通过空间代谢组学揭示胶质母细胞瘤局部代谢梯度

胶质母细胞瘤(GBM)是一种细胞代谢紊乱的疾病。GBM是一种复杂的异质系统，包含多个不同的细胞群，并由异常的血管网络支持生长增殖。目前观察到药物在GBM中存在异质性分布，这一现象无法通过血脑屏障局部或者不均匀破坏来解释。所以有必要从空间上对GBM的代谢模式和微环境的变化，以及化学成分区域性的变化进行更深入的了解。

来自哈佛医学院的研究者们在Cancer research(IF 12.7)上发表题为“Localized Metabolomic Gradients in Patient-Derived Xenograft Models of Glioblastoma”的文章，通过空间代谢组学，在3D维度对GBM代谢异质性进行了分析，并结合转录组数据进行了讨论。

研究材料

脑组织
 
技术路线

步骤1：肿瘤切片空间代谢组学分析；
步骤2：三维验证代谢物分布；
步骤3：结合转录组分析肿瘤内部代谢模式；
步骤4：药物空间分布成像。
 
研究结果

1. 肿瘤切片空间代谢组学分析

对移植胶质母细胞瘤的小鼠脑组织进行空间代谢组学分析，对检测结果进行空间聚类分析，发现肿瘤区域内部存在两个具有独特代谢模式的区域，分别被标注为蓝色和白色，对两个区域中的代谢物进行ROC分析，排名靠前的代谢物主要为一类long chain acylcarnitines（长链酰基肉碱）。对这些代谢物进行空间成像，发现它们在肿瘤内部都出现了较为一致的空间分布，尤其是肉豆蔻酰基肉碱（m/z 410.2666）、棕榈酰基肉碱（m/z 400.3422）和硬脂酰基肉碱（m/z 428.3734）三种高含量的酰基肉碱，在肿瘤边缘的强度明显高于肿瘤内部。进一步通过LESA（液滴萃取表面分析）-MS/MS对相关目标代谢物进行了结构验证，结果一致。

图1 脑组织空间代谢组血分析

2. 通过3D成像对相关代谢酰基肉碱空间分布进行验证

对包含肿瘤部分的脑组织以160 μm的间隔进行连续组织切片，共计制备22片进行空间代谢组学分析，并构建组织3D成像图。验证了酰基肉碱分布于整个肿瘤组织边缘而非单一异常的异常平面所特有。另一方面，通过对血红素进行3D成像确认了肿瘤组织和血管组织的相对位置。以上结果通过来源6只不同小鼠的肿瘤组织得到了验证。

图2 脑组织切片的肿瘤及血管三维成像图

 
为了确定这一现象是否在其他GBM中观察到，制备GBM12，GBM22，GBM39和GBM108等4种肿瘤组织样本(n=2)，进行空间代谢组学分析，在所有样本中都检测到酰肉碱，在肿瘤边缘均可检测到更高强度的酰基肉碱。
 
3. 酰基肉碱相关代谢物分析

在上述四种肿瘤组织中均检测到相对正常组织中更高强度的ATP，而且与酰基肉碱存在相反的分布趋势。在GBM108模型中检测到血红素的相对强度最高，这和GBM108具有更高度的血管扩张特性有关系，而在酰基肉碱分布的核心区域，血管内皮生长因子和血红素的区域存在一定对应关系，这可能暗示血管系统在酰基肉碱分布的有较大关系。
对肿瘤进行转录组分析，发现脂肪酸代谢和糖酵解相关标志基因表达趋势和ATP以及酰基肉碱表达趋势是一致的。
 
4. Erlotinib和AZD1775两种药物空间分布成像

两种药物在所有GBM模型的肿瘤区域均有较高的表达强度。在GBM12模型中，EGFR抑制剂厄洛替尼在肿瘤边缘检测到较低的信号，其特征是肿瘤周围有一个暗环。棕榈酰肉碱在该区域以较高的强度被检测到，显示出某种相反的分布。AZD1775在整个肿瘤区域有相对均匀的分布，在肿瘤边缘和内部核心浓度一致。对两种药物的理化性质进行了比较和总结，Erlotinib的溶解度有明显的pH依赖性，两种药物溶解的差异性很可能是由于肿瘤微环境中不同pH环境导致的。

小编小结
研究者通过空间代谢组学对肿瘤微环境进行了分析，发现胶质母细胞瘤内部和边缘拥有两种不同的代谢模式，并进一步对相关代谢物、血管系统、药物在肿瘤内外部的空间分布进行了展示。