本项目源于国家自然科学基金，题名：基于可视化质谱平台的直肠癌早期诊断研究（91959201），起止时间2019.1-2023.12。研究工作简要总结如下：

主要研究内容

本项目以内部萃取电喷雾电离质谱 （iEESI-MS）技术为基础，针对结直肠癌早期诊断这一重要科学问题，设计适用于直肠癌代谢样品的高效取样器和离子源，并采用质谱多维数据分析方法，开发了一种高特异性、高灵敏度、高通量的分子可视化检测技术，建立了组织、血液、基因和免疫多维一体的数据分析方法，并进行了免疫治疗和可视化诊疗的拓展研究。

研究方法及研究结果

（一）直接组织取样分析

搭建了iEESI-MS分子诊察平台，快速获得了173例临床样本结直肠癌组织的化学特征指纹谱图，结合机器学习算法深入分析了与结直肠癌进展相关的代谢差异特征和代谢途径，在分子层面上建立了能够区分早期、晚期和正常组织的诊断模型，早期诊断模型准确率可达92.6%。找到了对结直肠癌演进进程预判和可视化诊疗具有重要意义的功能代谢分子（例如LPC（18:0）），发现了其与结直肠癌分期、演进相关的代谢途径，并证明了LPC（18:0）对抑制SW480增殖具有生物学功能。

进一步的，利用多种机器学习方法对346例匹配的结直肠癌组织和正常组织样本的代谢分子进行筛选、预测和数据集间的交叉验证，得出了7个代谢物组合的预测模型，该模型具有较高的预测准确性（87.74%）、特异性（89.66%）和敏感性（85.82%），准确区分了正常组织和癌症组织，获得了分子功能集群的可视化结直肠癌早期诊断模型。并开展了多组学数据的关联分析和富集分析，发现PC（30:0）具有重要诊断价值，探讨与其相关性较强的基因变化；进行分子集群的功能验证实验，结果显示PC（30:0）可以促进结直肠癌细胞SW480的增殖，揭示了癌症中基因变化和代谢失调之间的关联性。此外，利用空气动力辅助解吸电喷雾离子化质谱成像系统进行了结直肠癌组织的质谱成像实验，通过可视化信息阐明了组织切片中的特征分子分布和空间信息，并发现特征标志物中包含了iEESI-MS方法所筛查到的7个代谢特征离子，证明了iEESI-MS方法和诊断模型的准确性。最终形成了功能分子–关联基因–代谢失调–可视化信息选

择的交互验证网络，完善了用于早期诊断的可视化分子集群。

（二）血浆样品分析

为建立可视化早期诊断模型，提出了血浆样本“部分–整体”的研究策略。把早期结直肠癌看作“部分”，结直肠癌认为是“整体”，将“部分”和“整体”相结合，分析了130例血浆样本的代谢谱图，以描述结直肠癌和早期结直肠癌之间异常代谢的一致性。并通转录组数据的关联分析，发现了一条以脂质代谢为中心的异常变化途径，通过探究影响早期和进展期结直肠癌的特定和共同变化的代谢途径，最终确定了影响结直肠癌发展的代谢标志物，并验证了油酸和FA(18：2(10E, 12Z))等分子可以促进结直肠癌细胞的生长，可作为早期结直肠癌的血浆诊断工具。

免疫细胞的改变与关键代谢标志物分子

收集健康人和癌症患者血浆，分选获得T、B、NK和巨噬细胞，筛查两组相同免疫细胞间的差异代谢物，探究在直肠癌进展过程中免疫细胞的改变与关键代谢小分子的关系。发现烟酰甘氨酸化合物在癌症组的T、B、NK、巨噬细胞中水平均升高，推断烟酰甘氨酸可能是潜在的诊断标志物。用烟酰甘氨酸干预SW480和CT26细胞培养，发现其能够促进人和鼠结直肠癌细胞的生长，并进一步验证烟酰甘氨酸对机体的免疫抑制作用。此外，建立了CT26皮下结直肠癌模型，并利用烟酰甘氨酸进行干预，发现烟酰甘氨酸显著促进了小鼠结直肠肿瘤体积的增大，可能是潜在的诊断标志物。

（四）开发新型特异性阻断剂及反向验证实验

基于前期实验结果，发现LPC（18:0） 的含量在结直肠癌组织中显著低于正常组织，是潜在的诊断标志物。因此提出假说：提高机体LPC（18:0）的水平可能会抑制结直肠癌的发展。为了验证LPC（18:0）对结直肠癌的影响，用不同浓度的LPC（18:0）处理结直肠癌CT26细胞并进行细胞增殖实验，发现LPC（18:0）显著抑制了CT26细胞增殖。提取细胞总RNA进行转录组RNA-seq，结果表明LPC（18:0）显著抑制了脂质代谢通路和甘油磷脂通路。验证LPC（18:0）的体内治疗效果：建立了小鼠CT26结直肠癌治疗模型，发现LPC（18:0）显著抑制了小鼠结直肠肿瘤的生长，降低肿瘤细胞中PCNA的表达。

iEESI-MS测定所收集的小鼠血液中的代谢标志物，发现给药后的小鼠血液中脂质代谢通路及甘油磷脂通路被显著抑制。为了验证LPC（18:0）是否对早期结直肠有干预作用，进一步建立了AOM/DSS诱导的小鼠原发结直肠癌模型，利用LPC（18:0）在不同时期进行干预；与对照组数据相比，LPC（18:0）显著抑制了经AOM/DSS诱导的早期癌症病灶位点数量，并且显著降低了小鼠早期结直肠的病理特征，认为LPC（18:0）可能是一种潜在的代谢阻断剂，能用于结直肠癌的治疗及早期预防。

（五）基于混沌和分型理论运算的早期诊断可视化干图案的建立

混沌映射作为非线性理论的一种，具备初值敏感性、伪随机性和不可预测性等特点，这与癌症发生、发展的演变特征相贴合。本项目首创性的以混沌与分形的理论为指导，利用数学模型发现分子变化规律，绘制癌症发展和诊断的干图案。考虑到质谱数据规模体量，并兼顾任务对特征权重的需要，选择神经网络和洛伦兹方程进行运算，将前期实验获得的差异性标志物离子作为引子，达到预测概率尽可能接近实际观测值的类别，初步探索了结直肠癌早期诊断的可视化干图案的运算模型。

(六) 光谱可视化诊疗方法的研究

此外，在前期代谢分子和代谢通路机制研究的基础上，开展了肿瘤可视化诊疗工作。探究光谱可视化在肿瘤诊疗中的研究，利用NIR荧光成像引导的光动力和铁死亡的协同诊疗，实现了单组分有机光敏剂同时作为I型光动力试剂和非金属的铁死亡诱导剂用于光动力–铁死亡的活体可视化协同治疗。建立靶向线粒体的高效光动力和光热协同诊疗体系，实现单组分有机光敏剂能够用于NIR-FLI和光热成像引导的高效PDT和PTT的活体肿瘤多模态可视化协同诊疗。

综上，本项目通过iEESI-MS和UHPLC-MS技术全面分析了结直肠癌血浆、组织和细胞的代谢特征及代谢途径，利用统计学分析方法或机器学习等数据分析方法筛查具有诊断性能的生物标志物，将早期诊断结果进行可视化的模型呈现；并结合转录组数据以及细胞生物实验对潜在的生物标志物进行综合分析和验证，揭示了关于癌症进展的关键功能代谢分子标志物，并建立了小鼠结直肠癌模型对其进行验证；根据混沌分形理论构建了结直肠癌的发生发展过程的干图案，可视化的阐述了癌症的演进过程和生长路线，为结直肠癌的早期可视化诊断和干预提供了一个全新的研究视角。

三、研究成果

本项目申报发明专利 2 项，发表 15 篇 SCI 论文，培养毕业博士和硕士研究生 14 人。