空间代谢组学技术研究前列腺癌的空间代谢差异
质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作为一种新型的分子影像技术，能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息。相对于其他成像方法（如荧光成像、放射性标记成像等），该技术无需化学或放射性标记、不需复杂样品前处理，具有高特异性、高通量和空间信息保留的突出优势。质谱成像技术可以实现生物组织中上千代谢物的定性、定量和定位分析，结合生物信息学分析，发展为空间代谢组学方法，可从生物组织原位发现差异代谢物，并识别其生物学功能。
本篇小鹿分享一篇空间代谢组学专业应用技术文章，探究空间代谢组学如何进行前列腺癌诊断和预后生物标志物的差异研究？该研究发现了前列腺癌样本中的特定组织区室的不同代谢特征，确定了几种可能被进一步开发为前列腺癌的诊断和预后生物标志物的差异代谢物和脂质。空间代谢组学能够快速提供代谢物的水平差异和空间信息，是临床上有潜力的创新诊断工具。
背景介绍
前列腺癌组织的分子表征对于寻找新的生物标志物、验证临床生物标志物和确定潜在的治疗靶点非常重要。然而，前列腺癌组织样本包含正常上皮、增生、基质和肿瘤区域，具有高度异质性，组织间固有的功能和分子差异导致常规的批量检测方法有不同程度的信息丢失。
质谱成像（MSI）可以对组织切片不同区域中的潜在癌症标志物进行空间检测，有利于分析和比较不同组织类型的代谢组和脂质组学特征。
实验设计
收集了15名前列腺癌患者共计45份新鲜冷冻组织核心样本，进行空间代谢组学分析。从而实现对良性区域和肿瘤、NCE（包括正常腺体和增生）和癌症的不同组织类型的代谢组和脂质组学研究。
实验结果
1.样品和分析概述
成功鉴定了 27 种代谢物和 44 种脂质，发现NCE（非癌上皮细胞）、基质细胞和癌症组织代谢存在明显差异。
图1：运用空间代谢组学测到的代谢物和脂质的主成分分析(PCA)得分图
a为负离子模式下扫描所得，b为正离子模式数据集。
按组织类型着色：NCE（蓝色）、癌（红色）和基质（黄色）。
2.不同组织成分之间的代谢物差异
图2两两比较了NCE细胞、基质细胞和癌症细胞的代谢差异。柠檬酸盐、天冬氨酸盐、锌和多胺精胺在正常前列腺上皮细胞中含量较高，在癌症细胞中则水平较低。牛磺酸、葡萄糖、肌酸、AMP、ADP和ATP水平较高，与正常前列腺上皮功能相关联的代谢物（柠檬酸盐，天冬氨酸盐，锌和精胺）水平较低。癌症组织中肉碱、乙酰肉碱、N-乙酰天冬氨酸、甘油磷酸乙醇胺这些与脂质合成和脂质重排相关的几种代谢物含量上调，导致磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰肌醇(PI)含量上升。
图2：通过正交偏最小二乘判别分析 (OPLS-DA) 确定的非癌上皮 (NCE)、基质和癌症之间的代谢差异
代谢物显示为蓝色圆圈，脂质为绿色圆圈。
ACho = 乙酰胆碱，ADP = 二磷酸腺苷，AMP = 一磷酸腺苷，ATP = 三磷酸腺苷，BCt = 丁酰-L-肉碱，GPE = 甘油磷酸乙醇胺，HBCt = 羟基丁酰肉碱，NAA = N-乙酰天冬氨酸，LPC = 溶血胆碱，多聚磷脂酰胆碱= 磷酸乙醇胺，PE = 磷脂酰乙醇胺，PC = 磷脂酰胆碱，PG = 磷脂酰甘油，PI = 磷脂酰肌醇，PS = 磷脂酰丝氨酸，SM = 鞘磷脂。
图3绘制了不同代谢物在组织内浓度的图像，直观显示了代谢物在NCE细胞、基质细胞和癌症细胞的浓度差异。
图3：组织切片在两种离子模式下，已识别代谢物的空间分布
在正离子和负离子模式下检测到的质量分别用红色加号和蓝色减号表示。组织边缘用黑色边框勾勒出轮廓，但癌症区域还包含一些无法单独注释的癌细胞与基质的区域。
ADP = 二磷酸腺苷，ATP = 三磷酸腺苷，GPEA = 甘油磷酰乙醇胺，HBCt = 羟基丁酰肉碱，HE = 苏木精和伊红，LPC = 溶血磷脂酰胆碱，NAA = N-乙酰天冬氨酸，PE = 磷脂酰乙醇胺，PI = 磷脂酰肌醇
3.癌症组织中代谢途径的改变
与膜生成密切相关的脂质从头合成增加是许多癌症类型的关键特征。与NCE相比，参与磷脂合成和重排的小代谢物，如胆碱和 GPE，在癌症组织中水平上调。此外，还检测到癌症组织中的磷脂水平升高。尽管先前的研究显示中间体磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱、乙醇胺或PC在在前列腺癌中具有更高的水平，但本次检测中这些代谢物和脂质在癌症和NCE细胞之间没有明显差异，需要对此进行进一步研究。与NCE相比，LPC的含量在癌症细胞中的水平下降。
β-氧化增加是癌症中常见的另一种代谢改变。β-氧化的限速步骤是肉碱穿梭，检测到肉碱和乙酰肉碱在癌症中显著上调，为 β-氧化升高提供了证据。大量研究表明肉碱穿梭系统具有进一步研究诊断的潜力。
图4：比较NCE与癌症的正交偏最小二乘判别分析 (OPLS-DA) 模型
以红色表示癌症中的较高水平的代谢物，蓝色表示较低水平的代谢物。
CoA = 辅酶 A，CPT1 = 肉碱棕榈酰转移酶1，CACT = 肉碱乙酰肉碱转移酶，CrAT = 肉碱 O-乙酰转移酶，FA = 脂肪酸，GPE = 甘油磷酸乙醇胺，NAA = N-乙酰天冬氨酸
实验结论
前列腺癌组织样本中的不同组织区域具有不同的代谢特征。使用空间代谢组学确定了关键分子过程中的代谢差异，例如NCE、基质和癌症之间的脂质代谢和前列腺分泌功能。
在不同组织结构中观察到的代谢物水平差异，表明了空间信息及其测量方法的重要性。本实验仍然存在一定的局限性，质谱成像过程中存在分子离域，可能导致结果假阴性。
文末看点｜lumingbio
在获得AFADESI平台原创团队全力支持下，截止2021年9月，鹿明生物已经完成共计近千例样本经验，包括心脏、脑、肿瘤、肠道、肝脏、肾脏、皮肤等十几种组织样本空间代谢组学检测及分析，检测物质涵盖胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物。
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