基于不同碘营养地区人群的甲状腺癌代谢组学生物标志物筛选研究

Early-stage thyroid cancer patients have no apparent symptoms, therefore, discrimination of malignant from benign thyroid tumors is very difficult. Discriminating thyroid cancer patients from the population with thyroid benign nodule is always a challenge. The concentration levels of endogenous molecular metabolites provide the informative evidence for disease investigation. Our preliminary studies showed a classification tendency in distinguishing thyroid cancer from benign thyroid tumors and healthy controls using urinary metabolomics, and found the abnormal metabolism of energy, amino acids and nucleosides in thyroid cancer patients. On that basis, it is proposed to further investigate the biomarkers of thyroid cancer in populations living in areas with different iodine nutrition levels. In this study, metabolomics using ultra-performance liquid chromatography/mass spectrometry in conjunction with high-dimentional analysis methods would be employed to identify the specific biomarkers and biological implications from the biological samples of thyroid cancer patients. In addition, the effects of different iodine status on the small molecular metabolites of different types of thyroid cancer, especially on the selected biomarkers, would be studied. Finally, the selected biomarkers and their diagnostic performance for discriminating benign and malignant thyroid tumors would be verified by a prospective validation experiment. This study would investigate the diagnosis and mechanism of thyroid cancer from the perspective of metabolomics, and provide new thoughts for studying other cancers in metabolomics.

甲状腺肿瘤患者早期症状不明显，良恶性病变鉴别困难，如何将甲状腺癌患者从甲状腺结节人群中筛选出来一直是一项挑战。内源性小分子物质代谢浓度水平变化为疾病的研究提供了丰富的信息，我们的前期研究中也发现甲状腺癌与甲状腺良性肿瘤及健康对照的尿液代谢组学结果呈现一定的分类趋势，并且发现甲状腺癌中能量、氨基酸和核苷等代谢发生了异常改变。在此基础上，申请者提出使用代谢组学方法在不同碘营养地区的人群中对甲状腺癌生物标志物进行深入研究。本课题拟采用超高效液相色谱-质谱联用检测手段，利用高维数据分析方法，从甲状腺癌患者生物样本中筛选特异性标志物并进行鉴定和生物功能解释。进而，研究不同碘营养水平对不同分型甲状腺癌小分子代谢物尤其是生物标志物的影响。最后，通过前瞻性验证试验进一步验证筛选的生物标志物并评价其诊断效果。本研究从代谢组学的角度探索了甲状腺癌的诊断及机理，也为其他癌症的代谢组学研究提供新的思路。

本项目使用代谢组学结合高维数据分析方法，从不同碘营养地区甲状腺癌患者生物样本中筛选特异性标志物，验证和评价其诊断效果，并探索了不同碘营养水平对甲状腺癌小分子代谢物尤其是生物标志物的影响。在甲状腺癌生物标志物筛选、鉴定和功能解释部分，我们发现无论在组织、血清还是尿液中，甲状腺癌组与非癌对照组之间均存在明显的代谢模式差异，项目共筛选和鉴定出包括Arachidonoylcarnitine、LysoPE在内的共39个小分子物质可作为甲状腺癌潜在代谢组学生物标志物，其中，部分标志物如LysoPC(15:0/0:0)、Copalic acid与甲状腺功能指标密切相关，部分标志物如3,4-Methylenesebacic acid、Vignatic acid B和N-Arachidonoylglycine等分别与甲状腺癌的淋巴结转移、淋巴结转移个数及TNM分期密切相关；在不同碘营养地区甲状腺癌患者小分子代谢组指纹图谱的差异研究部分，课题组发现不同碘营养地区甲状腺癌患者存在明显的代谢模式差异，Arachidonoylcarnitine、LysoPE等物质不仅在癌症组织中发生了变化，在不同碘营养地区也存在明显差异，另外，课题组通过流行病学分析也发现，不同碘营养水平与甲状腺癌临床病理特征密切相关，血清碘水平过高可能是甲状腺癌发生淋巴转移的危险因素；甲状腺癌机理探索部分，课题组发现甲状腺癌患者体内谷胱甘肽、长链脂肪酸、糖类、能量等多个代谢通路发生了明显变化，这些变化可能与甲状腺癌的发生发展有关，此外，我们还发现，筛选出的潜在生物标志物的表达与BRAF基因rs3748093位点突变有一定关系，部分代谢产物在等位基因AA、AT中的表达量高于等位基因TT；生物标志物的验证部分，课题组使用组织、血清和尿液代谢组学生物标志物分别建立甲状腺癌诊断模型，模型对甲状腺癌、良性肿瘤及健康对照等外部样本的预测效果较好，具有一定的灵敏度和特异度。通过本课题的研究，不仅筛选出了具有潜在诊断价值的生物标志物，并且通过生物标志物及其与碘营养的关系探讨了甲状腺癌发病机制，填补了不同碘营养地区甲状腺癌代谢组学研究的空白，为甲状腺癌的诊断及机制研究提供了科学依据。