直接注入質量分析法に基づく肺癌と慢性閉塞性肺疾患とのメタボローム関係の研究

Study of the metabolomic relationship between lung cancer and chronic obstructive pulmonary disease based on direct infusion mass spectrometry.

抄録

肺がんの罹患率が高いことから、この疾患の早期診断のためのバイオマーカーの探索が始まっています。このため、肺がんの発生に関連する代謝変化の研究は、肺がんの早期診断に関する興味深い情報を提供する可能性があります。この意味で、腫瘍の発生に関連する疾患である慢性閉塞性肺疾患（COPD）は、肺腫瘍の発症および進行のリスクを高める併存疾患であり、肺がんに関連する病態の研究においても考慮されなければならないものである。本研究では、ハイブリッド型トリプル四重極飛行時間型質量分析計（DI-ESI-QqQ-TOF-MS）を用いた直接注入質量分析に基づくメタボローム解析法を開発し、肺がんおよびCOPD患者の血清から変化した代謝物を同定し、肺がん進行との関係や意味を評価することを目的としています。本手法を LC30 血清、健常者 30 血清（HC）、COPD30 血清に適用し、LC と COPD の両疾患から変化する代謝物を見出した。また、肺気腫と慢性気管支炎の患者さんでは、代謝の違いや類似性が認められました。一方、LCの異なるステージ（II、III、IV）における変化した代謝物を調査し、疾患の進行に伴う代謝物の変動を評価しました。試料処理は、血清から極性代謝物および非極性代謝物を抽出し、エレクトロスプレーイオン源を用いてポジティブおよびネガティブモードで質量分析計に注入することにより行われた。部分最小二乗法による判別分析（PLS-DA）により、すべての測定モードでLC群、HC群、COPD群に分類された。アミノ酸、脂肪酸、リゾリン脂質、リン脂質、トリアシルグリセリドなど、LCとCOPDの間で変化する35種類の代謝物が同定され、アラニン、アスパラギン酸、グルタミン酸代謝物が最も変化していた。最後に、データセットに ROC カーブを適用し、AUC 値が 0.70 以上の代謝物を LC の進行に関連性があるとみなした。

The high prevalence of lung cancer (LC) has triggered the search of biomarkers for early diagnosis of this disease. For this purpose the study of metabolic changes related to the development of lung cancer could provide interesting information about its early diagnosis. In this sense, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), a disease associated with tumor development, is a comorbidity that increases the risk of onset and progression of lung neoplasia and has also to be considered in the study of pathology related to lung cancer. This work develop a metabolomic approach based on direct infusion mass spectrometry using a hybrid triple quadrupole-time of flight mass spectrometer (DI-ESI-QqQ-TOF-MS) in order to identify altered metabolites from serum of LC and COPD patients and evaluate its relationship and implication in the progression of LC. This methodology has been applied to 30 serum samples from LC, 30 healthy patients used as controls (HC) and 30 serum samples from COPD to found altered metabolites from both LC and COPD diseases. In addition, some metabolic differences and similarities were found in Pulmonary Emphysema and Chronic Bronchitis patients. On the other hand, altered metabolites were studied in different stages of LC (II, III and IV) to evaluate the perturbation of them throughout the progression of disease. The sample treatment consisted of the extraction of polar and non-polar metabolites from serum that was later infused into the mass spectrometer using an electrospray ionization source in positive and negative mode. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) allowed a classification between LC, HC and COPD groups in all acquisition modes. A total of 35 altered and common metabolites between LC and COPD, including amino acids, fatty acids, lysophospholipids, phospholipids and triacylglycerides were identified, being alanine, aspartate and glutamate metabolism the most altered. Finally, ROC curves were applied to the dataset and metabolites with AUC value higher than 0.70 were considered as relevant in the progression of LC.