路麗娟，劉明浩，馬 萍，王瑞玲

結(jié)直腸癌 (colorectal cancer, CRC) 是我國(guó)常見的惡性腫瘤之一。隨著我國(guó)人們生活水平的不斷提高和飲食習(xí)慣的改變，CRC的發(fā)病率也在逐年升高，已躍居第 3～5 位。然而，多數(shù)早期CRC可以治愈，顯著優(yōu)于進(jìn)展期的CRC，早期CRC的5年生存率可達(dá)90%，而晚期則不足10%[1]。所以，CRC的早期診斷尤為重要。但是，目前檢查手段的敏感性和特異性比較低，作為金標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)直腸鏡檢查有一定風(fēng)險(xiǎn)，且不能在人群中進(jìn)行大規(guī)模的篩查。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，尋找CRC特異代謝產(chǎn)物，提高CRC早期發(fā)現(xiàn)率，成為亟待需要解決的問題。

1 氨基酸代謝組學(xué)

代謝組學(xué)(Metabolomics，MS)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)之后迅速發(fā)展的一門“組學(xué)”，已經(jīng)有十幾年的發(fā)展歷史。MS比其他“組學(xué)”有更高的靈敏性。MS的特點(diǎn)[2]：①基因和蛋白表達(dá)的極小變化可以引起代謝產(chǎn)物的進(jìn)一步放大。②不需要完整的基因序列或者大型的表達(dá)序列。③代謝途徑少。④每種物種的代謝產(chǎn)物都是相似的。MS可以研究小分子物質(zhì)如：氨基酸、脂肪酸、核酸、糖類等代謝通路發(fā)生的改變。這些小分子物質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的最終結(jié)果，更加容易早期發(fā)現(xiàn)疾病的異常代謝產(chǎn)物[3]。代謝組學(xué)不僅會(huì)提供小分子物質(zhì)的代謝網(wǎng)絡(luò)，而且還有助于我們發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)和治療腫瘤的新物質(zhì)?，F(xiàn)在越來越多的科研工作者將MS用于惡性腫瘤的研究。氨基酸在生物體液中廣泛分布，并參與蛋白質(zhì)，脂肪酸和酮體的合成。參與糖酵解、三羧酸循環(huán)等重要的生理過程。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生物學(xué)中氨基酸水平的改變與幾種疾病密切相關(guān)，如:2型糖尿病，腎臟疾病，肝臟疾病和癌癥。所以開發(fā)測(cè)定氨基酸的分析方法，測(cè)定生物樣品中氨基酸的濃度，可以有助于研究氨基酸的生理作用和預(yù)測(cè)疾病[4]。腫瘤細(xì)胞為了滿足自身生物合成的需求，不斷的需要攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。腫瘤細(xì)胞無限制的增殖，對(duì)氨基酸的需求遠(yuǎn)大于正常組織。所以，利用氨基酸代謝失衡預(yù)測(cè)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后，檢測(cè)化療藥物的不良反應(yīng)是非常具有前景的工作。常用的氨基酸代謝組學(xué)技術(shù)有：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrography, GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(capillary electrophoresis mass spectrometry, CE-MS)。LC-MS 集液相色譜的高效分離功能和質(zhì)譜的高度靈敏性于一體，可以同時(shí)檢測(cè)人體全譜氨基酸，幾乎覆蓋了氨基酸代謝的重要關(guān)鍵位點(diǎn)，并且檢測(cè)時(shí)間短，分離度高。因此，LC-MS用于CRC代謝的研究具有充分的可能性[5-6]。

2 氨基酸代謝在腫瘤細(xì)胞中的異質(zhì)性

美國(guó)的科學(xué)家Douglas Hanahan和Robert A.Weinberg在2000年總結(jié)腫瘤細(xì)胞的十大特征：①持續(xù)不斷的生長(zhǎng)信號(hào)。②抵抗生長(zhǎng)抑制劑。③抵抗細(xì)胞凋亡。④無限制的復(fù)制。⑤誘導(dǎo)的血管生成。⑥組織浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移。⑦逃逸機(jī)體免疫監(jiān)視。⑧促進(jìn)腫瘤的炎癥發(fā)生。⑨基因組不穩(wěn)定性和突變。⑩細(xì)胞能量異常[7]。而能量代謝異常，是新提出的特征，也是腫瘤細(xì)胞最顯著的特征之一。氨基酸的代謝參與腫瘤細(xì)胞的能量代謝過程。

2.1谷氨酰胺代謝失衡 谷氨酰胺不僅是人體血液中最豐富的非必需氨基酸，也是腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)基中的重要成分。谷氨酰胺是支持生存和哺乳動(dòng)物生物合成的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。已經(jīng)證實(shí)谷氨酰胺是參與腫瘤細(xì)胞能量代謝的重要氨基酸[8]。谷氨酰胺為腫瘤細(xì)胞合成生物大分子提供碳骨架，為腫瘤細(xì)胞合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，還可以維持腫瘤細(xì)胞氧化還原平衡能力，參與腫瘤細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[9]。Miyo等[10]發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌細(xì)胞在無葡萄糖存在的環(huán)境下，仍然可以生存，而且可以進(jìn)行三羧酸循環(huán)，可以提供ATP供能。這與谷氨酰胺脫氫酶分解谷氨酰胺供能密切相關(guān)。抑制谷氨酰胺脫氫酶可以抑制腫瘤的生長(zhǎng)。Krishnamurthy等[11]運(yùn)用同位素分析方法得出：在CRC的細(xì)胞系中，谷氨酰胺是氮元素的受體，而丙氨酸、天冬氨酸和脯氨酸是癌細(xì)胞氮的供體?？赡苁潜彼帷⑻於彼岷透彼嵩谵D(zhuǎn)氨過程中產(chǎn)生了谷氨酰胺。但是，具體機(jī)制尚不明確。

2.2絲氨酸和甘氨酸代謝失衡 研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)CRC細(xì)胞系過度表達(dá)磷酸絲氨酸磷酸酶(PSPH)，PSPH可以調(diào)節(jié)絲氨酸和甘氨酸的合成，并支持結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[12]。絲氨酸和甘氨酸被生物合成連接，并一起提供合成蛋白質(zhì)、核酸和脂類的前體物質(zhì)?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，從小鼠飲食中去除兩個(gè)非必需氨基酸——絲氨酸和甘氨酸，可以減慢了淋巴瘤和腸癌的發(fā)展。絲氨酸和甘氨酸分解代謝可以產(chǎn)生一碳單位，一碳單位參與細(xì)胞的生物合成、氧化還原平衡、甲基化反應(yīng)等重要的代謝過程，這些生理過程在腫瘤細(xì)胞中被“超活化”從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生[13]。

3 氨基酸代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌的應(yīng)用

3.1氨基酸在篩選結(jié)直腸癌早期標(biāo)記物中的應(yīng)用 Montrose等[14]人對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)小鼠的腫瘤組織中，絲氨酸的表達(dá)量比正常組織明顯增加。Leithtle等[3]利用代謝組學(xué)的技術(shù)，對(duì)58名CRC患者和59名健康對(duì)照人群的結(jié)直腸組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)CRC組織中有11種氨基酸表達(dá)下降，其中甘氨酸、酪氨酸和癌胚抗原(Carcinoembryonic antigen，CEA)的組合預(yù)測(cè)CRC要優(yōu)于單用CEA進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型受試者工作特征曲線下面積(the area under the receive operating characteristic curve, AUC)0.878(95% CI：0.815～0.941)。Nishium 等[15]人對(duì)60名CRC患者和60名健康志愿者的血清標(biāo)本進(jìn)行代謝組學(xué)的研究建立了一個(gè)由2-羥基丁酸、天冬氨酸、犬尿氨酸和胱胺等4種物質(zhì)組成的預(yù)測(cè)的模型。此模型的敏感性要優(yōu)于CEA和CA199聯(lián)合預(yù)測(cè)CRC。隨后，Nishium對(duì)59例CRC患者和63例健康人群使用此模型進(jìn)行驗(yàn)證，其靈敏度和特異度分別是：83.1%和81%。此外，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)此模型對(duì)0～Ⅱ期CRC的診斷的敏感性可達(dá)82.8%。Deng等[16]人對(duì)CRC患者和結(jié)直腸息肉患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)酪氨酸、組氨酸、甘氨酸、谷氨酸、纈氨酸等23種代謝產(chǎn)物在兩組之間的表達(dá)有差異。Deng等在對(duì)CRC和健康人研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸、組氨酸、丙氨酸、胱氨酸在兩組之間的表達(dá)有差異。

3.2氨基酸在結(jié)直腸腺瘤中的應(yīng)用 Gao等[17]基于電泳-質(zhì)譜的非靶向代謝組學(xué)技術(shù)來分析CRC和相應(yīng)的癌旁組織，以縮小惡性相關(guān)代謝物變化的范圍。該實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果提示CRC起病最嚴(yán)重的代謝物是氨基酸。隨后，他們又通過超高效液相色譜-質(zhì)譜法指示的靶向氨基酸分析，發(fā)現(xiàn)晚期腺瘤和CRC組織中9種氨基酸含量不同。9種差異氨基酸的分析表明甲硫氨酸，酪氨酸，纈氨酸和異亮氨酸可以用于區(qū)分CRC和晚期腺瘤，具有良好的敏感性和特異性(P<0.001)，AUROC為0.991。Budhathoki等[18]在日本人群中發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)與結(jié)直腸腺瘤相關(guān)，尤其是亮氨酸和纈氨酸，其含量越高，結(jié)直腸腺瘤的級(jí)別越低。但是，這項(xiàng)研究還存在爭(zhēng)議，而且必須調(diào)整體重指數(shù)后，才存在這種聯(lián)系。還需要額外的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。Deng等[16]對(duì)健康組和結(jié)直腸腺瘤性息肉的患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)甘氨酸、黃嘌呤等13種代謝產(chǎn)物有差異，其中甘氨酸在息肉患者中的表達(dá)量下降。

3.3氨基酸在CRC分期中的應(yīng)用 AJCC第八版CRC分期系統(tǒng)，仍以解剖學(xué)為基礎(chǔ)[19]。但是此分類存在一定的缺陷，對(duì)存在隱性淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的患者，難以確定。對(duì)于腫瘤Ⅱ期的患者，如果能用代謝組學(xué)的手段發(fā)現(xiàn)新的標(biāo)記物，進(jìn)一步可以確定亞組人群，也許能夠給患者提供更加個(gè)體化的治療[20]。為選擇手術(shù)或者藥物治療提供更多選擇的依據(jù)。Gleisner等[21]曾報(bào)道本應(yīng)該歸為結(jié)直腸癌Ⅱ的患者，由于淋巴結(jié)數(shù)目不足，而低估了病情。Nishiumi等[22]利用納入CRC 0期、Ⅰ期、Ⅱ期的患者，利用代謝組學(xué)的技術(shù)發(fā)現(xiàn)一組新的組合(丙氨酸、羥基乙酸、色氨酸、棕櫚酸、延胡索酸、鳥氨酸、賴氨酸、3-羥基異戊酸)。此組合預(yù)測(cè)CRC的特異性是99.3%，敏感性93.8%。預(yù)測(cè)0、Ⅰ、Ⅱ期腫瘤的敏感性分別是100.0%、97.5%、100.0%，特異性為100.0%、91.3%、91.7%。

3.4氨基酸在結(jié)直腸癌治療中的作用 手術(shù)切除腫瘤病灶或者放化療后，患者體內(nèi)的腫瘤負(fù)荷會(huì)明顯下降，代謝輪廓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。所以，可以通過患者治療前后的氨基酸變化，來評(píng)估手術(shù)效果，以及監(jiān)測(cè)化療藥物的不良反應(yīng)。Ma等[23]人對(duì)30例CRC患者手術(shù)前后的血清氨基酸進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)L-纈氨酸、5-氧代-L-脯氨酸等7種代謝物的含量下降，而L-酪氨酸上升。但是具體的哪種氨基酸的變化更有指導(dǎo)意義，還需進(jìn)一步研究。

4 氨基酸在結(jié)直腸癌治療方面的應(yīng)用

惡性腫瘤患者體內(nèi)的炎性因子導(dǎo)致能量營(yíng)養(yǎng)素代謝異常，包括：①糖代謝異常。②蛋白質(zhì)代謝異常。③脂質(zhì)代謝異常。這些異常的代謝使得腫瘤患者體重進(jìn)行性下降。正確的使用營(yíng)養(yǎng)素治療，如：谷氨酰胺、亮氨酸、纈氨酸、異亮氨、精氨酸、蛋氨酸等，可以改善患者的生活質(zhì)量，為結(jié)直腸癌患者放化療的正常實(shí)施提供營(yíng)養(yǎng)支持[24]。因?yàn)槟[瘤細(xì)胞對(duì)氨基酸有特殊的需要，氨基酸及其衍生物已經(jīng)用于抗腫瘤藥物的研究。如：5-氟尿嘧啶氨基酸衍生物[12,25]，精氨酸及精氨酸降解酶的抗腫瘤藥物[26]、針對(duì)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體開發(fā)的藥物[27]、針對(duì)蛋氨酸酶開發(fā)的藥物[28]、大黃酸與不同的氨基酸贅生物一起可以合成20個(gè)尚未報(bào)道的抗腫瘤藥物[29]。另外，氨基酸作為現(xiàn)有的抗腫瘤藥物的前體，可以改善原有藥物溶解度差，通透性差的缺點(diǎn)。還可以保證抗腫瘤藥物可以持續(xù)釋放，針對(duì)腫瘤病灶靶向運(yùn)輸，使藥物更加穩(wěn)定[30]。

5 氨基酸代謝在結(jié)直腸癌的應(yīng)用前景

氨基酸代謝存在生物體的各個(gè)細(xì)胞中，具有參與蛋白質(zhì)合成，為核酸、脂質(zhì)的合成提供基團(tuán)等作用，其代謝異常誘發(fā)機(jī)體生理功能的紊亂。腫瘤細(xì)胞的惡性發(fā)展，與氨基酸代謝失衡密切相關(guān)。

基于能量代謝發(fā)展起來的18氟-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射斷層掃描(18fluorodeoxyglucose-positron emission tomography，18FDG-PET) 已經(jīng)應(yīng)用于臨床，但是它對(duì)腦腫瘤組織的特異性比較低。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，腫瘤細(xì)胞氨基酸代謝的神秘面紗逐漸被揭開?；谀[瘤細(xì)胞對(duì)某種氨基酸的高度攝取，也許可以克服18FDG-PET的局限性，發(fā)現(xiàn)更多的早期腫瘤[31]。

氨基酸代謝組學(xué)是怎樣從大量代謝物中篩選出準(zhǔn)確度、靈敏度高的特異性腫瘤標(biāo)志物, 是決定其能否在臨床上廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。個(gè)體的代謝差異會(huì)受到年齡、性別、環(huán)境、飲食、生活方式、工作壓力等的影響。能否準(zhǔn)確的區(qū)分引起代謝圖譜改變的來源，是目前存在的瓶頸。選擇適合的氨基酸提取試劑，多種氨基酸聯(lián)合診斷或者與糖類、脂質(zhì)的代謝產(chǎn)物聯(lián)合診斷CRC，也許對(duì)CRC的早期篩查更有意義。多項(xiàng)代謝組學(xué)技術(shù)的聯(lián)用可以檢測(cè)出重疊的生物候選的標(biāo)記物，也是將來發(fā)展的一個(gè)方向。阻止氨基酸代謝的某條途徑，也許可以作為抗腫瘤藥物研發(fā)的新方向，但是，某些腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞存在相同的代謝通路，如何區(qū)分出異常的代謝通路，還存在一定的挑戰(zhàn)。

[1] 李鵬,王擁軍,陳光勇,等.中國(guó)早期結(jié)直腸癌及癌前病變篩查與診治共識(shí)[J].中國(guó)實(shí)用內(nèi)科雜志,2015,35(3):211-227.

[2] Peng B, Li H, Peng X X. Functional metabolomics: from biomarker discovery to metabolome reprogramming[J].Protein Cell, 2015,6(9):628-637.

[3] Leichtle A B, Nuoffer J M, Ceglarek U,etal. Serum amino acid profiles and their alterations in colorectal cancer[J].Metabolomics, 2012,8(4):643-653.

[4] Song Y, Xu C, Kuroki H,etal. Recent trends in analytical methods for the determination of amino acids in biological samples[J].J Pharm Biomed Anal, 2018,5(147):35-49.

[5] 馬萍，劉明浩，馬曉冰，等.基于液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的氨基酸代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌研究中的應(yīng)用[J].中華胃腸內(nèi)鏡電子雜志,2015,2(2):9-12.

[6] Becker S, Kortz L, Helmschrodt C,etal. LC-MS-based metabolomics in the clinical laboratory[J].J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci, 2012,(883-884):68-75.

[7] Hanahan D, Weinberg R A. Hallmarks of Cancer: The Next Generation[J].Cell, 2011,144(5):646-674.

[8] Pavlova N N, Thompson C B. The Emerging Hallmarks of Cancer Metabolism[J].Cell Metabolism, 2016,23(1):27-47.

[9] 蘇蘭鴻，孫林沖，高平.腫瘤的氨基酸代謝變化及其意義[J].中國(guó)生化藥物雜志,2016,36(9):6-10.

[10] Miyo M, Konno M, Nishida N,etal. Metabolic Adaptation to Nutritional Stress in Human Colorectal Cancer[J].Sci Rep, 2016,6(1):38415.

[11] Krishnamurthy R V, Suryawanshi Y R, Essani K. Nitrogen isotopes provide clues to amino acid metabolism in human colorectal cancer cells[J].Sci Rep, 2017,7(1):2562.

[12] Li X ,Xun Z, Yang Y. Inhibition of phosphoserine phosphatase enhances the anticancer efficacy of 5-fluorouracil in colorectal cancer[J].Biochem BiophylRes Commun, 2016,477(4):633-639.

[13] Locasale J W. Serine, glycine and one-carbon units: cancer metabolism in full circle[J].Nat Rev Cancer, 2013,13(8):572-583.

[14] Montrose D C, Zhou X K, Kopelovich L,etal. Metabolic profiling, a noninvasive approach for the detection of experimental colorectal neoplasia[J].Cancer Prev Res (Phila), 2012,5(12):1358-1367.

[15] Nishiumi S, Kobayashi T, Ikeda A,etal. A novel serum metabolomics-based diagnostic approach for colorectal cancer[J].PLoS One, 2012,7(7):e40459.

[16] Deng L, Gu H, Zhu J,etal. Combining NMR and LC/MS Using Backward Variable Elimination: Metabolomics Analysis of Colorectal Cancer, Polyps, and Healthy Controls[J].Anal Chem, 2016,88(16):7975-7983.

[17] Gao P, Zhou C, Zhao L,etal. Tissue amino acid profile could be used to differentiate advanced adenoma from colorectal cancer[J].J Pharm Biomed Anal, 2016,118:349-355.

[18] Budhathoki S, Iwasaki M, Yamaji T,etal. Association of plasma concentrations of branched-chain amino acids with risk of colorectal adenoma in a large Japanese population[J].Ann Oncol, 2017,28(4)818-823.

[19] 劉蔭華,姚宏偉,周斌,等. 美國(guó)腫瘤聯(lián)合會(huì)結(jié)直腸癌分期系統(tǒng)(第8版)更新解讀[J].中國(guó)實(shí)用外科雜志,2017,37(1):6-9.

[20] Farshidfar F, Weljie A M, Kopciuk K A,etal. A validated metabolomic signature for colorectal cancer: exploration of the clinical value of metabolomics[J].British Journal of Cancer, 2016,115(7):848-857.

[21] Gleisner A L, Mogal H, Dodson R,etal. Nodal status, number of lymph nodes examined, and lymph node ratio: what defines prognosis after resection of colon adenocarcinoma?[J].J Am Coll Surg, 2013,217(6):1090-1100.

[22] Nishiumi S, Kobayashi T, Kawana S,etal. Investigations in the possibility of early detection of colorectal cancer by gas chromatography/triple-quadrupole mass spectrometry[J].Oncotarget, 2017,8(10):17115-17126.

[23] Ma Y, Liu W, Peng J,etal. A pilot study of gas chromatograph/mass spectrometry-based serum metabolic profiling of colorectal cancer after operation[J].Mol Biol Rep, 2010,37(3):1403-1411.

[24] 李素云,唐振闖.氨基酸在腫瘤免疫營(yíng)養(yǎng)治療中的應(yīng)用及思考[J].腫瘤代謝與營(yíng)養(yǎng)電子雜志,2015,2(3):19-22.

[25] 卓仁禧,范昌烈,趙儒林.含5-氟尿嘧啶的氨基酸衍生物的合成及其抗腫瘤活性研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)報(bào),1986,7(6):508-512.

[26] Stasyk O V, Boretsky Y R, Gonchar M V,etal. Recombinant arginine-degrading enzymes in metabolic anticancer therapy and bioanalytics[J].Cell Biol Int, 2015,39(3):246-252.

[27] Bhutia Y D, Babu E, Ramachandran S,etal. Amino Acid Transporters in Cancer and Their Relevance to "Glutamine Addiction": Novel Targets for the Design of a New Class of Anticancer Drugs[J].Cancer Res, 2015,75(9):1782-1788.

[28] Sharma B, Singh S, Kanwar S S. L-Methionase: A Therapeutic Enzyme to Treat Malignancies[J].BioMed Res Inte, 2014,(2014):1-13.

[29] 周昌健,謝建偉,張潔.大黃酸-氨基酸綴合物的合成及初步抗腫瘤活性研究[J].有機(jī)化學(xué),2017,37(1):122-132.

[30] Balvinder S, Vig K M H B. Amino acids as promoieties in prodrug design and development[J].Advanced Drug Delivery Reviews, 2013,65(10):1370-1385.

[31] 聶大紅,唐剛?cè)A.腫瘤氨基酸代謝PET顯像研究進(jìn)展[J].同位素,2015,28(4):214-224.