最新研究成果 | 清華大學藥學院胡澤平課題組應邀發(fā)表“代謝組學、代謝流技術及腫瘤藥理”的綜述文章
時間：2021-04-09 00:22:05學院：藥學院學校：清華大學
清華大學藥學院胡澤平課題組應邀發(fā)文系統(tǒng)總結了代謝組學和代謝流分析技術的最新研究進展，及其在腫瘤藥理學應用中的重要研究進展，包括發(fā)現(xiàn)抗腫瘤藥物靶點以及生物標記物、揭示藥物作用機制和耐藥機制、促進精準治療等。值得一提的是，該綜述首次系統(tǒng)地總結繪制了代謝流分析中各種穩(wěn)定同位素標記示蹤物的工作原理及其應用（詳見圖2），這將為代謝流分析技術在代謝研究領域和腫瘤藥理中的廣泛應用起到重要的推動作用。
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增殖中的腫瘤細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（Warburg effect）描述了即便是在有氧的情況下，腫瘤細胞仍然會上調(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，開發(fā)抗腫瘤藥物有著重大的啟示作用；而代謝組學和代謝流技術的發(fā)展則極大地促進了我們對于腫瘤代謝的理解。代謝組學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-代謝流分析流程簡圖
代謝組學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，對代謝物進行通路富集分析。后續(xù)則可選擇使用同位素標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)模型來進行代謝重塑的功能和機制驗證。近年來的代謝組學技術取得一些重要進展，如胡澤平課題組發(fā)展的可用于極微量樣本（如1,000-5,000個造血干細胞或者60個卵母細胞）的超靈敏代謝組學技術和Sabatini課題組發(fā)展的線粒體代謝組學等，都推動了代謝組學在代謝生物學和腫瘤生物學中的應用。
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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)定同位素標記的代謝物經(jīng)過生化反應，則會導致下游代謝產(chǎn)物的標記，產(chǎn)生在特定位置被同位素標記的M+1,…,M+n代謝物。通過分析下游代謝物的標記模式及被標記代謝物的量，我們可以計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)定同位素標記示蹤劑標記葡萄糖代謝通路（節(jié)選部分）
例如圖2（A）中全13C標記的葡萄糖經(jīng)過糖酵解反應，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，進而我們可以分析得到兩種酶所介導的不同通路信息。
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代謝是高度復雜且受嚴密調(diào)控的動態(tài)變化網(wǎng)絡。除了基于特定酶、轉(zhuǎn)運體的調(diào)控外，通路之間可以通過同一中間產(chǎn)物而產(chǎn)生關聯(lián)。如果能找到腫瘤細胞中相較于正常細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胞進行治療和干預。
圖3. 促進腫瘤細胞生長的代謝通路及潛在治療靶點
圖3.展示了細胞中復雜的代謝通路，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，其中特別標記了值得調(diào)控的關鍵酶和轉(zhuǎn)運體，以及針對這些作為靶標已進入臨床試驗或者已經(jīng)被FDA批準的小分子藥物。譬如，在膠質(zhì)瘤中曾報道過突變的異檸檬酸脫氫酶（IDH）可以介導腫瘤代謝物2-羥戊二酸（2HG）的產(chǎn)生，展示了IDH作為抗腫瘤靶標的潛力，從而引發(fā)IDH抑制劑的開發(fā)、獲批與應用。
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代謝組學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)靶點到理解藥物作用機理，從耐藥機制研究到指導精準治療。
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經(jīng)過代謝組學分析后，差異代謝物和代謝通路可引導發(fā)現(xiàn)潛在的生物標記物和可靶向的代謝依賴性和弱點。潛在的生物標記物可幫助腫瘤的早期診斷、預后和藥物有效性預測。通過結合代謝流分析，代謝靶標可以幫助新藥研發(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。藥理代謝組學可以用于指導精準治療；飲食干預療法則可以作為藥物治療的輔助手段。
圖4.代謝組學和代謝流分析技術在腫瘤藥物研發(fā)和藥理學中的應用
盡管代謝組學和代謝流分析極大拓展了我們對于腫瘤生物學的理解，但是領域中依舊存在諸多技術挑戰(zhàn)和瓶頸，比如靈敏度不足、精準度不夠、難以進行代謝流分析，以及至今無法實現(xiàn)真正意義上的單細胞代謝組學（特別是由于靈敏度的技術瓶頸）等等。相關的技術進步和新型方法開發(fā)都將進一步促進代謝組學和代謝流分析技術在不同生物醫(yī)學背景下的應用。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)方面需要更多地關注腫瘤微環(huán)境，尤其是腫瘤細胞與免疫細胞之間的代謝相互作用。多組學整合的應用，包括基因組學、蛋白組學、代謝組學等，將有助于加深我們對于腫瘤生物學的理解和利用，進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日應邀在線發(fā)表于國際知名學術期刊《藥理學&治療》（Pharmacology & Therapeutics），題為《代謝組學、代謝流分析與腫瘤藥理學》（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&治療》Clinical Pharmacology & Therapeutics發(fā)表代謝組學技術及其在臨床藥理中應用的相關綜述。
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清華大學藥學院胡澤平研究員與煙臺大學藥學院王洪波教授為本文通訊作者，2016級藥學院本科畢業(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基金委糖脂代謝重大計劃重點項目（92057209）、基金委面上項目（81973355）、國家科技部重點研發(fā)計劃（2019YFA0802100-02, 2020YFA0803300）、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、北京市高精尖結構生物學中心的資助。
點擊鏈接，閱讀原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0163725821000292
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