基于核磁共振的代谢组学技术发现胰腺癌的生物标志物及早期诊断的应用

Pancreatic cancer is a malignant neoplasm with an exceptionally high mortality rate and poor prognosis. Despite the advances in molecular biology to understand its pathogenesis, early diagnosis of pancreatic cancer remains a great challenge. We will integrate clinical and biomedical analyses with nuclear magnetic resonance measurement to study the early diagnosis of pancreatic cancer. In this project, NMR-based Metabonomic approach was proposed to distinguish pancreatic cancer from healthy individuals by applying 1H NMR spectroscopic analysis of serum, urine and pancreatic tissue in combination with multivariate statistical analysis. This study will involve in the analysis of serum, urine and pancreas from the mice and hamsters model with pancreatic carcinoma and the patients with pancreatic carcinoma. A group of biomarkers will be identified from the metabonomes of mice and hamsters and further validated by the analysis of metabonomes from the patients. NMR-based metabonomic strategy is a promising approach for the early diagnosis of pancreatic cancer in the clinical practice.

胰腺癌是消化道恶性肿瘤之王，早期诊断十分困难。本项目将临床医学、生物医学分析和核磁共振代谢组学检测有机结合，研究胰腺癌的生物标志物，为胰腺癌的早期诊断提供科学依据。本研究通过基于核磁共振的代谢组学技术对胰腺癌鼠动物模型和胰腺癌病人的血清、尿样、胰腺癌组织及胰腺癌旁正常组织中的小分子代谢产物进行定性定量分析，并借助于计算机辅助的多变量数据统计分析方法，发现动物发生胰腺癌病变的生物标志物，进而与胰腺癌病人的生物标志物进行相互验证和类比。在建立实验动物癌前病变、早期、中晚期胰腺癌的完整代谢组学的生物标志物的基础上，通过对比和分析动物和人体生物标志物组的类似性，探索构建人类癌前病变及早期胰腺癌诊断的数据模型，为早期诊断胰腺癌提供理论依据和实践基础。

根据项目计划，较好地完成了人体及动物胰腺癌代谢组学研究。通过建立大鼠胰腺癌原位诱导模型成功诱导胰腺上皮内瘤变（PanIN）以及胰腺癌（PC）的发生。通过核磁共振结合多变量统计分析发现，大鼠正常胰腺、PanIN与PC三者之间的血清及组织样本均存在较为明显的代谢组学差异。与正常组织相比，PanIN和PC的差异代谢物大多具备有相似的代谢变化趋势，表明PanIN与PC代谢重构具有连贯性和一致性。而PanIN和PC的之间，许多种代谢物又存在含量上的差异，表明在两者演进过程之中又存在进一步的代谢重构。而大鼠PC血清代谢组学研究显示，多种代谢物含量显著低于正常大鼠,而PanIN血清则有多种代谢物高于正常大鼠。而PanIN与 PC大鼠血清之间存在更为明显的代谢差异，这种反差提示PanIN到PC的进展过程中可能伴随有复杂的分子事件并在血清代谢组中突显出现。 ..通过对人胰腺癌细胞株原位种植动物模型及临床患者血清样本进行检测和比较，发现中晚期PC患者血清多种代谢物，如氨基酸、柠檬酸和脂蛋白含量存在显著变化。同时，不同胰腺癌细胞株所建立动物模型的代谢组存在一定的差异，血清乳酸、谷氨酰胺、谷氨酸和胆碱含量可能与分化程度相关，提示胰腺癌代谢组学也存在较大异质性。研究还发现，人胰腺癌组织与正常组织之间的代谢组学差异显著，并具有可区分两者的代谢标志物，但癌旁组织与正常组织代谢组学比较则无显著的代谢差异。..通过比较不同动物血清及尿液代谢组学，我们初步评估了不同实验动物与人在代谢组学层面上之间的差异性，有助于科学地选择不同实验动物平台和有效地解读和整合实验动物与人的代谢组学研究结果。.本研究筛选出一系列表征胰腺上皮内瘤变或胰腺癌发生的代谢标志物，并且胰腺癌动物模型及临床胰腺病人的癌组织与血清代谢组均可与正常对照之间建立较为可靠的模式识别模型，验证了基于核磁共振代谢组学方法,如高分辨核磁共振血清检测和组织代谢组学在诊断胰腺癌的可行性。同时进一步甄别出糖酵解、谷氨酵解、氨基酸代谢、胆碱-磷脂代谢等主要相关代谢通路。结合常用实验动物与人体不同样本的代谢组差异研究成果，为进一步整合胰腺癌动物模型和临床患者研究结果，筛选具有高灵敏度和特异性的代谢标志物组，建立具有临床应用价值的胰腺癌早期诊断和筛选代谢组学方法提供了科学依据。