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今天和大家分享的是2020年6月发表在Nat Commun（IF：12.121)上的一篇文章，“Using arterial-venous analysis to characterize cancer metabolic consumption in patients”，作者开发了一种名为CARVE的方法，用于癌症动静脉代谢组的配对分析，排除了患者之间的差异，鉴定出神经胶质瘤在体内消耗和产生的多种代谢产物，并且使用此方法研究了IDH1突变型胶质瘤的2HG代谢改变。

Using arterial-venous analysis to characterize cancer metabolic consumption in patients

使用动静脉分析表征患者的癌症代谢消耗

一、研究背景

神经胶质瘤是成人最常见的脑肿瘤，在年龄小于12岁的儿童中是最致命的实体瘤。评估神经胶质瘤代谢的方法有多种：从肘静脉、切除的癌组织或脑脊髓液收集的血浆进行代谢组学分析，核磁共振成像，以及评估术中输注13c标记营养素后胶质瘤组织的同位素聚集，但以上方法难以直接测量胶质瘤的代谢产物。

二、分析流程

三、结果解读

1.血样采集和靶向代谢组学测量

• 从患者脑胶质瘤上游和下游采集配对血液样本
  • 图a：3.0 T扫描仪结果的代表性图像。采集T2加权/流体衰减倒置恢复（FLAIR）轴向图像和对比后T1加权图像，以鉴定神经胶质瘤的位置。
  • 图b，c：采血示意图，显示胶质瘤采血的位置。在神经胶质瘤切除术前从直接通往神经胶质瘤的动脉和静脉抽取少量血液（~1 ml）
  • 收集了13位患者的三组血液样本：神经胶质瘤上游动脉（gA）、下游静脉（gV）、足背静脉（P），从血浆中提取代谢物后，使用液相色谱/三重四极杆质谱仪通过靶向分析测量了204种代谢物，获得了107种代谢物的可靠信号。

图一：从患者神经胶质瘤动脉和静脉中采集血液样本的方法

• 比较神经胶质瘤上下游动静脉血样代谢组，以鉴定神经胶质瘤消耗和产生的代谢物
  • 图a，b：107种代谢物的PCA和聚类分析，前三名PC解释了总差异的51.4％（19％，22.7％和9.7％），结果显示gA和gV不能由无监督的PCA分开，且同一患者的gA和gV倾向于聚集在一起，表明患者间的代谢组差异大于同一患者的动静脉样本之间的差异。
  • 图c，d：PLS-DA分析得到的代谢物VIP值，gA中丰度相对增加的代谢物标记为蓝色，展示了VIP评分> 1的代谢物丰度热图，鉴定出胶质瘤消耗和产生的多种代谢物。
  • 图e：4个代表性代谢物（L-丙氨酸，N-α-乙酰赖氨酸，D-葡萄糖和牛磺酸，gA和gV组间均p<  0.05）的相对丰度差异，L-丙氨酸在13位患者的静脉样本中显示出相对耗竭的状态，且大多数样品中葡萄糖浓度降低（n = 9/13）。

图二：胶质瘤动脉和静脉血浆代谢组的配对比较

2.血浆代谢组的配对比较

进一步确定以上代谢产物由胶质瘤消耗或产生，作者比较了胶质瘤动脉/静脉和足背静脉的血浆代谢组。

• 动脉中的血液不通过毛细血管网，因此作者将不同器官中动脉代谢产物浓度（肺动脉除外）视为相似，即通过比较代谢组确定了足部细胞消耗或产生的代谢产物。
• 比较图2c，d和图3b-d：相对于gA，足背静脉中的20种代谢物（包括D-葡萄糖和谷氨酰胺等）减少，其中4种代谢产物N-乙酰鸟氨酸，D-葡萄糖，腐胺和L-乙酰肉碱也在胶质瘤细胞中消耗。胶质瘤静脉血浆中的L-谷氨酰胺，胍丁胺和尿苷5-单磷酸酯水平高于足背静脉，表明这些代谢物可能被足部细胞消耗但由神经胶质瘤产生。
• 以上结果突出了不同器官之间的代谢差异，其他器官产生的代谢产物（比如足部细胞产生的胍丁胺，尿苷5-一磷酸和黄嘌呤）可能用于脑内胶质瘤的代谢消耗。
• 图e：在几乎所有患者中，足背静脉均富含乙酰胆碱，尿囊素和咪唑乙酸，而ADP降低。

图三：胶质瘤动脉和足背静脉血浆代谢组的配对比较

• 图a：PLS-DA分析可以将足背静脉和神经胶质瘤静脉的血浆代谢组分为两组，从而确定两血管中血液的独特代谢特征。
• 图b-e：神经胶质瘤静脉血浆中的L-胱氨酸，L-异亮氨酸，尿囊素，尿素，脱氧核糖1-磷酸，咪唑乙酸，蛋氨酸亚砜，腺嘌呤，L-蛋氨酸和L-天冬酰胺的含量明显低于足背静脉。而L-谷氨酰胺，肌酸，5-氨基乙酰丙酸，D-葡萄糖胺6-磷酸，L-3-苯基乳酸，ADP，核黄素，胍丁胺，顺式-乌头酸，腺苷一磷酸，肌苷酸，烟酰胺，黄嘌呤，亚精胺，胞苷一磷酸，尿苷5-一磷酸，腺苷，S-腺苷甲硫氨酸和次黄嘌呤和肌苷均显著升高。

图四：胶质瘤静脉和足背静脉血浆中代谢组的配对比较

3.胶质瘤动静脉血浆中的2-羟戊二酸盐（2HG）浓度

IDH1突变可导致2HG的异常增高，通常在II和III级胶质瘤中有> 75％的发生率。本研究中II和III级神经胶质瘤患者gV样品（5/6例）中的2HG浓度远高于其他神经胶质瘤，作者进一步使用LC / MS测量了这些样品中的2HG，其中部分患者有胶质瘤IDH1抗体染色结果。

• 图a，b：5例对照组与7例少突神经胶质瘤和星形细胞瘤患者的D-2HG水平差异分析。与先前研究结果一致，未在外周静脉血浆中检测到高D-2HG，而gV样本中的D-2HG显著较高。
• 图c，d：P，gV，gA样本中D-2HG水平差异，标记了患者的IDH1突变信息，已知具有IDH1突变的四例患者（9-11号患者）gV样本均具有较高的D-2HG。
• 以上结果表明，具有IDH1突变的神经胶质瘤将大量D-2HG释放入血。

图五：三组血样中2HG水平比较

小结

通过PCA、PLS-DA分析比较13例胶质瘤患者的三组动静脉血样的代谢组差异，作者鉴定出多种神经胶质瘤消耗或产生的代谢产物，并且排除了在患者之间观察到的巨大差异，这在传统的采集足背静脉或肘静脉血样进行代谢组学分析的方法中是无法进行的。本研究证明了脑肿瘤患者动静脉样品代谢组学比较的可行性，但胶质瘤细胞代谢物的鉴定还需要进一步的实验排除TME中非瘤细胞的影响。

编辑：冻鸳鸯

校审：糯米饭