景杰生物 | 报道
癌细胞的代谢重编程是导致肿瘤发生发展的一个重要过程[1]，因此癌症代谢靶向治疗也是一种有前景的治疗策略。目前已有多种代谢靶向药物不仅抑制了肿瘤生长，而且提高了治疗的敏感性，但其临床成功率往往取决于癌症准确的分子和代谢分型[2]。
已有研究表明，生酮饮食 (ketogenic diet, KD) 可作为一种潜在的抗癌干预手段，其有效性取决于必要酮解酶的功能[3]。正如癌症在肿瘤发生和增殖过程中基因组变化很大一样，在葡萄糖应激下，癌症代谢重编程也具有高度的异质性，其中一部分要归因于酮解酶活性或线粒体自噬[4,5]。因此，准确定义代谢亚型和阐明潜在的代谢重编程对于推进精确KD治疗至关重要。
近日，首都医科大学附属北京世纪坛医院石汉平教授、军事医学研究院孙强研究员和武汉大学中南医院周福祥教授合作在综合性期刊Advanced Science (IF=17.521)上在线发表了题为Metabolism-Based Molecular Subtyping Endows Effective Ketogenic Therapy in p53-Mutant Colon Cancer 的最新研究成果[6]。该研究以临床实际需求为导向，结合生酮饮食代谢调节治疗特点，通过对临床大样本结肠癌转录组数据进行筛选分析，构建结肠癌预后相关的代谢分型并进行组织学验证，筛选适合生酮治疗的目标人群；同时构建低糖饥饿模型，体外模拟人体生酮状态，通过蛋白质组学研究生酮条件下不同结肠癌细胞的代谢异质性及代谢可塑性，为生酮饮食代谢调节治疗的临床应用提供理论依据。景杰生物为该研究提供了4D-LFQ蛋白组学分析技术支持。
为了探索结肠癌代谢的特征，作者检索分析了275名结肠癌患者肿瘤组织以及41份匹配癌旁样本的癌症基因组图谱 (TCGA) 转录组学数据和临床数据，筛选出与癌旁具有表达差异的糖代谢及酮体分解代谢相关的靶点分子：GLUT1 (葡萄糖转运蛋白1)、PFKFB3 (果糖2,6-二磷酸酶)、OXCT1 (3-琥珀酰辅酶A转移酶1)、和ACAT1 (乙酰辅酶A乙酰转移酶1)。
接着，为了探索临床生酮代谢调节方式在肿瘤治疗中的有效性与敏感性，作者基于组织芯片生存分析及生酮饮食代谢调节治疗特点，首次将结肠癌患者分为预后显著不同的3类亚型：第1类糖酵解 (glycolysis,G) -酮解 (ketolysis,K) 缺陷亚型(G+/K−; GLUT1高或PFKFB3高、OXCT1低或ACAT1低) 显示最差的存活率，具有该代谢亚型的患者中位生存期 (mOS) 仅为27个月，在结肠癌芯片中约占20%，这类患者也是本研究进行生酮治疗的目标亚型；而第2类糖酵解缺陷-酮解亚型 (G−/K+；GLUT1低和PFKFB3低、OXCT1高和ACAT1高) 显示出最好的预后；第三类混合亚型包括酮解缺陷亚型 (G−/K−) 或酮解亚型 (G+/K+)，它们显示出中等的存活率。
图1 结肠癌的代谢异质性和分子分型
为了研究代谢亚型对生酮治疗的影响，作者首先对40例患者来源结肠癌组织切片进行多重免疫染色，分析其代谢亚型，发现其中10例为糖酵解-酮解缺陷亚型 (G+/K−)，2例为酮解亚型 (G+/K+)。然后作者将这12株患者来源结肠癌组织植入 (PDX) 免疫缺陷小鼠中使肿瘤生长，当P3代肿瘤的大小达到0.05cm3时，随后用标准饮食 (SD) 和KD进行分组喂养。最终结果表明，与SD组和酮解亚型相比，三周的生酮喂养显著抑制了所有糖酵解-酮解缺陷亚型PDX肿瘤的生长，这与小鼠的酮体增加及血糖降低有关。
图2 生酮治疗抑制结肠癌酮解缺陷亚型PDX模型小鼠中的肿瘤生长
为了探索生酮饮食的分子机制，作者收集了SD或KD喂养反应最好的小鼠肿瘤组织样本，并进行蛋白质组学分析。主成分分析 (PCA) 清楚地将KD组与SD组分开，KD样本分布更异质。对差异表达分子的分析表明，与精氨酸和脯氨酸代谢、PPAR信号、钙信号和cGMP-PKG信号相关的KEGG通路在KD治疗后显著上调。GO分析揭示了参与细胞对脂肪酸和脂质氧化反应和跨膜转运体活性调节的分子上调，与氧化还原酶活性和钙离子结合相关的分子以及属于线粒体膜整体组分的分子也一致上调。相反地，参与调节细胞和大分子生物合成过程的分子被下调。此外，这些下调分子形成了与线粒体脂质代谢相关的若干相互作用成分。
图3 KD和SD组间差异表达蛋白(DEP)的功能富集和聚类分析
接着作者在体外模拟生酮培养条件，发现酮解缺陷型细胞并不能有效利用酮体供能，其线粒体膜电位下降、胞内ATP产生下降、细胞增殖减慢等。然后，作者在构建的结肠癌PDX模型及小鼠生酮干预实验中发现，在能量应激下，p53突变可显著诱导细胞及组织中线粒体发生融合，细胞氧化磷酸化水平增强，同时显著激活酮体核心代谢酶OXCT1表达，导致生酮治疗抵抗的发生。但是，生酮治疗联用p53变构激活剂，可将突变p53逆转为野生型构象，从而有效阻断分子表达重连接和代谢重编程，稳定酮体代谢缺陷表型，最终持续发挥抑制肿瘤生长的作用。
图4 在葡萄糖饥饿条件下，p53激活剂逆转了代谢重编程
综上所述，肿瘤代谢异质性与可塑性是临床代谢调节治疗需要重点关注的问题。本研究基于代谢分子分型，可以预测结肠癌生酮治疗的目标人群，联合p53突变状态进一步预测机体在能量应激水平下发生代谢重编程的方向，进而考虑靶向p53进行联合干预治疗的可行性，这些都为个体化的肿瘤代谢调节治疗策略提供理论依据。
图5 该研究的工作模式图
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