皮肤病变的高通量代谢组学分析：通过e-biopsy采样对皮肤鳞状细胞癌、基底细胞癌和正常皮肤的比较研究
学术背景
皮肤鳞状细胞癌（Cutaneous Squamous Cell Carcinoma, CSCC）和基底细胞癌（Basal Cell Carcinoma, BCC）是全球范围内最常见的皮肤癌症类型之一。尽管这两种癌症的死亡率相对较低，但其发病率逐年上升，给患者的生活质量带来了显著影响，并可能导致早逝。传统的诊断方法依赖于组织切除后的组织病理学检查，这种方法不仅耗时，还可能因手术切除和后续治疗（如电干燥和烧灼）带来额外的并发症。随着病例数量的增加，现有的诊断方法已成为一个瓶颈，亟需更快速、更少侵入性的诊断手段。
近年来，分子诊断技术的发展为癌症诊断提供了新的可能性。特别是代谢组学（metabolomics）作为一种高通量的分子分析方法，能够通过检测组织中的小分子代谢物来揭示癌症的分子特征。然而，传统的代谢组学分析通常需要复杂的样本处理流程，限制了其在临床中的应用。因此，开发一种快速、高效的代谢物采样和分析方法成为当前研究的重点。
论文来源
本论文由Leetal Louie、Julia Wise、Ariel Berl等作者共同撰写，研究团队来自以色列特拉维夫大学机械工程学院、Reichman大学计算机科学学院、Meir医疗中心整形外科等多个机构。论文于2025年发表在《Cellular and Molecular Bioengineering》期刊上，题为“High-throughput metabolomic profiling of skin lesions: comparative study of cutaneous squamous cell carcinoma, basal cell carcinoma, and normal skin via e-biopsy sampling”。
研究流程
1. 样本采集与e-biopsy技术
研究团队开发了一种基于电穿孔（electroporation）的微创采样技术，称为e-biopsy。该技术通过施加脉冲电场（Pulsed Electric Field, PEF）来渗透细胞膜，从而释放细胞内的代谢物，并通过真空抽吸将这些代谢物收集到注射器中。e-biopsy技术不仅减少了组织损伤，还能够快速获取样本，适用于临床环境。
研究共收集了13个组织样本，包括CSCC、BCC和健康皮肤，来自12名患者。样本在手术切除后10-20分钟内通过e-biopsy技术进行提取，随后将样本冷冻保存，送往北京基因组研究所进行后续分析。
2. 高通量代谢组学分析
代谢组学分析采用超高效液相色谱-串联质谱（Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry, UPLC-MS-MS）技术。研究使用了两种色谱柱（C18柱和酰胺柱）和两种模式（正离子和负离子模式）进行分离和检测，共进行了4次分析。通过该技术，研究团队成功鉴定了2325种小分子代谢物，其中301种代谢物具有高置信度。
3. 数据统计分析
研究团队使用Python的统计库进行了功效分析（power analysis），计算了每种组织类型的效应量（effect size）。随后，通过t检验和倍数变化分析（fold change analysis）对代谢物的差异表达进行了筛选。研究还进行了过表达分析（overabundance analysis）和火山图分析（volcano plot analysis），以验证代谢物的差异表达。
主要结果
1. CSCC与健康皮肤的比较
研究共鉴定出22种在CSCC与健康皮肤之间显著差异表达的代谢物（p < 0.05），其中14种在CSCC中表达上调，7种表达下调。例如，L-脯氨酸（L-proline）和肌酸（creatine）在CSCC中显著上调，而L-精氨酸（L-arginine）则显著下调。
2. BCC与健康皮肤的比较
在BCC与健康皮肤的比较中，共鉴定出19种显著差异表达的代谢物（p < 0.05），其中8种在BCC中表达上调，8种表达下调。例如，L-谷氨酰胺（L-glutamine）和尿酸（uric acid）在BCC中显著上调，而4-氧代脯氨酸（4-oxoproline）则显著下调。
3. CSCC与BCC的比较
在CSCC与BCC的比较中，共鉴定出4种显著差异表达的代谢物（p < 0.05），其中3种在CSCC中表达上调，包括DL-精氨酸（DL-arginine）和黄嘌呤（xanthine）。
结论
本研究首次通过e-biopsy技术对CSCC、BCC和健康皮肤进行了高通量代谢组学分析，成功鉴定了34种显著差异表达的代谢物。研究结果表明，CSCC和BCC的代谢组学特征与健康皮肤存在显著差异，特别是在氨基酸、肽类及其类似物（amino acids, peptides, and analogues）子类中，代谢物的表达水平普遍上调。这些发现为皮肤癌的分子诊断提供了新的可能性，并展示了e-biopsy技术在高通量代谢组学分析中的潜力。
研究亮点
- 创新采样技术：e-biopsy技术作为一种微创采样方法，能够快速获取组织样本，显著提高了代谢组学分析的效率。
- 高通量代谢组学分析：通过UPLC-MS-MS技术，研究团队成功鉴定了大量代谢物，揭示了CSCC和BCC的分子特征。
- 差异代谢物的发现：研究发现了多种在CSCC和BCC中显著差异表达的代谢物，为皮肤癌的诊断和治疗提供了新的生物标志物。
- 临床应用的潜力：e-biopsy技术与高通量代谢组学分析的结合，有望成为皮肤癌诊断的替代方法，减少传统组织病理学检查的依赖。
其他有价值的信息
研究团队计划在未来的研究中进一步验证这些差异代谢物的可靠性，并探索其在肿瘤空间异质性（spatial heterogeneity）中的应用。此外，e-biopsy技术还可应用于其他癌症类型，如乳腺癌和胰腺癌，为癌症的分子诊断和治疗提供新的工具。