Serum metabolomics study on benign liver lesions and hepatic malignancies by central carbon pathway metabolites

Agilent 1260高效液相色谱仪，包括在线脱气机，二元泵，自动进样器，柱温箱；Agilent 6410三重四级杆质谱仪，配有电喷雾离子源（Agilent，美国）；Mass Hunter B4.0色谱工作站（Agilent，美国）；Micro17R低温离心机（Thermo，美国）；Vortex 6型涡旋混合器（其林贝尔，海门）；Arium mini超纯水机（Sartorius，美国）。

甲醇、乙腈为色谱纯（Honeywell，美国），甲酸为色谱纯（SIGMA，美国），三丁胺为色谱纯（GC，纯度≥99%），冰醋酸为色谱纯，水为超纯水，其他试剂为分析纯。

海军军医大学附属东方肝胆外科医院伦理委员会审核并通过了本研究的样品收集方案及流程。所有招募患者都签署了知情同意书并表示愿意参与本研究^[10]。采集志愿者静脉血5 ml，置抗凝（EDTA）管中，在4 ˚C下3000 g离心10 min，取上清置样本管，储存于−80 ˚C冰箱中待用，避免在分析前经历两次以上的冻融循环。

从−80˚C冰箱取出样品，室温解冻，取50 μl，分别加入150 μl的乙腈用于沉淀蛋白，涡旋1 min后，在4˚C下12000 g离心10 min，吸取100 μl上清液转移至进样小瓶，进样分析。质量控制（QC）样品则通过合并等量不同血清样品制备得到。

色谱分离采用Extend C₁₈色谱柱（2.1 mm×150 mm，1.8 μm，Agilent），柱温35 ℃。流动相A为97%水+3%甲醇溶液含10 mmol/L TBA和15 mmol/L冰醋酸，流动相B为甲醇溶液含10 mmol/L TBA和15 mmol/L冰醋酸，采用梯度洗脱，洗脱程序：0~2.5 min，0% B；2.5~7.5 min，0%~20% B；7.5~13 min，20%~45% B；13~20 min，45%~99% B；20~24 min，99% B；流速为250 μl/min，进样量为2 μl。

离子源为AJSESI，离子源参数设置：干燥气温度 150 ℃；干燥气流速13 L/min；雾化器压力 45 psi；鞘气温度 325 ℃；鞘气流速 12 L/min；毛细管电压2 000 V，喷嘴电压 500 V，负离子模式下采用动态多反应离子检测（dMRM）模式扫描。

本实验首先通过MH Quant方法对UPLC-QQQ-MS采集的原始数据与数据库中所有化合物进行匹配和定量分析，其次将定量分析得到的数据导入MPP（Mass Profiler Professional）软件进行统计分析，之后将MPP处理得到的192个差异代谢物组成的矩阵导入SIMCA-P 11.0（Umetrics，Sweden）进行主成分分析（PCA）和偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）。通过交叉验证参数Q²Y和R²Y对所构建的模型质量进行评判。应用单因素方差分析（one-way ANOVA）对有显著性差异的变量在健康对照组、胆管囊肿组、胆道结石组、肝癌组和肝门部胆管癌组中的平均含量进行分析，并进行多组间的两两比较。当变量满足P值小于0.05且VIP（OPLS-DA多维分析得到的代谢物重要性参数）大于1，认为其为潜在的生物标志物。为了进一步揭示肝脏良性病变与肝脏恶性肿瘤显著改变的代谢通路，将上述鉴别得到的差异代谢小分子及其相对含量导入MetaboAnalyst平台（http://www.metaboanalyst.ca），应用MetPA（http://metpa.metabolomics.ca./）进行具有先验经验的智能通路分析。

剔除年龄性别及其他影响代谢的慢性疾病等混杂因素对研究结果的影响，最终共收集169份血浆样本，包含23名胆管囊肿患者，19名胆道结石患者，45名肝癌患者，50名肝门部胆管癌患者，以及32名健康志愿者纳入本次靶向代谢组学分析研究，各组样本群体之间不存在任何人口统计和基线特征的显著差异（包括年龄、性别、体质量指数、有无糖尿病等），从而排除了人口统计和基线特征差异相关混杂因素对实验结果的影响。

为了探索肝脏病变改变的代谢物群，对UPLC-QQQ-MS采集经MPP软件处理后所得数据进行多元统计分析。首先，对不同分组方式，包括：①正常组、胆管囊肿、胆道结石、肝癌、肝门部胆管癌；②正常组、肝脏良性病变（胆管囊肿&胆道结石）、肝脏恶性肿瘤（肝癌&肝门部胆管癌）；③正常组、肝脏良性病变（胆管囊肿&胆道结石）、肝癌；④正常组、肝脏良性病变（胆管囊肿&胆道结石）、肝门部胆管癌的数据分别采用非监督的主成分分析（PCA）来探讨各组之间的代谢组差异及其相关性。如图1所示，在PCA的三维得分图中可以看到：组与组之间存在明显的分离趋势，另外，PCA得分图中QC样品的分布集中，表明本研究采用的方法稳定性和重现性良好，分析获得的数据可信。

进一步采用200次置换检验的方法对模型进行验证，置换检验的原理即验证初始模型是否与置换检验的模型过拟合，如图1所示，所有分组数据经置换后的R²（cum）和Q²（cum）值（左侧）均要小于初始值（右侧），且Q²（cum）的回归线（蓝色）截距为负值，上述结果表明模型未过拟合，不同分组方式所构建的偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）分类模型稳健性好，表明具有很好的预测能力及可靠性。

代谢物被确认为潜在生物标志物之前需要经过仔细的筛选。首先根据S-plot筛选有显著差异的代谢变量，整个过程基于协方差相关性原理执行，从而减少了代谢物筛选过程中出现假阳性的概率。如图1所示，S-plot主要来自预测模型中的第一主成分，而第一主成分几乎涵盖了分析数据的大部分变量，在S-plot图上偏离原始点越远的变量对组间的分离趋势贡献越大，这些变量被认为可能是潜在的生物标志物；其次，变量重要性投影（VIP）反映了变量的重要性，在这里被用来过滤模型中的重要代谢变量，通常认为VIP 大于 1 的变量可能是潜在的生物标志物，进一步对多元统计分析筛选得到的差异代谢物采用单因素方差分析做单元统计分析，P值小于 0.05 的变量被认为差异有统计学意义。基于以上标准，共筛选到15个胆管囊肿显著相关的潜在生物标志物，包括肌醇、L-山梨糖、D-甘露糖、牛磺酸、L-苏氨酸、L-谷氨酸、L-苯丙氨酸、L-天冬氨酸、乳酸、α-D-葡萄糖-1-磷酸、2-甲基-1-丁醇、丙酮酸、丙二酸、顺式乌头酸和反式乌头酸；7个胆道结石显著相关的潜在生物标志物，包括肌醇、L-苏氨酸、L-谷氨酸、丙二酸、α-D-葡萄糖-1-磷酸、顺式乌头酸和反式乌头酸；7个肝癌显著相关的潜在生物标志物，包括肌醇、L-天冬氨酸、2-甲基-1-丁醇、丙酮酸、α-酮戊二酸、顺式乌头酸和反式乌头酸和3个肝门部胆管癌显著相关的潜在生物标志物，包括肌醇、L-山梨糖和D-甘露糖，具体结果及其变化趋势见表1。

代谢组学研究的目的不仅是找到肝脏病变导致的机体代谢组改变，更希望发现肝脏病变后显著改变的代谢通路，这些显著改变的代谢通路对于揭示肝脏病变的可能致病机制非常重要，因此，本研究通过MetPA平台的智能通路分析表征肝脏良性病变与肝脏恶性肿瘤显著改变的代谢通路，既而进一步探讨肝脏病变的可能致病机制。通过考察代谢通路所处的节点位置重要性作为代谢通路显著性评价指标，在代谢通路拓扑分析中，设置代谢通路的重要值大于 0.10时，可被认为是潜在的靶标代谢通路。图2中所有代谢通路都以圆点表示，结合 P 值及重要性，圆点越大颜色越深表明其在代谢网络中所处的节点位置越重要。结果表明胆管囊肿显著改变了8条代谢通路，结果如图2A所示，具体包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢（Alanine, aspartate and glutamate metabolism），牛磺酸和次牛磺酸代谢（Taurine and hypotaurine metabolism），丙酮酸代谢（Pyruvate metabolism），三羧酸循环(TCA cycle)，苯丙氨酸代谢（Phenylalanine metabolism），谷氨酰胺和谷氨酸代谢（D-Glutamine and D-glutamate metabolism），磷酸肌醇代谢（Inositol phosphate metabolism）以及淀粉和蔗糖代谢（Starch and sucrose metabolism）；胆道结石显著改变了4条代谢通路，结果如图2B所示，具体包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，谷氨酰胺和谷氨酸代谢，磷酸肌醇代谢以及淀粉和蔗糖代谢；肝癌显著改变了4条代谢通路，结果如图2C所示,具体包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，丙酮酸代谢（Pyruvate metabolism），三羧酸循环 (TCA cycle)和磷酸肌醇代谢；肝门部胆管癌显著改变了1条代谢通路：磷酸肌醇代谢，结果如图2D所示。上述代谢通路富集分析结果提示肝脏病变显著改变了机体的能量转换、物质转化、氨基酸的代谢和转运，说明这些代谢在肝脏系统疾病中具有重要的调节作用。后续可进一步分析差异蛋白，探究具体涉及的信号通路，深入探讨这些通路在肝胆系统疾病发病机制中的作用。

肝门部胆管癌因发病隐匿，易被误诊为胆道结石、胆管囊肿等，且其预后极差。如果能够在肝癌早期就及时发现并及时治疗，将会大大提高肝门部胆管癌患者的生存期及生存质量。肝癌的术前诊断主要依靠CT、超声或MRI等影像学检查。CT等影像学检测手段在分辨率和准确性上不具优势，无法满足该疾病早期诊断筛查所需的特异度和敏感度。因此，寻找高敏感性、高特异性、非侵入性的生物标志物具有重要的临床诊断意义。本研究认为与肝脏疾病进程相关的潜在生物标志物的含量变化应该呈现规律的上调或下调，基于这一原则筛选到的差异代谢物对于肝癌的早期诊断和筛查具有更重要的意义。如图3所示，胆管囊肿患者、肝门部胆管癌患者与健康志愿者相比，天冬氨酸和丙二酸含量均呈明显下调趋势，而反式乌头酸含量均呈明显上调趋势，而肝癌以胆管囊肿为比较时，未找到规律上调或下调的差异代谢物, 具体如图3A；胆道结石患者、肝癌患者与健康志愿者相比，丙二酸含量均呈明显下调趋势，而肌醇和反式乌头酸含量均呈明显上调趋势, 具体如图3B；胆道结石患者、肝门部胆管癌患者与健康志愿者相比，肌醇含量均呈现明显上调趋势, 具体如图3C。综上，虽然研究发现了在肝脏系统疾病进程中具有相同变化趋势的差异代谢物，然而这些差异代谢物在肝脏系统疾病患者体内的平均水平并没有显著差异，可能原因是样本量还不够大，个体间的差异掩盖了组间的差异，然而具体真实的原因还有待后续进一步研究探索。

本研究运用UPLC-QQQ-MS技术结合DMRM数据库及化学计量学方法进行了胆管囊肿、胆道结石、肝癌、肝门部胆管癌患者和健康志愿者血清的代谢组学研究，分别鉴定出15个、7个、7个和3个在胆管囊肿患者、胆道结石患者、肝癌患者和肝门部胆管癌患者与健康人血清中存在显著性差异的潜在生物标志物，并根据这些显著性差异的代谢物分别富集到8条、4条、4条、1条在胆管囊肿患者、胆道结石患者、肝癌和肝门部胆管癌患者体内显著改变的代谢通路。根据上述鉴别的差异代谢物和富集的代谢通路结果，表明肝脏病变主要影响了机体的能量代谢及氨基酸的代谢与转运，而磷酸肌醇代谢在胆管囊肿、胆道结石、肝癌、肝门部胆管癌中均显著改变。