研究背景
大肠癌（CRC）是全球第三大最常被诊断的癌症，也是第二大癌症死亡的主要原因。流行病学研究表明，代谢综合征（MS）增加了CRC的风险。CRC的早期筛查有效提高了5年生存率，对于处于发展CRC高风险中的MS人群至关重要。低敏感性和特异性限制了CRC早期筛查的各种生物标志物。代谢组学是系统生物学中用于发现小分子代谢标记物的新兴工具。本研究旨在确定可用于诊断CRC的可靠血清生物标志物。
来自中国药科大学基础医学与临床药学学院天然药物国家重点实验室的李健康老师在Gastroenterology（IF16.7）上在线发表了题为”Tyrosine and Glutamine-Leucine Are Metabolic Markers of Early-Stage Colorectal Cancers”的研究文章，该文章采用代谢组学的方法运用机器学习算法，筛选Glu-Leu和Tyrosine作为CRC早期的血清标志物，同时ROC分析表明该组生物标志物组显示出令人满意的诊断性能，预测值高达92.38％。这些结果表明，血清中Glu-Leu和Tyrosine的组合可能是CRC早期诊断的新型生物标志物。
研究材料
发现集（训练集）360份血清样本（120名健康，120名MS患者以及120名-CRC患者）；
验证集：1594名份血清样本（580名健康，577名MS患者以及437名-CRC患者）；
预测集：1528份血清样本（504名健康，486名MS患者以及538名-CRC患者）。
技术方法
非靶向代谢组学；机器学习生信算法；ROC（受试者工作特征曲线）
研究结果
1 发现集中差异代谢物的筛选以及验证
首先，作者在训练集中， 对360个血清样本。 通过OPLSDA以及FDR值挑选差异代谢物，分别从健康与CRC，健康与MS以及MS与CRC参与者的比较中鉴定出61、37和59种差异代谢物。通过对这三者的比较，发现有30种差异代谢物发生了显著变化。并且对筛选得到的30 种候选生物标志物进行鉴定，发现其中存在代谢途径紊乱。其主要与苯丙氨酸代谢、甘油磷脂代谢、苯丙氨酸代谢、酪氨酸和色氨酸的生物合成有关。
然后对来自验证集的1594名血清中30个代谢产物进行定量验证。同样利用通过OPLSDA以及FDR值验证训练集里的30种差异代谢物，最终验证出具有显著性差异的7种差异代谢物（红色标注）。
2 目标代谢产物与疾病临床特征相关性分析
对7种潜在生物标志物含量与临床特征之间的相关系数进行分析，通过机器学习进一步筛选差异代谢物，以此构建代谢物panel。最终选择了能够区分CRC参与者和非CRC参与者的Glu-Leu和Tyrosine生物标志物。同时这2个差异代谢物的相对水平以热图形式显示（显示为验证集中的7种差异代谢物的表达量）。
3 Glu-Leu和Tyrosine诊断性能评价
从验证集中随机抽取900份血清样本（300名健康，300例MS患者和300例CRC患者）进行分析。根据血清样品中Glu-Leu和Tyrosine的血清浓度，证明这两个标志物在CRC诊断和CRC高危人群诊断方面具有很好的诊断性能。
前期训练集中健康，CRC和MS血清中Glu-Leu和Tyrosine含量具有明显的差异，而且在验证集中结果得到验证。进一步通过ROC分析证明这两个标志物在CRC诊断和MS诊断方面具有很好的诊断性能，AUC分别达到0.98和0.79；同时在区分CRC和MS上也具有非常好的诊断性能（AUC=0.99）。以上在预测集的新队列中数据结果是一致的。
小结
在这项研究中，通过对3482名人员进行研究。用非靶向代谢组学将30种代谢物转变为差异代谢物，其中7种在多个中心得到了验证。基于机器学习分析，选择Glu-Leu和Tyrosine的简化面板作为靶向代谢组学。发现该生物标志物预测值高于92.38％。综合这些结果表明，血清中Glu-Leu和Tyrosine组合可能是CRC早期诊断的新型生物标志物。
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