整合代谢组学与质谱分子成像及检测技术的食管癌快速筛查及早期诊断新方法研究

This project focuses on the significant correlations between the occurrence, progression of esophageal cancer and the changes of endogenous metabolites. Combining metabolomics and novel homemade ambient mass spectrometry technique, a new approach for rapid screening and in situ analysis of biomarkers relevant to esophageal cancer could be established. The project will take clinical samples, animal models and cell models as the research objects. Firstly, non-targeted metabolomics analysis using integrated ionization LC-MS/MS approach will be performed to acquire the information of global metabolites and metabolic profiling will aim at the low abundance metabolites with significant bioinformation, and the obtained results will be used to discover potential biomarkers of esophageal cancer. The variation features and distribution characterization of potential biomarkers will be further investigated, through rapid detection and in situ analysis by using novel homemade ambient mass spectrometry (AFAI-MS) and molecular imaging (AFAI-IMS) technique, and the potential biomarkers will be verified by elucidation of biological function relevant to the occurrence, progression and diagnosis of esophageal cancer. In a word, we aim to establish a novel approach of rapid screening and early diagnosis of esophageal cancer by indexing and monitoring the small molecular biomarkers based on AFAI-MS and LC-MS/MS targeted quantitative methods.

本项目围绕食管癌发生发展与内源性代谢物变化的相关性等关键科学问题，采用代谢组学方法与质谱新技术相结合的分析思路，开展寻找与食管癌发生发展及其诊断相关生物标志物的快速筛查及原位分析新方法研究。本项目拟从临床样本、动物模型与细胞模型三个层次，首先采用组合式离子化方式的LC-MS/MS非靶向代谢组学与针对低含量代谢物的代谢轮廓分析方法，获取全面的代谢物信息，寻找食管癌相关的可能生物标志物。进一步考察可能标志物在癌症发展不同阶段的变化规律，并结合新型常压敞开式离子化质谱与分子成像新技术（AFAI-MS与AFAI-IMS），对相关标志物进行快速检测、原位分析及分布特征研究，获得与食管癌发生发展及其诊断相关的潜在生物标志物（群），并进行生物学功能验证。通过基于AFAI-MS和LC-MS/MS的标志物靶向定量方法及定量指标，建立以小分子生物标志物（群）为主要指标进行食管癌快速筛查及早期诊断的新分析手段。

本项目围绕寻找与食管癌发生发展及其诊断相关的小分子标志物，建立其快速筛查及诊断的分析方法为目标开展了系统研究。首先，构建了包括上千例同源性临床样本和动物模型的多类型、信息全面的食管癌生物样本库。以此为基础，建立了非靶向与靶向定量分析相结合的全面、高覆盖LC-MS/MS代谢组学分析方法，实现3000余个代谢物的分析检测；发展了基于自主研发的敞开式离子化质谱技术（AFAI- MSI）的高灵敏、高覆盖代谢物检测与原位代谢组学分析新方法，成功实现生物组织中1500多个、涵盖10余种代谢物的成像分析，并发现若干个特异性更高的原位标志物。采用建立的分析方法，从临床样本、动物及细胞模型三个层次入手开展了代谢标志物的筛选与关联性研究，解决了肿瘤患者个体差异大、可靠标志物难以确认的技术难题；通过数据整合与分析，发现94个与食管癌发生发展及诊断相关的小分子标志物；并从代谢酶、基因等不同分子水平对潜在标志物进行了生物学功能验证。采用AFAI-MSI及其原位代谢组学方法和“下游代谢物与上游代谢酶关联”来表征肿瘤代谢改变的新颖研究思路，基于原位标志物的代谢通路分析，结果表明脯氨酸、甘油磷脂和谷氨酰胺代谢等多条通路在食管癌中发生紊乱，发现并验证PYCR2、FASN、GLS、HD、ODC和UPase1等异常表达的关键代谢酶，其中PYCR2和UPase1首次被发现在食管癌中异常表达。此外，发现与脂代谢密切相关的小核仁RNAsnord75在食管癌组织中高表达。进一步经临床大批量样本验证，以确认的小分子标志物（组）的含量比值或含量组合为筛查与诊断的定量指标，建立了基于血液标志物组为量化指标的LC-MS/MS食管癌筛查方法，基于AFAI-MSI技术、原位标志物组和食管镜活检取样的食管癌病理诊断方法；将二者结合可实现食管癌高危人群的快速筛查和早期诊断。该方法经进一步临床验证后有望实现临床转化。项目实施期间，发表SCI论文16篇，包括Adv Sci 1篇，PNAS 1篇，Anal Chem 3篇等权威期刊或IF>5的共8篇；申请专利4项，软件著作权2项；培养博士研究生11名，硕士生2名。完成项目预期目标。