膠質母細胞瘤(GBM)是一種細胞代謝紊亂的疾病。GBM是一種復雜的異質系統，包含多個不同的細胞群，并由異常的血管網絡支持生長增殖。目前觀察到藥物在GBM中存在異質性分布，這一現象無法通過血腦屏障局部或者不均勻破壞來解釋。所以有必要從空間上對GBM的代謝模式和微環境的變化，以及化學成分區域性的變化進行更深入的了解。
來自哈佛醫學院的研究者們在Cancer research(IF 12.7)上發表題為“Localized Metabolomic Gradients in Patient-Derived Xenograft Models of Glioblastoma”的文章，通過空間代謝組學，在3D維度對GBM代謝異質性進行了分析，并結合轉錄組數據進行了討論。
研究材料
腦組織
技術路線
· 步驟1：腫瘤切片空間代謝組學分析；
· 步驟2：三維驗證代謝物分布；
· 步驟3：結合轉錄組分析腫瘤內部代謝模式；
· 步驟4：藥物空間分布成像。
研究結果
1. 腫瘤切片空間代謝組學分析
對移植膠質母細胞瘤的小鼠腦組織進行空間代謝組學分析，對檢測結果進行空間聚類分析，發現腫瘤區域內部存在兩個具有獨特代謝模式的區域，分別被標注為藍色和白色，對兩個區域中的代謝物進行ROC分析，排名靠前的代謝物主要為一類long chain acylcarnitines（長鏈?；鈮A）。對這些代謝物進行空間成像，發現它們在腫瘤內部都出現了較為一致的空間分布，尤其是肉豆蔻?；鈮A（m/z 410.2666）、棕櫚?；鈮A（m/z 400.3422）和硬脂?；鈮A（m/z 428.3734）三種高含量的?；鈮A，在腫瘤邊緣的強度明顯高于腫瘤內部。進一步通過LESA（液滴萃取表面分析）-MS/MS對相關目標代謝物進行了結構驗證，結果一致。
圖1 腦組織空間代謝組血分析
2. 通過3D成像對相關代謝?；鈮A空間分布進行驗證
對包含腫瘤部分的腦組織以160 μm的間隔進行連續組織切片，共計制備22片進行空間代謝組學分析，并構建組織3D成像圖。驗證了?；鈮A分布于整個腫瘤組織邊緣而非單一異常的異常平面所特有。另一方面，通過對血紅素進行3D成像確認了腫瘤組織和血管組織的相對位置。以上結果通過來源6只不同小鼠的腫瘤組織得到了驗證。
圖2 腦組織切片的腫瘤及血管三維成像圖
為了確定這一現象是否在其他GBM中觀察到，制備GBM12，GBM22，GBM39和GBM108等4種腫瘤組織樣本(n=2)，進行空間代謝組學分析，在所有樣本中都檢測到酰肉堿，在腫瘤邊緣均可檢測到更高強度的酰基肉堿。
3. ?；鈮A相關代謝物分析
在上述四種腫瘤組織中均檢測到相對正常組織中更高強度的ATP，而且與?；鈮A存在相反的分布趨勢。在GBM108模型中檢測到血紅素的相對強度最高，這和GBM108具有更高度的血管擴張特性有關系，而在?；鈮A分布的核心區域，血管內皮生長因子和血紅素的區域存在一定對應關系，這可能暗示血管系統在?；鈮A分布的有較大關系。
對腫瘤進行轉錄組分析，發現脂肪酸代謝和糖酵解相關標志基因表達趨勢和ATP以及?；鈮A表達趨勢是一致的。
4. Erlotinib和AZD1775兩種藥物空間分布成像
兩種藥物在所有GBM模型的腫瘤區域均有較高的表達強度。在GBM12模型中，EGFR抑制劑厄洛替尼在腫瘤邊緣檢測到較低的信號，其特征是腫瘤周圍有一個暗環。棕櫚酰肉堿在該區域以較高的強度被檢測到，顯示出某種相反的分布。AZD1775在整個腫瘤區域有相對均勻的分布，在腫瘤邊緣和內部核心濃度一致。對兩種藥物的理化性質進行了比較和總結，Erlotinib的溶解度有明顯的pH依賴性，兩種藥物溶解的差異性很可能是由于腫瘤微環境中不同pH環境導致的。
圖3 藥物、棕櫚酰肉堿、ATP和血紅素成像圖
小編小結
研究者通過空間代謝組學對腫瘤微環境進行了分析，發現膠質母細胞瘤內部和邊緣擁有兩種不同的代謝模式，并進一步對相關代謝物、血管系統、藥物在腫瘤內外部的空間分布進行了展示。
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