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（長鏈酰基肉堿）。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，尤其是肉豆蔻酰基肉堿（m/z 410.2666）、棕櫚酰基肉堿（m/z 400.3422）和硬脂酰基肉堿（m/z 428.3734）三種高含量的酰基肉堿，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成像對相關代謝酰基肉堿空間分布進行驗證

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。驗證了酰基肉堿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. 酰基肉堿相關代謝物分析

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，而且與酰基肉堿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，而在酰基肉堿分布的核心區域，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酰基肉堿分布的有較大關系。
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以及酰基肉堿表達趨勢是一致的。
 
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。

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。