Hepatology | 南京鼓樓醫院余德才團隊：從「無藥可用」到「精準打擊」！肝癌脂肪代謝分型讓3類患者各有生路！

文章標題：Multiomics identifies metabolic subtypes based on fatty acid degradation allocating personalized treatment in hepatocellular carcinoma

發表期刊：Hepatology

影響因子：12.9

客戶單位：南京市鼓樓醫院

百趣提供服務：新一代代謝組學NGM 2、脂質組學、轉錄組學

肝細胞癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)是全球第六大常見癌癥，位居癌癥死亡原因的第四位，占原發性肝癌的85%-90%。當前HCC的治療方案主要根據癌癥的分期來進行決策，從局部切除到介入治療再到免疫和靶向治療。然而，即使是同一分期的患者也會對相同治療產生不同反應，這凸顯了找到預測療效的生物標志物以支持臨床決策的迫切性。癌細胞通常會改變脂肪酸代謝途徑來獲取能量和構建細胞膜所需的物質以維持其生長。盡管HCC中的脂肪酸合成途徑已被深入研究，但脂肪酸降解(Fatty Acid Degradation, FAD)途徑在癌細胞中的具體作用尚未得到充分挖掘。

因此，本研究招募了41名患者，分別進行轉錄組、脂質組、代謝組和蛋白組學分析，針對FAD途徑進行系統性研究，提出基于該途徑的HCC分子分型，以便更好地進行預后預測和個體化治療策略制定。為了驗證發現的FAD分型的穩健性，研究還重新分析了59個公開可用的數據集和通過動物模型對發現的結果進行進一步驗證。

1、轉錄組學和脂質組學揭示了HCC中FAD途徑的特征

之前的報道發現能預測HCC的基因，通路分析發現這些基因與FAD通路相關（圖1A），而參與這條通路的42個基因與線粒體β氧化等密切相關，且大部分與FAD相關的基因在腫瘤組織中都顯著下降且與疾病進程正相關（圖1B）。本研究中的數據也進一步驗證FAD基因在腫瘤組織中顯著下調，游離脂肪酸(Free Fatty Acids, FFAs)在腫瘤組織中顯著上調（圖1C）。通過ssGSEA方法計算的FAD評分反映了FAD途徑的代謝活性，關聯分析發現FAD評分與游離脂肪酸負相關（圖1D），在乳腺癌組織中也有顯示同樣的關系。由此可看出FAD基因表達水平與FAD score均能反映FAD通路代謝活性及FFAs積累程度。FAD評分在正常肝臟和腎臟中較高而在腫瘤組織中較低（圖1E），這一發現在單細胞轉錄組結果中得到進一步驗證。但對36個公開數據的分析發現，FAD評分在HCC中顯著降低（圖1F），這一結果與腫瘤組織中FFAs濃度增加相對應（圖1G）。此外，對多個小鼠HCC模型的分析發現FAD基因的表達水平下降。最后，單細胞RNA測序進一步證實了HCC中FAD評分的降低并揭示了細胞群體間的異質性（圖1I、J），提示需要更精細的患者分層策略（圖1J）。

2、HCC基于FAD分型的鑒定與驗證及其臨床病理學相關性

研究表明，FAD評分與HCC患者的總體生存率(Overall Survival, OS)和無復發生存率呈正相關。較低的FAD評分與晚期腫瘤分期、較大腫瘤體積及高AFP水平等具有侵襲性的臨床指標相關。單變量和多變量分析表明FAD評分是所有數據集中OS的獨立預后因子（圖2A）。對42個FAD相關基因進行聚類分析，發現HCC患者被分成F1、F2和F3三個亞型，分別代表FAD基因低、中、高表達（圖2B）。F1亞型FFAs含量較高，其他脂質（如TAG和DAG）較低，且與較高的AFP水平及晚期腫瘤分期相關。F1亞型患者OS和無復發生存時間最短，而F3亞型最長（圖2C）。HCC基于FAD的分型在另外8個數據中得到驗證；FAD亞型的預后價值在5個獨立隊列中得到了進一步驗證（圖2D-H），即使根據腫瘤級別分型，FAD亞型也與患者的疾病進程相關。

綜合來看，這些結果表明FAD分類在不同數據集中穩定，并且與具有預后價值的臨床病理指標相關。雖然目前已經報道了很多不同的HCC亞型，通過比較發現基于FAD的亞型的基因數最少且較少基因出現在其他疾病標志物中；且FAD亞型相關的基因在其他HCC亞型中也有出現。

3、肝細胞癌FAD亞型的基因組、表觀遺傳、代謝和信號通路特征

作者進一步探討了FAD亞型的基因組、表觀遺傳學、代謝和信號特征?？截悢底儺惙治鲲@示，F1亞型在10號和12號染色體上有更多擴增，而F3亞型在1p和4q染色體上的缺失較少。表觀遺傳分析表明FAD基因在F1亞型中的甲基化率更高，其表達與甲基化水平呈負相關，暗示DNA甲基化可能導致FAD通路在HCC中的失活（圖3A-E）。

F1亞型表現出糖酵解、核苷酸代謝及增殖信號通路的關鍵酶顯著上調，表明其對能量生成和大分子合成的需求增加。F1亞型的TGF-β、NOTCH和RAS信號通路活性較高，而F3亞型的AKT/mTOR通路活性相對較高；F1亞型的糖酵解活性最高，而F3的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)活性更高。FAD分類在肝癌細胞系中顯示，常用細胞系如Hep3B和MHCC97H屬于F1亞型，而HepG2和C3A屬于F3亞型（圖3F-H）。

亞組特異性通路富集分析揭示了三個FAD亞型的獨特分子特征。F1亞型在糖酵解、核苷酸代謝和增殖信號通路中較高，而F3亞型富集于肝臟特異性代謝通路，如膽汁酸和酮體代謝通路。HCC生物標志物在FAD亞型中的表達模式顯示，F1亞型富集于多個不良預后的標志物，F3亞型則顯示較高的GLUL、GLYATL1和CPS1表達。FAD分型和富集分析結果在單細胞轉錄組數據中得到驗證。FAD亞型將HCC患者分為三組，其特定的基因組、表觀遺傳學、代謝和分子特征可能使其對現有治療藥物更為敏感（圖3I-L）。

4、探索針對肝細胞癌FAD亞型特異性藥物

數據表明YM-155和Alisertib是F1亞型的特異性藥物，未發現F3亞型的特異藥物（圖4）。與F1亞型相關的大部分藥物靶點基因在F1亞型中都顯著升高且與FAD score負相關；增殖實驗表明，F1亞型細胞系對YM-155和Alisertib藥物更敏感。

5、FAD亞型與索拉菲尼和TACE的反應關系

作者評估了FAD亞型與HCC治療中常見藥物之間的關系，綜合來看，實驗數據表明F1亞型患者對索拉非尼更敏感，而F3亞型對經動脈化療栓塞(Transarterial Chemoembolization, TACE)有反應（圖5）。

6、肝細胞癌FAD亞型的腫瘤微環境(TME)特征

RNA-seq隊列結果顯示，F1亞型的共刺激因子、共抑制因子、配體和受體基因表達最高，且其免疫細胞標志基因的含量顯著高于其他亞型。F1來源的T細胞表現出更高的細胞毒性和耗竭標志物，表明其具有更強的免疫浸潤和抑制狀態。

接著用2個自建的小鼠模型和11個來自公共數據集的小鼠模型數據對FAD亞型進行驗證，發現HCC被分為3個亞型；其中NRAS誘導的模型屬于F1亞型，而AKT驅動的模型屬于F3亞型。F1亞型小鼠的T細胞浸潤情況明顯高于F2和F3亞型，顯示出更強的免疫浸潤及抑制微環境（圖6A-C）。

進一步使用scRNA-seq技術分析FAD亞型小鼠的免疫景觀，F1模型中T細胞豐度較高，而F3模型則以巨噬細胞為主。F1來源的T細胞具有更豐富的細胞毒性和耗竭特征，同時，F1腫瘤中的惡性細胞與T細胞的相互作用更為頻繁，提示F1亞型中存在PD-1/PD-L1介導的免疫抑制（圖6D-P）。

7、FAD亞型可預測對免疫檢查點抑制劑單藥治療及聯合治療的反應

研究表明，FAD亞型的HCC與免疫治療反應相關。F1亞型小鼠模型對抗PD-1治療有效，而F2和F3亞型模型則無反應。臨床數據顯示，F1亞型患者中77.8%為PD-1反應者，顯著高于F2（25%）和F3（0%）。在“亞洲PD1隊列”中，F1亞型的抗PD-1反應率為61.1%。FAD評分在預測抗PD-1反應方面表現良好，AUC為0.855。同時，FAD亞型也能預測抗PD-L1單藥治療的反應。低FAD評分與T+A治療的總生存期和無進展生存期改善相關，而F1亞型患者在接受T+A治療時展現出最佳生存收益（圖7）。

8、FAD亞型特異性的血清生物標志物及肝細胞癌的治療策略

肝活檢并非診斷HCC的必需步驟，這可能會阻礙FAD亞型在臨床中的應用，基于代謝組學和蛋白質組學的研究結果表明，外周血中的代謝物和蛋白質特征能夠以高準確性和敏感性區分FAD亞型（圖8A-D）。

最后，作者提出了一種基于液體活檢的診斷算法，旨在將FAD亞型應用于臨床實踐（圖8E）。

該研究提出的FAD分型系統，為HCC的分子分類提供了新的視角，幫助識別出個體化治療的潛在候選藥物。此外，研究也表明FAD分型可以通過液體活檢進行診斷，從而優化患者的治療決策，特別是在預測對免疫檢查點抑制劑的反應方面具有潛在應用價值。