整合血浆和粪便代谢组学可识别腺瘤-结直肠癌进展中的功能性代谢物一个色农夫导航，并动作早期会诊生物秀丽物
Integrative plasma and fecal metabolomics identify functional metabolites in adenoma-colorectal cancer progression and as diagnostic biomarkers
标题：Integrative plasma and fecal metabolomics identify functional metabolites in adenoma-colorectal cancer progression and as diagnostic biomarkers
汉文标题：整合血浆和粪便代谢组学可识别腺瘤-结直肠癌进展中的功能性代谢物，并动作早期会诊生物秀丽物
张开剩余93%期刊：Cancer Cell
影响因子：48.8
发表时辰：2024.08
DOI：10.1016/j.ccell.2024.07.005
纲目
微生物代谢物与结直肠癌 (CRC) 密切有关，结直肠癌是最常见的癌症类型之一，亦然巨匠癌症死亡的主要原因。然则，现在尚不显明粪便和血液代谢物在腺瘤-癌进展中是若何改动的。本究诘汇集了1，251名个体的血浆和粪便样本。（422个结直肠癌（CRC），399个结直肠腺瘤（CRA），和430个泛泛对照（NC））。通过代谢组学分析，咱们果决出了在NC、CRA和CRC中变化一致的特征性血浆和粪便代谢物，其中包括在CRC中富集的油酸和减少的别胆酸。油酸在CRC细胞、患者起首的类器官以及小鼠CRC模子中展现出促肿瘤生成的作用，而别胆酸则具有相悖的作用。通过概述分析，咱们发现油酸或别胆酸分别成功伙同CRC细胞中的α-烯醇酶或法尼醇X受体-1，从而革新与癌症有关的通路。在临床上，咱们缔造了一个包含17种血浆代谢物的会诊小组，该小组在一个发现部队和三个考据部队中王人能准确会诊CRC。总体而言，咱们果决了CRC中血浆和粪便代谢组的代谢物特征、机制意旨和会诊后劲。
遵循
正太 男同1.结直肠癌进展阶段血浆代谢物的改动
为了究诘CRC的代谢组学特征，咱们在发现部队中汇集了373份血浆样本（包括119名CRC患者、143名CRA患者和111名NC）并进行LC-MS分析（图1）。在去除食品起首和外源代谢物后，果决出1026种内源性代谢物。PLS-DA和OPLS-DA分析标明，CRC、CRA和NC的血浆代谢组存在显耀相反（图2A）。
为了表征结直肠癌进展各阶段中血浆代谢物的变化，咱们进行了两两比较，以果决在不同组间具有显耀相反且MS2评分>0.8的代谢物。实验揭示了NC、CRA和CRC中变化一致的血浆相反代谢物，其中22种代谢物沿着腺瘤-癌进展挨次富集，包括犬尿氨酸、二氢胸腺嘧啶和多种脂肪酸（如油酸）（图2B、2C）。咱们还不雅察到，在CRA和CRC中，包括别胆酸、L-组氨酸和脱氢表雄酮（DHEA）硫酸盐在内的34种代谢物挨次减少。
图1. 职责经过示意图
2.结直肠癌进展阶段粪便代谢物的改动
除血浆代谢物外，咱们还汇集了373份粪便样本，并进行LC-MS分析。分析高傲，CRC、CRA和NC之间的粪便代谢组存在显耀相反（图2D）。
接下来，咱们通过两两比较果决了CRC进展各阶段中显耀变化的粪便代谢物。咱们在NC、CRA和CRC中发现了不同的粪便代谢物，其中4种代谢物沿着腺瘤-癌进展挨次富集，包括花生四烯酸、FAHFA等（图2E）。咱们还不雅察到，在CRA和CRC中，包括迷迭香酸、香草酸在内的28种代谢物挨次减少。总之，咱们的代谢组学分析果决出了与CRC进展不同阶段有关的特征性血浆和粪便代谢物。
3.与化疗反馈有关的微生物代谢物的改动
咱们评估了72名接受化疗的CRC患者（包括43名搪塞者和29名非搪塞者）的代谢物与调治反馈之间的有关性。发现搪塞者与非搪塞者的血浆代谢组存在显耀相反（图2F）。在搪塞者中，发现了雄甾酮硫酸盐、L-组氨酸和脱氢表雄酮硫酸盐的富集，以及促肿瘤生成的犬尿氨酸、氧化三甲胺和甘氨鹅脱氧胆酸的减少（图2G）。此外，在调整临床参数后，一组包含19种血浆代谢物的成见简略分辩化疗搪塞者与非搪塞者，受试者职责特征弧线底下积（AUC）为90.8%（图2H）。其中包括5种在搪塞者中富集的代谢物和14种在搪塞者中减少的代谢物。这些发现暗意了微生物代谢物对CRC化疗反馈的影响。
图2. 结直肠癌进展阶段中微生物代谢物的变化一个色农夫导航
4.微生物代谢物在结直肠癌进展阶段的有关性及功能作用
为了真切了解CRC中代谢物改动的功能意旨，咱们进行了代谢物集富集分析。与NC比较，CRC血浆代谢组中前3个相反路线分别是(1)亚麻酸和亚油酸代谢，(2)组氨酸代谢和(3)同型半胱氨酸降解（图3A）。CRC粪便代谢组中前3个相反路线分别是(1)组氨酸代谢、(2)丙氨酸代谢和(3)葡萄糖-丙氨酸轮回（图3B)。然后评估CRC与NC比较代谢物与代谢通路的有关相聚。咱们的分析高傲，CRC血浆（图3C）和粪便（图3D）代谢组中的相反代谢物主要与脂质代谢有关，这些脂质代谢物与其他代谢物和代谢路线变因素离的簇。此外，脂质代谢中的油酸和组氨酸代谢中的l-组氨酸位于有关相聚的中心，领导它们在结直肠癌进展过程中在血浆和粪便代谢组中具有遑急意旨。
收受Spearman有关性究诘CRC进展阶段对应血浆和粪便代谢物之间的有关性。咱们发现了包括1，7-二甲基尿酸、L-尿胆素等在内的9个血浆和粪便代谢组之间显耀有关的代谢物。（图3E)。咱们还肃穆到，与NC比较，CRC的血浆和粪便代谢物很少重迭，血浆和粪便代谢组之间的多种代谢路线也发生了不一致的改动。这些发现暗意了CRC进展中血浆和粪便代谢组之间的彰着变化。
5.结直肠癌中微生物代谢物与肠谈微生物的有关性
为了分析肠谈微生物群，咱们对来自觉现部队的粪便样本进行了宏基因组测序。从NC到CRA，再到CRC，肠谈微生物的α各样性显耀镌汰（图3F）。在物种水平上，与CRC有关的致病共生菌——细微帕尔维菌、具核梭杆菌和肽链球菌属在NC-腺瘤-癌进展中合手续富集，而毛螺菌科细菌、罗斯拜瑞氏菌属和粪杆菌属的等成心菌合手续减少（图3G）。
随后，咱们检测了CRC中相反代谢物与肠谈微生物之间的有关性。分析发现，CRC中血浆和粪便中富集的代谢物与微生物呈正有关。（图3H）。在血浆代谢物中，包括油酸在内的脂肪酸与CRC富集微生物的正有关联系最为显耀。另一方面，F.naclatum与总计富集CRC的血浆代谢物呈显耀正有关（图3H）。
图3.微生物代谢物在结直肠癌进展阶段中的有关性和功能作用
6.结直肠癌患者血浆代谢物与血清细胞因子的有关性究诘
鉴于炎症是CRC进展的秀丽，咱们通过对来自觉现部队的80个血清样本（29个CRC、29个CRA和22个NC）进行细胞因子分析。分析发现，促炎细胞因子与CRC富集的代谢物呈正有关，或与CRC减少的代谢物呈负有关（图3I）。相悖，抗炎的IL-4和IL- 13与CRC富集的代谢物呈负有关。
7.关节CRC-有关代谢物的体外功能考据
为了考据规划机模拟的发现，咱们用CRC中富集进度最高的几种代谢产品（包括油酸和二氢胸腺嘧啶，见图2C）科罚东谈主结直肠癌细胞系（HCT116、HT29和DLD-1）。油酸（50 mM）显耀促进了CRC细胞的活力并减少了细胞凋一火（图4A、4B）。它还导致处于S期的CRC细胞显耀加多，同期处于G1期的细胞相应减少（图4C）。此外，油酸科罚后CRC细胞的增殖彰着增强（图4D）。咱们进一步用油酸培养CRC患者起首的类器官（PDOs），并不雅察到科罚后类器官的滋长加多（图4E）。关于二氢胸腺嘧啶，尽管它也能促进结直肠癌细胞的滋长和存活，但其促肿瘤生成的作用不如油酸显耀。
咱们收受了交流的体外生物功能践诺来检测CRC中减少进度最高的几种代谢产品对东谈主CRC细胞的影响（包括异胆酸和L-组氨酸）。异胆酸（500 mM）显耀镌汰了CRC细胞的活力（图4F）并促进了细胞凋一火（图4G）。它还涵养了CRC细胞的细胞周期闭幕并显耀松手了其增殖（图4H、4I）。此外，异胆酸显耀扼制了CRC患者起首的类器官（PDOs）的滋长（图4J）。L-组氨酸也对结直肠癌细胞的滋长和存活阐述出了较强的抗肿瘤作用，但作用显耀性低于异胆酸。
图4. 关节CRC有关代谢物的体外功能考据
8.小鼠CRC肿瘤发生中关节代谢物的功能考据
咱们收受致癌物偶氮甲烷（AOM）聚合葡聚糖硫酸钠（DSS）缔造了CRC小鼠肿瘤发生模子，并通过灌胃赐与这些小鼠富含CRC的油酸或对照（图5A）。在结肠镜检查下，不雅察到接受油酸调治的小鼠结肠肿瘤在视觉上比对照组的更大。经过6周的调治后，正法小鼠，咱们发现油酸显耀加多了结肠肿瘤的大小和肿瘤负荷，与对照组比较均有统计学相反（图5B）。组织学评估证实了小鼠结肠肿瘤的发生（图5C），况兼油酸调治显耀加多了增殖细胞的比例（图5D）。
咱们还向AOM/DSS涵养的CRC小鼠模子中补充了CRC耗竭产品异胆酸（图5E）。肠镜检查发现，接受异胆酸调治的小鼠结肠肿瘤数目较少。正法后，与对照组比较，异胆酸调治的小鼠肿瘤体积显耀减小，肿瘤负荷也显耀镌汰图5F）。异胆酸调治还显耀镌汰了增殖细胞的比例（图5G、5H）。异胆酸调治对血清ALT、AST和BUN水平无显耀影响，标明咱们使用的剂量（10 mM）是无毒的。
为了考据这一遵循，咱们缔造了ApcMin/+CRC肿瘤发生模子，并给这些小鼠补充了异胆酸（图5I）。在结肠镜检查下，不雅察到接受异胆酸调治的小鼠结肠肿瘤数目较少。与在AOM/DSS科罚的小鼠中获取的遵循一致，与对照组比较，异胆酸显耀减小了ApcMin/+小鼠的肿瘤大小和肿瘤负荷（图5J）。通过组织学检查阐述了结肠肿瘤的发生（图5K），况兼异胆酸调治镌汰了增殖细胞的比例（图5L）。
图5. CRC小鼠模子中关节代谢物的功能考据
9.CRC关节代谢物伙同受体的果决
为高傲解代谢产品若何与肿瘤细胞相互作用，咱们对有或无代谢产品科罚的东谈主CRC细胞进行了LiP-MS分析。在CRC细胞中，咱们果决了241个可能与油酸伙同的卵白质肽段，其中相反最显耀的肽段是α-烯醇酶（ENO1）（图6A）。分子对接分析高傲，油酸通过烷基相互作用与ENO1的Arg49残基伙同（图6B），解离常数为10.6 mM（图6C）。为了考据ENO1在油酸涵养的CRC中的功能作用，咱们在东谈主CRC细胞（HCT116和HT-29）中千里默了ENO1，高傲ENO1-siRNA在这两种细胞系中均放置了油酸的促瘤性效应（图6D）。通常，ENO1拮抗剂AP-III-a4逆转了油酸涵养的细胞活力加多（图6E）。这些遵循证实了ENO1是CRC细胞中油酸的受体。
然后，咱们在异胆酸科罚的CRC细胞上进行了LiP-MS分析，发现相反最显耀的肽段是FXR1（图6F）。分子对接分析标明，异胆酸通过氢键与FXR1的Arg70残基伙同（图6G），解离常数为32.9 mM（图6H）。通过CRISPR-Cas9或RNA干与使东谈主CRC细胞（HCT116、HT-29）中的FXR1千里默后，异胆酸显耀失去了其抗肿瘤作用（图6I）。异胆酸的保护作用也被FXR1拮抗剂甘氨胆酸对消（图6J）。此外，FXR1 sgRNA（图6K）或FXR1拮抗剂（图6L）均逆转了由异胆酸引起的细胞增殖减少。与体外不雅察遵循一致，与仅接受别嘌酸的小鼠比较，与FXR1拮抗剂聚合调治可放置别嘌酸酯的保护作用，这不错从肿瘤滋长（p<0.0001）和肿瘤分量（p<0.01）的显耀加多中获取讲明注解（图6M）。因此，这些发现暗意异胆酸对CRC的保护作用取决于FXR1。
图6. 结直肠癌中关节代谢物伙同受体的果决
10.识别结直肠癌中关节代谢物改动的信号通路
为了揭示其潜在机制，咱们对有或无代谢产品科罚的东谈主CRC细胞进行了RNA测序。与对照组比较，在油酸科罚的细胞中果决了127个上调基因和135个下调基因。路线分析高傲，PI3K/Akt是油酸涵养的最富集的路线（图7A）。通常，油酸加多了东谈主CRC细胞（HCT116、HT-29）中磷酸化JAK1、PI3K和AKT的卵白质抒发，而这种上调被ENO1-siRNA或ENO1拮抗剂AP-III-a4所逆转（图7B）。在补充了油酸的AOM/DSS科罚的小鼠结肠肿瘤组织中，PI3K/Akt路线秀丽物的卵白质抒发加多获取了阐述（图7C）。这些发现标明，油酸在CRC细胞中与ENO1伙同以激活致癌性PI3K/Akt信号通路。
另一方面，与对照组比较，异胆酸科罚导致东谈主CRC细胞中36个基因显耀上调，141个基因显耀下调。MAPK是异胆酸涵养的最主要受扼制的信号通路（图7D）。异胆酸显耀镌汰了东谈主结直肠癌细胞（HCT116、HT-29）中MAPK通路秀丽物的卵白抒发，以及细胞增殖（PCNA）和细胞周期（Cyclin D1）秀丽物的卵白抒发，而这种下调作用可被FXR1-sgRNA、FXR1拮抗剂甘氨胆酸（图7E）或FXR1-siRNA所逆转。在补充了异胆酸的AOM/DSS科罚的小鼠的结肠肿瘤组织中，这些MAPK通路的卵白秀丽物也通常呈现下调（图7F），这标明异胆酸与FXR1的伙同导致结直肠癌中MAPK信号通路的失活。
图7. CRC中关节代谢物改动的信号通路的识别
11.血浆代谢物在结直肠癌会诊中的阐述优于粪便代谢物
接下来，咱们在撤销临床信息不及的样本后，究诘了代谢物动作CRC和CRA会诊生物秀丽物在发现部队中的应用。诈欺识别出的相反血浆代谢物，咱们缔造了多个机器学习模子和逻辑牵记模子，用于分辩CRC患者和NC个体。在调整了年齿、性别、体重指数（BMI）和肿瘤位置等临床参数后，17个血浆代谢物生物秀丽物(7种上调代谢物，10种下调代谢物)在分辩CRC和NC方面阐述邃密，LASSO模子的AUC为0.927（图8A）。这17种血浆代谢物在未必丛林模子中也阐述出较高的AUC值，为0.891，而逻辑牵记模子中AUC为0.846。
通常地，咱们诈欺相反粪便代谢物对结CRC和NC个体进行分类。在调整临床参数后，19种粪便代谢物生物秀丽物简略通过LASSO模子以0.916的AUC分辩CRC和NC。随后，咱们收受未必丛林或逻辑牵记模子对这19种粪便代谢物进行了评估，其AUC分别为0.839和0.800。通过比较总计模子的AUC，咱们发现血浆代谢物在分辩CRC和NC方面的举座性能优于粪便代谢物。遵循标明，动作CRC会诊生物秀丽物，血浆代谢物比粪便代谢物更准确。
12.血浆代谢物面板动作不同结直肠癌分期的会诊生物秀丽物
咱们评估了17种血浆代谢物生物秀丽物在不同CRC分期分类中的性能。该小组在分辩早期CRC（I/II期）和NC方面的AUC为0.958（图8A）。此外，该小组在分辩CRC和CRA方面也阐述出色，AUC为0.928。随后，咱们将该小组的性能与CRC的临床会诊秀丽物进行了比较，遵循高傲，与FIT或血清秀丽物比较，血浆代谢物在分辩CRC和NC方面的性能显耀更优。这些发现标明，血浆代谢物在CRC早期检测方面具有邃密出路，其性能优于临床秀丽物。
13.血浆代谢物面板在三个寥寂部队中进行CRC会诊的考据
咱们缔造了一个寥寂的考据部队（考据部队1）来考据17种血浆代谢物的性能（图1）。在考据部队1中，该小组在分辩CRC和NC方面的AUC为0.987，在分辩早期CRC（I/II期）和NC方面的AUC为0.988（图8B）。此外，该小组在分辩CRC和CRA方面的也阐述出色，AUC为0.869。
该代谢物小组在考据部队2中也阐述出色，分辩CRC和NC的AUC为0.848，分辩早期CRC（I/II期）和NC的AUC为0.860（图8C）。分辩CRC和CRA的AUC为0.861。
为了确保地区相反对遵循莫得影响，咱们从另一个寥寂时区缔造了一个考据部队（考据部队3），以熟练17种血浆代谢物的性能。在考据部队3中，该小组分辩CRC和NC的AUC为0.909，分辩早期CRC（I/II期）和NC的AUC为0.920（图8D）。分辩CRC和CRA的AUC为0.928。发现部队和三个考据部队之间的一致遵循证实了17种血浆代谢物生物秀丽物在结直肠癌会诊中的性能。
图8. 血浆代谢物动作不同CRC分期的会诊生物秀丽物
14.血浆代谢物面板动作CRA的会诊性生物秀丽物
咱们进一步评估了由17种血浆代谢物构成的小组在发现部队和三个考据部队中关于CRA疾病的会诊性能。发现17种血浆代谢物生物秀丽物在CRA会诊中的出路也相等广泛。
论断
要而言之，咱们在大样本部队中全面阐述了CRC进展的代谢组学特征，并果决了在NC、CRA和CRC患者的血浆和粪便代谢组中显耀改动的代谢产品。随后的体外生物功能实验和体内CRC肿瘤发生模子证实了它们在结直肠癌进展中的功能遑急性，而机制究诘则折服了它们在肿瘤细胞中的相应受体和卑鄙信号通路。在临床上，咱们缔造了一个血浆代谢物会诊小组，其简略以高机灵度和高特异性准确分辩CRA患者和早期CRC患者，并通过靶向代谢组学和三个寥寂考据部队进行了阐述。要而言之，咱们的究诘遵循凸起了代谢产品在结直肠癌进展中的关节作用，以及血浆代谢产品动作结直肠癌患者非侵入性早期会诊生物秀丽物的广泛出路。
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