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研究背景:直肠癌是最常见的恶性消化道肿瘤之一。由于缺乏早期筛查意识，大多数患者确诊时已处于局部进展期或发生远处转移。对于局部进展期直肠癌患者而言，术前新辅助放化疗+直肠全系膜切除术+术后辅助化疗是标准治疗手段。但个体对术前新辅助放化疗的病理反应具有很强的异质性，只有45％的直肠癌患者可以通过新辅助放化疗(Neoadjuvant chemoradiation，NCRT)获益。现阶段，术后病理结果评估的肿瘤退缩分级是新辅助放化疗敏感性的主要参考指标，但该指标无法在术前新辅助放化疗过程中对患者进行个性化评价。因此，在直肠癌患者接受新辅助放化疗初期，利用代谢组学标志物准确识别新辅助放化疗敏感性高的患者，仅针对敏感患者进行新辅助放化疗，同时针对不敏感患者及时调整治疗方案，将明显改善患者预后，实现直肠癌精准治疗目标。
本研究拟基于动态代谢组学研究，通过超高液相色谱串联四极杆飞行时间色谱质谱联用仪平台(UPLC-QTOF-MS)，检测直肠癌患者血清样本中的代谢物，对比新辅助放化疗敏感组及非敏感组患者代谢指纹图谱差异，筛选动态差异代谢标志物，研究NCRT相关的代谢通路，建立NCRT敏感性预测模型，运用直肠癌预后模型进一步验证动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。
材料与方法:本研究基于动态代谢组学研究设计，在患者接受新辅助放化疗前两周至手术治疗的五个时间点，收集106名接受新辅助放化疗、且未发生远处转移的临床T3-4分期直肠癌患者术前化疗的血清样本及随访数据。借助UPLC-QTOF-MS平台对收集生物样本进行非靶向代谢组学测量。通过数据预处理及质量控制，共纳入451个质谱峰，478份血清样本进入后续分析。应用多水平同步成分分析及多水平偏最小二乘判别分析探索新辅助放化疗敏感人群与非敏感人群间代谢轮廓差异。使用模糊C聚类算法探索代谢物时间变化趋势，识别直肠癌患者接受新辅助放化疗阶段单调变化的代谢物。
运用重复测量方差分析及多水平偏最小二乘判别分析方法从单调变化的代谢物中筛选动态差异代谢标志物，并计算动态差异代谢标志物的变异指标，包括标准差、线性斜率、基线测量值与末次测量值的差值、基线测量值与末次测量值的比值。基于基线与随访最后一次两个面板代谢组数据，构建交叉滞后路径模型，探索代谢物两两间的调控时序关系，筛选路径系数显著的代谢物对。进一步通过亚组分析，寻找敏感组与非敏感组人群间的差异代谢物对。基于KEGG数据库及SMPDB数据库的代谢通路数据，使用Metaboanalyst平台进行通路分析及富集分析。基于logistic模型构建直肠癌NCRT敏感性预测模型，使用留一法交叉验证对各敏感性预测模型进行评价。基于Cox比例风险回归模型建立直肠癌预后模型，验证动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。
研究结果:本研究共纳入106名接受术前新辅助放化疗+直肠全系膜切除术的直肠癌患者。对随访收集的490份血清样本及66份QC样本进行基于UPLC-QTOF-MS的非靶向代谢组学检测，共检出15605个质谱峰，其中475个质谱峰具有物质鉴定信息，仅4％质谱峰RSD值超过0.3，质量控制较好，无明显批次效应，代谢组学实验重现性好，数据质量可靠。
多水平同步成分分析得分图及多水平偏最小二乘判别分析得分图显示患者不同时间点的代谢轮廓存在明显分离趋势，NCRT敏感组及非敏感组直肠癌患者的代谢轮廓存在一定分离趋势。通过模糊C聚类分析共发现两大类(聚类1及聚类6)共155个单调变化的血清代谢物。其中，隶属于聚类1的代谢物在新辅助放化疗过程中呈随时间逐渐下降的变化趋势，隶属于聚类6的代谢物呈随时间逐渐上升的变化趋势。
经模糊C聚类分析，重复测量方差分析及多水平偏最小二乘判别分析(P值＜0.05&VIP＞1)共筛选出8个动态差异代谢标志物(L-正亮氨酸，甜菜碱，次黄嘌呤，乙酰胆碱，1-十六烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱，甘油磷酸胆碱，α-酮异戊酸，N-乙酰基-L-丙氨酸)。经交叉滞后路径分析共筛选出42对路径系数显著的代谢物对。亚组分析显示，校正年龄、性别、BMI后，敏感组与非敏感组间发现了16对差异代谢调控对，共18条差异单向调控通路。
相较于基线测量值构建的NCRT敏感性预测模型而言(AUC=0.54，95％CI=0.43～0.65)，基于差异代谢调控对(AUC=0.57，95％CI=0.46～0.68)及动态差异代谢标志物变异指标的预测模型效果更优(标准差AUC=0.56，95％CI=0.45～0.67，线性斜率AUC=0.64，95％CI=0.53～0.75，基线与末次测量差值AUC=0.67，95％C1=0.57～0.77，基线与末次测量比值AUC=0.60，95％CI=0.50～0.71)。动态差异代谢标志物预后分析结果进一步验证了动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。其中，L-正亮氨酸、甜菜碱及乙酰胆碱对直肠癌患者有一定的预后评估能力。
动态差异代谢标志物富集分析结果表明差异代谢物主要富集于缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸分解代谢、磷脂生物合成代谢、嘌呤代谢、视黄醇代谢、甘氨酸和丝氨酸代谢、蛋氨酸代谢、甜菜碱代谢通路。通路分析结果显示新辅助放化疗敏感组与非敏感组直肠癌患者间的缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸分解代谢及合成代谢、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢通路、泛酸和CoA生物合成代谢、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、醚脂质代谢存在差异。
研究结论:本研究共发现8种鉴别NCRT敏感人群及NCRT非敏感人群的动态差异代谢标志物(L-正亮氨酸，甜菜碱，次黄嘌呤，乙酰胆碱，1-十六烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱，甘油磷酸胆碱，α-酮异戊酸，N-乙酰基-L-丙氨酸)。新辅助放化疗敏感及非敏感直肠癌患者间的支链氨基酸、泛酸和CoA生物合成代谢、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、醚脂质代谢、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢通路存在差异。基于8个动态差异代谢标志物变异指标的直肠癌NCRT敏感性预测模型对敏感患者有着良好的预测效果，且预测能力均优于基线测量值敏感性预测模型。预后分析结果进一步验证了动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。
本研究拟基于动态代谢组学研究，通过超高液相色谱串联四极杆飞行时间色谱质谱联用仪平台(UPLC-QTOF-MS)，检测直肠癌患者血清样本中的代谢物，对比新辅助放化疗敏感组及非敏感组患者代谢指纹图谱差异，筛选动态差异代谢标志物，研究NCRT相关的代谢通路，建立NCRT敏感性预测模型，运用直肠癌预后模型进一步验证动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。
材料与方法:本研究基于动态代谢组学研究设计，在患者接受新辅助放化疗前两周至手术治疗的五个时间点，收集106名接受新辅助放化疗、且未发生远处转移的临床T3-4分期直肠癌患者术前化疗的血清样本及随访数据。借助UPLC-QTOF-MS平台对收集生物样本进行非靶向代谢组学测量。通过数据预处理及质量控制，共纳入451个质谱峰，478份血清样本进入后续分析。应用多水平同步成分分析及多水平偏最小二乘判别分析探索新辅助放化疗敏感人群与非敏感人群间代谢轮廓差异。使用模糊C聚类算法探索代谢物时间变化趋势，识别直肠癌患者接受新辅助放化疗阶段单调变化的代谢物。
运用重复测量方差分析及多水平偏最小二乘判别分析方法从单调变化的代谢物中筛选动态差异代谢标志物，并计算动态差异代谢标志物的变异指标，包括标准差、线性斜率、基线测量值与末次测量值的差值、基线测量值与末次测量值的比值。基于基线与随访最后一次两个面板代谢组数据，构建交叉滞后路径模型，探索代谢物两两间的调控时序关系，筛选路径系数显著的代谢物对。进一步通过亚组分析，寻找敏感组与非敏感组人群间的差异代谢物对。基于KEGG数据库及SMPDB数据库的代谢通路数据，使用Metaboanalyst平台进行通路分析及富集分析。基于logistic模型构建直肠癌NCRT敏感性预测模型，使用留一法交叉验证对各敏感性预测模型进行评价。基于Cox比例风险回归模型建立直肠癌预后模型，验证动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。
研究结果:本研究共纳入106名接受术前新辅助放化疗+直肠全系膜切除术的直肠癌患者。对随访收集的490份血清样本及66份QC样本进行基于UPLC-QTOF-MS的非靶向代谢组学检测，共检出15605个质谱峰，其中475个质谱峰具有物质鉴定信息，仅4％质谱峰RSD值超过0.3，质量控制较好，无明显批次效应，代谢组学实验重现性好，数据质量可靠。
多水平同步成分分析得分图及多水平偏最小二乘判别分析得分图显示患者不同时间点的代谢轮廓存在明显分离趋势，NCRT敏感组及非敏感组直肠癌患者的代谢轮廓存在一定分离趋势。通过模糊C聚类分析共发现两大类(聚类1及聚类6)共155个单调变化的血清代谢物。其中，隶属于聚类1的代谢物在新辅助放化疗过程中呈随时间逐渐下降的变化趋势，隶属于聚类6的代谢物呈随时间逐渐上升的变化趋势。
经模糊C聚类分析，重复测量方差分析及多水平偏最小二乘判别分析(P值＜0.05&VIP＞1)共筛选出8个动态差异代谢标志物(L-正亮氨酸，甜菜碱，次黄嘌呤，乙酰胆碱，1-十六烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱，甘油磷酸胆碱，α-酮异戊酸，N-乙酰基-L-丙氨酸)。经交叉滞后路径分析共筛选出42对路径系数显著的代谢物对。亚组分析显示，校正年龄、性别、BMI后，敏感组与非敏感组间发现了16对差异代谢调控对，共18条差异单向调控通路。
相较于基线测量值构建的NCRT敏感性预测模型而言(AUC=0.54，95％CI=0.43～0.65)，基于差异代谢调控对(AUC=0.57，95％CI=0.46～0.68)及动态差异代谢标志物变异指标的预测模型效果更优(标准差AUC=0.56，95％CI=0.45～0.67，线性斜率AUC=0.64，95％CI=0.53～0.75，基线与末次测量差值AUC=0.67，95％C1=0.57～0.77，基线与末次测量比值AUC=0.60，95％CI=0.50～0.71)。动态差异代谢标志物预后分析结果进一步验证了动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。其中，L-正亮氨酸、甜菜碱及乙酰胆碱对直肠癌患者有一定的预后评估能力。
动态差异代谢标志物富集分析结果表明差异代谢物主要富集于缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸分解代谢、磷脂生物合成代谢、嘌呤代谢、视黄醇代谢、甘氨酸和丝氨酸代谢、蛋氨酸代谢、甜菜碱代谢通路。通路分析结果显示新辅助放化疗敏感组与非敏感组直肠癌患者间的缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸分解代谢及合成代谢、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢通路、泛酸和CoA生物合成代谢、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、醚脂质代谢存在差异。
研究结论:本研究共发现8种鉴别NCRT敏感人群及NCRT非敏感人群的动态差异代谢标志物(L-正亮氨酸，甜菜碱，次黄嘌呤，乙酰胆碱，1-十六烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱，甘油磷酸胆碱，α-酮异戊酸，N-乙酰基-L-丙氨酸)。新辅助放化疗敏感及非敏感直肠癌患者间的支链氨基酸、泛酸和CoA生物合成代谢、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、醚脂质代谢、甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢通路存在差异。基于8个动态差异代谢标志物变异指标的直肠癌NCRT敏感性预测模型对敏感患者有着良好的预测效果，且预测能力均优于基线测量值敏感性预测模型。预后分析结果进一步验证了动态差异代谢标志物与直肠癌的关联。