01 文章导读

癌症恶病质是一种以进行性非自愿体重减轻、肌肉与脂肪组织显著丢失为核心特征的复杂消耗性综合征，是晚期癌症患者生活质量下降、治疗耐受性差及死亡率升高的最强预测因子之一，且无法被常规营养支持完全逆转，提示其本质是机体发生了深刻的适应不良性代谢重编程。尽管已知肿瘤可通过分泌IL-6等因子启动恶性循环，诱导宿主靶组织代谢重编程并引发全身能量消耗与浪费，但这种重编程的时空协调机制、跨组织的共同核心驱动通路仍未明确。1月15日，海德堡大学医院Maria Rohm与捷克科学院生理学研究所 Ondrej Kuda 作为共同通讯作者在Nature Metabolism发表题为“Multi-omics profiling of cachexia-targeted tissues reveals a spatio-temporally coordinated response to cancer”的研究论文，该研究系统探究了癌症恶病质发生发展过程中，通过多组学整合成功识别出一碳代谢是恶病质中普遍激活的跨组织核心通路，为开发阻止或逆转恶病质的干预策略开辟了新道路。

02 研究内容及结果

1. 多组织代谢组学解析C26小鼠恶病质的代谢特征

作者利用C26皮下荷瘤小鼠模型，设置恶病质前期（C26-Pre-cax）和恶病质期（C26-cax）两个时间点，以PBS对照和非致恶病质NC26荷瘤鼠为对照，经[U-¹³C₆]-glucose示踪后采集肿瘤及7种靶组织进行代谢组学分析（每组织鉴定到约200-300种极性代谢物）。结果显示仅C26恶病质鼠出现体重、脂肪及瘦体重显著下降，各组肿瘤大小相当。PLS-DA和3D-PCA表明C26恶病质鼠的血浆、肝脏和脂肪组织代谢谱与其他组明显分离，骨骼肌和心脏聚类不清；NC26与C26肿瘤代谢谱差异显著，但NC26未引起宿主组织明显代谢改变，证实代谢紊乱与致恶病质肿瘤特异性相关。显著改变代谢物占比5%-38%，恶病质前期已在血浆、肝脏、附睾脂肪和心脏出现少量变化。层次聚类显示除比目鱼肌外多数靶组织与非恶病质组织分离，肝脏虽代谢谱独特但富集了驱动全局聚类的代谢物，主要涉及氨基酸和核苷酸代谢；进一步聚类揭示氨基酸、核苷和有机杂环化合物在各恶病质组织中协同调控，提示恶病质进程中存在协调的系统性代谢应答。

图1 多组织代谢组学解析C26小鼠恶病质的代谢特征

2. 多组织代谢组学揭示恶病质小鼠一碳代谢呈协同上调特征

深入分析发现，多数恶病质组织中糖酵解、TCA循环及酮体相关能量代谢物普遍减少，其他类别呈组成重塑而非单向变化；NC26和C26-Pre-cax仅少数代谢物改变，且C26-Pre-cax与C26-cax代谢谱更相似。通过伪时间轨迹模拟，将代谢物动态变化聚类为8种模式，其中最大的两簇由氨基酸、核苷和有机杂环化合物组成，分别呈早期和晚期上调特征：晚期上调簇以肌氨酸、三甲基赖氨酸等甲基化氨基酸为核心，晚期下调簇富集苹果酸、ATP、磷酸肌酸等能量代谢物；所有宿主组织对这些变化贡献度相近，呈协同响应，肿瘤代谢谱相对独立。

进一步筛选恶病质特异性代谢物并做通路分析，除验证能量通路抑制及一碳代谢底物（甘氨酸、丝氨酸）耗竭外，意外发现甲硫氨酸循环甲基化产物（肌氨酸、1-甲基烟酰胺等）、叶酸循环嘧啶合成产物（胸苷、胸腺嘧啶等）及精氨酸代谢产物在所有宿主组织和肿瘤中普遍升高，提示一碳代谢产物/底物比值显著上升。同时，血浆、脂肪和肿瘤中SAH/SAM比值、肝脏中THF/5-甲基THF比值升高，且存在组织特异性甲基受体偏好（肝脏偏烟酰胺，脂肪和肌肉偏甘氨酸、赖氨酸），肌酸合成等相邻通路亦同步上调。这些结果共同证实一碳代谢是恶病质中跨组织普遍激活的核心通路，可能在其发病机制中发挥关键作用。

图2 多组织代谢组学揭示恶病质小鼠一碳代谢呈协同上调特征

3. 多组学整合证实IL6是恶病质代谢重编程的上游核心调控因子

通过对恶病质靶组织进行转录组测序并与前期代谢组数据整合分析，发现肿瘤本身不足以诱导宿主组织显著重编程，而恶病质可解释89%至近100%的基因表达变化，C26-Pre-cax小鼠表型介于NC26与C26-cax小鼠之间，共有340个基因在C26-cax的代谢组织中发生相似改变；通路分析显示恶病质中激活的通路主要涉及氨基酸代谢、蛋白质合成与翻译后修饰、炎症及癌症相关过程，抑制的通路则集中于能量产生与线粒体功能，转录组与代谢组的整合分析进一步证实氨基酸代谢、一碳代谢（含硒代氨基酸代谢）、尿素循环、多胺代谢、核苷酸代谢及能量代谢发生了协同重编程，提示一碳代谢的普遍激活可通过蛋白质翻译和翻译后修饰等下游机制支持恶病质的组织重塑；靶向分析发现一碳代谢相关酶在多个组织中表达改变，既存在组织特异性调控（如Mat1a、Nnmt在肝脏显著诱导，Mat2a、Kmt2a、Kmt2b在肌肉特异性上调），也存在跨组织的共性变化（如Sat1、Gpx3、Gsta4）；上游调控分析确定炎症是驱动恶病质代谢重编程的首要因素，后续通过敲除肿瘤细胞Il6或使用IL6中和抗体的实验证实，IL6抑制虽不影响肿瘤大小但可显著改善恶病质相关体重下降，并能大幅逆转肝脏、腓肠肌和脂肪组织中一碳代谢相关基因的表达及下游代谢产物（如MNAM、甲基赖氨酸、胸苷）的富集；综上，恶病质中存在转录组与代谢组的协同重塑，该过程部分由动物的促炎状态驱动，其中IL6调控的一碳代谢普遍激活是维持恶病质固有蛋白质代谢重编程的核心机制。

4. 甲硫氨酸循环异常激活介导肌管萎缩及代谢功能紊乱

通过细胞实验进一步探究一碳代谢激活与恶病质表型的功能关联：不同剂量的甲硫氨酸处理 C2C12 肌管可成功诱导一碳代谢激活，且能剂量依赖性地引发肌管萎缩这一恶病质经典细胞表型，同时使肌管葡萄糖消耗显著增加； [U-¹³C₆]-glucose示踪实验进一步验证，一碳代谢激活会诱导肌管发生明显的葡萄糖高代谢，表现为三羧酸循环总代谢物及标记代谢物的剂量依赖性升高，且高比例标记同位素体（M+4及以上）占比显著增加。使用甲硫氨酸循环特异性抑制剂 FIDAS-5处理后，不仅显著降低了一碳代谢物水平，还剂量依赖性地产生与甲硫氨酸处理相反的表型，即肌管肥大伴随葡萄糖消耗减少（低代谢）；同时FIDAS-5 可有效逆转重组IL6诱导的 C2C12 细胞一碳代谢激活、肌管萎缩及葡萄糖消耗增加，呼应了体内实验中IL6在恶病质一碳代谢诱导中的关键作用。此外，相同剂量的甲硫氨酸处理3T3-L1脂肪细胞时，并未影响其脂解和葡萄糖消耗，提示一碳代谢与恶病质表型的关联具有细胞类型特异性。综上，研究表明一碳代谢激活是一个耗能过程，可能是恶病质中葡萄糖高代谢和肌肉萎缩发生的重要驱动因素。

图3 甲硫氨酸循环异常激活介导肌管萎缩及代谢功能紊乱

5. 恶病质导致骨骼肌与心肌葡萄糖通量发生重编程

通过注射[U-¹³C₆]-glucose示踪分析恶病质小鼠不同组织的葡萄糖通量改变，发现恶病质中葡萄糖利用存在显著组织特异性差异：血浆和肝脏的TCA循环总代谢物及标记同位素体水平降低，印证了恶病质动物肝脏的线粒体功能障碍；白色脂肪组织中总柠檬酸及标记柠檬酸水平未变，但未标记的琥珀酸、延胡索酸升高，提示其TCA 循环依赖β-氧化、氨基酸降解等替代碳源供能，且部分碳单位可能流向从头脂生成途径；C26-cax肿瘤相比NC26肿瘤，线粒体呼吸对葡萄糖的利用程度更低。尤为关键的是，尽管恶病质小鼠骨骼肌（腓肠肌、比目鱼肌）和心肌的未标记代谢物因厌食诱导的低血糖而无变化甚至降低，但葡萄糖注射后其TCA循环代谢物的标记程度显著升高，TCA代谢物的标记掺入比例及 M+3 及以上高同位素体标记水平，提示肌肉组织中葡萄糖代谢加速并汇入TCA循环；其中TCA代谢物M+3标记的显著增加表明丙酮酸羧化酶（PC）被激活，该结果也通过C2C12肌管的 [1-13C]-pyruvate示踪实验得到验证。进一步对腓肠肌的[U-¹³C₆]-glucose标记数据进行代谢建模分析显示，恶病质小鼠腓肠肌中PC和丙酮酸脱氢酶（PDH）的相对通量增加，葡萄糖进入 TCA循环的量增多，而脂肪酸氧化与生酮氨基酸向乙酰辅酶A池的供能通量降低，同时TCA 循环多数反应的通量均上升，谷氨酰胺及其他生糖氨基酸作为TCA循环底物的利用也显著增加；且上述代谢通量的改变趋势在恶病质前期就已出现，提示肌肉葡萄糖高代谢可能是恶病质发生的早期事件。综上，本研究揭示了恶病质中各组织葡萄糖利用的差异化重编程，特别是骨骼肌与心肌在营养可及时出现的意外高代谢状态，这可能是导致恶病质机体能量丢失的重要机制。

图4 恶病质导致骨骼肌与心肌葡萄糖通量发生重编程

6. 一碳代谢激活是小鼠癌症恶病质的共性特征

为验证多器官一碳代谢改变是癌症恶病质的普遍特征还是C26小鼠模型特有现象，系统检测了ApcMin遗传型肠道息肉恶病质、Lewis肺癌异位移植、KPP诱导型胰腺癌遗传、Panc02原位轻度胰腺癌及8025原位重度胰腺癌（含轻度和重度恶病质两个时间点）共五种额外恶病质小鼠模型的肝脏、肌肉、脂肪等靶组织中一碳代谢相关基因表达与代谢物谱，并在Panc02和8025模型中开展[U-¹³C₆]-glucose示踪实验验证肌肉葡萄糖代谢特征。结果显示，五种模型中涵盖甲基转移酶、叶酸循环、甲硫氨酸循环等不同通路分支的一碳代谢关键酶基因（如Nnmt、Gnmt、Kmt2a/b、Mthfr、Mat1a/12a等）均发生了与C26模型一致的表达改变，且保留了组织特异性（如肝脏富集Nnmt、肌肉富集Kmt家族）；各模型恶病质动物的肝脏和肌肉中均出现肌氨酸、MNAM、二/三甲基赖氨酸、胸苷等一碳代谢相关代谢物的积累，在PDAC模型中这种激活还随恶病质严重程度呈梯度递增，不同模型间调控幅度的差异可归因于肿瘤类型、小鼠品系、喂养状态及实验设计等因素；[U-¹³C₆]-glucose示踪进一步证实，PDAC模型小鼠腓肠肌中TCA循环代谢物的13C标记整体富集，且M+4及以上高标记同位素体显著增加，且该效应随恶病质严重程度逐渐增强，验证了恶病质肌肉中葡萄糖通量汇入TCA循环增加的现象。综上，在六种独立的小鼠恶病质模型中，跨组织的一碳代谢激活是不同肿瘤类型、不同恶病质发展轨迹下共有的标志性特征，且PDAC模型完整重现了C26模型中一碳代谢激活与肌肉葡萄糖高代谢相关的核心研究发现。

图5 一碳代谢激活是小鼠癌症恶病质的共性特征

7. 在人源化SW480肿瘤小鼠模型中，伴随肌肉高代谢发生的一碳代谢激活同样是恶病质的标志性特征

为验证前述发现的临床相关性，首先检测了伴或不伴肌少症的癌症患者肝脏与骨骼肌中一碳代谢关键酶的表达，发现肌少症与患者NNMT基因表达升高及一碳代谢特征基因集整体表达上调相关，与不同小鼠模型中该通路介导肌肉消耗的研究结果一致；随后构建人源化SW480结肠癌恶病质小鼠模型，该模型呈现出显著的恶病质表型（终末体重及组织质量明显降低），且与对照组相比，恶病质小鼠的肝脏、肌肉、脂肪组织中一碳代谢相关酶的基因表达发生显著改变，血浆、肝脏、心脏、骨骼肌、脂肪组织等所有受检组织中一碳代谢相关代谢物均出现高度显著的诱导升高；同时，[U-¹³C₆]-glucose示踪实验显示，SW480恶病质小鼠心脏和骨骼肌中未标记的TCA循环代谢物水平大多降低或无变化，但标记的TCA循环代谢物显著富集，提示葡萄糖通过TCA循环的通量升高，该结果与C26和PDAC模型的发现高度一致。

图6在人源化SW480肿瘤小鼠模型中，伴随肌肉高代谢发生的一碳代谢激活同样是恶病质的标志性特征

03 研究结论

① 癌症恶病质并非单个器官的孤立病变，而是涉及多个宿主组织（肝、脂、肌、心）和肿瘤的时空协调代谢响应。

② 一碳代谢的普遍激活是这种协调性响应的中心特征。该通路的激活与全身性能量耗竭状态并存，但在肌肉中表现为对可用葡萄糖的“高代谢”利用。

③ 代谢重编程在很大程度上由肿瘤相关的全身性炎症驱动，IL-6信号通路是直接调控一碳代谢的关键节点。

④ 一碳代谢的激活在功能上足以驱动肌管萎缩和葡萄糖高代谢，这是恶病质的两个关键表型。抑制该通路可以逆转这些表型。

⑤ 上述发现跨越了多种癌症类型和小鼠品系，并在人源化模型及患者样本中得到印证，表明一碳代谢通路是癌症恶病质中一个保守的、有前景的分子框架。