Metabolomic Profiling Across the NCI-60 Cancer Cell Panel

NCI-60 癌症細胞面板的代謝組學分析

代謝組學能提供細胞生物化學的功能性讀數，與癌症細胞的基因組學及蛋白質組學特徵分析相輔相成。 NCI-60 細胞庫憑藉其全面的分子註釋及豐富的藥物敏感性數據，為跨多種癌症類型的系統性代謝組學分析提供了理想的平台。將代謝物測量結果與現有的多組學數據集整合，有助於識別代謝脆弱性、發現生物標記，並深入理解 NCI-60 細胞庫中藥物反應模式的機制。

重點摘要

• NCI-60 細胞系的代謝組學分析揭示了癌症類型特異性及泛癌症代謝標誌物
• 將代謝組學與基因組數據整合，可識別由致癌基因驅動的代謝重編程模式
• 代謝物生物標記在預測藥物敏感性方面的準確度，可與基因表達標記相媲美
• 靶向代謝體學可針對特定代謝脆弱性進行以路徑為焦點的分析
• 利用同位素示蹤劑進行的代謝流分析，可量化 NCI-60 細胞系組中各代謝路徑的活性

非靶向代謝體學分析方法

非靶向代謝體學可在無需預先篩選分析物的情況下，全面涵蓋細胞代謝組。 基於質譜的分析平台，包括液相色譜-質譜（LC-MS）與氣相色譜-質譜（GC-MS），可檢測 NCI-60 細胞系面板中的數千種代謝物特徵。這種無偏見的方法有助於發現與特定癌症類型或藥物反應模式相關的意外代謝變化。

樣本前處理的標準化對於可重複的 NCI-60 代謝組學分析至關重要。透過冷甲醇萃取快速淬滅代謝作用，可保存反映原位細胞狀態的代謝物池。可並行採用針對特定代謝物類別（極性與親脂性）優化的萃取方案，以最大化代謝組覆蓋範圍。 涵蓋多種化學類別的內標，可實現數據歸一化及品質控制評估。

NCI-60 的肺癌子面板顯示出與組織學及分子亞型相關的代謝異質性。相較於其他肺癌細胞系，NCI-H460 細胞展現出較高的糖解流。 NCI-H1299 細胞呈現獨特的脂質代謝特徵，而 A549 細胞則展現出由 KRAS 驅動的特徵性代謝重編程。

癌症類型特異性代謝標誌

對 NCI-60 代謝組學數據進行無監督分析後，發現其可依原發組織進行聚類，這表明存在癌症類型特異性的代謝程式。白血病細胞系與實體腫瘤細胞系相比，展現出截然不同的代謝物譜，這反映了微環境中營養物質供應及代謝依賴性的差異。 在實體腫瘤子組內，進一步的代謝異質性與分化狀態及驅動致癌基因的身份相關。

糖解中間產物與乳酸積聚是多數 NCI-60 細胞系中觀察到的「瓦伯格效應」之特徵。然而，有氧糖解的程度差異顯著，部分細胞系仍保有氧化磷酸化能力。這種代謝多樣性影響了細胞對糖解抑制劑的敏感性，並為代謝靶向的聯合治療策略提供了理論依據。

結腸癌亞組展現出反映腸上皮起源的代謝特徵。HCT116 細胞表現出高度依賴谷氨酰胺的特徵，這是快速增殖癌細胞的典型表現。Caco-2 細胞維持著分化的腸上皮細胞代謝模式，並具有活躍的脂質代謝途徑。源自轉移性病變的 SW620 細胞，其胺基酸代謝與源自原發性腫瘤的細胞系相比已發生改變。

與基因組數據的整合

代謝物水平與基因組變異的相關性，可識別由致癌基因驅動的代謝重編程。 NCI-60 中的 KRAS 突變細胞系展現出葡萄糖攝取、谷氨醯胺分解代謝及大分子生物合成的特徵性上調。MYC 擴增的細胞系則呈現核苷酸合成途徑代謝物升高，這支持了其快速增殖的特性。這些基因型與代謝型的相關性，為靶向治療干預提供了假說依據。

影響代謝酶基因的拷貝數變異，會在 NCI-60 檢測面板中產生可檢測到的相應代謝物變化。脂質合成酶基因的擴增與脂肪酸及膽固醇代謝途徑中代謝物增加呈正相關。 影響三羧酸（TCA）循環酶的缺失會導致特徵性的腫瘤代謝物積累，例如琥珀酸脫氫酶和富馬酸水合酶缺乏即為其例。

NCI-60 中的白血病細胞系為血液惡性腫瘤的代謝提供了模型。由 BCR-ABL 驅動的 K562 細胞展現出對伊馬替尼有反應的代謝模式。 HL-60 細胞在分化誘導過程中展現代謝可塑性。Jurkat E6.1 細胞則呈現 T 細胞特異性的代謝特徵，包括依賴谷氨酰胺的增殖。

發佈日期：2023年 | 最後審閱日期：2026年5月

藥物敏感性的代謝物生物標記

在 NCI-60 細胞系面板中，代謝物濃度可預測藥物敏感性，其準確度與基因表達標誌物相當。透過代謝組學特徵訓練的機器學習模型，能識別與特定化合物類別反應相關的代謝物。這些代謝物生物標記物可能比基因組特徵更接近藥物作用機制，從而有望提高預測準確度。

在 NCI-60 細胞系中，穀胱甘肽及其相關抗氧化代謝物與對誘導氧化應激藥物的耐藥性呈相關性。穀胱甘肽儲備量升高的細胞系，對產生活性氧物種的化合物敏感性降低。這種代謝物與反應之間的關係，將穀胱甘肽合成識別為一種耐藥機制，可作為聯合治療策略的靶點。

核苷酸儲備量會影響對抗代謝物化療藥物的敏感性。NCI-60 細胞系中，若脫氧核苷酸儲備量升高，則對針對核苷酸合成之藥物的敏感性會降低。透過代謝組學測量基線核苷酸水平，可預測患者對 5-氟尿嘧啶、吉西他濱及相關藥物的反應。

用於通量分析的同位素示蹤研究

利用 13C 標記底物進行的穩定同位素追蹤，可量化代謝途徑的活性，其範圍超越了穩態代謝物測量的限制。 針對 NCI-60 細胞系的葡萄糖與谷氨醯胺標記實驗，揭示了糖酵解、三羧酸循環（TCA 循環）及生物合成途徑中的代謝流分布。此動態資訊可識別出靜態代謝物譜中無法顯現的代謝脆弱點。

葡萄糖與谷氨醯胺對三羧酸循環中間產物的貢獻差異，在各 NCI-60 細胞系中有所不同。部分細胞系在補給作用上幾乎完全依賴谷氨醯胺，而其他細胞系則能有效利用源自葡萄糖的丙酮酸。這種代謝靈活性或僵化性，可預測細胞對目前處於臨床開發階段之谷氨醯胺酶抑制劑的敏感性。

培養條件會顯著影響代謝通量測量結果。RPMI 1640 培養基中的葡萄糖與胺基酸濃度會影響代謝途徑的利用情況。透過自訂培養基配方所達成的生理性營養濃度，可能揭示與體內腫瘤代謝更相關的代謝表型。DMEM 則提供另一種營養成分組合，可用於比較研究。

針對特定路徑的靶向代謝組學

相較於非靶向方法，針對特定路徑的靶向代謝組學檢測能提供更高的靈敏度與定量精確度。透過對 NCI-60 細胞系中糖解作用中間產物、三羧酸循環代謝物或胺基酸進行絕對定量，可實現細胞系間以及與臨床樣本之間的直接比較。此定量精確度有助於機制研究與生物標記物的驗證。

單碳代謝分析可量化對核苷酸合成與甲基化反應至關重要的葉酸介導途徑。NCI-60 細胞系中，葉酸途徑酶的表達存在差異，從而產生相應的代謝物差異。此途徑異質性會影響細胞對抗葉酸藥物的敏感性，並有助於釐定代謝干預的聯合治療策略。

脂質代謝組學可捕捉 NCI-60 細胞系中脂肪酸、磷脂質及鞘脂質的多樣性。癌症特異性脂質標誌物與膜組成、信號傳導脂質的生成，以及對脂質代謝抑制劑的敏感性呈相關性。脂質組學生物標記物可與極性代謝物測量相輔相成，實現全面的代謝表型分析。

技術考量與品質控制

代謝體學分析需進行嚴格的品質控制，以確保 NCI-60 細胞系面板中數據的可靠性。必須透過適當的研究設計與標準化方法，控制因樣本製備、儀器性能及分析變異所產生的批次效應。涵蓋整個分析流程的品質控制樣本，可評估技術重現性。

細胞系認證與傳代次數記錄對於可重複的代謝組學研究至關重要。透過短串聯重複序列（STR）分析進行的細胞系認證，可在代謝組學分析前確認其身份。進行支原體檢測可避免支原體感染造成的干擾效應，因該感染會透過精胺酸耗竭及其他機制劇烈改變細胞代謝。

標準化的樣本收集流程可確保不同實驗間的代謝物萃取結果具有可比性。CM-1 冷凍培養基可實現細胞株庫的冷凍保存，以供縱向研究之用。在萃取前立即採用無血清培養基條件，可消除血清來源代謝物的貢獻，並標準化細胞外代謝環境。

結論

對 NCI-60 樣本組進行的代謝組學分析，揭示了與藥物敏感性模式相關的、特定於癌症類型且由致癌基因驅動的代謝程式。 將代謝組學與基因組學及藥物反應數據整合，可產生機制層面的見解，並為臨床開發提供生物標記候選物。同時應用非靶向探索與靶向定量方法，並結合同位素示蹤通量分析，可提供全面的代謝特徵描述，以支援精準腫瘤學的應用。