文章標(biāo)題：Multiomics identifies metabolic subtypes based on fatty acid degradation allocating personalized treatment in hepatocellular carcinoma

發(fā)表期刊：Hepatology

影響因子：12.9

客戶單位：南京市鼓樓醫(yī)院

百趣提供服務(wù)：新一代代謝組學(xué)NGM 2、脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

肝細(xì)胞癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)是全球第六大常見癌癥，位居癌癥死亡原因的第四位，占原發(fā)性肝癌的85%-90%。當(dāng)前HCC的治療方案主要根據(jù)癌癥的分期來進(jìn)行決策，從局部切除到介入治療再到免疫和靶向治療。然而，即使是同一分期的患者也會對相同治療產(chǎn)生不同反應(yīng)，這凸顯了找到預(yù)測療效的生物標(biāo)志物以支持臨床決策的迫切性。癌細(xì)胞通常會改變脂肪酸代謝途徑來獲取能量和構(gòu)建細(xì)胞膜所需的物質(zhì)以維持其生長。盡管HCC中的脂肪酸合成途徑已被深入研究，但脂肪酸降解(Fatty Acid Degradation, FAD)途徑在癌細(xì)胞中的具體作用尚未得到充分挖掘。

因此，本研究招募了41名患者，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組、脂質(zhì)組、代謝組和蛋白組學(xué)分析，針對FAD途徑進(jìn)行系統(tǒng)性研究，提出基于該途徑的HCC分子分型，以便更好地進(jìn)行預(yù)后預(yù)測和個體化治療策略制定。為了驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的FAD分型的穩(wěn)健性，研究還重新分析了59個公開可用的數(shù)據(jù)集和通過動物模型對發(fā)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

1、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)揭示了HCC中FAD途徑的特征

之前的報(bào)道發(fā)現(xiàn)能預(yù)測HCC的基因，通路分析發(fā)現(xiàn)這些基因與FAD通路相關(guān)（圖1A），而參與這條通路的42個基因與線粒體β氧化等密切相關(guān)，且大部分與FAD相關(guān)的基因在腫瘤組織中都顯著下降且與疾病進(jìn)程正相關(guān)（圖1B）。本研究中的數(shù)據(jù)也進(jìn)一步驗(yàn)證FAD基因在腫瘤組織中顯著下調(diào)，游離脂肪酸(Free Fatty Acids, FFAs)在腫瘤組織中顯著上調(diào)（圖1C）。通過ssGSEA方法計(jì)算的FAD評分反映了FAD途徑的代謝活性，關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)FAD評分與游離脂肪酸負(fù)相關(guān)（圖1D），在乳腺癌組織中也有顯示同樣的關(guān)系。由此可看出FAD基因表達(dá)水平與FAD score均能反映FAD通路代謝活性及FFAs積累程度。FAD評分在正常肝臟和腎臟中較高而在腫瘤組織中較低（圖1E），這一發(fā)現(xiàn)在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組結(jié)果中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。但對36個公開數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AD評分在HCC中顯著降低（圖1F），這一結(jié)果與腫瘤組織中FFAs濃度增加相對應(yīng)（圖1G）。此外，對多個小鼠HCC模型的分析發(fā)現(xiàn)FAD基因的表達(dá)水平下降。最后，單細(xì)胞RNA測序進(jìn)一步證實(shí)了HCC中FAD評分的降低并揭示了細(xì)胞群體間的異質(zhì)性（圖1I、J），提示需要更精細(xì)的患者分層策略（圖1J）。

2、HCC基于FAD分型的鑒定與驗(yàn)證及其臨床病理學(xué)相關(guān)性

研究表明，F(xiàn)AD評分與HCC患者的總體生存率(Overall Survival, OS)和無復(fù)發(fā)生存率呈正相關(guān)。較低的FAD評分與晚期腫瘤分期、較大腫瘤體積及高AFP水平等具有侵襲性的臨床指標(biāo)相關(guān)。單變量和多變量分析表明FAD評分是所有數(shù)據(jù)集中OS的獨(dú)立預(yù)后因子（圖2A）。對42個FAD相關(guān)基因進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)HCC患者被分成F1、F2和F3三個亞型，分別代表FAD基因低、中、高表達(dá)（圖2B）。F1亞型FFAs含量較高，其他脂質(zhì)（如TAG和DAG）較低，且與較高的AFP水平及晚期腫瘤分期相關(guān)。F1亞型患者OS和無復(fù)發(fā)生存時間最短，而F3亞型最長（圖2C）。HCC基于FAD的分型在另外8個數(shù)據(jù)中得到驗(yàn)證；FAD亞型的預(yù)后價值在5個獨(dú)立隊(duì)列中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（圖2D-H），即使根據(jù)腫瘤級別分型，F(xiàn)AD亞型也與患者的疾病進(jìn)程相關(guān)。

綜合來看，這些結(jié)果表明FAD分類在不同數(shù)據(jù)集中穩(wěn)定，并且與具有預(yù)后價值的臨床病理指標(biāo)相關(guān)。雖然目前已經(jīng)報(bào)道了很多不同的HCC亞型，通過比較發(fā)現(xiàn)基于FAD的亞型的基因數(shù)最少且較少基因出現(xiàn)在其他疾病標(biāo)志物中；且FAD亞型相關(guān)的基因在其他HCC亞型中也有出現(xiàn)。

3、肝細(xì)胞癌FAD亞型的基因組、表觀遺傳、代謝和信號通路特征

作者進(jìn)一步探討了FAD亞型的基因組、表觀遺傳學(xué)、代謝和信號特征。拷貝數(shù)變異分析顯示，F(xiàn)1亞型在10號和12號染色體上有更多擴(kuò)增，而F3亞型在1p和4q染色體上的缺失較少。表觀遺傳分析表明FAD基因在F1亞型中的甲基化率更高，其表達(dá)與甲基化水平呈負(fù)相關(guān)，暗示DNA甲基化可能導(dǎo)致FAD通路在HCC中的失活（圖3A-E）。

F1亞型表現(xiàn)出糖酵解、核苷酸代謝及增殖信號通路的關(guān)鍵酶顯著上調(diào)，表明其對能量生成和大分子合成的需求增加。F1亞型的TGF-β、NOTCH和RAS信號通路活性較高，而F3亞型的AKT/mTOR通路活性相對較高；F1亞型的糖酵解活性最高，而F3的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)活性更高。FAD分類在肝癌細(xì)胞系中顯示，常用細(xì)胞系如Hep3B和MHCC97H屬于F1亞型，而HepG2和C3A屬于F3亞型（圖3F-H）。

亞組特異性通路富集分析揭示了三個FAD亞型的獨(dú)特分子特征。F1亞型在糖酵解、核苷酸代謝和增殖信號通路中較高，而F3亞型富集于肝臟特異性代謝通路，如膽汁酸和酮體代謝通路。HCC生物標(biāo)志物在FAD亞型中的表達(dá)模式顯示，F(xiàn)1亞型富集于多個不良預(yù)后的標(biāo)志物，F(xiàn)3亞型則顯示較高的GLUL、GLYATL1和CPS1表達(dá)。FAD分型和富集分析結(jié)果在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中得到驗(yàn)證。FAD亞型將HCC患者分為三組，其特定的基因組、表觀遺傳學(xué)、代謝和分子特征可能使其對現(xiàn)有治療藥物更為敏感（圖3I-L）。

4、探索針對肝細(xì)胞癌FAD亞型特異性藥物

數(shù)據(jù)表明YM-155和Alisertib是F1亞型的特異性藥物，未發(fā)現(xiàn)F3亞型的特異藥物（圖4）。與F1亞型相關(guān)的大部分藥物靶點(diǎn)基因在F1亞型中都顯著升高且與FAD score負(fù)相關(guān)；增殖實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)1亞型細(xì)胞系對YM-155和Alisertib藥物更敏感。

5、FAD亞型與索拉菲尼和TACE的反應(yīng)關(guān)系

作者評估了FAD亞型與HCC治療中常見藥物之間的關(guān)系，綜合來看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明F1亞型患者對索拉非尼更敏感，而F3亞型對經(jīng)動脈化療栓塞(Transarterial Chemoembolization, TACE)有反應(yīng)（圖5）。

6、肝細(xì)胞癌FAD亞型的腫瘤微環(huán)境(TME)特征

RNA-seq隊(duì)列結(jié)果顯示，F(xiàn)1亞型的共刺激因子、共抑制因子、配體和受體基因表達(dá)最高，且其免疫細(xì)胞標(biāo)志基因的含量顯著高于其他亞型。F1來源的T細(xì)胞表現(xiàn)出更高的細(xì)胞毒性和耗竭標(biāo)志物，表明其具有更強(qiáng)的免疫浸潤和抑制狀態(tài)。

接著用2個自建的小鼠模型和11個來自公共數(shù)據(jù)集的小鼠模型數(shù)據(jù)對FAD亞型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)HCC被分為3個亞型；其中NRAS誘導(dǎo)的模型屬于F1亞型，而AKT驅(qū)動的模型屬于F3亞型。F1亞型小鼠的T細(xì)胞浸潤情況明顯高于F2和F3亞型，顯示出更強(qiáng)的免疫浸潤及抑制微環(huán)境（圖6A-C）。

進(jìn)一步使用scRNA-seq技術(shù)分析FAD亞型小鼠的免疫景觀，F(xiàn)1模型中T細(xì)胞豐度較高，而F3模型則以巨噬細(xì)胞為主。F1來源的T細(xì)胞具有更豐富的細(xì)胞毒性和耗竭特征，同時，F(xiàn)1腫瘤中的惡性細(xì)胞與T細(xì)胞的相互作用更為頻繁，提示F1亞型中存在PD-1/PD-L1介導(dǎo)的免疫抑制（圖6D-P）。

7、FAD亞型可預(yù)測對免疫檢查點(diǎn)抑制劑單藥治療及聯(lián)合治療的反應(yīng)

研究表明，F(xiàn)AD亞型的HCC與免疫治療反應(yīng)相關(guān)。F1亞型小鼠模型對抗PD-1治療有效，而F2和F3亞型模型則無反應(yīng)。臨床數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)1亞型患者中77.8%為PD-1反應(yīng)者，顯著高于F2（25%）和F3（0%）。在“亞洲PD1隊(duì)列”中，F(xiàn)1亞型的抗PD-1反應(yīng)率為61.1%。FAD評分在預(yù)測抗PD-1反應(yīng)方面表現(xiàn)良好，AUC為0.855。同時，F(xiàn)AD亞型也能預(yù)測抗PD-L1單藥治療的反應(yīng)。低FAD評分與T+A治療的總生存期和無進(jìn)展生存期改善相關(guān)，而F1亞型患者在接受T+A治療時展現(xiàn)出最佳生存收益（圖7）。

8、FAD亞型特異性的血清生物標(biāo)志物及肝細(xì)胞癌的治療策略

肝活檢并非診斷HCC的必需步驟，這可能會阻礙FAD亞型在臨床中的應(yīng)用，基于代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究結(jié)果表明，外周血中的代謝物和蛋白質(zhì)特征能夠以高準(zhǔn)確性和敏感性區(qū)分FAD亞型（圖8A-D）。

最后，作者提出了一種基于液體活檢的診斷算法，旨在將FAD亞型應(yīng)用于臨床實(shí)踐（圖8E）。

該研究提出的FAD分型系統(tǒng)，為HCC的分子分類提供了新的視角，幫助識別出個體化治療的潛在候選藥物。此外，研究也表明FAD分型可以通過液體活檢進(jìn)行診斷，從而優(yōu)化患者的治療決策，特別是在預(yù)測對免疫檢查點(diǎn)抑制劑的反應(yīng)方面具有潛在應(yīng)用價值。