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基于可視化質譜平臺的直腸癌早期診斷研究 – 水熱及固態(tài)化學研究課題組學習記錄

來源：泰然健康網時間：2024年12月18日 23:54

本項目源于國家自然科學基金，題名：基于可視化質譜平臺的直腸癌早期診斷研究（91959201），起止時間2019.1-2023.12。研究工作簡要總結如下：

主要研究內容

本項目以內部萃取電噴霧電離質譜（iEESI-MS）技術為基礎，針對結直腸癌早期診斷這一重要科學問題，設計適用于直腸癌代謝樣品的高效取樣器和離子源，并采用質譜多維數據分析方法，開發(fā)了一種高特異性、高靈敏度、高通量的分子可視化檢測技術，建立了組織、血液、基因和免疫多維一體的數據分析方法，并進行了免疫治療和可視化診療的拓展研究。

研究方法及研究結果

（一）直接組織取樣分析

搭建了iEESI-MS分子診察平臺，快速獲得了173例臨床樣本結直腸癌組織的化學特征指紋譜圖，結合機器學習算法深入分析了與結直腸癌進展相關的代謝差異特征和代謝途徑，在分子層面上建立了能夠區(qū)分早期、晚期和正常組織的診斷模型，早期診斷模型準確率可達92.6%。找到了對結直腸癌演進進程預判和可視化診療具有重要意義的功能代謝分子（例如LPC（18:0）），發(fā)現了其與結直腸癌分期、演進相關的代謝途徑，并證明了LPC（18:0）對抑制SW480增殖具有生物學功能。

進一步的，利用多種機器學習方法對346例匹配的結直腸癌組織和正常組織樣本的代謝分子進行篩選、預測和數據集間的交叉驗證，得出了7個代謝物組合的預測模型，該模型具有較高的預測準確性（87.74%）、特異性（89.66%）和敏感性（85.82%），準確區(qū)分了正常組織和癌癥組織，獲得了分子功能集群的可視化結直腸癌早期診斷模型。并開展了多組學數據的關聯分析和富集分析，發(fā)現PC（30:0）具有重要診斷價值，探討與其相關性較強的基因變化；進行分子集群的功能驗證實驗，結果顯示PC（30:0）可以促進結直腸癌細胞SW480的增殖，揭示了癌癥中基因變化和代謝失調之間的關聯性。此外，利用空氣動力輔助解吸電噴霧離子化質譜成像系統(tǒng)進行了結直腸癌組織的質譜成像實驗，通過可視化信息闡明了組織切片中的特征分子分布和空間信息，并發(fā)現特征標志物中包含了iEESI-MS方法所篩查到的7個代謝特征離子，證明了iEESI-MS方法和診斷模型的準確性。最終形成了功能分子–關聯基因–代謝失調–可視化信息選

擇的交互驗證網絡，完善了用于早期診斷的可視化分子集群。

（二）血漿樣品分析

為建立可視化早期診斷模型，提出了血漿樣本“部分–整體”的研究策略。把早期結直腸癌看作“部分”，結直腸癌認為是“整體”，將“部分”和“整體”相結合，分析了130例血漿樣本的代謝譜圖，以描述結直腸癌和早期結直腸癌之間異常代謝的一致性。并通轉錄組數據的關聯分析，發(fā)現了一條以脂質代謝為中心的異常變化途徑，通過探究影響早期和進展期結直腸癌的特定和共同變化的代謝途徑，最終確定了影響結直腸癌發(fā)展的代謝標志物，并驗證了油酸和FA(18：2(10E, 12Z))等分子可以促進結直腸癌細胞的生長，可作為早期結直腸癌的血漿診斷工具。

免疫細胞的改變與關鍵代謝標志物分子

收集健康人和癌癥患者血漿，分選獲得T、B、NK和巨噬細胞，篩查兩組相同免疫細胞間的差異代謝物，探究在直腸癌進展過程中免疫細胞的改變與關鍵代謝小分子的關系。發(fā)現煙酰甘氨酸化合物在癌癥組的T、B、NK、巨噬細胞中水平均升高，推斷煙酰甘氨酸可能是潛在的診斷標志物。用煙酰甘氨酸干預SW480和CT26細胞培養(yǎng)，發(fā)現其能夠促進人和鼠結直腸癌細胞的生長，并進一步驗證煙酰甘氨酸對機體的免疫抑制作用。此外，建立了CT26皮下結直腸癌模型，并利用煙酰甘氨酸進行干預，發(fā)現煙酰甘氨酸顯著促進了小鼠結直腸腫瘤體積的增大，可能是潛在的診斷標志物。

（四）開發(fā)新型特異性阻斷劑及反向驗證實驗

基于前期實驗結果，發(fā)現LPC（18:0）的含量在結直腸癌組織中顯著低于正常組織，是潛在的診斷標志物。因此提出假說：提高機體LPC（18:0）的水平可能會抑制結直腸癌的發(fā)展。為了驗證LPC（18:0）對結直腸癌的影響，用不同濃度的LPC（18:0）處理結直腸癌CT26細胞并進行細胞增殖實驗，發(fā)現LPC（18:0）顯著抑制了CT26細胞增殖。提取細胞總RNA進行轉錄組RNA-seq，結果表明LPC（18:0）顯著抑制了脂質代謝通路和甘油磷脂通路。驗證LPC（18:0）的體內治療效果：建立了小鼠CT26結直腸癌治療模型，發(fā)現LPC（18:0）顯著抑制了小鼠結直腸腫瘤的生長，降低腫瘤細胞中PCNA的表達。

iEESI-MS測定所收集的小鼠血液中的代謝標志物，發(fā)現給藥后的小鼠血液中脂質代謝通路及甘油磷脂通路被顯著抑制。為了驗證LPC（18:0）是否對早期結直腸有干預作用，進一步建立了AOM/DSS誘導的小鼠原發(fā)結直腸癌模型，利用LPC（18:0）在不同時期進行干預；與對照組數據相比，LPC（18:0）顯著抑制了經AOM/DSS誘導的早期癌癥病灶位點數量，并且顯著降低了小鼠早期結直腸的病理特征，認為LPC（18:0）可能是一種潛在的代謝阻斷劑，能用于結直腸癌的治療及早期預防。

（五）基于混沌和分型理論運算的早期診斷可視化干圖案的建立

混沌映射作為非線性理論的一種，具備初值敏感性、偽隨機性和不可預測性等特點，這與癌癥發(fā)生、發(fā)展的演變特征相貼合。本項目首創(chuàng)性的以混沌與分形的理論為指導，利用數學模型發(fā)現分子變化規(guī)律，繪制癌癥發(fā)展和診斷的干圖案。考慮到質譜數據規(guī)模體量，并兼顧任務對特征權重的需要，選擇神經網絡和洛倫茲方程進行運算，將前期實驗獲得的差異性標志物離子作為引子，達到預測概率盡可能接近實際觀測值的類別，初步探索了結直腸癌早期診斷的可視化干圖案的運算模型。

(六) 光譜可視化診療方法的研究

此外，在前期代謝分子和代謝通路機制研究的基礎上，開展了腫瘤可視化診療工作。探究光譜可視化在腫瘤診療中的研究，利用NIR熒光成像引導的光動力和鐵死亡的協(xié)同診療，實現了單組分有機光敏劑同時作為I型光動力試劑和非金屬的鐵死亡誘導劑用于光動力–鐵死亡的活體可視化協(xié)同治療。建立靶向線粒體的高效光動力和光熱協(xié)同診療體系，實現單組分有機光敏劑能夠用于NIR-FLI和光熱成像引導的高效PDT和PTT的活體腫瘤多模態(tài)可視化協(xié)同診療。

綜上，本項目通過iEESI-MS和UHPLC-MS技術全面分析了結直腸癌血漿、組織和細胞的代謝特征及代謝途徑，利用統(tǒng)計學分析方法或機器學習等數據分析方法篩查具有診斷性能的生物標志物，將早期診斷結果進行可視化的模型呈現；并結合轉錄組數據以及細胞生物實驗對潛在的生物標志物進行綜合分析和驗證，揭示了關于癌癥進展的關鍵功能代謝分子標志物，并建立了小鼠結直腸癌模型對其進行驗證；根據混沌分形理論構建了結直腸癌的發(fā)生發(fā)展過程的干圖案，可視化的闡述了癌癥的演進過程和生長路線，為結直腸癌的早期可視化診斷和干預提供了一個全新的研究視角。

三、研究成果

本項目申報發(fā)明專利 2 項，發(fā)表 15 篇 SCI 論文，培養(yǎng)畢業(yè)博士和碩士研究生 14 人。

網址: 基于可視化質譜平臺的直腸癌早期診斷研究 – 水熱及固態(tài)化學研究課題組學習記錄 http://m.u1s5d6.cn/newsview632761.html