高脂饮食通过肉碱/乙酰肉碱驱动的CPT1A代谢重编程促进结直肠癌及β-羟基丁酸的干预作用

主要作者及研究机构：本研究由Fayu Su、Siyu Zhou、Qinhan Gao、Maode Lai和Jiankang Li等人完成。研究单位包括西北工业大学生命科学与技术学院干细胞与再生医学西安重点实验室，以及浙江大学医学院病理学系浙江省疾病蛋白质组学重点实验室、中国医学科学院肿瘤病理智能分类与精准治疗研究单元。通讯作者为Jiankang Li。该研究发表于《Oncogene》期刊，于2026年6月4日在线发表，刊载于第45卷2699至2713页。

学术背景：结直肠癌（colorectal cancer, CRC）是全球第三大常见恶性肿瘤，也是癌症死亡的第二大原因，其发病呈现年轻化趋势。肥胖作为明确的危险因素，与CRC的发生和不良预后密切相关。肿瘤发生的一个核心特征是代谢重编程，特别是Warburg效应即有氧糖酵解。高脂饮食（high-fat diet, HFD）能够重塑肠道微生物群和代谢组，进而重新编程肿瘤代谢并促进结直肠癌发生。然而，肥胖相关CRC的有效预防策略和靶向治疗仍十分缺乏。代谢组学作为系统生物学的基石，为疾病相关代谢活动的实时分析提供了手段。本研究基于前期发现——CRC患者血清中β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate）升高可通过ACAT1促进肿瘤增殖和转移，而生酮饮食则通过激活FXR抑制CRC——旨在系统评估HFD来源的肉碱（carnitine）和乙酰肉碱（acetylcarnitine）在CRC发生发展中的作用，并探讨β-羟基丁酸作为肥胖及HFD相关CRC干预措施的潜力。

研究流程：本研究涵盖临床代谢组学筛选与验证、体内动物模型实验及体外细胞功能实验。首先，研究纳入了来自四个临床中心的1657名参与者，包括健康对照和CRC患者。发现队列由120例CRC患者和年龄、性别、地点匹配的健康志愿者组成；验证队列包含437例CRC病例和580例频数匹配的健康对照；独立的预测队列包含400名个体（198名健康者、202名CRC患者）。对发现队列血清样本进行非靶向代谢组学分析，经主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）筛选差异代谢物，并通过二级质谱确认及与内部化合物库比对，确定了60个差异代谢物。在验证队列中，通过非靶向UPLC-Q/TOF-MS验证了其中40个潜在生物标志物。随后采用VIP排序、前向逐步选择和二元逻辑回归，确定了由β-羟基丁酸、肉碱和乙酰肉碱组成的诊断组合。利用UPLC-QQQ-MS/MS对预测队列400份血清样本进行了靶向定量分析，以评价该组合的诊断效能。其次，在体内实验中，采用AOM/DSS诱导的CRC小鼠模型，分别给予对照饮食或HFD，以确定肉碱和乙酰肉碱升高的来源（饮食摄入或内源性合成），并评估HFD对肿瘤负荷和CPT1A表达的影响。再次，在体外实验中，使用HCT116和HT29两种CRC细胞系，给予病理浓度（60 μM肉碱、25 μM乙酰肉碱）或生理浓度的代谢物处理，通过CCK-8、克隆形成实验、qRT-PCR、Western blot等方法评估细胞增殖及CPT1A表达变化。通过药理学抑制（etomoxir）和慢病毒介导的CPT1A敲低及回复表达实验，验证CPT1A在代谢物促增殖中的作用。同时，研究了β-羟基丁酸（2、3、4 mmol/L）对肉碱和乙酰肉碱促增殖效应的逆转作用，通过分子对接、细胞热转移实验（CETSA）、ChIP-qPCR、双荧光素酶报告基因实验等验证β-羟基丁酸与FXR的结合及FXR对PPARγ的转录调控。使用FXR激动剂GW4064和PPARγ激动剂罗格列酮进行功能回复实验。另外，通过转录组测序分析CPT1A敲低细胞的差异表达基因及KEGG通路富集，揭示PI3K/AKT信号通路的参与。在体内实验中，对HFD条件下的AOM/DSS小鼠给予β-羟基丁酸干预，检测疾病活动指数、肿瘤数量和体积、肠道组织病理、FXR/PPARγ/PGC1α/CPT1A蛋白表达、紧密连接蛋白（claudin-1、occludin、ZO-1）及炎症因子水平。

主要结果：临床代谢组学分析发现，CRC患者血清中肉碱、乙酰肉碱和β-羟基丁酸水平显著升高。在发现队列中，三者组合的AUC为0.9985，敏感性99.17%，特异性97.50%；验证队列中AUC为0.9584，敏感性91.06%，特异性91.93%。在独立的预测队列中，该组合的AUC为0.9852，敏感性97.89%，特异性92.86%；确定最佳诊断截断值为0.27，对应的敏感性为95%，特异性为88.79%。这些结果表明该代谢物组合具有稳健的CRC早期诊断价值。动物实验显示，与对照饮食组相比，HFD显著增加了AOM/DSS小鼠血清中肉碱和乙酰肉碱的水平，而标准饮食的模型小鼠未见升高，表明HFD是这些代谢物升高的主要来源。HFD组小鼠的疾病活动指数、肠道肿瘤数量和体积均显著高于对照组，且结肠组织中CPT1A蛋白表达显著上调。对五个GEO数据集的分析显示CRC患者结肠组织中CPT1A表达普遍下调，但在HFD条件下CPT1A被强烈诱导表达。体外实验表明，病理浓度的肉碱和乙酰肉碱能显著促进HCT116和HT29细胞增殖和克隆形成，并上调CPT1A mRNA和蛋白表达；CPT1A敲低或药理学抑制均可消除这种促增殖效应，而CPT1A回复表达则几乎完全恢复细胞增殖能力。β-羟基丁酸在2–4 mmol/L浓度下能有效逆转肉碱和乙酰肉碱诱导的细胞增殖。分子对接显示β-羟基丁酸与FXR有高亲和力结合（对接评分-4.5 kcal/mol），CETSA实验证实β-羟基丁酸增加FXR热稳定性。ChIP-qPCR和双荧光素酶报告基因实验证明FXR可直接结合PPARγ启动子并抑制其转录活性。肉碱和乙酰肉碱处理可上调PPARγ和PGC1α蛋白水平，降低FXR表达；而GW4064或β-羟基丁酸处理则升高FXR并降低PPARγ、PGC1α和CPT1A表达。免疫共沉淀实验证实FXR与PPARγ存在内源性蛋白相互作用。在HFD条件下的AOM/DSS小鼠中，β-羟基丁酸干预显著降低疾病活动指数、肿瘤数量和体积，升高结肠FXR表达，同时降低PPARγ、PGC1α和CPT1A表达。此外，β-羟基丁酸恢复了紧密连接蛋白claudin-1、occludin和ZO-1的表达，降低了血清中GM-CSF、IL-2、IL-6、IL-4、IL-1β、IL-10、CCL11、TNF-α、CXCL11和CXCL10等细胞因子和趋化因子水平，并减少结肠组织中IL-6、IL-1β和TNF-α的表达。CPT1A敲低细胞的转录组分析显示PI3K/AKT信号通路显著富集。体外实验证实肉碱和乙酰肉碱增加p-AKT和p-PI3K表达，CPT1A敲低或β-羟基丁酸处理则抑制AKT和PI3K磷酸化。在体内，β-羟基丁酸同样减弱了HFD诱导的AKT和PI3K磷酸化。

结论与价值：本研究通过大规模、多中心的代谢组学分析，确定了β-羟基丁酸、肉碱和乙酰肉碱作为CRC早期诊断的稳健代谢组学生物标志物组合，具有较高的临床预测价值。机制研究表明，HFD通过肉碱和乙酰肉碱的积累触发代谢重编程，诱导CPT1A过表达，进而激活PI3K/AKT致癌信号通路，促进CRC进展。β-羟基丁酸通过激活FXR并调节PPARγ/PGC1α/CPT1A信号轴，抑制PI3K/AKT活性，恢复肠道屏障完整性，抑制炎症级联反应，从而整体抑制CRC进展。该研究不仅建立了用于CRC早期检测的创新代谢标志物组合，还阐明了β-羟基丁酸通过FXR通路调节对抗营养相关结直肠肿瘤发生的机制框架，为营养相关CRC的精准预防和靶向治疗提供了理论基础和应用方向。

研究亮点：本研究的亮点在于，第一，整合了发现队列、验证队列和独立预测队列的多阶段代谢组学策略，系统筛选并验证了由β-羟基丁酸、肉碱和乙酰肉碱组成的简化诊断组合，展示了从非靶向到靶向定量分析的完整转化路径。第二，在体内模型中明确了肉碱和乙酰肉碱的升高主要来源于HFD摄入，而非肿瘤内源性合成，从而将饮食因素与代谢重编程直接关联。第三，揭示了β-羟基丁酸通过直接结合FXR、抑制PPARγ/PGC1α/CPT1A轴的新机制，为解释生酮饮食或高浓度β-羟基丁酸的肿瘤抑制作用提供了新的分子解释。第四，将CPT1A介导的脂肪酸氧化与PI3K/AKT信号通路激活联系起来，并证明β-羟基丁酸能够通过CPT1A调控恢复肠道屏障功能并减轻炎症，为HFD相关CRC的代谢干预策略提供了系统性证据。

其他有价值内容：本研究还指出，在未明确记录的CRC队列中，肿瘤组织CPT1A表达通常低于癌旁组织，提示CPT1A的显著上调可能依赖于特定的代谢应激条件如高脂微环境。然而，由于现有临床生物样本库中CRC标本数量有限，且缺乏系统记录的纵向饮食脂肪摄入数据，目前尚无法直接在临床样本中验证蛋白表达与所提出的病理生理背景之间的关联。因此，开展前瞻性队列研究以进一步确认该机制，是未来必要的方向。