胃癌呼气标志物—甲基庚烯酮的分子代谢机制与临床早期诊断价值的研究

Early diagnoses of gastric cancer can significantly improve its prognoses. An important characteristic of cancer, abnormal metabolisms, may provide a new clue for early diagnoses by detection of cancer metabolites. Our research team previously found that methylheptenone, a kind of volatile organic compounds, abnormally elevated in the breath of gastric cancer patients. It can potentially diagnose gastric cancer early from exhaled breath of gastric cancer patients, which is speculated as the over-produced metabolite of gastric cancer. However, the molecular metabolic mechanisms of this breath biomarker are unclear. Based on former literatures, we drew the following hypotheses: due to the abnormal metabolisms, oxygen radicals were over produced in gastric cancer cells, which resulted in lipid peroxidation(LPO). LPO could produce more acetone that became methylheptenone in the acid environment of stomach. Methylheptenone could enter the bloodstream through capillaries and be exhaled by the lung of GC patient.We plan to explore the precursors of methylheptenone by isotope tracer technique，screen the antioxidases and related genes by plasmid transfection, RNAi and Western Blot, and finally verify the hypotheses and determine the diagnostic values of the breath biomarker by large-sample clinical trials for the purpose of clarifying its molecular metabolic mechanisms and providing the theoretical foundations and clinical evidences for early diagnoses of GC with this volatile biomarker.

胃癌的早期诊断是改善其预后的关键。肿瘤的一个重要特征是代谢异常，其异常代谢产物的检测为肿瘤早期诊断提供了重要线索。本课题组前期在胃癌患者呼气中检出异常增多的挥发性有机化合物-甲基庚烯酮，分析该挥发性有机化合物可作为潜在的胃癌早期诊断的呼气标志物，并推测其为胃癌异常代谢产物，但其分子代谢机制尚不明确。基于国内外相关文献我们提出假说：胃癌细胞因氧自由基代谢异常，细胞内氧自由基增加，从而发生脂质过氧化，产生过量的丙酮和异戊二烯，两者在胃液盐酸环境下生成过量甲基庚烯酮。该产物经自由扩散透过毛细血管壁进入血液循环，最终经肺泡气体交换呼出。我们拟通过同位素示踪技术探明甲基庚烯酮的前体物质;通过质粒转染、RNAi及Western Blot技术筛选调控其生成的抗氧化酶及基因；最后通过大样本临床试验验证此假说，确立甲基庚烯酮早期诊断胃癌的参考值及灵敏度和特异度，为其早期诊断胃癌提供理论依据和循证医学证据。

目的：探索胃癌（GC）早期诊断潜在呼气标志物的分子代谢机制。 方法：1.通过TCGA，GEO和Array Express数据库筛选出研究条件一致的GC基因组数据，京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析出共有代谢通路中显著差异表达基因（DEG）作为代谢驱动基因。体外实验探讨不同化学微扰因素对代谢驱动基因的作用，进一步PTR-MS分析化学微扰因素对SKGT2细胞顶空气体VOCS的影响。2.收集100例胃癌、30例胃良性疾病及30例健康患者呼气及唾液标本，分别采用热脱附GC-MS技术和UHPLC-QTOFMS技术进行呼气分析和唾液代谢组学分析，寻找胃癌呼气和唾液代谢中无创早期诊断标志物；同时收集GC患者术后癌及癌旁组织，高通量测序探索胃癌呼气和唾液代谢标志物的起源。 结果：1.在3组条件一致的基因组数据中，KEGG富集分析得到28个代谢驱动基因。其中PTDSS1,CHKA,NEU1（p<0,05）三个驱动基因在ERBB2高表达和低表达GC组织样本中显著差异表达。SKGT2细胞中，ERBB2，7-AGPAT3，15-PIGS,18-DGKQ及26-SPTLC2 随着厄洛替尼浓度的增加而表达逐渐上调；1-PTDSS1，10-DPM1及20-DGKB随着厄洛替尼浓度的增加而表达逐渐下调。PTR-MS分析发现厄洛替尼处理后的SKGT2细胞顶空VOCs发生明显变化。2.结果表明，纳米传感器阵列可以分别在良性胃病和正常人呼气中区别出胃癌患者，准确度均可高达80%。唾液代谢分析发现胃癌组和良性对照组间有631个显著差异代谢物，KEGG富集分析发现21个显著富集代谢通路。绘制ROC曲线，发现10个差异代谢物可以较好的区分胃癌和良性胃病，为潜在的胃癌诊断标志物；对胃癌和癌旁组织高通量测序,KEGG富集分析发现21个显著差异代谢通路，其中脂肪酸降解代谢通路中4个基因显著上调，9个基因显著下调，为潜在的代谢驱动基因。 结论：1.化学微扰因素可影响代谢驱动基因的表达水平，而VOCs可区分干扰因素处理后的SKGT2细胞，提示VOCs的产生与驱动基因有关。2. 呼气和唾液代谢分析在胃癌早期诊断中具有潜在的临床应用价值；高通量测序发现潜在的代谢驱动基因，为进一步探讨胃癌呼气和唾液代谢标志物的起源提供了线索。