膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是一種細(xì)胞代謝紊亂的疾病。GBM是一種復(fù)雜的異質(zhì)系統(tǒng)，包含多個(gè)不同的細(xì)胞群，并由異常的血管網(wǎng)絡(luò)支持生長(zhǎng)增殖。目前觀察到藥物在GBM中存在異質(zhì)性分布，這一現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)血腦屏障局部或者不均勻破壞來(lái)解釋。所以有必要從空間上對(duì)GBM的代謝模式和微環(huán)境的變化，以及化學(xué)成分區(qū)域性的變化進(jìn)行更深入的了解。
來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院的研究者們?cè)?em>Cancer research(IF 12.7)上發(fā)表題為“Localized Metabolomic Gradients in Patient-Derived Xenograft Models of Glioblastoma”的文章，通過(guò)空間代謝組學(xué)，在3D維度對(duì)GBM代謝異質(zhì)性進(jìn)行了分析，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論。
研究材料
腦組織
技術(shù)路線
· 步驟1：腫瘤切片空間代謝組學(xué)分析；
· 步驟2：三維驗(yàn)證代謝物分布；
· 步驟3：結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析腫瘤內(nèi)部代謝模式；
· 步驟4：藥物空間分布成像。
研究結(jié)果
1. 腫瘤切片空間代謝組學(xué)分析
對(duì)移植膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的小鼠腦組織進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)腫瘤區(qū)域內(nèi)部存在兩個(gè)具有獨(dú)特代謝模式的區(qū)域，分別被標(biāo)注為藍(lán)色和白色，對(duì)兩個(gè)區(qū)域中的代謝物進(jìn)行ROC分析，排名靠前的代謝物主要為一類(lèi)long chain acylcarnitines（長(zhǎng)鏈酰基肉堿）。對(duì)這些代謝物進(jìn)行空間成像，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谀[瘤內(nèi)部都出現(xiàn)了較為一致的空間分布，尤其是肉豆蔻酰基肉堿（m/z 410.2666）、棕櫚酰基肉堿（m/z 400.3422）和硬脂酰基肉堿（m/z 428.3734）三種高含量的酰基肉堿，在腫瘤邊緣的強(qiáng)度明顯高于腫瘤內(nèi)部。進(jìn)一步通過(guò)LESA（液滴萃取表面分析）-MS/MS對(duì)相關(guān)目標(biāo)代謝物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，結(jié)果一致。
圖1 腦組織空間代謝組血分析
2. 通過(guò)3D成像對(duì)相關(guān)代謝酰基肉堿空間分布進(jìn)行驗(yàn)證
對(duì)包含腫瘤部分的腦組織以160 μm的間隔進(jìn)行連續(xù)組織切片，共計(jì)制備22片進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，并構(gòu)建組織3D成像圖。驗(yàn)證了酰基肉堿分布于整個(gè)腫瘤組織邊緣而非單一異常的異常平面所特有。另一方面，通過(guò)對(duì)血紅素進(jìn)行3D成像確認(rèn)了腫瘤組織和血管組織的相對(duì)位置。以上結(jié)果通過(guò)來(lái)源6只不同小鼠的腫瘤組織得到了驗(yàn)證。
圖2 腦組織切片的腫瘤及血管三維成像圖
為了確定這一現(xiàn)象是否在其他GBM中觀察到，制備GBM12，GBM22，GBM39和GBM108等4種腫瘤組織樣本(n=2)，進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，在所有樣本中都檢測(cè)到酰肉堿，在腫瘤邊緣均可檢測(cè)到更高強(qiáng)度的酰基肉堿。
3. 酰基肉堿相關(guān)代謝物分析
在上述四種腫瘤組織中均檢測(cè)到相對(duì)正常組織中更高強(qiáng)度的ATP，而且與酰基肉堿存在相反的分布趨勢(shì)。在GBM108模型中檢測(cè)到血紅素的相對(duì)強(qiáng)度最高，這和GBM108具有更高度的血管擴(kuò)張?zhí)匦杂嘘P(guān)系，而在酰基肉堿分布的核心區(qū)域，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和血紅素的區(qū)域存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可能暗示血管系統(tǒng)在酰基肉堿分布的有較大關(guān)系。
對(duì)腫瘤進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)脂肪酸代謝和糖酵解相關(guān)標(biāo)志基因表達(dá)趨勢(shì)和ATP以及酰基肉堿表達(dá)趨勢(shì)是一致的。
4. Erlotinib和AZD1775兩種藥物空間分布成像
兩種藥物在所有GBM模型的腫瘤區(qū)域均有較高的表達(dá)強(qiáng)度。在GBM12模型中，EGFR抑制劑厄洛替尼在腫瘤邊緣檢測(cè)到較低的信號(hào)，其特征是腫瘤周?chē)幸粋€(gè)暗環(huán)。棕櫚酰肉堿在該區(qū)域以較高的強(qiáng)度被檢測(cè)到，顯示出某種相反的分布。AZD1775在整個(gè)腫瘤區(qū)域有相對(duì)均勻的分布，在腫瘤邊緣和內(nèi)部核心濃度一致。對(duì)兩種藥物的理化性質(zhì)進(jìn)行了比較和總結(jié)，Erlotinib的溶解度有明顯的pH依賴性，兩種藥物溶解的差異性很可能是由于腫瘤微環(huán)境中不同pH環(huán)境導(dǎo)致的。
圖3 藥物、棕櫚酰肉堿、ATP和血紅素成像圖
小編小結(jié)
研究者通過(guò)空間代謝組學(xué)對(duì)腫瘤微環(huán)境進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤內(nèi)部和邊緣擁有兩種不同的代謝模式，并進(jìn)一步對(duì)相關(guān)代謝物、血管系統(tǒng)、藥物在腫瘤內(nèi)外部的空間分布進(jìn)行了展示。
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