn)定同位素標(biāo)記的代謝物經(jīng)過生化反應(yīng)，則會導(dǎo)致下游代謝產(chǎn)物的標(biāo)記，產(chǎn)生在特定位置被同位素標(biāo)記的M+1,…,M+n代謝物。通過分析下游代謝物的標(biāo)記模式及被標(biāo)記代謝物的量，我們可以計(jì)算得出感興趣的代謝通路的流量速度和方向信息。
圖2. 穩(wěn)定同位素標(biāo)記示蹤劑標(biāo)記葡萄糖代謝通路（節(jié)選部分）
例如圖2（A）中全13C標(biāo)記的葡萄糖經(jīng)過糖酵解反應(yīng)，生成糖酵解終產(chǎn)物丙酮酸。丙酮酸又可經(jīng)丙酮酸脫氫酶生成乙酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA cycle）。另外，葡萄糖作為磷酸戊糖途徑和絲氨酸生物合成的底物，可以標(biāo)記這兩條代謝途徑中的中間產(chǎn)物。通過分析特定通路的下游產(chǎn)物標(biāo)記，我們可以得到在某段時間內(nèi)的代謝流量。圖2（B）則展示了全13C標(biāo)記的葡萄糖通過糖酵解代謝為丙酮酸后，可以通過丙酮酸脫氫酶和丙酮酸羧化酶兩種方式進(jìn)入三羧酸循環(huán)，從而產(chǎn)生M+2以及M+3的TCA中間產(chǎn)物，進(jìn)而我們可以分析得到兩種酶所介導(dǎo)的不同通路信息。
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代謝是高度復(fù)雜且受嚴(yán)密調(diào)控的動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)。除了基于特定酶、轉(zhuǎn)運(yùn)體的調(diào)控外，通路之間可以通過同一中間產(chǎn)物而產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。如果能找到腫瘤細(xì)胞中相較于正常細(xì)胞而特定依賴的代謝通路，那么我們就可以精確地靶向腫瘤細(xì)胞進(jìn)行治療和干預(yù)。
圖3. 促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長的代謝通路及潛在治療靶點(diǎn)
圖3.展示了細(xì)胞中復(fù)雜的代謝通路，包括葡萄糖的代謝（糖酵解、磷酸戊糖途徑）、脂肪酸代謝、核苷酸的合成、葉酸代謝等，其中特別標(biāo)記了值得調(diào)控的關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體，以及針對這些作為靶標(biāo)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)或者已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)的小分子藥物。譬如，在膠質(zhì)瘤中曾報(bào)道過突變的異檸檬酸脫氫酶（IDH）可以介導(dǎo)腫瘤代謝物2-羥戊二酸（2HG）的產(chǎn)生，展示了IDH作為抗腫瘤靶標(biāo)的潛力，從而引發(fā)IDH抑制劑的開發(fā)、獲批與應(yīng)用。
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代謝組學(xué)與代謝流分析也可以在腫瘤藥物研發(fā)中發(fā)揮重要作用，并可貫穿于每一步中：從發(fā)現(xiàn)靶點(diǎn)到理解藥物作用機(jī)理，從耐藥機(jī)制研究到指導(dǎo)精準(zhǔn)治療。
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經(jīng)過代謝組學(xué)分析后，差異代謝物和代謝通路可引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)潛在的生物標(biāo)記物和可靶向的代謝依賴性和弱點(diǎn)。潛在的生物標(biāo)記物可幫助腫瘤的早期診斷、預(yù)后和藥物有效性預(yù)測。通過結(jié)合代謝流分析，代謝靶標(biāo)可以幫助新藥研發(fā)，或者是幫助科研人員更好地理解現(xiàn)有藥物的作用機(jī)制，以及如何產(chǎn)生耐藥，從而改善現(xiàn)有療法。藥理代謝組學(xué)可以用于指導(dǎo)精準(zhǔn)治療；飲食干預(yù)療法則可以作為藥物治療的輔助手段。
圖4.代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)在腫瘤藥物研發(fā)和藥理學(xué)中的應(yīng)用
盡管代謝組學(xué)和代謝流分析極大拓展了我們對于腫瘤生物學(xué)的理解，但是領(lǐng)域中依舊存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和瓶頸，比如靈敏度不足、精準(zhǔn)度不夠、難以進(jìn)行代謝流分析，以及至今無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的單細(xì)胞代謝組學(xué)（特別是由于靈敏度的技術(shù)瓶頸）等等。相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步和新型方法開發(fā)都將進(jìn)一步促進(jìn)代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)在不同生物醫(yī)學(xué)背景下的應(yīng)用。下一階段的研究需要更好地整合、利用所獲取的代謝重塑表型和機(jī)制信息，將其轉(zhuǎn)化成更好的抗腫瘤療法。藥物研發(fā)方面需要更多地關(guān)注腫瘤微環(huán)境，尤其是腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞之間的代謝相互作用。多組學(xué)整合的應(yīng)用，包括基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等，將有助于加深我們對于腫瘤生物學(xué)的理解和利用，進(jìn)一步加速抗腫瘤藥物的研發(fā)。
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以上綜述文章于2021年3月1日應(yīng)邀在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《藥理學(xué)&治療》（Pharmacology & Therapeutics），題為《代謝組學(xué)、代謝流分析與腫瘤藥理學(xué)》（Metabolomics, metabolic flux analysis and cancer pharmacology），此前，胡澤平課題組曾于2019年獲邀在國際知名臨床藥理期刊《臨床藥理學(xué)&治療》Clinical Pharmacology & Therapeutics發(fā)表代謝組學(xué)技術(shù)及其在臨床藥理中應(yīng)用的相關(guān)綜述。
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清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平研究員與煙臺大學(xué)藥學(xué)院王洪波教授為本文通訊作者，2016級藥學(xué)院本科畢業(yè)生梁凌帆與胡澤平課題組2020級博士研究生孫菲分別為本文第一、第二作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委糖脂代謝重大計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（92057209）、基金委面上項(xiàng)目（81973355）、國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0802100-02, 2020YFA0803300）、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的資助。
點(diǎn)擊鏈接，閱讀原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0163725821000292
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