Metabolomic Profiling Across the NCI-60 Cancer Cell Panel

การสร้างโปรไฟล์เมตาโบโลมิกส์ในเซลล์มะเร็ง NCI-60

เมตาโบโลมิกส์ให้ข้อมูลเชิงหน้าที่ของชีวเคมีของเซลล์ซึ่งช่วยเสริมการวิเคราะห์ทางจีโนมและโปรตีโอมิกส์ของเซลล์มะเร็ง แผง NCI-60 พร้อมกับการอธิบายเชิงโมเลกุลที่ครอบคลุมและข้อมูลความไวต่อยาที่กว้างขวาง เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสมสำหรับการสร้างโปรไฟล์เมตาโบโลมิกส์อย่างเป็นระบบในมะเร็งชนิดต่างๆ การรวมการวัดเมตาโบไลต์กับชุดข้อมูลหลายมิติที่มีอยู่ช่วยในการระบุจุดอ่อนทางเมตาบอลิก การค้นพบตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ และความเข้าใจเชิงกลไกของรูปแบบการตอบสนองต่อยาในคอลเลกชัน NCI-60

ประเด็นสำคัญ

• การวิเคราะห์โปรไฟล์เมตาโบโลมิกของสายพันธุ์เซลล์ NCI-60 เผยให้เห็นลายเซ็นเมตาบอลิซึมเฉพาะชนิดมะเร็งและลายเซ็นเมตาบอลิซึมร่วมของมะเร็งทุกชนิด
• การบูรณาการข้อมูลเมตาโบโลมิกส์กับข้อมูลจีโนมระบุรูปแบบการปรับโปรแกรมเมตาบอลิซึมที่ขับเคลื่อนโดยยีนก่อมะเร็ง
• ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของเมตาบอไลต์สามารถทำนายความไวต่อยาได้อย่างแม่นยำเทียบเท่ากับลายเซ็นการแสดงออกของยีน
• การวิเคราะห์เมตาโบโลมิกส์แบบเฉพาะเจาะจงช่วยให้สามารถวิเคราะห์จุดเปราะบางทางเมตาบอลิซึมที่เฉพาะเจาะจงโดยมุ่งเน้นที่เส้นทางเมตา
• การวิเคราะห์ฟลักซ์โดยใช้สารติดตามไอโซโทปวัดปริมาณกิจกรรมของเส้นทางการเผาผลาญในชุด NCI-60

วิธีการวิเคราะห์เมตาโบโลมิกแบบไม่เฉพาะเจาะจง

การวิเคราะห์เมตาโบโลมิกส์แบบไม่เจาะจงเป้าหมายให้การครอบคลุมที่ครอบคลุมของเมตาโบโลมของเซลล์โดยไม่มีการคัดเลือกสารวิเคราะห์ล่วงหน้า แพลตฟอร์มที่ใช้การวิเคราะห์มวลสาร เช่น การโครมาโทกราฟีของเหลว-การวิเคราะห์มวลสาร (LC-MS) และการโครมาโทกราฟีของแก๊ส-การวิเคราะห์มวลสาร (GC-MS) สามารถตรวจจับลักษณะเมตาโบไลต์หลายพันชนิดในแผง NCI-60 วิธีการที่ไม่ลำเอียงนี้ช่วยให้สามารถค้นพบการเปลี่ยนแปลงทางเมตาบอลิซึมที่ไม่คาดคิดซึ่งเกี่ยวข้องกับชนิดของมะเร็งเฉพาะหรือรูปแบบการตอบสนองต่อยา

การเตรียมตัวอย่างให้เป็นมาตรฐานมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการสร้างโปรไฟล์เมตาโบโลมิกส์ของ NCI-60 ที่สามารถทำซ้ำได้ การหยุดกระบวนการเมตาบอลิซึมอย่างรวดเร็วด้วยการสกัดด้วยเมทานอลเย็นช่วยรักษาสระของเมตาโบไลต์ที่สะท้อนสถานะของเซลล์ในสภาวะเดิม โปรโตคอลการสกัดที่ปรับให้เหมาะสมกับเมตาโบไลต์แต่ละประเภท (ขั้วกับไม่ชอบไขมัน) สามารถใช้ควบคู่กันเพื่อเพิ่มการครอบคลุมของเมตาโบโลมให้สูงสุด การใช้อินเทอร์นัลสแตนดาร์ดที่ครอบคลุมสารเคมีหลากหลายประเภทช่วยให้สามารถปรับมาตรฐานและประเมินคุณภาพได้

กลุ่มย่อยของมะเร็งปอดใน NCI-60 แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายทางเมตาบอลิซึมที่สัมพันธ์กับชนิดย่อยทางจุลกายวิภาคและโมเลกุลเซลล์ NCI-H460แสดงอัตราการเผาผลาญกลูโคสที่สูงกว่าเซลล์มะเร็งปอดชนิดอื่น ๆเซลล์ NCI-H1299แสดงโปรไฟล์การเผาผลาญไขมันที่แตกต่างอย่างชัดเจน ในขณะที่เซลล์ A549แสดงการปรับโปรแกรมเมตาบอลิซึมที่ขับเคลื่อนโดย KRAS ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะ

ลายเซ็นเมตาบอลิซึมเฉพาะชนิดมะเร็ง

การวิเคราะห์ข้อมูลเมตาโบโลมิกของ NCI-60 โดยไม่มีการควบคุมล่วงหน้าเผยให้เห็นการรวมกลุ่มตามเนื้อเยื่อต้นกำเนิด ซึ่งบ่งชี้ถึงโปรแกรมเมตาบอลิซึมเฉพาะตามชนิดของมะเร็ง เซลล์ไลน์ของมะเร็งเม็ดเลือดขาวแสดงโปรไฟล์เมตาโบไลต์ที่แตกต่างจากเซลล์ไลน์ของเนื้องอกแข็ง สะท้อนถึงความแตกต่างในความพร้อมของสารอาหารในสิ่งแวดล้อมจุลภาคและความพึ่งพาเมตาบอลิซึม ภายในกลุ่มย่อยของเนื้องอกแข็ง ความหลากหลายของเมตาบอลิซึมเพิ่มเติมมีความสัมพันธ์กับสถานะการแยกตัวและเอกลักษณ์ของยีนที่ขับเคลื่อนการเกิดมะเร็ง

สารตัวกลางในกระบวนการไกลโคลิกและการสะสมของแลคเตทเป็นลักษณะเฉพาะของปรากฏการณ์วอร์เบิร์กที่พบในเซลล์ไลน์ส่วนใหญ่ของ NCI-60 อย่างไรก็ตาม ระดับของการใช้ไกลโคลิกแบบใช้ออกซิเจนมีความแตกต่างกันอย่างมาก โดยบางไลน์ยังคงมีความสามารถในการสร้างพลังงานแบบออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน ความหลากหลายทางเมตาบอลิซึมนี้ส่งผลต่อความไวต่อสารยับยั้งกระบวนการไกลโคลิก และเป็นเหตุผลสนับสนุนกลยุทธ์การรักษาแบบผสมผสานที่มุ่งเป้าไปที่กระบวนการเมตาบอลิซึม

แผงย่อยมะเร็งลำไส้ใหญ่แสดงให้เห็นลักษณะการเผาผลาญที่สะท้อนถึงต้นกำเนิดจากเยื่อบุผิวลำไส้เซลล์ HCT116แสดงการพึ่งพา glutamine สูงซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์มะเร็งที่แบ่งตัวอย่างรวดเร็วเซลล์ Caco-2รักษาการเผาผลาญของ enterocyte ที่มีการพัฒนาเต็มที่พร้อมเส้นทางการประมวลผลไขมันที่ทำงานเซลล์ SW620ที่มาจากโรคที่แพร่กระจายแสดงให้เห็นการเผาผลาญกรดอะมิโนที่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับสายที่มาจากเนื้องอกปฐมภูมิ

การผสานข้อมูลกับข้อมูลจีโนม

ความสัมพันธ์ระหว่างระดับเมตาบอไลต์กับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมช่วยระบุการปรับโปรแกรมเมตาบอลิซึมที่ขับเคลื่อนโดยยีนก่อมะเร็ง เซลล์ไลน์ที่มีกลายพันธุ์ KRAS ในกลุ่ม NCI-60 แสดงลักษณะการเพิ่มขึ้นของการดูดซึมกลูโคส การสลายกลูตามีน และการสังเคราะห์สารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ การเพิ่มจำนวนของเซลล์ไลน์ที่มี MYC เพิ่มขึ้นแสดงให้เห็นถึงเมตาบอไลต์ในเส้นทางการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ที่สูงขึ้น ซึ่งสนับสนุนการเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็ว ความสัมพันธ์ระหว่างจีโนไทป์และเมตาโบไลต์ไทป์เหล่านี้ก่อให้เกิดสมมติฐานสำหรับการแทรกแซงการรักษาแบบเฉพาะเจาะจง

การเปลี่ยนแปลงจำนวนสำเนาของยีนที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์เมตาบอลิซึมก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเมแทบอไลต์ที่สามารถตรวจพบได้ทั่วทั้งชุดทดสอบ NCI-60 การเพิ่มจำนวนของยีนเอนไซม์ที่ส่งเสริมการสร้างไขมันสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของเมแทบอไลต์ในเส้นทางกรดไขมันและคอเลสเตอรอล การลบยีนที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ในวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (TCA) ส่งผลให้เกิดการสะสมของออนโคเมแทบอไลต์ที่มีลักษณะเฉพาะ เช่น การขาดเอนไซม์ซัคซิเนตดีไฮโดรจีเนสและฟูมาเรตไฮเดรตเตส

สายเซลล์มะเร็งเม็ดเลือดขาวภายใน NCI-60 ให้แบบจำลองสำหรับเมแทบอลิซึมของมะเร็งทางโลหิตวิทยาเซลล์ K562ที่ถูกกระตุ้นโดย BCR-ABL แสดงโปรแกรมเมแทบอลิซึมที่ตอบสนองต่อยาอิมาทินิบเซลล์ HL-60แสดงความยืดหยุ่นของเมแทบอลิซึมระหว่างการเหนี่ยวนำการเปลี่ยนแปลงเซลล์ Jurkat E6.1แสดงลักษณะเมแทบอลิซึมเฉพาะของเซลล์ T รวมถึงการเพิ่มจำนวนที่ขึ้นกับกลูตามีน

ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของเมตาบอไลต์ที่บ่งชี้ความไวต่อยา

ระดับของเมตาบอไลต์ทำนายความไวต่อยาในชุดทดสอบ NCI-60 ได้อย่างแม่นยำเทียบเท่ากับลายเซ็นการแสดงออกของยีน แบบจำลองการเรียนรู้ของเครื่องที่ฝึกฝนด้วยคุณลักษณะเมตาโบโลมิกสามารถระบุเมตาบอไลต์ที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อกลุ่มสารประกอบเฉพาะได้ เครื่องหมายชีวภาพของเมตาบอไลต์เหล่านี้อาจอยู่ใกล้กับกลไกของยาโดยตรงมากกว่าคุณลักษณะทางพันธุกรรม ซึ่งอาจช่วยเพิ่มความแม่นยำในการทำนาย

กลูตาไธโอนและสารเมตาบอไลต์ต้านอนุมูลอิสระที่เกี่ยวข้องมีความสัมพันธ์กับความต้านทานต่อสารที่ก่อให้เกิดความเครียดออกซิเดชันในเซลล์ NCI-60 สายพันธุ์เซลล์ที่มีปริมาณกลูตาไธโอนสูงจะแสดงความไวต่อสารที่สร้างอนุมูลอิสระออกซิเจนลดลง ความสัมพันธ์ระหว่างเมตาบอไลต์กับการตอบสนองนี้ชี้ให้เห็นว่าการสังเคราะห์กลูตาไธโอนเป็นกลไกการต้านทานที่สามารถใช้ร่วมกับแนวทางการบำบัดแบบผสมผสานได้

ขนาดของกลุ่มนิวคลีโอไทด์มีอิทธิพลต่อความไวต่อเคมีบำบัดยาต้านเมตาบอลิซึม สายพันธุ์เซลล์ NCI-60 ที่มีกลุ่มดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์สูงจะแสดงความไวที่ลดลงต่อยาที่มุ่งเป้าไปที่การสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ การวัดระดับนิวคลีโอไทด์พื้นฐานด้วยวิธีเมตาโบโลมิกส์อาจทำนายการตอบสนองของผู้ป่วยต่อ 5-ฟลูออโรยูราซิล, เจมซิทาบีน และสารที่เกี่ยวข้องได้

การศึกษาด้วยไอโซโทปติดตามสำหรับการวิเคราะห์การไหล

การติดตามด้วยไอโซโทปเสถียรโดยใช้สารตั้งต้นที่มีฉลาก 13C ช่วยให้สามารถวัดปริมาณกิจกรรมของเส้นทางการเผาผลาญได้มากกว่าการวัดระดับเมแทบอไลต์ในสภาวะคงที่ การทดลองติดฉลากกลูโคสและกลูตามีนในเซลล์ไลน์ NCI-60 แสดงให้เห็นการกระจายของฟลักซ์ผ่านกระบวนการไกลโคไลซิส วัฏจักรกรดซิตริก และเส้นทางการสังเคราะห์ชีวภาพ ข้อมูลเชิงพลวัตนี้ช่วยระบุจุดอ่อนทางเมแทบอลิซึมที่ไม่สามารถเห็นได้จากโปรไฟล์เมแทบอไลต์แบบคงที่

การมีส่วนร่วมที่แตกต่างกันของกลูโคสกับกลูตามีนต่อสารตัวกลางในวัฏจักร TCA มีความแตกต่างกันในเซลล์ไลน์ NCI-60 บางไลน์แสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาอาศัยกลูตามีนเกือบทั้งหมดสำหรับการเติมสารในวัฏจักร ในขณะที่ไลน์อื่น ๆ ใช้ไพรูเวตที่ได้จากกลูโคสอย่างมีประสิทธิภาพ ความยืดหยุ่นหรือความไม่ยืดหยุ่นทางเมตาบอลิซึมนี้สามารถทำนายความไวต่อสารยับยั้งกลูตามิเนสที่กำลังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาทางคลินิกได้

สภาวะของวัฒนธรรมมีผลกระทบอย่างมากต่อการวัดการไหลเวียนของเมตาบอลิซึม. ความเข้มข้นของกลูโคสและกรดอะมิโนใน RPMI 1640 Mediumมีอิทธิพลต่อการใช้งานของเส้นทางเมตาบอลิซึม. ระดับสารอาหารทางสรีรวิทยาที่ได้จากการปรับสูตรของสื่อเพาะเลี้ยงอาจเผยให้เห็นฟีโนไทป์เมตาบอลิซึมที่เกี่ยวข้องกับเมตาบอลิซึมของเนื้องอกในร่างกายได้มากขึ้น.DMEMให้โครงสร้างสารอาหารทางเลือกสำหรับการศึกษาเปรียบเทียบ.

เมตาโบโลมิกส์แบบมุ่งเป้าสำหรับเส้นทางเฉพาะ

การวิเคราะห์เมตาโบโลมิกส์แบบเฉพาะเจาะจงที่มุ่งเน้นไปที่เส้นทางเฉพาะให้มีความไวและความแม่นยำเชิงปริมาณสูงกว่าวิธีการที่ไม่เจาะจง การหาปริมาณที่แน่นอนของสารตัวกลางในกระบวนการไกลโคไลซิส สารเมตาโบไลต์ในวัฏจักรกรดไตรคาร์บ็อกซิลิก (TCA) หรือกรดอะมิโนในเซลล์ NCI-60 ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบโดยตรงระหว่างสายพันธุ์เซลล์และกับตัวอย่างทางคลินิก ความแม่นยำเชิงปริมาณนี้สนับสนุนการศึกษาเชิงกลไกและการตรวจสอบความถูกต้องของตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ

การวิเคราะห์โปรไฟล์เมตาบอลิซึมของคาร์บอนหนึ่งตัววัดปริมาณเส้นทางที่อาศัยโฟเลตซึ่งมีความสำคัญต่อการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์และปฏิกิริยาเมทิลเลชัน เซลล์ไลน์ NCI-60 แสดงการแสดงออกของเอนไซม์ในเส้นทางโฟเลตที่แตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของเมตาบอลิตรที่สอดคล้องกัน ความไม่สม่ำเสมอของเส้นทางนี้ส่งผลต่อความไวต่อยาต้านโฟเลตและระบุกลยุทธ์การผสมผสานสำหรับการแทรกแซงทางเมตาบอลิซึม

การวิเคราะห์เมตาโบโลมิกส์ของไขมันจับความหลากหลายของกรดไขมัน ฟอสโฟลิพิด และสฟิงโกลิพิดใน NCI-60 ลายเซ็นไขมันเฉพาะของมะเร็งมีความสัมพันธ์กับองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ การผลิตไขมันที่ส่งสัญญาณ และความไวต่อสารยับยั้งเมแทบอลิซึมของไขมัน ตัวบ่งชี้ชีวภาพของลิพิดอมิกส์ช่วยเสริมการวัดเมตาโบไลต์ที่มีขั้วเพื่อการวิเคราะห์ลักษณะเมตาบอลิซึมอย่างครอบคลุม

ข้อพิจารณาทางเทคนิคและการควบคุมคุณภาพ

การสร้างโปรไฟล์เมตาโบโลมิกส์ต้องอาศัยการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของข้อมูลในชุดข้อมูล NCI-60 ผลกระทบจากชุดตัวอย่างที่เกิดจากการเตรียมตัวอย่าง ประสิทธิภาพของเครื่องมือ และความแปรปรวนในการวิเคราะห์ต้องได้รับการควบคุมผ่านการออกแบบการศึกษาที่เหมาะสมและวิธีการปรับให้เป็นมาตรฐาน ตัวอย่างควบคุมคุณภาพที่ครอบคลุมลำดับการวิเคราะห์ช่วยให้สามารถประเมินความสามารถในการทำซ้ำทางเทคนิคได้

การตรวจสอบสายพันธุ์เซลล์และการบันทึกหมายเลขรุ่นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำเมตาโบโลมิกส์ที่สามารถทำซ้ำได้การตรวจสอบสายพันธุ์เซลล์ผ่านการวิเคราะห์STR ช่วยยืนยันตัวตนก่อนการวิเคราะห์เมตาโบโลมิกส์การทดสอบการติดเชื้อไมโคพลาสมาช่วยป้องกันผลกระทบที่ซับซ้อนจากการติดเชื้อไมโคพลาสมาซึ่งเปลี่ยนแปลงการเผาผลาญของเซลล์อย่างมากผ่านการลดปริมาณอาร์จินีนและกลไกอื่น ๆ

โปรโตคอลการเก็บตัวอย่างที่เป็นมาตรฐานช่วยให้การสกัดเมตาโบไลต์มีความเทียบเคียงได้ระหว่างการศึกษาทดลองต่างๆสื่อแช่แข็ง CM-1ช่วยให้สามารถเก็บรักษาเซลล์ไลน์ในระยะยาวสำหรับการศึกษาในระยะยาวได้ สภาวะของสื่อที่ไม่มีซีรัมก่อนการสกัดทันทีช่วยกำจัดเมตาโบไลต์ที่มาจากซีรัมและทำให้สภาพแวดล้อมทางเมตาบอลิซึมภายนอกเซลล์มีความมาตรฐาน

สรุป

การวิเคราะห์โปรไฟล์เมตาโบโลมิกของกลุ่มตัวอย่าง NCI-60 เผยให้เห็นโปรแกรมเมตาบอลิซึมเฉพาะตามชนิดของมะเร็งและที่ขับเคลื่อนโดยยีนก่อมะเร็ง ซึ่งมีความสัมพันธ์กับรูปแบบความไวต่อยา การบูรณาการข้อมูลเมตาโบโลมิกกับข้อมูลจีโนมและการตอบสนองต่อยา ช่วยสร้างข้อมูลเชิงลึกเชิงกลไกและตัวบ่งชี้ทางชีวภาพสำหรับการพัฒนาทางคลินิก การประยุกต์ใช้ทั้งวิธีการค้นพบแบบไม่เฉพาะเจาะจงและวิธีการเชิงปริมาณแบบเฉพาะเจาะจง ร่วมกับการวิเคราะห์ฟลักซ์ของสารติดตามไอโซโทป ช่วยให้สามารถอธิบายลักษณะเมตาบอลิซึมได้อย่างครอบคลุม ซึ่งสนับสนุนการประยุกต์ใช้ในมะเร็งวิทยาแบบแม่นยำ