Metabolomic Profiling Across the NCI-60 Cancer Cell Panel

Phân tích chuyển hóa trên bảng mẫu tế bào ung thư NCI-60

Phân tích chuyển hóa cung cấp một cái nhìn chức năng về sinh hóa tế bào, bổ sung cho việc đặc trưng di truyền và protein của tế bào ung thư. Bảng NCI-60, với chú thích phân tử toàn diện và dữ liệu nhạy cảm với thuốc phong phú, đại diện cho một nền tảng lý tưởng để thực hiện phân tích chuyển hóa hệ thống trên các loại ung thư đa dạng. Việc tích hợp đo lường chất chuyển hóa với các tập dữ liệu đa omics hiện có cho phép xác định các điểm yếu chuyển hóa, phát hiện dấu ấn sinh học và hiểu rõ cơ chế phản ứng thuốc trên toàn bộ bộ sưu tập NCI-60.

Điểm chính

• Phân tích chuyển hóa của các dòng tế bào NCI-60 tiết lộ các dấu ấn chuyển hóa đặc trưng cho từng loại ung thư và các dấu ấn chuyển hóa chung cho tất cả các loại ung thư
• Tích hợp phân tích chuyển hóa với dữ liệu di truyền xác định các mẫu tái lập trình chuyển hóa do gen ung thư điều khiển
• Các dấu ấn sinh học chất chuyển hóa dự đoán độ nhạy cảm với thuốc với độ chính xác tương đương với các dấu ấn biểu hiện gen
• Metabolomics có mục tiêu cho phép phân tích tập trung vào con đường của các điểm yếu chuyển hóa cụ thể
• Phân tích dòng chảy sử dụng chất đánh dấu đồng vị định lượng hoạt động của các con đường chuyển hóa trên toàn bộ bảng NCI-60

Phương pháp phân tích chuyển hóa không định hướng

Phân tích chuyển hóa không định hướng cung cấp phạm vi bao quát toàn diện về chuyển hóa tế bào mà không cần lựa chọn trước các chất phân tích. Các nền tảng dựa trên phổ khối, bao gồm sắc ký lỏng-phổ khối (LC-MS) và sắc ký khí-phổ khối (GC-MS), phát hiện hàng nghìn đặc điểm chuyển hóa trên bảng NCI-60. Phương pháp không thiên vị này cho phép phát hiện các thay đổi chuyển hóa bất ngờ liên quan đến các loại ung thư cụ thể hoặc mô hình phản ứng với thuốc.

Tiêu chuẩn hóa chuẩn bị mẫu là yếu tố thiết yếu để đảm bảo tính tái hiện trong phân tích chuyển hóa NCI-60. Quá trình ức chế chuyển hóa nhanh chóng thông qua chiết xuất methanol lạnh giúp bảo tồn các nhóm chất chuyển hóa phản ánh trạng thái tế bào tại chỗ. Các quy trình chiết xuất được tối ưu hóa cho các lớp chất chuyển hóa cụ thể (chất phân cực so với chất lipophilic) có thể được áp dụng song song để tối đa hóa phạm vi bao phủ của hệ thống chuyển hóa. Các tiêu chuẩn nội bộ bao phủ các lớp hóa học đa dạng cho phép chuẩn hóa và đánh giá chất lượng.

Tập con ung thư phổi của NCI-60 cho thấy sự đa dạng chuyển hóa tương quan với các loại mô học và phân tử. Tế bào NCI-H460 có dòng chảy glycolytic cao hơn so với các dòng tế bào ung thư phổi khác. Tế bào NCI-H1299 có hồ sơ chuyển hóa lipid đặc trưng, trong khi tế bào A549 thể hiện sự tái lập trình chuyển hóa do KRAS điều khiển.

Dấu ấn chuyển hóa đặc trưng cho từng loại ung thư

Phân tích không giám sát dữ liệu chuyển hóa của NCI-60 cho thấy sự phân cụm theo nguồn gốc mô, cho thấy các chương trình chuyển hóa đặc trưng cho từng loại ung thư. Các dòng tế bào leukemia có hồ sơ chất chuyển hóa khác biệt so với các dòng ung thư khối u rắn, phản ánh sự khác biệt về khả năng cung cấp dinh dưỡng trong môi trường vi mô và sự phụ thuộc chuyển hóa. Trong các nhóm con ung thư khối u rắn, sự đa dạng chuyển hóa tiếp tục tương quan với trạng thái biệt hóa và danh tính gen ung thư điều khiển.

Các trung gian glycolysis và tích tụ lactate đặc trưng cho hiệu ứng Warburg được quan sát thấy ở hầu hết các dòng tế bào NCI-60. Tuy nhiên, mức độ glycolysis hiếu khí thay đổi đáng kể, với một số dòng tế bào duy trì khả năng phosphoryl hóa oxy hóa. Sự đa dạng chuyển hóa này ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với các chất ức chế glycolysis và cung cấp cơ sở lý luận cho các chiến lược kết hợp nhắm mục tiêu chuyển hóa.

Nhóm ung thư đại tràng thể hiện các đặc điểm chuyển hóa phản ánh nguồn gốc biểu mô ruột. Các tế bào HCT116 có độ phụ thuộc glutamine cao, đặc trưng cho các tế bào ung thư phát triển nhanh. Các tế bào Caco-2 duy trì chuyển hóa của tế bào biểu mô ruột đã biệt hóa với các con đường xử lý lipid hoạt động. Các tế bào SW620 được phân lập từ bệnh di căn có chuyển hóa axit amin thay đổi so với các dòng tế bào từ khối u nguyên phát.

Tích hợp với dữ liệu di truyền

Sự tương quan giữa mức độ chất chuyển hóa và các biến đổi gen xác định sự tái lập trình chuyển hóa do gen ung thư điều khiển. Các dòng tế bào đột biến KRAS trong NCI-60 cho thấy sự tăng cường đặc trưng của quá trình hấp thu glucose, chuyển hóa glutamine và tổng hợp macromolecule. Các dòng tế bào có amplifiction MYC cho thấy mức độ cao của các chất chuyển hóa trong con đường tổng hợp nucleotide, hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng. Các tương quan giữa kiểu gen và kiểu chuyển hóa này tạo ra các giả thuyết cho can thiệp điều trị nhắm mục tiêu.

Sự thay đổi số lượng bản sao ảnh hưởng đến các gen enzym chuyển hóa gây ra các thay đổi tương ứng trong các chất chuyển hóa, có thể phát hiện được trên toàn bộ bảng NCI-60. Sự khuếch đại các gen enzym lipogenics tương quan với sự gia tăng các chất chuyển hóa trong đường dẫn axit béo và cholesterol. Các đột biến xóa ảnh hưởng đến các enzym chu trình axit tricarboxylic (TCA) dẫn đến sự tích tụ đặc trưng của các chất chuyển hóa ung thư, như thiếu hụt succinate dehydrogenase và fumarate hydratase.

Các dòng tế bào leukemia trong NCI-60 cung cấp mô hình cho chuyển hóa của các bệnh ác tính huyết học. Các tế bào K562 được điều khiển bởi BCR-ABL thể hiện các chương trình chuyển hóa đáp ứng với imatinib. Các tế bào HL-60 thể hiện tính linh hoạt chuyển hóa trong quá trình kích thích biệt hóa. Các tế bào Jurkat E6.1 thể hiện các đặc điểm chuyển hóa đặc trưng của tế bào T, bao gồm sự phát triển phụ thuộc vào glutamine.

Các dấu ấn sinh học của chất chuyển hóa liên quan đến độ nhạy cảm với thuốc

Mức độ chất chuyển hóa dự đoán độ nhạy cảm với thuốc trên bảng NCI-60 với độ chính xác tương đương với các dấu ấn biểu hiện gen. Các mô hình học máy được đào tạo trên các đặc điểm chuyển hóa xác định các chất chuyển hóa liên quan đến phản ứng với các nhóm hợp chất cụ thể. Các dấu ấn sinh học chất chuyển hóa này có thể gần gũi hơn với cơ chế tác dụng của thuốc so với các đặc điểm gen, tiềm năng cải thiện độ chính xác dự đoán.

Glutathione và các chất chuyển hóa chống oxy hóa liên quan có mối tương quan với khả năng kháng lại các tác nhân gây stress oxy hóa trên toàn bộ bảng NCI-60. Các dòng tế bào có nồng độ glutathione cao cho thấy độ nhạy cảm giảm đối với các hợp chất tạo ra các gốc tự do oxy. Mối quan hệ giữa chất chuyển hóa và phản ứng này xác định quá trình tổng hợp glutathione là cơ chế kháng thuốc có thể được điều trị bằng các phương pháp kết hợp.

Kích thước kho nucleotide ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với các thuốc hóa trị chống nucleotide. Các dòng tế bào NCI-60 có mức deoxyribonucleotide cao cho thấy độ nhạy cảm giảm với các thuốc nhắm vào quá trình tổng hợp nucleotide. Đo lường mức nucleotide cơ bản bằng phân tích chuyển hóa có thể dự đoán phản ứng của bệnh nhân với 5-fluorouracil, gemcitabine và các tác nhân liên quan.

Nghiên cứu theo dõi đồng vị cho phân tích dòng chảy

Sử dụng chất nền được đánh dấu bằng đồng vị 13C cho phép định lượng hoạt động của các con đường chuyển hóa vượt ra ngoài các đo lường chất chuyển hóa ở trạng thái ổn định. Các thí nghiệm đánh dấu glucose và glutamine trên các dòng tế bào NCI-60 cho thấy phân bố dòng chảy qua glycolysis, chu trình TCA và các con đường tổng hợp. Thông tin động này xác định các điểm yếu chuyển hóa không thể nhận biết từ các hồ sơ chất chuyển hóa tĩnh.

Đóng góp khác biệt của glucose so với glutamine vào các chất trung gian của chu trình TCA thay đổi giữa các dòng tế bào NCI-60. Một số dòng tế bào phụ thuộc gần như hoàn toàn vào glutamine cho quá trình anaplerosis, trong khi các dòng khác sử dụng hiệu quả pyruvate từ glucose. Sự linh hoạt hoặc cứng nhắc chuyển hóa này dự đoán độ nhạy cảm với các chất ức chế glutaminase đang được phát triển lâm sàng.

Điều kiện nuôi cấy có ảnh hưởng đáng kể đến đo lường dòng chảy chuyển hóa. Nồng độ glucose và axit amin trong môi trường RPMI 1640 ảnh hưởng đến việc sử dụng các con đường chuyển hóa. Mức dinh dưỡng sinh lý đạt được thông qua các công thức môi trường tùy chỉnh có thể tiết lộ các biểu hiện chuyển hóa liên quan hơn đến chuyển hóa khối u trong cơ thể. DMEM cung cấp thành phần dinh dưỡng thay thế cho các nghiên cứu so sánh.

Metabolomics có mục tiêu cho các con đường cụ thể

Các xét nghiệm chuyển hóa mục tiêu tập trung vào các con đường cụ thể cung cấp độ nhạy và độ chính xác định lượng cao hơn so với các phương pháp không mục tiêu. Định lượng tuyệt đối các chất trung gian glycolytic, các chất chuyển hóa chu trình TCA hoặc axit amin trên NCI-60 cho phép so sánh trực tiếp giữa các dòng tế bào và với mẫu lâm sàng. Độ chính xác định lượng này hỗ trợ các nghiên cứu cơ chế và xác thực dấu ấn sinh học.

Phân tích chuyển hóa một carbon định lượng các con đường được điều hòa bởi folate, cần thiết cho tổng hợp nucleotide và phản ứng methyl hóa. Các dòng tế bào NCI-60 có biểu hiện biến đổi của các enzym con đường folate, dẫn đến sự khác biệt tương ứng trong các chất chuyển hóa. Sự đa dạng của con đường này ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với thuốc ức chế folate và xác định các chiến lược kết hợp cho can thiệp chuyển hóa.

Phân tích lipid học ghi nhận sự đa dạng của axit béo, phospholipid và sphingolipid trên NCI-60. Các dấu ấn lipid đặc trưng cho ung thư tương quan với thành phần màng, sản xuất lipid tín hiệu và độ nhạy cảm với các chất ức chế chuyển hóa lipid. Các dấu ấn sinh học lipid học bổ sung cho các đo lường chất chuyển hóa phân cực để tạo ra hình ảnh chuyển hóa toàn diện.

Các yếu tố kỹ thuật và kiểm soát chất lượng

Phân tích chuyển hóa đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu trên toàn bộ bảng NCI-60. Các hiệu ứng lô phát sinh từ chuẩn bị mẫu, hiệu suất thiết bị và biến động phân tích phải được kiểm soát thông qua thiết kế nghiên cứu phù hợp và phương pháp chuẩn hóa. Mẫu kiểm soát chất lượng trải dài qua chuỗi phân tích cho phép đánh giá tính tái hiện kỹ thuật.

Xác thực dòng tế bào và ghi chép số lần truyền là yếu tố thiết yếu cho sự tái hiện trong phân tích chuyển hóa. Xác thực dòng tế bào thông qua phân tích STR xác nhận danh tính trước khi phân tích chuyển hóa. Kiểm tra Mycoplasma ngăn chặn các tác động nhiễu do nhiễm Mycoplasma, vốn làm thay đổi đáng kể chuyển hóa tế bào thông qua việc cạn kiệt arginine và các cơ chế khác.

Các quy trình thu thập mẫu tiêu chuẩn hóa đảm bảo việc chiết xuất chất chuyển hóa tương đồng giữa các thí nghiệm. Dung dịch đông lạnh CM-1 cho phép bảo quản đông lạnh các mẫu dòng tế bào cho các nghiên cứu theo dõi dài hạn. Điều kiện môi trường không chứa huyết thanh ngay trước khi chiết xuất loại bỏ đóng góp của các chất chuyển hóa từ huyết thanh và tiêu chuẩn hóa môi trường chuyển hóa ngoại bào.

Kết luận

Phân tích chuyển hóa của bảng NCI-60 tiết lộ các chương trình chuyển hóa đặc trưng cho loại ung thư và do gen ung thư điều khiển, có tương quan với các mẫu nhạy cảm với thuốc. Việc tích hợp phân tích chuyển hóa với dữ liệu di truyền và phản ứng thuốc tạo ra các hiểu biết cơ chế và các ứng viên dấu ấn sinh học cho phát triển lâm sàng. Việc áp dụng cả các phương pháp phát hiện không mục tiêu và định lượng mục tiêu, kết hợp với phân tích dòng chảy bằng chất đánh dấu đồng vị, cung cấp đặc trưng chuyển hóa toàn diện hỗ trợ các ứng dụng y học chính xác.