目前的胃癌分子分類系統包括基因組、分子和形態學特征。目前還缺乏基于組織代謝組學的胃癌分類方法。本研究通過空間代謝組確定了基于不同代謝特征的胃癌3種腫瘤特異性亞型，并確定其臨床病理和分子特征。本研究于2022年4月發表在《Clinical Cancer Research》IF：12.531期刊上。

技術路線：

主要實驗結果：

1、基于代謝組譜鑒定胃癌患者亞型

本研究的流程如圖1所示。使用immuno-guided空間代謝組學，在總共362例患者樣本中，347例可以用腫瘤區域標記，339例可以用基質區域標記。可注釋的病例構成了本研究計算的基礎。為了確定腫瘤和間質區是否具有顯著不同的代謝組成，對腫瘤和間質區進行了特異性無監督K均值聚類分析。共確定并選擇了9278個離子特征。

圖1 本研究的流程圖

矩陣熱圖和累積分布函數(CDF)圖用來確定K cluster的最佳數量。腫瘤特異性和間質特異性數據的最佳聚類數均設置為3，根據共識指數，這導致CDF差異的增加較小（圖2A和2B）。通過對腫瘤和基質特異性數據集應用一致性聚類，得到和矩陣對應的熱圖（圖2C和2D）。所選塊在熱圖中幾乎是不連貫的，表明可以在腫瘤特異性光譜上區分這三個簇。這三個聚類也具有相對清晰的分離，并且表現出出明確定義的三塊結構。清晰的邊界進一步驗證了腫瘤和基質特異性數據集的穩定和穩健的聚類。這兩個數據集隨后都由無監督 K-means 處理質心聚類。在 347 個腫瘤區域中，161 個被分配到亞型 T1 (46%)、55 至 T2 (16%) 和 131 至 T3 (38%)。此外，在 339 個基質區域中，125 個被分配到亞型S1 (37%)，50 到 S2 亞型 (15%)，164 到 S3 亞型 (48%)。

為了估計 MALDI-IMS 數據在不參考聚類的情況下區分胃癌亞型和驗證亞型分配的能力，使用基于 t 分布隨機鄰域嵌入的方法評估了分子亞型之間的差異。結果表明，腫瘤特異性亞型和基質特異性亞型都被清楚地分開，表明它們可以很容易地根據代謝物水平進行區分（圖2E和2F）。

圖2 A-F腫瘤和基質特異性亞型鑒定及其與分子特征的關聯

2、腫瘤和基質特異性亞型和分子特征的相關性

為了探索腫瘤和基質特異性亞型的差異，研究了它們與分子特征的蛋白質表達的關聯，包括 DNA MMR、HER2、pEGFR、MIB1、CD3、CD8、FOXP3 和DEFA-1、HER2 ISH 狀態和 EBV陽性情況。分子特征和患者亞型之間的所有關聯如圖2G-2H所示。在胃癌腫瘤的3個亞型中，T1亞型和pEGFR和MMR呈顯著負相關，和其余分子呈顯著正相關，特別是和HER2的相關性最大；T2亞型和CD3、MIB1、FOXP3 和HER2呈顯著負相關，和MMR呈顯著正相關；T3亞型則只和pEGFR正相關。因此，腫瘤特異性亞型可命名為T1 (HER2+MIB+CD3+)，T2(HER2+ MIB+CD3+)，T3(pEGFR+)。

而在3種基質亞型中，S1亞型則只和FOXP3負相關；S2亞型和FOXP3、HER2、MIB1和CD3呈顯著負相關；S3亞型則和S2亞型完全相反，FOXP3、HER2、MIB1和CD3呈顯著正相關。因此，基質特異性亞型可命名為S1(FOXP3 – )，S2(HER2 – MIB – CD3 – )，S3(HER2+MIB+CD3+FOXP3+ )。

此外，圖2I展示了腫瘤特異性亞型和間質特異性亞型的患者分布。在T1和S3，T3和S1，T2和S2之間觀察到亞型分布相似性。

圖2 G-I腫瘤和基質特異性亞型鑒定及其與分子特征的關聯

3、腫瘤特異性亞型與患者預后的關系

隨后比較了腫瘤和基質特異性亞型的潛在預后差別。結果顯示T1亞型預后好于T2（圖3B），其它幾種腫瘤亞型的預后之間則無差別（圖3A，C，D）。在基質特異性亞型中，3種亞型的預后相互之間均無差別（圖3E-H）。

圖3代謝患者亞型及其預后

4、具有不同代謝物和相關代謝途徑的胃癌患者亞型

為了更深入地了解腫瘤和基質特異性亞型之間潛在的代謝差異，對 277 種帶注釋的代謝物進行了差異分析，并確定了每種腫瘤和基質特異性亞型的顯著富集代謝物。每種腫瘤亞型的富集代謝物通過熱圖可視化，如圖 4A 所示。圖 4B-D分別展示了腫瘤的不同亞型特異性途徑模式。T1亞型有45個顯著上調的代謝途徑，其中13個與碳水化合物代謝有關，10個與氨基酸代謝有關（圖4B）。T2亞型有17個顯著上調的代謝途徑，其中7個與碳水化合物代謝有關，4個與氨基酸代謝有關（圖4B）。T3亞型中只發現生物素代謝和胞質 DNA 傳感途徑的富集（圖4C）。圖 4E顯示了從每個腫瘤和基質亞型特異性途徑中選擇的一種代表性代謝物的空間分布。上述結果表明，腫瘤和基質特異性亞型富含多種代謝物和代謝途徑。

圖4腫瘤亞型特異性代謝物特征及通路富集

5、T1 (HER2+MIB+CD3+)和T2(HER2+ MIB+CD3+)亞型與曲妥珠單抗治療效率有關

在作者此前的研究中，發現胃癌對曲妥珠單抗治療的反應與代謝分類有關（圖5A和B）。該代謝組學分類器是通過應用空間代謝組學和機器學習建立的。 代謝組學分類器可以將診斷為 HER2 陽性胃癌的患者分層為曲妥珠單抗敏感和曲妥珠單抗耐藥，從而預測這些患者對曲妥珠單抗的反應。該研究中的 HER2 陽性腫瘤患者被用作獨立的驗證隊列（VARIANZ 隊列），代謝組學分類器用于預測 T1 和 T2 亞型中的曲妥珠單抗反應，因為它們與 HER2 蛋白表達相關。如圖5C和D所示，在本研究隊列中，代謝組學分類器可以明顯區分T1和T2亞型。在VARIANZ 隊列中，曲妥珠治療的患者分為T1和T2亞型與其對曲妥珠的響應顯著相關（圖5E）。曲妥珠陽性患者的比例在T1亞型中顯著高于T2亞型（圖5F）。此外，T1亞型患者采用曲妥珠治療的預后顯著高于T2亞型（圖5G）。這些結果表明T1和T2亞型與曲妥珠單抗治療效率有關。

圖5曲妥珠單抗治療反應相關的HER2相關腫瘤特異性亞型T1(HER2+MIB+CD3+)和T2 (HER2-MIB-CD3-)

總之，本研究基于空間代謝組將胃癌腫瘤和基質特異性亞型各分為3類，各個類型的特征如圖6所示。

圖6三種腫瘤特異性胃癌患者亞型的臨床病理及分子特征總結

參考文獻：

Wang Jun., Kunzke Thomas., Prade Verena M., Shen Jian., Buck Achim., Feuchtinger Annette., Haffner Ivonne., Luber Birgit., Liu Drolaiz H W., Langer Rupert., Lordick Florian., Sun Na., Walch Axel.(2022). Spatial metabolomics identifies distinct tumor-specific subtypes in gastric cancer patients. Clin Cancer Res, undefined(undefined), undefined. doi:10.1158/1078-0432.CCR-21-4383