新組學(xué)“空間代謝組”用于鑒定新的胃癌腫瘤特異性亞型

目前的胃癌分子分類系統(tǒng)包括基因組、分子和形態(tài)學(xué)特征。目前還缺乏基于組織代謝組學(xué)的胃癌分類方法。本研究通過空間代謝組確定了基于不同代謝特征的胃癌3種腫瘤特異性亞型，并確定其臨床病理和分子特征。本研究于2022年4月發(fā)表在《Clinical Cancer Research》IF：12.531期刊上。

技術(shù)路線：

主要實驗結(jié)果：

1、基于代謝組譜鑒定胃癌患者亞型

本研究的流程如圖1所示。使用immuno-guided空間代謝組學(xué)，在總共362例患者樣本中，347例可以用腫瘤區(qū)域標(biāo)記，339例可以用基質(zhì)區(qū)域標(biāo)記。可注釋的病例構(gòu)成了本研究計算的基礎(chǔ)。為了確定腫瘤和間質(zhì)區(qū)是否具有顯著不同的代謝組成，對腫瘤和間質(zhì)區(qū)進(jìn)行了特異性無監(jiān)督K均值聚類分析。共確定并選擇了9278個離子特征。

圖1 本研究的流程圖

矩陣熱圖和累積分布函數(shù)(CDF)圖用來確定K cluster的最佳數(shù)量。腫瘤特異性和間質(zhì)特異性數(shù)據(jù)的最佳聚類數(shù)均設(shè)置為3，根據(jù)共識指數(shù)，這導(dǎo)致CDF差異的增加較小（圖2A和2B）。通過對腫瘤和基質(zhì)特異性數(shù)據(jù)集應(yīng)用一致性聚類，得到和矩陣對應(yīng)的熱圖（圖2C和2D）。所選塊在熱圖中幾乎是不連貫的，表明可以在腫瘤特異性光譜上區(qū)分這三個簇。這三個聚類也具有相對清晰的分離，并且表現(xiàn)出出明確定義的三塊結(jié)構(gòu)。清晰的邊界進(jìn)一步驗證了腫瘤和基質(zhì)特異性數(shù)據(jù)集的穩(wěn)定和穩(wěn)健的聚類。這兩個數(shù)據(jù)集隨后都由無監(jiān)督 K-means 處理質(zhì)心聚類。在 347 個腫瘤區(qū)域中，161 個被分配到亞型 T1 (46%)、55 至 T2 (16%) 和 131 至 T3 (38%)。此外，在 339 個基質(zhì)區(qū)域中，125 個被分配到亞型S1 (37%)，50 到 S2 亞型 (15%)，164 到 S3 亞型 (48%)。

為了估計 MALDI-IMS 數(shù)據(jù)在不參考聚類的情況下區(qū)分胃癌亞型和驗證亞型分配的能力，使用基于 t 分布隨機鄰域嵌入的方法評估了分子亞型之間的差異。結(jié)果表明，腫瘤特異性亞型和基質(zhì)特異性亞型都被清楚地分開，表明它們可以很容易地根據(jù)代謝物水平進(jìn)行區(qū)分（圖2E和2F）。

圖2 A-F腫瘤和基質(zhì)特異性亞型鑒定及其與分子特征的關(guān)聯(lián)

2、腫瘤和基質(zhì)特異性亞型和分子特征的相關(guān)性

為了探索腫瘤和基質(zhì)特異性亞型的差異，研究了它們與分子特征的蛋白質(zhì)表達(dá)的關(guān)聯(lián)，包括 DNA MMR、HER2、pEGFR、MIB1、CD3、CD8、FOXP3 和DEFA-1、HER2 ISH 狀態(tài)和 EBV陽性情況。分子特征和患者亞型之間的所有關(guān)聯(lián)如圖2G-2H所示。在胃癌腫瘤的3個亞型中，T1亞型和pEGFR和MMR呈顯著負(fù)相關(guān)，和其余分子呈顯著正相關(guān)，特別是和HER2的相關(guān)性最大；T2亞型和CD3、MIB1、FOXP3 和HER2呈顯著負(fù)相關(guān)，和MMR呈顯著正相關(guān)；T3亞型則只和pEGFR正相關(guān)。因此，腫瘤特異性亞型可命名為T1 (HER2+MIB+CD3+)，T2(HER2+ MIB+CD3+)，T3(pEGFR+)。

而在3種基質(zhì)亞型中，S1亞型則只和FOXP3負(fù)相關(guān)；S2亞型和FOXP3、HER2、MIB1和CD3呈顯著負(fù)相關(guān)；S3亞型則和S2亞型完全相反，F(xiàn)OXP3、HER2、MIB1和CD3呈顯著正相關(guān)。因此，基質(zhì)特異性亞型可命名為S1(FOXP3 – )，S2(HER2 – MIB – CD3 – )，S3(HER2+MIB+CD3+FOXP3+ )。

此外，圖2I展示了腫瘤特異性亞型和間質(zhì)特異性亞型的患者分布。在T1和S3，T3和S1，T2和S2之間觀察到亞型分布相似性。

圖2 G-I腫瘤和基質(zhì)特異性亞型鑒定及其與分子特征的關(guān)聯(lián)

3、腫瘤特異性亞型與患者預(yù)后的關(guān)系

隨后比較了腫瘤和基質(zhì)特異性亞型的潛在預(yù)后差別。結(jié)果顯示T1亞型預(yù)后好于T2（圖3B），其它幾種腫瘤亞型的預(yù)后之間則無差別（圖3A，C，D）。在基質(zhì)特異性亞型中，3種亞型的預(yù)后相互之間均無差別（圖3E-H）。

圖3代謝患者亞型及其預(yù)后

4、具有不同代謝物和相關(guān)代謝途徑的胃癌患者亞型

為了更深入地了解腫瘤和基質(zhì)特異性亞型之間潛在的代謝差異，對 277 種帶注釋的代謝物進(jìn)行了差異分析，并確定了每種腫瘤和基質(zhì)特異性亞型的顯著富集代謝物。每種腫瘤亞型的富集代謝物通過熱圖可視化，如圖 4A 所示。圖 4B-D分別展示了腫瘤的不同亞型特異性途徑模式。T1亞型有45個顯著上調(diào)的代謝途徑，其中13個與碳水化合物代謝有關(guān)，10個與氨基酸代謝有關(guān)（圖4B）。T2亞型有17個顯著上調(diào)的代謝途徑，其中7個與碳水化合物代謝有關(guān)，4個與氨基酸代謝有關(guān)（圖4B）。T3亞型中只發(fā)現(xiàn)生物素代謝和胞質(zhì) DNA 傳感途徑的富集（圖4C）。圖 4E顯示了從每個腫瘤和基質(zhì)亞型特異性途徑中選擇的一種代表性代謝物的空間分布。上述結(jié)果表明，腫瘤和基質(zhì)特異性亞型富含多種代謝物和代謝途徑。

圖4腫瘤亞型特異性代謝物特征及通路富集

5、T1 (HER2+MIB+CD3+)和T2(HER2+ MIB+CD3+)亞型與曲妥珠單抗治療效率有關(guān)

在作者此前的研究中，發(fā)現(xiàn)胃癌對曲妥珠單抗治療的反應(yīng)與代謝分類有關(guān)（圖5A和B）。該代謝組學(xué)分類器是通過應(yīng)用空間代謝組學(xué)和機器學(xué)習(xí)建立的。 代謝組學(xué)分類器可以將診斷為 HER2 陽性胃癌的患者分層為曲妥珠單抗敏感和曲妥珠單抗耐藥，從而預(yù)測這些患者對曲妥珠單抗的反應(yīng)。該研究中的 HER2 陽性腫瘤患者被用作獨立的驗證隊列（VARIANZ 隊列），代謝組學(xué)分類器用于預(yù)測 T1 和 T2 亞型中的曲妥珠單抗反應(yīng)，因為它們與 HER2 蛋白表達(dá)相關(guān)。如圖5C和D所示，在本研究隊列中，代謝組學(xué)分類器可以明顯區(qū)分T1和T2亞型。在VARIANZ 隊列中，曲妥珠治療的患者分為T1和T2亞型與其對曲妥珠的響應(yīng)顯著相關(guān)（圖5E）。曲妥珠陽性患者的比例在T1亞型中顯著高于T2亞型（圖5F）。此外，T1亞型患者采用曲妥珠治療的預(yù)后顯著高于T2亞型（圖5G）。這些結(jié)果表明T1和T2亞型與曲妥珠單抗治療效率有關(guān)。

圖5曲妥珠單抗治療反應(yīng)相關(guān)的HER2相關(guān)腫瘤特異性亞型T1(HER2+MIB+CD3+)和T2 (HER2-MIB-CD3-)

總之，本研究基于空間代謝組將胃癌腫瘤和基質(zhì)特異性亞型各分為3類，各個類型的特征如圖6所示。

圖6三種腫瘤特異性胃癌患者亞型的臨床病理及分子特征總結(jié)

參考文獻(xiàn)：

Wang Jun., Kunzke Thomas., Prade Verena M., Shen Jian., Buck Achim., Feuchtinger Annette., Haffner Ivonne., Luber Birgit., Liu Drolaiz H W., Langer Rupert., Lordick Florian., Sun Na., Walch Axel.(2022). Spatial metabolomics identifies distinct tumor-specific subtypes in gastric cancer patients. Clin Cancer Res, undefined(undefined), undefined. doi:10.1158/1078-0432.CCR-21-4383