代谢组学专注于样品中代谢物的全面分析，它可以反映由于环境因素，遗传变异和调节，人体内微生物群落的变化以及动态活动或酶水平的改变而引起的变化。癌症是一种可改变细胞代谢的疾病，因此代谢组学可用于研究癌症组织代谢发生的变化。根据研究目标和所研究的癌症代谢组的各个方面，可以采用不同的方法和分析平台来研究一系列癌症样品，包括肺癌，结肠直肠癌，膀胱癌，乳腺癌，胃癌，食管癌和甲状腺癌等。

早期发现、早期诊断和早期治疗是有效提高癌症疗效的关键措施之一。目前，功能基因组学已经用于检测肿瘤生物标志物，包括基因表达（转录组学）和蛋白质谱（蛋白组学）。近年来，与肿瘤相关的代谢组学研究也已逐渐受到重视。代谢组学运用高通量、高敏感度的分析技术手段，结合化学计量学、生物信息学等方法，从代谢角度描述肿瘤病理过程中小分子代谢物的概况，揭示肿瘤整体性代谢变化，在肿瘤的发病机制、早期诊断、个体化治疗以及预后判断等方面具有独特优势。

  代谢组学在癌症中的应用 

1 生物标志物

癌症代谢组学研究的核心焦点是生物标志物发现。代谢组学已被用于鉴定有意义的肿瘤标志物，并且已经发现了许多潜在的标志物，用于在不同阶段诊断和预测多种类型的癌症。例如，在肾癌的早期诊断中，由于尿液和肾脏的密切的相互作用，研究人员使用代谢组分析癌症和健康尿液样品，发现酰基肉碱，quinolinic acid，龙胆等有积累。在结直肠癌中，癌症患者和正常对照的血清样品的代谢谱分析让四个代谢物（天门冬氨酸，犬尿氨酸的选择，以及胱胺）可以作为早期诊断模型的基础。关于生物标志物，代谢组学在在肝癌，乳腺癌，卵巢癌等癌症中都有应用。

2 癌症临床治疗

代谢组学可用来预测药物功效或毒性的生理反应。与其他组学相比，代谢组学最适合评估癌症疗法是否最终导致代谢途径的变化，同时它可以检测药物的药代动力学。由于药物代谢组学能够监测患者对药物的代谢反应，因此在癌症检测，癌症预后和癌症治疗管理中使用代谢组学很有意义。

3 癌症个性化治疗

目前，在癌症个体化治疗，有许多利用代谢组学进行研究的例子。例如，2014年，Navarette等人发表了一项关于mitomycin C治疗胰腺癌的成功研究，该研究针对的是对其他治疗方案有耐药性的患者进行个体化治疗。本研究的动机是mitomycin C被证明比sirolimus更成功，甚至比两者的结合更成功。利用GC-MS和LC-MS的非靶向代谢组学揭示了mitomycin C对TCA循环、嘌呤代谢和脂肪酸生物合成的影响，以及许多显著的脂质和氨基酸变化，这导致了其比其他治疗更成功。

4 癌症转移

有很多研究人员将代谢组学用于癌症转移的研究。 科学家们通过血清或尿液样品的代谢谱展示了诊断胃癌，结直肠癌，肾癌和乳腺癌转移的预测能力。其他研究集中于特定的转移部位，如软脑膜癌病和骨转移。

  代谢组学实验流程 

癌症研究中典型代谢组学实验（图1）一般有四个步骤，样本收集，数据采集，生物信息学分析，和数据解释。

• 样本收集。样品的处理对于成功的代谢组学研究至关重要，有多个因素需要注意，包括采集的时间点，样品的储存和提取方法等。

• 数据采集。分析来自健康和癌症患者的生物流体或组织样品。多种技术的组合为揭示代谢组变化提供了可能性。在代谢组学的数据采集过程中，需要质量控制步骤以确保获得可重复、准确的结果。不仅如此，质量控制需要渗透到代谢组学研究的每个步骤中。

• 生物信息学分析。将数据通过专门的生物信息学软件，分析癌症代谢组学变化。

• 数据的解释和验证。

  

图1. 癌症研究中代谢组学实验的一般流程图。(Beger R., 2013)

  代谢组学的主要分析方法 

由于代谢化合物的多样性，没有一种单一的分析方法可以测量所有代谢物的浓度。核磁共振（NMR）和质谱（MS）是代谢组学研究中主要应用的技术。

1核磁共振

NMR可以测量多种代谢物，提供定量和结构信息，并且几乎不需要样品制备这一过程。但是NMR的灵敏度低；并且在复杂混合物中，通过NMR来解释特定的代谢物是比较困难的。高分辨率NMR和高分辨率魔角旋转NMR（HR-MAS-NMR）在内的技术已被用于分析生物流体和组织样品中的癌症代谢; 它们不破坏样品，允许与其他技术一起分析使用，因此是非常有前景的技术平台。超极化NMR，可以通过跟踪代谢物水平以表征体内癌症代谢。

2 质谱

质谱可以提供高灵敏度的定量信息，允许分析低丰度的代谢物，但通常需要大量的样品制备过程。常见类型的质谱仪包括time-of-flight（TOF），quadrupole time-of-flight（Q-TOF），quadrupole, 和orbitrap 等等。质谱通常和分离技术串联使用，包括气相色谱-质谱（GC-MS）联用，液相色谱-质谱（LC-MS）联用和毛细管电泳-质谱（CE-MS）联用。

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参考文献：

1. Beger R. A review of applications of metabolomics in cancer. Metabolites, 2013, 3(3): 552-574.

2. Vermeersch K A, Styczynski M P. Applications of metabolomics in cancer research. Journal of carcinogenesis, 2013, 12.

3. Armitage E G, Ciborowski M. Applications of metabolomics in cancer studies. Metabolomics: From Fundamentals to Clinical Applications. Springer, Cham, 2017: 209-234.

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