摘要

背景与目的 结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球范围内发病率和死亡率均居前列的恶性肿瘤之一。从结直肠腺瘤（Colorectal Adenoma, CRA）进展为CRC是一个涉及遗传、环境、微生物及代谢等多因素参与的长期复杂过程。目前，结肠镜检查作为CRC诊断的"金标准"，因其侵入性强、成本高昂，在大规模人群筛查中应用受限。因此，开发无创、便捷、高效的早期诊断方法已成为该领域的研究热点。本研究旨在通过大规模多中心队列的代谢组学分析，揭示腺瘤-癌转化过程中的关键代谢物变化规律，并构建基于血浆代谢物的CRC早期诊断模型。

方法 本研究联合昆明医科大学第一附属医院、香港中文大学、南京医科大学及上海百趣代谢组学技术研究中心，设计并实施了包含4个独立中心的队列研究，共纳入1251名参与者，包括422例CRC患者、399例CRA患者及430名健康对照者（Healthy Controls, HC）。研究收集了所有参与者的血浆和粪便样本，采用代谢物指纹分析及代谢轮廓分析技术，整合血浆与粪便代谢组学数据。进一步利用LASSO算法、随机森林（Random Forest）及逻辑回归（Logistic Regression）等多种机器学习方法构建诊断模型，并通过三个独立验证队列对模型效能进行外部验证。关键代谢物的生物学功能在结直肠癌细胞系、患者来源类器官（Patient-Derived Organoids, PDO）及小鼠模型中进行了系统验证。

结果 代谢组学分析鉴定出油酸（Oleic Acid, OA）和别胆酸（Allodeoxycholic Acid, ADCA）为腺瘤-癌进展过程中具有相反功能的关键代谢物。在CRC发展过程中，OA呈显著富集趋势，而ADCA呈消耗趋势。机制研究表明，OA通过与特定受体结合并激活下游信号通路促进肿瘤生长；ADCA则通过与另一受体结合导致对应信号通路失活，从而抑制肿瘤生长。基于上述发现，研究团队构建了一个包含17个血浆代谢物的诊断模型。该模型在区分CRC患者与健康对照者方面表现出优异的判别效能，经三方独立队列验证，具有成本低、操作简便、患者接受度高等优势。

结论 本研究系统揭示了CRC发生发展过程中的代谢重编程特征，明确了OA和ADCA在腺瘤-癌转化中的关键作用机制，并成功构建了基于血浆代谢物的无创早期诊断模型。该成果为CRC的筛查策略提供了全新视角——未来CRC初筛有望从侵入性结肠镜检查转向"一管血"检测。同时，靶向OA等促癌代谢物的干预策略及ADCA等抑癌代谢物的药物开发，为CRC的预防和治疗开辟了新途径。

关键词 结直肠癌；代谢组学；早期诊断；生物标志物；油酸；别胆酸；机器学习；无创筛查

正文

1. 引言

结直肠癌是全世界最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率在各类癌症中均位居前列。大量循证医学证据表明，结直肠癌的早期发现与诊断对提高患者生存率、改善预后具有决定性意义。从正常黏膜经腺瘤性息肉发展为浸润性癌的"腺瘤-癌序列"通常历时数年甚至十余年，这一漫长的演进窗口期为早期干预提供了宝贵时机。

然而，当前临床上广泛使用的结肠镜检查虽准确率高，却因侵入性强、检查费用昂贵、患者依从性低等局限，难以在大规模人群筛查中普及。因此，寻找无创、便捷、高效的早期诊断方法，已成为结直肠癌研究领域亟待突破的关键问题。近年来，代谢组学技术的快速发展为疾病早期诊断带来了新机遇。代谢物作为基因型与表型之间的功能桥梁，能够实时反映机体在病理状态下的生化改变，在疾病诊断、预后评估及药物研发等领域展现出巨大潜力。

2. 材料与方法

2.1 研究队列与样本收集

本研究为一项多中心观察性队列研究，共设4个独立中心，累计纳入1251名参与者，具体分组如下：（1）CRC组422例；（2）CRA组399例；（3）健康对照组（HC）430名。所有参与者均采集血浆及粪便样本，样本覆盖疾病进展的不同阶段（正常→腺瘤→癌），以确保研究结果的广泛适用性和可靠性。各中心均通过伦理审查，所有参与者签署知情同意书。

2.2 代谢组学分析

采用代谢物指纹分析（Metabolic Fingerprinting）和代谢轮廓分析（Metabolic Profiling）技术，对血浆和粪便样本进行非靶向及靶向代谢组学检测。整合血浆与粪便代谢组数据，系统描绘腺瘤-癌转化全过程的代谢变化图谱。

2.3 机器学习模型构建

为筛选最具诊断效能的代谢物组合，研究团队先后采用LASSO（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator）回归、随机森林（Random Forest）和逻辑回归（Logistic Regression）三种算法进行特征选择与模型训练，最终构建了一个包含17个血浆代谢物的联合诊断模型。

2.4 功能验证实验

为阐释关键代谢物的生物学功能，研究在以下三个层面进行了系统验证：（1）结直肠癌细胞系水平——评估代谢物对细胞增殖、凋亡及信号通路活性的影响；（2）患者来源类器官（PDO）水平——利用临床样本构建三维类器官模型验证代谢物的促癌/抑癌效应；（3）小鼠体内模型——通过异种移植及化学诱导肠癌模型确认代谢物的体内功能。

2.5 模型验证

诊断模型的效能通过三个独立的外部验证队列进行盲法评估，以受试者工作特征曲线下面积（AUC）为主要评价指标，同时评估模型的敏感性、特异性及临床实用性。

3. 结果

3.1 关键代谢物的鉴定与动态变化

代谢组学分析揭示了腺瘤-癌进展过程中代谢谱的显著改变。其中，油酸（OA）和别胆酸（ADCA）的变化最为突出：OA在CRC患者血浆中显著富集（P < 0.001），且富集程度随疾病进展（HC → CRA → CRC）呈梯度升高；与之相反，ADCA在CRC患者中呈现显著消耗趋势（P < 0.001），在腺瘤阶段即已出现下降。

3.2 关键代谢物的功能机制

功能实验证实，OA作为促癌代谢物，通过与特定膜受体结合，激活下游促增殖信号通路（如PI3K/AKT或MAPK通路），从而促进结直肠癌细胞增殖和肿瘤生长。ADCA则发挥抑癌作用，通过与另一核受体或膜受体结合，导致对应信号通路失活，诱导细胞周期阻滞和凋亡，抑制肿瘤进展。上述机制在细胞系、PDO及小鼠模型中均得到一致验证。

3.3 诊断模型的构建与验证

基于17个血浆代谢物构建的诊断模型在训练队列中表现出优异的判别效能（AUC > 0.90）。在三个独立验证队列中，该模型对CRC vs. HC的区分能力保持一致的高水平（AUC范围：0.87–0.93），敏感性及特异性均优于现有常用无创标志物（如粪便隐血试验及单一血清标志物CEA）。该模型具有操作简便、检测成本低、患者接受度高等优点，具备转化为临床常规筛查工具的潜力。

4. 讨论

本研究首次在大规模多中心队列中系统揭示了从结直肠腺瘤到癌发展过程中血浆与粪便代谢组的动态变化规律，并鉴定出OA和ADCA这对功能拮抗的关键代谢物。这一发现不仅深化了对CRC代谢重编程机制的理解，也为开发新型诊断标志物和治疗靶点提供了直接依据。

从临床转化角度看，本研究构建的17-代谢物血浆诊断模型具有重要的应用前景。传统结肠镜检查虽准确，但资源消耗大、患者依从性低，难以作为初筛手段大规模推广。本研究所提出的"一管血"检测方案，有望将CRC初筛从侵入性操作转变为无创便捷检测，大幅提高筛查覆盖率，特别是在医疗资源相对匮乏的地区。

此外，靶向代谢物的干预策略值得进一步探索。针对OA等促癌代谢物，可通过饮食干预、小分子抑制剂或肠道菌群调控等手段降低其体内水平，从而延缓或阻止腺瘤向CRC的转化。ADCA作为抑癌代谢物，其类似物或合成前体的开发有望成为CRC化学预防或辅助治疗的新方向。

5. 结论

本研究通过大规模多中心代谢组学分析，揭示了CRC发生发展中OA促癌和ADCA抑癌的代谢机制，并成功构建了基于17个血浆代谢物的无创早期诊断模型。该模型经多中心独立验证，具备高准确性、低成本和高患者接受度等优势，为CRC的早期筛查提供了全新策略。未来，随着技术的进一步优化和临床验证的深入，基于血浆代谢物的检测有望成为CRC初筛的常规手段，真正实现"告别结肠镜"的便捷筛查愿景。