学术快讯15 |《Nat Commun》通过CTC单细胞代谢指纹发现高转移潜能亚型

南京医科大学陈云团队于2023年4月在《Nature Communications》杂志发表题为“Single-cell metabolic fingerprints discover a cluster of circulating tumor cells with distinct metastatic potential”的论文，研究通过单细胞定量质谱平台鉴定与转移相关的代谢物，发现了一类具有明显转移潜能的循环肿瘤细胞（CTC）。这项研究深入探索了CTC代谢表型的异质性，为深入理解肿瘤的转移机制、癌症的精准治疗提供了重要的科学依据。

论文题图

 
背景介绍
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
循环肿瘤细胞（CTC）是从原发肿瘤中脱落并进入血液循环的肿瘤细胞，在癌症转移过程中发挥着重要作用。相关研究表明，癌症转移主要由特定的CTC亚型引起，因此识别具有高转移潜能的CTC至关重要。作为转移性癌细胞的标志物，代谢重编程在很大程度上改变了CTC的代谢表型，能够在一定程度上支持CTC的转移潜能。目前，质谱已经广泛应用于识别代谢组学异常，而单细胞质谱法则能够在单细胞的分辨率下分析代谢产物，有望应用于定量分析CTC的代谢表型与细胞异质性的关系。这项研究选用结直肠癌作为研究癌种，通过构建单细胞定量质谱平台来识别与癌症转移相关的CTC亚型。
 
整体研究设计
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
首先，通过两对具有不同转移潜力的人类结直肠癌细胞系进行代谢产物筛选，并鉴定出一组丰度不同的代谢产物；其次，对未发生转移的结直肠癌患者，进行CTC单细胞代谢产物靶向分析，对CTC进行分类，并通过体内外实验鉴别与癌症转移相关的CTC亚型；最后，在独立的前瞻性队列中进一步测试该分类方法，从单细胞代谢产物水平预测结直肠癌患者的转移发生率。

CTC单细胞定量质谱平台构建的流程图

 
细胞系中鉴别转移相关代谢产物
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
研究选用了两对结直肠癌细胞系，分别由原发性和转移性结直肠癌细胞系组成（SW480与SW620；HT-29与COLO 205），通过对两对细胞系进行基于质谱的非靶向代谢组学分析，及后续的主成分分析（PCA）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析和代谢集富集分析（MESA），研究初步确认了14种代谢产物，他们大多在谷胱甘肽代谢、氨基酸代谢和沃伯格效应（Warburg effect）等代谢相关途径中。

在两对结直肠癌细胞系中进行代谢产物筛选

 
开发单细胞定量质谱平台
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
为了获取单个细胞的代谢产物，这项研究参考了Mirkin课题组的电渗透萃取方法[2]，在-2V电压条件下吸取40s，将大约120fL（1.2×10-13L）的细胞内容物吸取到基于电渗透流的纳米毛细管中。通过质谱多反应检测技术（MRM）对14种先前鉴定的代谢产物进行优化，并选择其中11种靶标代谢产物做进一步分析（包括乳酸、琥珀酸、苹果酸、焦谷氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、苯丙氨酸、N-乙酰基-L-谷氨酸、色氨酸、谷胱甘肽）。

单细胞定量质谱平台的开发和优化

 
特定的CTC代谢亚型与转移相关
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
研究纳入208例结直肠癌患者，在CTC阳性患者中（N=75），80%的患者（N=60）作为训练队列，20%的患者（N=15）作为测试队列。使用上述开发的单细胞定量质谱法测定每个CTC中11种目标代谢物的水平，确定了谷氨酸、乳酸、天冬氨酸和苹果酸这4种代谢产物为反应CTC异质性的重要因素，通过约登指数（Youden index）计算出CTC风险评分截断值为0.420，CTC根据截断值可分为两个亚组：C1＜0.420，C2≥0.420。对训练组患者进行跟踪随访，发现CTC总数（p=0.0207）、C1组CTC数量较低（p<0.0001）、C2组CTC数量较高（p<0.0001）和转移风险相关。

训练队列中CTC代谢亚型的发现和转移相关性

在测试队列中，53个CTC被分为C1、C2两个亚组，结果显示，大多数转移患者的C2组CTC＞1，而大多数非转移患者C2组CTC≤1，这种区分效果在C1组CTC中并没有体现出来。C2组CTC在区分转移/非转移患者中有重要作用，且取得了良好的灵敏度、准确性和特异性。

测试队列中C2组CTC能够有效区分转移/非转移患者

 
前瞻性研究的验证结果
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
研究最后纳入了15名没有转移的结直肠癌患者进行了一项前瞻性研究。其中5名患者术前CTC阳性，对这5名患者进行CTC单细胞靶向代谢产物检测，结果显示：患者1-3的C2组CTC=1，患者4，5的C2组CTC计数高于临界值，提示转移风险较高，在随后2年的随访中，患者4在15个月后出现肝和肺转移，患者5在8个月后出现淋巴结转移，而患者1-3均无转移。该结果进一步验证了CTC单细胞代谢组预测转移的可靠性。

前瞻性临床试验证实CTC单细胞代谢组学预测转移的有效性

 
总结
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
这项研究通过基于质谱的非靶向代谢组学分析鉴定出与结直肠癌转移相关的代谢产物，构建了以谷氨酸、乳酸、天冬氨酸和苹果酸为主的CTC代谢亚型分类方式。研究在训练队列和测试队列中证明了特定代谢亚型的CTC与癌症转移相关，并在前瞻性队列中验证了这种分类方法的可靠性。这项研究为深入理解CTC的代谢特征与转移机制的联系提供了新的途径，但仍然需要更大规模的前瞻性试验来验证文章结论的可靠性。此外，基于单细胞的代谢组学方法有可能为临床提供更多的潜在标志物和治疗靶点，在未来，基于单细胞水平的分子分型在特定的临床情况下将具有更大的竞争力。
 
 

参考文献：

[1] Zhang, Wenjun et al. “Single-cell metabolic fingerprints discover a cluster of circulating tumor cells with distinct metastatic potential.” Nature communications vol. 14,1 2485. 29 Apr. 2023, doi:10.1038/s41467-023-38009-3

[2] Laforge, F. O., Carpino, J., Rotenberg, S. A. & Mirkin, M. V. Electrochemical attosyringe. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 11895–11900 (2007).

 

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