Metabolomic Profiling Across the NCI-60 Cancer Cell Panel

跨 NCI-60 癌细胞面板的代谢组学分析

代谢组学提供了细胞生物化学的功能读数，是对癌细胞基因组和蛋白质组特征描述的补充。NCI-60 癌细胞面板具有全面的分子注释和广泛的药物敏感性数据，是对不同癌症类型进行系统代谢组学分析的理想平台。将代谢物测量结果与现有的多组学数据集整合在一起，就能识别新陈代谢的弱点、发现生物标记物，并从机理上了解整个 NCI-60 系列的药物反应模式。

主要启示

• 对 NCI-60 细胞系的代谢组学分析揭示了癌症类型特异性和泛癌症代谢特征
• 代谢组学与基因组数据的整合确定了癌基因驱动的代谢重编程模式
• 代谢物生物标志物预测药物敏感性的准确性可与基因表达特征相媲美
• 靶向代谢组学可对特定代谢弱点进行通路聚焦分析
• 利用同位素示踪剂进行通量分析，量化整个 NCI-60 小组的代谢通路活动

非靶向代谢组学分析方法

非靶向代谢组学可全面覆盖细胞代谢组，无需事先选择分析物。基于质谱技术的平台，包括液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）和气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），可检测整个 NCI-60 小组的数千种代谢物特征。这种无偏见的方法能够发现与特定癌症类型或药物反应模式相关的意想不到的代谢改变。

样品制备标准化对可重复的 NCI-60 代谢组学分析至关重要。通过冷甲醇萃取快速淬灭代谢，可保留反映原位细胞状态的代谢物池。可同时采用针对特定代谢物类别（极性与亲脂性）进行优化的萃取方案，以最大限度地扩大代谢组的覆盖范围。跨越不同化学类别的内部标准可以进行归一化和质量控制评估。

NCI-60 的肺癌亚盘显示了与组织学和分子亚型相关的代谢异质性。与其他肺癌细胞株相比，NCI-H460 细胞显示出较高的糖酵解通量。NCI-H1299 细胞表现出独特的脂质代谢特征，而A549 细胞则表现出 KRAS 驱动的代谢重编程特征。

癌症类型特异性代谢特征

对 NCI-60 代谢组学数据进行的无监督分析显示了按原发组织进行的聚类，表明了癌症类型特异性代谢程序。与实体瘤细胞系相比，白血病细胞系表现出不同的代谢物特征，反映出微环境营养供应和代谢依赖性的差异。在实体瘤子系中，代谢异质性进一步与分化状态和驱动癌基因身份相关。

在大多数 NCI-60 细胞系中观察到的沃伯格效应的特点是糖酵解中间产物和乳酸盐积累。然而，有氧糖酵解的程度有很大差异，有些细胞系还保持着氧化磷酸化能力。这种代谢多样性影响了对糖酵解抑制剂的敏感性，为代谢靶向组合策略提供了理论依据。

结肠癌亚组显示出反映肠上皮起源的代谢特征。HCT116 细胞表现出快速增殖癌细胞特有的高谷氨酰胺依赖性。Caco-2 细胞保持分化的肠细胞代谢，具有活跃的脂质处理途径。与原发肿瘤细胞株相比，转移性疾病衍生的SW620 细胞显示出氨基酸代谢的改变。

与基因组数据整合

代谢物水平与基因组变化的相关性确定了癌基因驱动的代谢重编程。NCI-60 中的 KRAS 突变细胞系显示出葡萄糖摄取、谷氨酰胺分解和大分子生物合成的特征性上调。MYC 扩增的细胞系则表现出核苷酸合成途径代谢物的升高，从而支持了细胞的快速增殖。这些基因型与代谢型的相关性为有针对性的治疗干预提出了假设。

影响代谢酶基因的拷贝数改变会产生相应的代谢物变化，在整个 NCI-60 基因组中都能检测到。脂肪生成酶基因的扩增与脂肪酸和胆固醇途径代谢物的增加有关。影响三羧酸（TCA）循环酶的缺失会导致特征性的代谢物积累，琥珀酸脱氢酶和富马酸氢化酶缺乏症就是一例。

NCI-60 中的白血病细胞系为血液恶性肿瘤代谢提供了模型。由 BCR-ABL 驱动的K562 细胞展示了伊马替尼反应性代谢程序。HL-60 细胞在分化诱导过程中表现出代谢可塑性。Jurkat E6.1 细胞显示出 T 细胞特异性代谢特征，包括谷氨酰胺依赖性增殖。

药物敏感性的代谢物生物标志物

代谢物水平可预测整个 NCI-60 小组的药物敏感性，其准确性可与基因表达特征相媲美。根据代谢组学特征训练的机器学习模型可识别与特定化合物类别反应相关的代谢物。与基因组特征相比，这些代谢物生物标志物可能更接近药物机制，从而有可能提高预测准确性。

谷胱甘肽和相关抗氧化代谢物与整个 NCI-60 细胞对氧化应激诱导剂的耐受性相关。谷胱甘肽池升高的细胞系对产生活性氧的化合物的敏感性降低。这种代谢物与反应的关系确定了谷胱甘肽合成是一种可用于联合疗法的抗性机制。

核苷酸池的大小会影响对抗代谢化疗药物的敏感性。脱氧核苷酸池升高的 NCI-60 细胞系对以核苷酸合成为靶点的药物的敏感性降低。对基线核苷酸水平进行代谢组学测量可预测患者对 5-氟尿嘧啶、吉西他滨和相关药物的反应。

用于通量分析的同位素示踪研究

使用 13C 标记的底物进行稳定同位素示踪，可在稳态代谢物测量之外对代谢途径活动进行量化。对 NCI-60 细胞系进行的葡萄糖和谷氨酰胺标记实验揭示了糖酵解、TCA 循环和生物合成途径的通量分布。这些动态信息能发现静态代谢物图谱中不明显的代谢弱点。

葡萄糖和谷氨酰胺对 TCA 循环中间产物的贡献在 NCI-60 细胞系中各不相同。一些细胞株几乎完全依赖谷氨酰胺进行无丝分裂，而另一些细胞株则有效利用葡萄糖衍生的丙酮酸。这种新陈代谢的灵活性或不灵活性预示着对目前正在临床开发的谷氨酰胺酶抑制剂的敏感性。

培养条件对代谢通量的测量有很大影响。RPMI 1640 培养基的葡萄糖和氨基酸浓度会影响代谢途径的利用率。通过定制培养基配方达到的生理营养水平可揭示与体内肿瘤代谢更相关的代谢表型。DMEM为比较研究提供了可供选择的营养成分。

针对特定途径的靶向代谢组学研究

与非靶向方法相比，针对特定途径的靶向代谢组学检测可提高灵敏度和定量准确性。通过对 NCI-60 中的糖酵解中间产物、TCA 循环代谢物或氨基酸进行绝对定量，可在细胞系之间以及与临床样本进行直接比较。这种定量精度可支持机理研究和生物标记物验证。

一碳代谢分析可量化叶酸介导的核苷酸合成和甲基化反应所必需的途径。NCI-60 细胞系的叶酸通路酶表达各异，产生的代谢物也相应不同。这种通路异质性会影响对抗叶酸药物的敏感性，并确定代谢干预的组合策略。

脂质代谢组学捕捉了 NCI-60 中脂肪酸、磷脂和鞘磷脂的多样性。癌症特异性脂质特征与膜组成、信号脂质产生以及对脂质代谢抑制剂的敏感性相关。脂质体生物标记物是对极性代谢物测量的补充，可用于全面的代谢表型分析。

技术考虑因素和质量控制

代谢组学分析需要严格的质量控制，以确保整个 NCI-60 小组的数据可靠性。必须通过适当的研究设计和归一化方法来控制由样品制备、仪器性能和分析变异引起的批次效应。分析序列中的质控样本可用于评估技术可重复性。

细胞系认证和通过号记录对代谢组学的可重复性至关重要。通过 STR 图谱对细胞系进行鉴定，可在代谢组学分析前确认其身份。支原体感染会通过精氨酸耗竭和其他机制显著改变细胞代谢，支原体检测可防止支原体感染的混杂效应。

标准化的样本采集方案确保了不同实验中代谢物提取的可比性。冷冻培养基 CM-1可以冷冻保存细胞系存货，用于纵向研究。提取前的无血清培养基条件消除了血清衍生代谢物的贡献，并使细胞外代谢环境标准化。

结论

对 NCI-60 基因组进行的代谢组学分析揭示了癌症类型特异性和癌基因驱动的代谢程序，这些程序与药物敏感性模式相关。将代谢组学与基因组学和药物反应数据相结合，可以深入了解机理，并为临床开发提供候选生物标记物。应用非靶向发现和靶向定量方法，结合同位素示踪通量分析，可提供支持精准肿瘤学应用的全面代谢表征。