客戶案例解析：多發(fā)性骨髓瘤研究中的新突破（二）

多發(fā)性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）是一種常見(jiàn)于中老年人血液系統(tǒng)漿細(xì)胞的惡性腫瘤，隨著我國(guó)人口老齡化不斷增長(zhǎng)，MM發(fā)病率呈明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)前MM重要臨床問(wèn)題是耐藥所誘導(dǎo)的復(fù)發(fā)難治。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院周文教授課題組利用麥特繪譜的代謝組學(xué)非靶向-全定量-代謝流系列技術(shù)確定了甘氨酸是MM的關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)劑，揭示了骨髓微環(huán)境中氨基酸代謝失衡是MM發(fā)病和耐藥的新機(jī)制，提示通過(guò)阻斷甘氨酸攝取抑制細(xì)胞增殖并增強(qiáng)BTZ對(duì)骨髓瘤細(xì)胞的作用，成果于2022年7月，發(fā)表在Nature Communications（IF=17.694）期刊。（點(diǎn)擊查看詳細(xì)解讀）

2023年4月，周文教授在多發(fā)性骨髓瘤氨基酸代謝研究中的新成果再發(fā)Nature Communications 期刊，與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液與健康全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周家喜教授及團(tuán)隊(duì)發(fā)表題為“Excessive serine from the bone marrow microenvironment impairs megakaryopoiesis and thrombopoiesis in Multiple Myeloma” 的論文。血小板減少癥是多發(fā)性骨髓瘤患者的主要并發(fā)癥，該研究發(fā)現(xiàn)絲氨酸是血小板減少癥的關(guān)鍵代謝物，揭示了調(diào)控MM進(jìn)展的分子機(jī)制，并通過(guò)靶向血小板減少癥為治療MM患者提供了潛在的治療策略。（麥特繪譜為本研究提供非靶向代謝組、氨基酸譜定量和代謝流檢測(cè)服務(wù)）

本研究納入1468例新診斷MM（ND）患者，根據(jù)血小板計(jì)數(shù)分為正常、低、高三組，對(duì)血小板計(jì)數(shù)與疾病進(jìn)展的潛在相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)I期患者血小板數(shù)量最多，III期患者血小板數(shù)量最少。進(jìn)一步研究表明血小板減少可作為MM患者的獨(dú)立預(yù)后因素，基于MM患者和5TGM1小鼠模型發(fā)現(xiàn)，在MM進(jìn)展過(guò)程中，巨核生成和血小板生成嚴(yán)重?fù)p害并導(dǎo)致血小板減少。

臨床代謝組學(xué)分析

來(lái)源于造血干/祖細(xì)胞（HSPCs）的BM 巨噬細(xì)胞（MKs）產(chǎn)生血小板的過(guò)程緊密依賴(lài)于它們與BM生態(tài)位的相互作用。研究人員利用先前建立的體外培養(yǎng)系統(tǒng)來(lái)模擬人類(lèi)巨核生成與血小板生成驗(yàn)證了上述問(wèn)題。隨后，通過(guò)非靶向代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)包括絲氨酸在內(nèi)的5種氨基酸在血小板計(jì)數(shù)較低的患者中積累較多。進(jìn)而氨基酸譜靶向定量結(jié)果顯示血小板減少型MM患者骨髓微環(huán)境中絲氨酸含量顯著上升，結(jié)合功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明了絲氨酸是骨髓微環(huán)境中控制巨核生成和血小板生成的潛在關(guān)鍵因素。

圖1. BM中絲氨酸上調(diào)并與MM患者血小板減少癥有關(guān)

系列的體內(nèi)外功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證絲氨酸的作用

研究人員通過(guò)體外的MK分化系統(tǒng)添加不同濃度的絲氨酸，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)絲氨酸水平升高，表明MK對(duì)細(xì)胞外絲氨酸的攝取是劑量依賴(lài)性的。隨后發(fā)現(xiàn)絲氨酸濃度越高，MK分化和血小板生成抑制越明顯，另外，過(guò)量絲氨酸可提高M(jìn)K細(xì)胞的凋亡率。接下來(lái)利用小鼠模型實(shí)驗(yàn)探究絲氨酸在體內(nèi)的作用，通過(guò)飲食添加或不添加絲氨酸，發(fā)現(xiàn)與體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，無(wú)絲氨酸飲食小鼠的血小板計(jì)數(shù)和MK維持在較高水平，剝奪絲氨酸攝取確實(shí)阻止了MM進(jìn)展過(guò)程中血小板的減少。進(jìn)而通過(guò)PB血清孵育血小板實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MM血清孵育的血小板凋亡率明顯更高，提示MM患者血清中存在促凋亡因子。

圖2. 絲氨酸在體外和體內(nèi)均抑制巨核生成和血小板生成

絲氨酸作用的分子機(jī)制

轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示外源絲氨酸可能誘導(dǎo)絲氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)、葉酸循環(huán)、絲氨酸轉(zhuǎn)化為甘氨酸和絲氨酸合成的改變，進(jìn)一步分析表明SLC38A1作為一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)絲氨酸對(duì)巨核生成和血小板生成的抑制作用。隨后探究絲氨酸調(diào)控巨核生成和血小板生成的分子機(jī)制，通過(guò)代謝流技術(shù)（13C3-serine）發(fā)現(xiàn)被標(biāo)記的甲硫氨酸、SAM和SAH，推測(cè)葉酸一碳代謝被納入甲硫氨酸循環(huán)中。接下來(lái)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)絲氨酸主要通過(guò)甲硫氨酸循環(huán)導(dǎo)致組蛋白H3K9三甲基化修飾下調(diào)SVIL表達(dá)，從而抑制多發(fā)性骨髓瘤血小板的生成。

圖3. 絲氨酸通過(guò)s-腺苷-甲硫氨酸介導(dǎo)的H3K9三甲基化下調(diào)SVIL

絲氨酸在BM微環(huán)境中的積累

研究人員假設(shè)BM中的骨髓瘤細(xì)胞可能通過(guò)釋放過(guò)多的絲氨酸來(lái)抑制巨核生成和血小板生成。通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果證實(shí)了條件培養(yǎng)基（CM）對(duì)MM細(xì)胞向巨核細(xì)胞分化的抑制作用，進(jìn)一步說(shuō)明MM細(xì)胞可能通過(guò)分泌外源性因子對(duì)巨核生成和血小板生成發(fā)揮抑制作用。隨后直接評(píng)估絲氨酸是否確實(shí)從MM細(xì)胞分泌，通過(guò)探究ARP1細(xì)胞的13C2-glycine代謝通量來(lái)測(cè)量13C標(biāo)記絲氨酸，發(fā)現(xiàn)13C標(biāo)記絲氨酸在ARP1細(xì)胞的CM中逐漸升高。另外，在MM細(xì)胞產(chǎn)生的CM處理后，MKs中絲氨酸向甲硫氨酸轉(zhuǎn)變。有趣的是，在MM細(xì)胞CM處理的MKs中，觀察到甲硫氨酸的標(biāo)記增強(qiáng)。與此一致，CM處理的細(xì)胞中H3K9的三甲基化也上調(diào)。

圖4. 在骨髓微環(huán)境中積累的絲氨酸從骨髓瘤細(xì)胞中釋放出來(lái)

最后，研究人員確定體內(nèi)外源性血小板生成素（TPO）對(duì)過(guò)量絲氨酸引起的血小板減少癥的影響。與對(duì)照組相比，飼喂高絲氨酸日糧的小鼠血清中絲氨酸濃度升高，而TPO干預(yù)的小鼠血清中絲氨酸濃度降低，并且血小板和MKs數(shù)量也恢復(fù)到較高水平，腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)和腫瘤負(fù)荷均有所降低。這表明TPO可逆轉(zhuǎn)絲氨酸誘導(dǎo)的血小板減少，延緩MM疾病進(jìn)程，為血小板減少型MM治療提供了靶向干預(yù)新思路。

圖5. TPO干預(yù)的作用

綜上，本研究揭示了血小板減少的程度可能有助于MM的風(fēng)險(xiǎn)分層，并為新診斷的MM患者的治療提供新的見(jiàn)解。高絲氨酸水平可能是骨髓瘤相關(guān)血小板減少癥的標(biāo)志，并可能為潛在的飲食和治療干預(yù)開(kāi)辟途徑，如絲氨酸限制性飲食和TPO應(yīng)用。

客戶案例原文

Kuang, C., Xia, M., An, G. et al. Excessive serine from the bone marrow microenvironment impairs megakaryopoiesis and thrombopoiesis in Multiple Myeloma. Nat Commun. 2023.

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上述研究涉及的非靶向代謝組學(xué)、靶向代謝組學(xué)（氨基酸譜、Q300全定量代謝組）和13C2-glycine代謝流分析均由麥特繪譜提供檢測(cè)服務(wù)。截至2023年5月，我們已協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章300+篇，累計(jì)影響因子3000+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等頂級(jí)期刊。

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