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项目文章 | 交通大学闫超教授团队运用GC-MS非靶向代谢组学探究乳腺癌早期诊断标志物

鹿明生物

2021.3.17

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鹿明

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● 前言

欧易/鹿明生物客户上海交通大学药学院闫超、王彦课题组在Metabolomics发表题为“Metabolic transformation of breast cancer in a MCF-7 xenograft mouse model and inhibitory effect of volatile oil from Saussurea lappa Decne treatment”的研究成果，运用GC-MS非靶向代谢组学报告了一项关于MCF-7异种移植小鼠的代谢组学研究，利用全面的二维气相色谱-飞行时间质谱（GC×GC-TOF/MS）和超高效液相色谱-四极飞行时间质谱基于代谢组学的方法来研究乳腺癌发生过程中的代谢转化特征。筛选MCF-7异种移植瘤的候选病理生物标志物，有望成为乳腺癌早期诊断的有价值诊断标志物。

中文标题：香挥发油治疗裸鼠MCF-7异源乳腺癌移植瘤模型的代谢组学研究

研究对象：小鼠尿液和血清

发表期刊：Metabolomics

合作单位：上海交通大学

运用欧易/鹿明生物技术：GC-MS非靶向代谢组学

● 研究背景

乳腺癌仍然是全世界妇女中最常见的癌症，美国、欧洲和日本每年的新发病例超过41万例。乳腺癌是多阶段癌变的结果，乳腺癌发生过程中肿瘤与宿主相互作用引起的代谢转化及其在乳腺癌治疗中的意义尚未被广泛研究。正常细胞向恶性细胞的转化过程与严重的代谢紊乱有关，使用代谢组学分析方法来调查细胞、组织和生物液体的代谢状态，为发现生物标志物、识别受干扰的通路、诊断疾病和测量对治疗的反应提供了巨大的潜力。

● 研究思路

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● 研究结果

1.对MCF-7异种移植小鼠治疗后机体生长及肿瘤的影响

在20天(从II到V)的治疗期间，每2天记录MCF-7异种移植小鼠的肿瘤大小和机体重量，肿瘤和机体的生长曲线如图所示。其中，PTX（紫杉醇处理组）、Cos-Dehy和VOSL均能明显抑制异种移植瘤的生长，其中PTX的体内抗乳腺癌活性最强，但毒性最强，Cos–Dehy和VOSL都有中抗乳腺癌活性，但后者对维持MCF-7异种移植小鼠健康的作用优于前者，而Dehy在体内没有明显的抗乳腺癌活性。

图1 | 移植小鼠治疗后机体生长指标

不同处理组中（A）MCF-7异种移植肿瘤体积生长曲线和（B）小鼠体重生长曲线；

2.注释的代谢物数据集合并

将来自于GC–TOF/MS 和 GCxGC–TOF/MS 以及 UPLC–Q-TOF/MS检测后注释完成的尿液样本和血清样本的代谢物数据集进行合并形成一个新的数据集，共包含有118个代谢物（VIP >1.0 and p >0.01, or VIP >1.0 and p>0.05），其中48个，24个代谢物分别来自尿液，血清样本的GC检测，18个，28个代谢物分别来自尿液，血清样本的LC检测。使用新的数据集进行单变量和多变量的统计分析。

3.尿液质谱数据的PCA分析

通过对尿液质谱数据的PCA代谢轨迹分析，表示了不同时间点不同组间样品的分离情况，发现用标注尿液差异代谢物构建的PCA分数轨迹更适合用于揭示致癌相关或治疗相关代谢物的变化。NT组（阴性对照组）、Dehy组、Cos-Dehy组和VOSL组的代谢变化随时间的变化轨迹在II至III时间点相似，但在III至V时间点(NT和Dehy组、或者Cos-Dehy组和VOSL组)却分别聚在一起。

图2 | 代谢物的PCA轨迹图

（A）UPLC–Q-TOF/MS检测的尿液质谱数据PCA轨迹图和（B）注释的尿液差异；

4.热图分析

通过热图分析显示，与HC相比，NT组、Cos-Dehy组和VOSL组合并的新的数据集118个代谢物中具有代表性的差异代谢物的变化。（仅考虑FC值的变化，S：血清；U：尿液；G：GC；L：LC）

图3 | 差异代谢物的热图

S：血清；U：尿液；G：GC–MS；L：UPLC–Q-TOF/MS；

接着作者根据FC值和AUC值选取了7个具有代表性的代谢物作为作为MCF-7异种移植的候选生物标志物。通过逻辑回归分析将7个代谢物的ROC分析进行合并成一个变量，最终得到的AUC值为1，说明这些候选的生物标志物验证成功。

图4 | ROC曲线分析

（A~D）7个候选生物标志物在不同处理组的bar图和（H）ROC曲线分析；

5.通路分析

然后作者对差异代谢物进行了通路分析。MCF-7异种移植小鼠的差异代谢物主要与5种代谢途径有关，包括糖酵解/丙酮酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢、苯丙氨酸和酪氨酸代谢、类固醇激素代谢和不饱和脂肪酸代谢。糖酵解/丙酮酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢、或和苯丙氨酸和酪氨酸代谢通路的失调在许多其他癌症中也有报道，因此作者重点对这3种代谢通路进行分析。

MCF-7异种移植小鼠的EPA、DHA、亚油酸、dihomo-γ-亚麻酸和花生四烯酸等多不饱和脂肪酸(PUFAs)的血液水平低于HC组（图A）；MCF-7小鼠尿中皮质醇、皮质醇、17-b-雌二醇-3-葡萄糖醛酸等甾体激素水平均高于HC组（图B）；MCF-7异种移植瘤的发生与PUFAs和类固醇激素水平的关系图（图C）。

图5 | 代谢途径变化

（A）和健康对照组相比MCF-7异种移植不饱和脂肪酸代谢途径变化和（B）类固醇激素代谢途径变化。（C）EPA和DHA在体内对MCF-7细胞增殖影响的可能途径

● 研究结论

MCF-7异种移植小鼠在肿瘤发生过程中发生了显著的代谢转化。这种代谢转化的特点是糖酵解和类固醇激素代谢升高，不饱和脂肪酸代谢减少，经VOSL和Cos- Dehy治疗后，其代谢减弱或正常化，从而显著抑制异种移植瘤的生长。

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本文作者运用GC-MS非靶向代谢组学报告了一项关于MCF-7异种移植小鼠的代谢组学研究，利用全面的二维气相色谱-飞行时间质谱（GC×GC-TOF/MS）和超高效液相色谱-四极飞行时间质谱基于代谢组学的方法来研究乳腺癌发生过程中的代谢转化特征。采用木香挥发油（VOSL）和从VOSL中分离的木香烃内酯和去氢木香内酯（Cos-Dehy）对MCF-7异种移植瘤小鼠进行治疗，评价其疗效，并探讨其抑制肿瘤生长的药理机制。

血清和尿液代谢谱的动态变化表明，VOSL和Cos-Dehy均能抑制MCF-7异种移植小鼠的代谢紊乱，这与VOSL和Cos-Dehy显著抑制MCF-7异种移植瘤生长的作用是一致的。在经VOSL和Cos-Dehy处理的MCF-7异种移植物小鼠中观察到关键代谢途径的显著改变，包括糖酵解和类固醇激素代谢的升高，以及不饱和脂肪酸代谢的降低。花生四烯酸、二十二碳六烯酸、二十碳五烯酸、亚油酸、二氢丙酸、20a羟孕酮和可的松被选为MCF-7异种移植瘤的候选病理生物标志物，有望成为乳腺癌的早期诊断的有价值的诊断标志物。

文末看点

上海鹿明生物科技有限公司，一直专注于生命科学和生命技术领域，是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析团队。同时鹿明生物推出了4D-DIA蛋白组学+GC/LC-MS双平台非靶向代谢组学研究促销活动！活动倒计时2天~~

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参考文献：

Peng Z X , Wang Y , Gu X , et al. Metabolic transformation of breast cancer in a MCF-7 xenograft mouse model and inhibitory effect of volatile oil fromSaussurea lappaDecne treatment[J]. Metabolomics, 2015, 11(3):636-656.

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