多發性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）是一種常見于中老年人血液系統漿細胞的惡性腫瘤，隨著我國人口老齡化不斷增長，MM發病率呈明顯上升趨勢。當前MM重要臨床問題是耐藥所誘導的復發難治。中南大學湘雅醫院周文教授課題組利用麥特繪譜的代謝組學非靶向-全定量-代謝流系列技術確定了甘氨酸是MM的關鍵代謝調節劑，揭示了骨髓微環境中氨基酸代謝失衡是MM發病和耐藥的新機制，提示通過阻斷甘氨酸攝取抑制細胞增殖并增強BTZ對骨髓瘤細胞的作用，成果于2022年7月，發表在Nature Communications（IF=17.694）期刊。（點擊查看詳細解讀）

2023年4月，周文教授在多發性骨髓瘤氨基酸代謝研究中的新成果再發Nature Communications 期刊，與中國醫學科學院中國醫學科學院血液與健康全國重點實驗室周家喜教授及團隊發表題為“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性骨髓瘤患者的主要并發癥，該研究發現絲氨酸是血小板減少癥的關鍵代謝物，揭示了調控MM進展的分子機制，并通過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服務）

本研究納入1468例新診斷MM（ND）患者，根據血小板計數分為正常、低、高三組，對血小板計數與疾病進展的潛在相關性進行了分析，結果發現I期患者血小板數量最多，III期患者血小板數量最少。進一步研究表明血小板減少可作為MM患者的獨立預后因素，基于MM患者和5TGM1小鼠模型發現，在MM進展過程中，巨核生成和血小板生成嚴重損害并導致血小板減少。

臨床代謝組學分析

來源于造血干/祖細胞（HSPCs）的BM 巨噬細胞（MKs）產生血小板的過程緊密依賴于它們與BM生態位的相互作用。研究人員利用先前建立的體外培養系統來模擬人類巨核生成與血小板生成驗證了上述問題。隨后，通過非靶向代謝組學發現包括絲氨酸在內的5種氨基酸在血小板計數較低的患者中積累較多。進而氨基酸譜靶向定量結果顯示血小板減少型MM患者骨髓微環境中絲氨酸含量顯著上升，結合功能驗證實驗表明了絲氨酸是骨髓微環境中控制巨核生成和血小板生成的潛在關鍵因素。

圖1. BM中絲氨酸上調并與MM患者血小板減少癥有關

系列的體內外功能實驗驗證絲氨酸的作用

研究人員通過體外的MK分化系統添加不同濃度的絲氨酸，導致細胞內絲氨酸水平升高，表明MK對細胞外絲氨酸的攝取是劑量依賴性的。隨后發現絲氨酸濃度越高，MK分化和血小板生成抑制越明顯，另外，過量絲氨酸可提高MK細胞的凋亡率。接下來利用小鼠模型實驗探究絲氨酸在體內的作用，通過飲食添加或不添加絲氨酸，發現與體外實驗結果一致，無絲氨酸飲食小鼠的血小板計數和MK維持在較高水平，剝奪絲氨酸攝取確實阻止了MM進展過程中血小板的減少。進而通過PB血清孵育血小板實驗發現，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均抑制巨核生成和血小板生成

絲氨酸作用的分子機制

轉錄組學分析顯示外源絲氨酸可能誘導絲氨酸轉運、葉酸循環、絲氨酸轉化為甘氨酸和絲氨酸合成的改變，進一步分析表明SLC38A1作為一個關鍵的轉運體介導絲氨酸對巨核生成和血小板生成的抑制作用。隨后探究絲氨酸調控巨核生成和血小板生成的分子機制，通過代謝流技術（13C3-serine）發現被標記的甲硫氨酸、SAM和SAH，推測葉酸一碳代謝被納入甲硫氨酸循環中。接下來一系列實驗證實絲氨酸主要通過甲硫氨酸循環導致組蛋白H3K9三甲基化修飾下調SVIL表達，從而抑制多發性骨髓瘤血小板的生成。

圖3. 絲氨酸通過s-腺苷-甲硫氨酸介導的H3K9三甲基化下調SVIL

絲氨酸在BM微環境中的積累

研究人員假設BM中的骨髓瘤細胞可能通過釋放過多的絲氨酸來抑制巨核生成和血小板生成。通過流式細胞術檢測結果證實了條件培養基（CM）對MM細胞向巨核細胞分化的抑制作用，進一步說明MM細胞可能通過分泌外源性因子對巨核生成和血小板生成發揮抑制作用。隨后直接評估絲氨酸是否確實從MM細胞分泌，通過探究ARP1細胞的13C2-glycine代謝通量來測量13C標記絲氨酸，發現13C標記絲氨酸在ARP1細胞的CM中逐漸升高。另外，在MM細胞產生的CM處理后，MKs中絲氨酸向甲硫氨酸轉變。有趣的是，在MM細胞CM處理的MKs中，觀察到甲硫氨酸的標記增強。與此一致，CM處理的細胞中H3K9的三甲基化也上調。

圖4. 在骨髓微環境中積累的絲氨酸從骨髓瘤細胞中釋放出來

最后，研究人員確定體內外源性血小板生成素（TPO）對過量絲氨酸引起的血小板減少癥的影響。與對照組相比，飼喂高絲氨酸日糧的小鼠血清中絲氨酸濃度升高，而TPO干預的小鼠血清中絲氨酸濃度降低，并且血小板和MKs數量也恢復到較高水平，腫瘤細胞浸潤和腫瘤負荷均有所降低。這表明TPO可逆轉絲氨酸誘導的血小板減少，延緩MM疾病進程，為血小板減少型MM治療提供了靶向干預新思路。

圖5. TPO干預的作用

綜上，本研究揭示了血小板減少的程度可能有助于MM的風險分層，并為新診斷的MM患者的治療提供新的見解。高絲氨酸水平可能是骨髓瘤相關血小板減少癥的標志，并可能為潛在的飲食和治療干預開辟途徑，如絲氨酸限制性飲食和TPO應用。

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、靶向代謝組學（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服務。截至2023年5月，我們已協助客戶與合作伙伴發表SCI文章300+篇，累計影響因子3000+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等頂級期刊。

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