葛彦君，张雨晨，王新焘，诸海燕

宫颈癌是最常见的妇科恶性肿瘤，发病率和死亡率在全球女性恶性肿瘤中居第4 位[1]。目前，宫颈鳞状上皮内病变（squamous intraepithelial lesion，SIL）和宫颈癌的诊断主要靠“三阶梯程序”，即宫颈细胞学检查/人乳头瘤病毒（human papilloma virus，HPV）检测、阴道镜检查和宫颈活组织检查。宫颈细胞学检查和HPV 检测是筛查的基本方法，但HPV 检测特异度低，细胞学检查敏感度低[2-3]。因此需要兼具高敏感度和特异度的检测方法来提高宫颈癌早期诊断的效率，近年迅速发展的代谢组学在这方面具有较大的应用潜力。代谢组学是指利用质谱、核磁共振波谱等技术，分析机体在受到各种生理、病理或环境刺激下的代谢产物，代谢物的种类和数量能够敏感地反映机体的病理生理变化。代谢组学在肺癌、卵巢癌、乳腺癌、甲状腺癌和结直肠癌等多种肿瘤的筛查方面已取得一定的研究成果。在宫颈癌领域，代谢组学在探索高效、快速、无创的筛查和早期诊断手段的研究中也取得了一定成果。

1 代谢组学具有宫颈癌筛查和早期诊断潜力的证据

1.1 宫颈癌变进程中代谢物的变化已有研究发现从健康女性到HPV 感染、SIL、宫颈癌，组织和体液样本的代谢物有明显的改变。Ilhan 等[4]研究表明，HPV 阳性者、低级别鳞状上皮内病变（low-grade squamous intraepithelial lesion，LSIL）、高级别鳞状上皮内病变（high-grade squamous intraepithelial lesion，HSIL）和宫颈癌患者的宫颈阴道灌洗液中代谢物种类有所不同，宫颈癌组检测到多种特有的代谢物，主要是一些脂质，HPV 阳性组、LSIL 组和HSIL 组也有不同的氨基酸和核苷酸代谢的改变。Nam 等[5]研究发现，与宫颈上皮内瘤变1 级（cervical intraepithelial neoplasia 1，CIN1）患者和健康人相比，CIN2/3 和宫颈癌患者的血浆中多种脂质水平有明显改变，包括磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC）和磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）的下降，以及二酰甘油和单不饱和脂肪酸的升高。Yin 等[6]也发现宫颈癌患者血浆中PC 的下降和溶血磷脂酰胆碱（lysophosphatidylcholine，LPC）的升高。Hasim 等[7]发现与健康人相比，CIN 患者血浆中多种氨基酸（天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、丝氨酸、甘氨酸、组氨酸、牛磺酸、酪氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸）水平下降，在宫颈鳞癌患者血浆中下降更显著，精氨酸和苏氨酸在CIN 患者血浆中升高而在宫颈鳞癌患者血浆中下降。对尿液标本的代谢组学研究发现，高危型HPV 感染者的尿液中5-氧代脯氨酸盐、赤酮酸和N-乙酰天冬氨酸水平升高[8]，宫颈癌患者尿液中4-雄烯-3,17-二酮、1-甲基腺苷和3-甲基尿苷水平升高[9]。

1.2 宫颈癌变过程中细胞代谢的变化代谢重编程是指细胞内总体代谢框架的改变，肿瘤细胞会经历一系列代谢重编程来满足自身快速增殖的需要，其中葡萄糖代谢、谷氨酰胺代谢和脂质代谢在肿瘤细胞中变化最显著。2011 年《Cell》发表的综述文章将肿瘤细胞的代谢异常改变归结为肿瘤细胞的十大特征之一[10]。代谢重编程与恶性肿瘤的发生发展相互影响、相互促进[11]，代谢组学与宫颈癌的发病机制和病理生理机制有着密切联系。

1.2.1 糖代谢方面宫颈癌组织中葡萄糖消耗增加，乳酸产生增加[12]，即存在糖代谢重编程，在氧气充足的条件下依然倾向于通过糖酵解而非氧化磷酸化来获取能量，这种现象称为瓦伯格效应（Warburg Effect）[13-14]，通过此效应能够更加快速地为肿瘤细胞提供三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），糖酵解中间产物又能满足快速增殖的肿瘤细胞的物质合成需要[15]；在LSIL 和HSIL 中也观察到了葡萄糖和乳酸水平的改变以及乳酸脱氢酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）、己糖激酶Ⅱ（hexokinaseⅡ，HKⅡ）和M2 型丙酮酸激酶（M2-pyruvate kinase，PKM2）等糖酵解相关酶的表达增加，即糖酵解增强在宫颈鳞状上皮内病变阶段就已发生，提示其可能与宫颈癌的发生有关[15-16]。

1.2.2 氨基酸代谢方面氨基酸代谢重编程可能在宫颈癌前病变发展以及进展为浸润性宫颈癌的过程中起重要作用[16]。研究发现宫颈癌患者血浆多种游离氨基酸水平升高[17]，为快速增殖和高代谢的肿瘤细胞提供了合成蛋白质和核苷酸的原料[18]。也有研究观察到多种氨基酸水平的下降，有一些可能是癌细胞对其消耗增加所致，如组氨酸，另有一些可能是样本量小、检测方法不同导致不同研究出现相反的结果[7]。

1.2.3 脂代谢方面血浆二酰甘油从CIN1、CIN2/3到宫颈癌呈现逐渐增高的趋势，提示其代谢的增强与宫颈癌的发生和进展有关[5]；CIN2/3 和宫颈癌患者血浆中多不饱和PC 水平降低，可能是由于宫颈癌进展过程中雌激素失调[19]，导致受其调节的多不饱和PC 合成的关键酶——磷脂酰乙醇胺N-甲基转移酶（phosphatidylethanolamine N-methyltransferase，PEMT）表达下降[5]。

1.2.4 微环境代谢方面Ilhan 等[4]揭示了宫颈阴道微环境的代谢组学与阴道微生物、生殖道炎症和宫颈癌变的相互联系。该研究发现了几种氨基酸代谢物（谷胱甘肽合成中间产物2-羟基丁酸、支链氨基酸代谢产物α-羟基异戊酸酯、L-异亮氨酸代谢产物2-羟基-3-甲基戊酸）和几种脂质（鞘磷脂、亚油酸、鹅脱氧胆酰甘氨酸和脱氧肉碱）与生殖道炎症程度呈正相关，与乳杆菌丰度呈负相关，而这些物质在浸润性宫颈癌患者的宫颈阴道灌洗液中具有较高的水平，其中甘氨鹅脱氧胆酸（glycochenodeoxycholate，GCDC）可诱发炎症反应和毒性反应，对上皮细胞具有致癌作用。浸润性宫颈癌和SIL 患者阴道菌群有所变化，乳杆菌丰度下降，取代以与细菌性阴道病相似的非乳杆菌优势菌群，如加德纳菌、链球菌和普雷沃菌等，引起浸润性宫颈癌和SIL 患者宫颈阴道灌洗液中多种氨基酸、核苷酸通路代谢物的上升和肽类代谢物的下降。

2 代谢组学在宫颈癌筛查和早期诊断中的应用

2.1 基于血液标本虽然肿瘤生长于某一特定器官，但是代谢物的变化可能受到体内多个器官的影响，因此血液标本（血浆、血清）能更加全面地反映与肿瘤相关的代谢物变化[17]。

2.1.1 基于血浆标本Hasim 等[20]利用核磁共振氢谱（1H nuclear magnetic resonance，1H NMR）对CIN、宫颈鳞癌患者和健康人的血浆进行分析，发现了涉及糖代谢、氨基酸代谢和脂质代谢等多种代谢途径的代谢物差异，基于此建立的模型诊断CIN 和宫颈鳞癌的敏感度分别为91.6%和100%，均高于液基薄层细胞学检查（thinprep cytologic test，TCT，其诊断CIN和宫颈鳞癌的敏感度分别为80.6%和88.9%）。Yang等[21]利用液相色谱-质谱法（liquid chromatographymass spectrometry，LC-MS）分析了宫颈癌患者和健康人的血浆代谢物，构建了包含5 种代谢物（胆红素、LPC 17∶0、N-油酰苏氨酸、12-羟基十二烷酸、二十四碳六烯酸）的标志物组合，该组合诊断宫颈癌的敏感度为98%，特异度为99%，受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.99，具有较大的诊断潜力。Yin等[6]利用超高效液相色谱-质谱法（ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry，UPLC-MS）分析了宫颈癌患者和子宫肌瘤患者的血浆代谢物，建立了基于2 种PC（PC 18∶1/15∶0 和PC 18∶2/20∶5）和2 种LPC（lysoPC 18∶0 和lysoPC 10∶0）的标志物组合，其区分宫颈癌和子宫肌瘤的敏感度、特异度分别为93.18%和91.30%，AUC 为0.97。Khan 等[17]利用超高效液相色谱-四级杆飞行时间质谱法（ultraperformance liquid chromatography-quadrupole timeof-flight mass spectrometry，UPLC-QTOF-MS）分析了CIN、宫颈癌患者以及健康人的血浆代谢物，建立了基于7 种代谢物（AMP、天冬氨酸、谷氨酸、次黄嘌呤、乳酸、脯氨酸和焦谷氨酸）的标志物组合，其区分CIN2/3 患者和健康人的AUC 为0.82，区分宫颈癌患者和健康人的AUC 为0.83。

2.1.2 基于血清样本Cheng 等[22]利用超高压液相色谱联合四级杆飞行时间质谱法（ultra-high-pressure liquid chromatography with quadrupole time-of-flight mass spectrometry，UHPLC/Q-TOF-MS）分析了宫颈癌患者、SIL 患者和健康人的血清脂质，构建了由1 种PC（PC 14∶0/18∶2）和2 种含醚键的烷酰基磷脂酰乙醇胺（PE 15∶1e/22∶6、PE 16∶1e/18∶2）组成的标志物组合，区分宫颈癌患者与非宫颈癌患者（包括SIL 患者和健康人）的验证集（机器学习中用来调整模型和初步评估模型）敏感度、特异度和AUC 分别为92%、91.5%和0.961，区分早期宫颈癌患者与SIL 患者的验证集敏感度、特异度和AUC 分别为0.960、0.815和0.956。Liu 等[23]采用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱法（matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry，MALDI-TOF-MS），分析了宫颈鳞癌患者和健康人的血清肽类，建立了区分宫颈鳞癌患者和健康人的诊断模型，该模型训练集敏感度和特异度均为100%，验证集敏感度和特异度分别为80%和100%。

2.2 基于尿液标本尿液标本的获取方便、无创、易接受，且能反映全身性的变化。Chen 等[24]采用液相色谱串联质谱法（liquid chromatography/tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）分析了宫颈癌患者和健康人的尿液代谢物，建立了9 种代谢物[脯氨酸甜菜碱、吡啶乙酸、尿刊酸（urocanic acid）、1-甲基鸟嘌呤、尿酸、甲基黄嘌呤、色氨酸、茶碱和肉碱C8:1]组成的标志物组合，其诊断宫颈癌的敏感度、特异度和AUC 分别为92.9%、95.6%和0.997。Godoy-Vitorino等[8]采用气相色谱-质谱法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析了高危型HPV 感染者、低高危型HPV 混合感染者和HPV 检测阴性者的尿液代谢物，发现了区分高危型HPV 阳性和HPV 阴性的3 种代谢物——5-氧代脯氨酸盐、赤酮酸、N-乙酰天冬氨酸，其AUC 分别为0.932、0.932 和0.920。

2.3 基于宫颈组织标本血液和尿液反映的是整个机体包括宫颈以外的其他组织器官的代谢情况，而宫颈组织标本能更精确地反映宫颈局部因病变引起的代谢物改变。Abudula 等[12]采用高分辨率魔角旋转核磁共振氢谱技术（high-resolution magic angle spinning 1H nuclear magnetic resonance，HRMAS 1H NMR）分析了HPV-16 阳性的宫颈鳞癌、CIN2/3 患者和健康人的宫颈组织发现，与CIN 患者和健康人相比，宫颈鳞癌患者的宫颈组织内低密度脂蛋白、乳酸和丙氨酸的水平升高，葡萄糖、酪氨酸和苯丙氨酸水平下降，表明这些代谢物可能成为宫颈癌筛查标志物。Tokareva 等[25]采用电喷雾离子化鸟枪脂质组学（ESI-MS shotgun lipidomics）技术探索区分宫颈癌组织和正常组织的方法，结果发现基于非极性甘油脂类建立的正交偏最小二乘法判别分析（orthogonal partial least-squares discriminant analysis，OPLS-DA）模型预测潜力最大，AUC 达0.95，有望成为组织学诊断的补充手段。

2.4 基于细胞学标本目前应用于宫颈癌筛查的宫颈细胞学检查，需要通过阅片根据细胞形态特征做出诊断，有一定的主观性。一些研究针对细胞学标本进行代谢物分析，以期发现客观准确的新筛查手段。Porcari 等[26]采用LC-MS 的方法分析HSIL 患者的宫颈细胞学标本，发现了HSIL 独特的分子特征，主要涉及2 种神经酰胺和1 种鞘氨醇代谢物，基于此建立的诊断模型区分HSIL 与无宫颈病变者的AUC 达0.98。Paraskevaidi 等[27]采用激光辅助快速蒸发电离质谱（laser-assisted rapid evaporative ionization mass spectrometry，LA-REIMS）的技术，分析了高危型HPV 阳性和阴性者的宫颈液基细胞学标本的细胞沉淀，发现此技术区分高危HPV 阳性与阴性者的敏感度、特异度和AUC 分别为94%、83%和0.916，区分CIN2+与无宫颈上皮内病变者（正常及高危型HPV 阳性者）的敏感度、特异度和AUC 分别为91%、73%和0.867。Walker 等[28]收集了HPV 阳性的低级别细胞学异常患者的宫颈细胞标本进行DNA提取后的上清液，采用直接进样质谱（direct injection mass spectrometry，DIMS）的方法进行分析发现，代谢组学变化可以反映机体对HPV 的清除能力，即可以在现有筛查程序上加上代谢物测定，来预测HPV 感染持续的风险，从而更准确地对HPV 阳性的低级别细胞学异常患者进行分流。

2.5 基于泌尿生殖区混合物对泌尿生殖区混合物的研究主要是针对其中的挥发性有机物。该标本的获取使用女性常用的卫生巾即可，操作简便、易于接受。Guerrero-Flores 等[29]让经过训练的比格犬通过嗅卫生巾获取的泌尿生殖区混合物的气味，来辨别是否为宫颈癌，结果表明受训犬能够通过宫颈癌患者的标本中特有的挥发性有机物区分出宫颈癌患者和健康人，敏感度和特异度高达96.36%和99.55%。Rodríguez-Esquivel 等[30]采用顶空气相色谱-质谱法（headspace gas chromatography-mass spectrometry，HS GC/MS），分析了宫颈癌患者和健康人用卫生巾获取的泌尿生殖区混合物标本，发现宫颈癌患者和健康人的泌尿生殖区标本中各有数种特有的挥发性有机物，并能以此区分宫颈癌患者和健康人，敏感度和特异度达93%，AUC 达0.89，有望发展成一种无创、易操作的宫颈癌筛查方法。

3 结语与展望

目前代谢组学在宫颈癌筛查和早期诊断的研究已取得一定成果，代谢物变化与癌前病变和浸润性宫颈癌的发生、进展关系密切，对差异代谢物相关通路的分析为研究肿瘤的发生发展机制提供了新途径，基于差异代谢物建立的诊断模型表现出了较高的敏感度和特异度，显示出较好的临床应用前景。但是目前多数研究样本量较小，或未控制可能影响代谢物水平的其他因素如年龄、饮食和体质量指数（body mass index，BMI）等。研究的代谢物范围较广，不同研究之间出现一些矛盾结果，尚未有公认的特异性代谢物。多数研究仅观察到代谢物变化的客观事实，而缺乏基础实验研究，发生变化的机制未完全探明。

未来需要样本量更大、更有针对性的代谢组学研究进一步验证目前已发现的有诊断潜力的差异代谢物，并持续监测代谢物在宫颈癌发生发展各个阶段的动态变化。若将代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学相结合，则有望多层次、全方位地探索代谢物变化的机制，寻找与宫颈癌发生发展最相关的标志物，也为宫颈癌的治疗提供新思路和新靶点。同时期望理化分析技术和有机化学等相关领域的快速发展，从而能够检测出目前无法检测的微量代谢物和一些目前结构未知而可能意义重大的代谢物。