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客戶案例 | NC二連發(fā)！代謝組學(xué)-代謝流技術(shù)助力周文教授團(tuán)隊在多發(fā)性骨髓瘤研究中的新突破（一）
多發(fā)性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）是一種常見于中老年人血液系統(tǒng)漿細(xì)胞惡性腫瘤，隨著我國人口老齡化不斷增長，MM發(fā)病率呈明顯上升趨勢。當(dāng)前MM重要臨床問題是耐藥所誘導(dǎo)的復(fù)發(fā)難治。因此，深入研究MM發(fā)病和耐藥機(jī)制成為探索新的診療方法的重要策略。
2022年7月，中南大學(xué)湘雅醫(yī)院周文教授課題組在Nature Communications（IF=17.694）期刊上在線發(fā)表了題為“Blocking glycine utilization inhibits multiple myeloma progression by disrupting glutathione balance” 的論文。該研究發(fā)現(xiàn)了骨髓微環(huán)境中氨基酸代謝失衡是MM發(fā)病和耐藥的新機(jī)制，提示從代謝角度干預(yù)氨基酸來源、攝取和分解可為MM治療提供新思路。（麥特繪譜為本研究提供非靶向代謝組、Q300全定量代謝組和代謝流（13C2-Glycine）檢測服務(wù)；另外，麥特繪譜創(chuàng)始人/香港浸會大學(xué)賈偉教授作為共同作者之一參與本項研究）
臨床代謝組學(xué)分析
研究人員首先對來自健康志愿者（HD）和多發(fā)性骨髓瘤患者（MM）的外周血（PB）血漿和骨髓（BM）液進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)與健康人相比，MM患者的氨基酸上調(diào)，脂肪酸下調(diào)；篩選到10個差異代謝物（VIP>1，F(xiàn)C>1.2，p<0.05），包括甘氨酸、L-脯氨酸、肌酐、鳥氨酸、L-谷氨酸、L-纈氨酸、硬脂酸、棕櫚酸、巖芹酸和亞油酸。其中甘氨酸在PB血漿和BM中VIP值最大。進(jìn)而靶向代謝組學(xué)（Q300全定量代謝組）證實MM患者的BM和PB血漿中甘氨酸濃度均顯著升高。ROC分析顯示BM和PB血漿中的甘氨酸可有效區(qū)分新診斷的MM患者和HD健康者，曲線下面積（AUC）分別為1和0.94。關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)甘氨酸濃度與MM臨床特征（漿細(xì)胞百分比、DS階段、免疫球蛋白亞型和貧血）之間具有相關(guān)性，提示甘氨酸與MM患者不良預(yù)后和惡性進(jìn)展有關(guān)。
圖1. 甘氨酸與MM患者不良預(yù)后相關(guān)
體外體內(nèi)實驗證實甘氨酸剝奪抑制骨髓瘤細(xì)胞增殖
與正常細(xì)胞相比，研究者在MM細(xì)胞系中觀察到甘氨酸轉(zhuǎn)運蛋白溶質(zhì)載體(SLC6A6/9)的上調(diào)，因此猜測MM細(xì)胞相對于正常對照細(xì)胞從環(huán)境中吸收了更多的甘氨酸。接下來，研究人員分別通過細(xì)胞和小鼠實驗，分別給細(xì)胞有/無甘氨酸的培養(yǎng)基培養(yǎng)，以及給小鼠有/無甘氨酸的飲食飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)無論在體內(nèi)還是體外，去除外源性甘氨酸均可顯著抑制MM腫瘤細(xì)胞的增殖，減緩腫瘤進(jìn)展，無甘氨酸飲食也可以減輕小鼠的骨損傷程度。
為探索甘氨酸代謝與骨損傷的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步通過代謝流（13C2-Glycine）分析發(fā)現(xiàn)，ARP1和5TGM1細(xì)胞系中外源甘氨酸代謝衍生的谷胱甘肽（GSH）有助于促進(jìn)MM細(xì)胞增殖，而無甘氨酸喂養(yǎng)異種移植MM小鼠無論是腫瘤大小還是GSH水平均顯著低于正常飲食小鼠。這些結(jié)果說明，外源甘氨酸的缺乏通過破壞骨髓瘤細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的平衡來抑制增殖。
圖2. 甘氨酸衍生的谷胱甘肽GSH促進(jìn)MM細(xì)胞增殖
抑制GLDC可抑制MM細(xì)胞的增殖
甘氨酸裂解體系（GCS）主要由幾種蛋白質(zhì)組成，包括甘氨酸脫氫酶（GLDC）、GCS蛋白H（GCSH）、氨甲基轉(zhuǎn)移酶（AMT）和二氫硫辛酰胺脫氫酶（DLD）。研究人員發(fā)現(xiàn)外源性甘氨酸剝奪降低了MM細(xì)胞中NADH/NAD+的比率，表明外源甘氨酸可以被該系統(tǒng)裂解。RNA測序數(shù)據(jù)顯示外源甘氨酸缺失導(dǎo)致GLDC下調(diào)。為了確定GLDC是否在MM中起作用，敲低MM細(xì)胞中GLDC蛋白，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖被抑制，GSH水平降低，并且NADH/NAD+的比值降低，說明抑制甘氨酸脫氫酶GLDC可抑制MM細(xì)胞增殖。
甘氨酸的來源及其在MM耐藥中的作用
臨床中發(fā)現(xiàn)由MM細(xì)胞分泌的基質(zhì)金屬蛋白酶MMP13（靶向軟骨降解的主要酶）介導(dǎo)的骨膠原降解，進(jìn)而增加MM患者的甘氨酸水平。接下來的檢測發(fā)現(xiàn)，與新診斷的患者相比，復(fù)發(fā)患者的甘氨酸濃度低得多，但葡萄糖濃度相似。ROC曲線分析表明甘氨酸可能有助于區(qū)分復(fù)發(fā)和新診斷的MM患者。另外，實驗發(fā)現(xiàn)添加甘氨酸增加了ARP1細(xì)胞對治療藥物硼替佐米（BTZ）的抗性，敲低SLC6A9或甜菜堿處理可阻斷MM細(xì)胞對甘氨酸的利用，阻礙其增殖并增強(qiáng)硼替佐米對MM細(xì)胞效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)提示甘氨酸缺失可能增強(qiáng)BTZ對MM細(xì)胞的敏感性和藥效，阻斷甘氨酸攝取抑制細(xì)胞增殖并增強(qiáng)BTZ對骨髓瘤細(xì)胞的作用可能成為一種很有前景的MM治療策略。
圖3. 由MM細(xì)胞分泌的MMP13介導(dǎo)的骨膠原降解，增加MM患者的甘氨酸水平
因此，本研究確定了甘氨酸是MM的關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)劑，揭示了MM進(jìn)展的分子機(jī)制，提示通過阻斷甘氨酸攝取抑制細(xì)胞增殖并增強(qiáng)BTZ對骨髓瘤細(xì)胞的作用，可能成為一種很有前景的MM治療策略。
參考文獻(xiàn)
Xia, J., Zhang, J., Wu, X. et al. Blocking glycine utilization inhibits multiple myeloma progression by disrupting glutathione balance. Nat Commun.?2022.
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上述研究涉及的非靶向代謝組學(xué)、靶向代謝組學(xué)（氨基酸譜、Q300全定量代謝組）和代謝流分析均由麥特繪譜提供檢測服務(wù)。截至2023年5月，我們已協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章300+篇，累計影響因子3000+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等頂級期刊。
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