Gut：结直肠癌中的脂质失调：由炎症无法消退所驱动

脂质组学与单细胞和空间转录组学联合揭示结肠癌中未消退的促炎状态

2024年12月，美国南佛罗里达大学等单位的研究人员在《Gut》（IF: 23）上发表了题为“Integration of lipidomics with targeted, single cell, and spatial transcriptomics defines an unresolved pro-inflammatory state in colon cancer”的研究论文，揭示了结直肠癌（CRCs）中因脂质介质类别转换（LCS）缺陷导致的促炎偏向，提供了一种通过诱导或提供消退素来减轻驱动癌症生长和进展的慢性炎症的新疗法。

亮点概述：

CRC表现出明显的促炎偏向，并伴有内源性促炎症消退介质的缺乏。
CRC中存在LCS缺陷，这与前列腺素E2/前列腺素D2（PGE2/PGD2）水平不足或信号传导无效有关。
在高水平白三烯B4（LTB4）生成的肿瘤中，ALOX5和ALOX5AP的共定位对于促进LTB4及其他促炎脂质介质的生成至关重要。

研究背景：

结直肠癌（CRC）是世界上第三大最常见的癌症，其治疗进展与免疫肿瘤微环境（TME）的改变有关。CRC的特征是促炎过程与促炎症消退过程之间的失衡，导致类似于伤口愈合不良的慢性炎症。脂质在细胞信号传导、能量储存和膜结构中起着至关重要的作用，它们的失调会导致癌症的发展和进展。然而在CRC的TME中脂质代谢失调的细胞和分子机制尚不知晓。

西方饮食纤维含量低且富含ω-6脂肪酸（如亚麻酸（LA），花生四烯酸（AA）的代谢前体）与慢性炎症和CRC的发生和进展密切相关。癌症被描述为一种愈合不良的慢性伤口。在正常伤口愈合的初期，前列腺素和白三烯（LTs）被合成并协调抗炎反应，在此过程中前列腺素E2/前列腺素D2（PGE2/PGD2）诱导花生四烯酸15-脂肪氧化酶（ALOX15）表达，导致从促炎介质（如LTs）转向促炎症消退介质（如脂氧素、消退素、巨噬素、保护素等）的转换。这一过程被称为脂质介质类别转换（LCS），并被确认为炎症消退的基本机制。然而，在CRC中，这种LCS过程似乎存在缺陷，导致大多数肿瘤维持着一种慢性炎症状态。

首先，研究人员对来自两个不同机构的162个人类样本进行脂质组学分析，这些样本包括81对肿瘤组织和匹配的正常黏膜组织，代表了一组多样化的CRC，其中80%为结肠癌，18%为直肠癌。正交偏最小二乘判别分析显示肿瘤组织（n=40）与匹配的正常粘膜（n=40）之间存在明显的脂质组成差异。共鉴定了来自五个主要脂质类别的211种脂质分子种类（脂肪酰基、甘油酯、甘油磷脂、鞘脂和甾醇）。其中，42种脂质下调，主要包括甘油三酯；而11种脂质上调，特别是鞘磷脂（SMs）（如SM（d18:1/14:0））和富含16:1脂肪酸的磷脂（PLs）。此外，热图结果揭示了富含LA/AA的PLs（主要是磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰甘油（PG）和磷脂酰丝氨酸（PS））的变化情况：与匹配对照相比，结肠肿瘤中结构性脂质种类PE有所增加，如PE（16:0/16:1）和PE（O-16:1/16:1）；PG种类显示出更高的倍数变化，如PG（16:1/18:2）、PG（18:0/18:1）和PG（22:6/22:6）。

脂质组学分析发现了结肠肿瘤中富含LA和AA的结构和生物活性的脂质上调

接着，研究人员对25种源自AA代谢的脂质介质进行脂质组定量分析。CRC和匹配的正常对照组（每组n=81）的脂质组的热图显示，在AA途径中，促炎脂质介质相对于促炎症消退的脂质介质有显著的变化。具体来说，相较于匹配的对照组，在肿瘤中观察到由ALOX5途径产生的代谢产物5-HETE显著增加，且5-HETE的促炎脂质产物，即LTs（LTB4，LTC4，LTD4和LTE4）均显著增加。相反，PGD2和PGE2在肿瘤中显著减少。另一方面，抗炎脂质介质11-HEPE在结肠肿瘤中相较于匹配的正常对照显著减少，而18-HEPE则未见明显变化。关键的促炎症消退脂质介质如脂氧素A4（LXA4）和脂氧素B4（LXB4）在结肠肿瘤中要么处于低水平，要么与正常对照相比没有显示出任何变化。

定量脂质分析显示，与正常匹配组相比，结肠肿瘤中的促炎脂质介质存在明显偏向

LTs主要由ALOX5在巨噬细胞、单核细胞、肥大细胞和中性粒细胞等免疫细胞中合成。ALOX5具有双重功能，它可以根据ω-6和ω-3脂肪酸作为底物的可用性产生促炎LTs或促炎症消退脂质介质，ALOX5AP是其结合伴侣。qRT-PCR和单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据结果发现结肠肿瘤中AA相关促炎基因和髓系免疫细胞标记物的显著上调，说明CRC的TME中存在炎症。

为了验证在CRC肿瘤大队列中的临床发现，研究人员对专有的Merck-Moffitt（包含2373例CRC肿瘤）和Marissa（包含585例CRC肿瘤）Affymetrix微阵列数据集进行了二次分析。与qRT-PCR结果一致的是，编码促炎脂质/受体的基因（ALOX5、ALOX5AP、LTA4H、LTC4A和LTB4R）表达较强，而编码促炎消退脂质/受体的基因（ALOX12、ALOX15和GPR32）表达较弱。此外，Spearman相关性分析显示与AA脂质产生和膜释放相关的基因、促炎介质及其受体相关的基因似乎都与结肠肿瘤中炎症生物标志物和相关巨噬细胞标志物协同表达。值得注意的是，与LCS相关的基因（ALOX12，ALOX15，IL4，IL13，EPHX1）在结肠肿瘤中的炎症基因程序中的关联性较弱。

合成促炎脂质介质ALOX5的酶在CRC肿瘤微阵列数据集中的表达增加

LC-MS/MS分析显示，相比于匹配的正常对照，约70%的肿瘤患者PGD2和PGE2水平显著降低，而PGF2a水平在结肠肿瘤中相对于匹配的正常黏膜则没有发生变化。较低的PGD2水平可能与scRNA-seq数据中观察到的前列腺素D合成酶（PTGDS）基因表达减少有关。而在70%的病例中，低PGE2水平可能归因于在肿瘤样本中相对于正常样本测得的前列腺素E合成酶（PTGES，包括PTGES和PTGES2）的相对较低水平，这些酶作用于PGE2的前体。这部分结果提示在CRC肿瘤中可能存在LCS缺陷，这可能与前列腺素合成能力减弱有关。

定量LC-MS/MS分析显示PGD2/PGE2水平低，表明CRC肿瘤中存在LCS缺陷

最后，在代表性的低水平LTB4和高水平LTB4的结肠癌切片中，研究人员利用空间转录组学分析了LTB4和PGE合成相关基因和促炎症消退脂质介质基因的空间分布和表达程度。数据分析显示，ALOX5和ALOX5AP转录本的空间分布存在显著差异。ALOX5和ALOX5AP基因的共表达分析表明，相对于高水平LTB4肿瘤（基因簇），低水平LTB4肿瘤的共表达量较低，这可能导致不同肿瘤之间LTB4水平的差异。此外，聚类定量分析显示ALOX5/ALOX5AP的共表达显著增加，表明在高水平LTB4生成的肿瘤中，ALOX5和ALOX5AP的共定位对于促进LTB4及其他促炎脂质介质的生成至关重要。