好文解读 | IF>29：代谢流在非小细胞肺癌临床研究中的应用

一、背景介绍

          癌细胞的快速增殖会对代谢途径进行调整，这种调整被称为代谢重编程，其中一个关键特征是通过糖酵解来产生能量，这种现象被称为“Warburg效应”。在临床上，这种变化为癌细胞提供了增殖所需的能量和生物合成前体，影响肿瘤的侵袭性和转移，造成耐药性、免疫逃逸等，因此与临床结果（如生存率）之间存在潜在联系。代谢流技术可以通过向患者或模型中注入同位素标记的葡萄糖，然后检测代谢产物中的同位素标记，来了解体内代谢特征，以帮助识别与肿瘤侵袭性和转移相关的代谢途径，比如在本研究中即发现非小细胞肺癌（NSCLC）患者肿瘤中TCA循环中间体的富集与早期死亡风险相关。

 

二、材料方法

 

 

          研究招募了143名患者，手术切除肿瘤过程中输注稳定同位素标记葡萄糖，将活检和手术期间收集的样本液氮保存备用，将肿瘤组织进行解离，接种到免疫缺陷小鼠进行患者来源的异种移植（PDX）造模。基于临床样本，进行了免疫组化（IHC）分析以确认组织学类型并评估肿瘤微环境，开展了基因测序以分析肿瘤中基因突变情况，以色谱质谱联用（GC-MS）检测代谢产物中的C13同位素来评估代谢特征，并基于临床数据进行了代谢特征与患者临床结果（如生存率和疾病进展）之间的关联分析。基于成功建立的PDX模型小鼠，同样开展了代谢流研究评估代谢特征以与临床样本数据进行对照，给予电子传递链（ETC）抑制剂来评估其对肿瘤代谢和转移的影响，应用小动物成像技术、流式细胞等来评估PDX模型转移情况。另外基于样本进行了RNA测序，以研究肿瘤基因（特别是与氧化磷酸化（OXPHOS）和三羧酸循环（TCA cycle）相关）的基因表达情况。相关统计学分析涉及到Shapiro-Wilk检验（当3≤n<20时）或D’Agostino-Pearson全检验（当n≥20时），参数检验使用t检验或Welch t检验，非参数检验则使用Mann-Whitney或Wilcoxon检验。

 

三、结果讨论

          研究发现在非小细胞肺癌（NSCLC）患者中，肿瘤组织中TCA循环中间体的同位素富集显著高于邻近肺组织肿瘤组织，通过术后随访Kaplan-Meier生存分析，发现同位素富集高的肿瘤患者总生存率和无复发生存率显著降低，表明TCA循环中间体升高与死亡风险增加关，且通常与转移有关。小鼠PDX模型保留了患者肿瘤的代谢特征，并观察到能够自发转移到多个器官，PDX模型和患者肿瘤中同位素富集比较发现，两者在TCA循环中间体中的富集水平相似。应用电子传递链（ETC）抑制剂IACS-010759可以减少TCA循环中同位素标记，在不抑制皮下肿瘤生长的情况下，可显著减少循环癌细胞的数量和远器官（如脑）转移，表明抑制ETC或对减少转移有效。另外对于临床特征，比如BMI、吸烟史等，其与同位素富集未发现明显相关性。为验证代谢流实验的发现，研究亦开展了氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）实验，以评估肿瘤代谢活性与同位素标记葡萄糖的代谢流结果进行对比，发现最大标准化摄取值（SUVmax）与之前代谢流实验的同位素富集结果正相关。

 

四、研究结论

          研究发现了TCA循环中间体的高富集与死亡风险增加倍相关且多与转移有关，为非小细胞肺癌（NSCLC）患者的预后评估提供了新的代谢标志物，有助于更准确地预测患者的生存率和疾病进展。动物实验发现ETC抑制剂能够显著减少肿瘤转移，这可能成为一种抑制肿瘤转移的新策略。代谢流技术在临床上的成功应用，使得临床研究能够直接在患者体内评估肿瘤的代谢活动，特别是TCA循环的活性，为研究肿瘤代谢提供了高分辨率的动态信息，有助于揭示肿瘤的代谢特征，提供了重要的实验方法和研究思路。

 

五、结果展开

图1. 显示TCA循环中C13同位素富集可以区分肿瘤与邻近肺组织。

a. 显示参与研究的肺部病变患者参与实验情况。
b. 显示C13标记葡萄糖的示踪原理，比如进入细胞后，通过糖酵解生成丙酮酸，再进入线粒体参与TCA循环，生成多种代谢物。
c. 显示NSCLC肿瘤组织与邻近肺组织的代谢物含同位素富集情况比较。
d. 显示良性病变与邻近肺组织的代谢物含同位素富集情况比较。
e. 显示转移性肿瘤与邻近肺组织的代谢物含同位素富集情况比较。
f. 显示TCA循环代谢物之间的同位素富集相关性分析。
g. 显示M+1和M+2同位素在NSCLC肿瘤和邻近肺组织中的相关性。

 

图2. 显示肿瘤细胞中驱动氧化磷酸化（OXPHOS）的表达特征。

a. 显示原发性NSCLC和邻近肺样本之间TCA循环和ETC相关基因转录差异的热图。
b. 显示肿瘤和邻近肺样本中糖酵解、TCA和ETC相关通路的RNA评分对比。
c. 显示基于GSE131907单细胞数据库分析发现肿瘤样本（红色）中的上皮细胞OXPHOS评分显著高于邻近肺样本（蓝色），表明肿瘤细胞具有更高的OXPHOS活性。
d. 显示GSE131907单细胞数据库分析对比非恶性肺组织（蓝色）、原发性NSCLC肿瘤（红色）或转移性病变（橙色），发现转移性病变中的OXPHOS评分最高。
e. 显示肿瘤样本（包括原发性和转移性）中的上皮细胞OXPHOS评分分布范围更广，且评分更高，表明肿瘤细胞的OXPHOS活性具有较高的异质性。
f. 显示肿瘤样本中上皮细胞OXPHOS评分的相对标准差。

 

图3. 显示TCA循环中C13同位素富集上升与生存率降低相关。

a. 显示邻近肺组织、高富集肿瘤、低富集肿瘤中TCA循环C13同位素标记情况。
b. 显示TCA循环标记高或低肿瘤患者的总生存率。
c. 显示TCA循环标记高或低肿瘤患者的无复发生存率。
d. 显示M+2富集高的肿瘤患者的总生存率显著低于M+2富集低的患者。
e. 显示M+2富集高的肿瘤患者的无复发生存率显著低于M+2富集低的患者。
f. 显示C13富集与临床因素（如BMI、MIB-1、SUVmax、TLG 40%、AUC120、淋巴结阳性）及总生存率的关系。
g. 显示邻近肺组织的TCA循环标记与总生存率的关系。
h. 显示邻近肺组织的TCA循环标记与无复发生存率关系。
i. 显示C13同位素标记特征与临床指标的相关性分析。

 

图4. 显示原发性NSCLC衍生的PDX组织学、分子和代谢特征。

 

a. 显示不同患者肿瘤样本的组织学类型（如腺癌、鳞状细胞癌等）和分子特征（如基因突变）。
b. 显示PDX模型成功保留了捐赠肿瘤的组织学和分子特征，包括组织学类型和基因突变。
c. 显示PDX的H&E染色图像表明模型在组织学上与供体肿瘤相似。
d. 显示“高”和“低”TCA循环富集性肿瘤的移植成功率。
e. 显示临床样本和PDX模型样本的C13同位素富集对比分析。

 

图5. 显示PDX小鼠的肿瘤可自发转移。

 

a. 显示小鼠模型肺组织的流式细胞术分析，分析显示存在表达HLA的人类肿瘤细胞在肺部形成转移。
b. 显示小鼠肺部转移瘤的小动物整体成像。
c. 显示小鼠肺部转移瘤中Ki67阳性细胞的免疫组化染色。
d. 显示小鼠肺部所检测到HLA-ABC表达细胞的百分比。
e. 显示患者73和148的脑转移瘤的CT扫描。
f. 显示患者73和148来源的PDX脑部转移的流式细胞分析。
g. 显示患者73和148来源的PDX皮下肿瘤和脑组织转移肿瘤的H&E染色和CK7免疫组化染色。
h. 显示患者73和148来源的PDX小鼠脑部成像。
i. 显示PDX模型中观察到的脑转移瘤情况。
j. 显示患者73和148来源的PDX小鼠肝脏成像。
k. 显示PDX模型中肝脏转移瘤情况。

 

图6. 显示ETC抑制剂IACS-010759可以抑制肿瘤的转移。

 

a. 显示患者148来源的PDX用IACS-010759处理后，TCA循环中同位素富集情况。
b. 显示患者73来源的PDX用IACS-010759处理后，TCA循环中同位素富集情况。
c. 显示患者148来源的PDX用IACS-010759处理后，皮下肿瘤体积变化情况。
d. 显示患者73来源的PDX用IACS-010759处理后，皮下肿瘤体积变化情况。
e．显示患者148来源的PDX用IACS-010759处理后，血液中循环肿瘤细胞的情况。
f．显示患者148来源的PDX用IACS-010759处理后，肺转移的情况。
g．显示患者148来源的PDX用IACS-010759处理后，脑转移的情况。
h. 显示患者73来源的PDX用IACS-010759处理后，肺转移的情况。
i. 显示IACS-010759处理减少了患者73来源的PDX肺转移瘤生物成像信号。
j. 显示患者73来源的PDX用IACS-010759处理后，脑转移的情况。
k. 显示开展IACS-010759影响已转移肿瘤实验的流程示意图。
l. 显示IACS-010759处理减少了腋窝淋巴结中大转移瘤的数量。
m. 显示IACS-010759处理减少了腋窝淋巴结的生物发光信号。
n. 显示IACS-010759处理减少了肺转移负担。
o. 显示IACS-010759处理减少了脑转移负担。

 

参考文献：

Cai L, Hammond NG, Tasdogan A, Alsamraae M, Yang C, Cameron RB, Quan P, Solmonson A, Gu W, Pachnis P, Kaur M, Chang BK, Zhou Q, Hensley CT, Do QN, Martins Nascentes Melo L, Ubellacker JM, Kaushik A, Clare MG, Alcazar IN, Kurylowicz K, Marcuccilli JD, Allies G, Kutritz A, Klode J, Ramesh V, Rogers TJ, Rao AD, Crentsil HE, Li H, Brister F, McDaniel P, Xu X, Evers BM, Zacharias LG, Sudderth J, Xu J, Mathews TP, Oliver D, Minna JD, Waters J, Morrison SJ, Kernstine KH, Faubert B, DeBerardinis RJ. High Glucose Contribution to the TCA Cycle Is a Feature of Aggressive Non-Small Cell Lung Cancer in Patients. Cancer Discov. 2025 Apr 2;15(4):702-716.