ガスクロマトグラフィー-質量分析法（GC-MS）ベースのアンターゲットメタボロミクスによるヒト甲状腺結節の血漿代謝プロファイリング

Plasma Metabolic Profiling of Human Thyroid Nodules by Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)-Based Untargeted Metabolomics.

• Raziyeh Abooshahab
• Kourosh Hooshmand
• S Adeleh Razavi
• Morteza Gholami
• Maryam Sanoie
• Mehdi Hedayati

抄録

ヒト甲状腺癌の診断分野における課題の一つは、術前に細胞診で不確定な甲状腺結節を診断することである。ここでは、新しい代謝バイオマーカーを発見するために、循環する甲状腺結節の代謝シグナルを同定するためのアンターゲットメタボロミクス解析について報告する。非標的ガスクロマトグラフィー-四重極質量分析法を用いて、甲状腺乳頭癌（PTC; = 19）および多結節性甲状腺腫（MNG; = 16）からなる甲状腺結節患者の血漿中の特異的な代謝変化を、健常者（= 20）と比較して確認した。診断モデルは、主成分分析、直交最小二乗-直交最小二乗判別分析などの多変量解析、MetaboAnalystおよびSIMCAソフトウェアによる一方向ANOVAおよびボルケーノプロットを含む一変量解析を用いて構築した。多重検定の問題があるため、これらの関数についても偽発見率-値を計算した。合計 60 種類の構造的にアノテーションされた代謝物が統計解析の対象となりました。一変量解析と多変量解析を組み合わせた統計解析の結果、甲状腺結節と健常者の識別に関与する代謝物のパネルが明らかになり、投影（VIP）値が 0.8 以上、-値が 0.05 未満の場合、重要度が変動しました。甲状腺結節と健常者の間で有意に変化した代謝物は、アミノ酸代謝、トリカルボン酸サイクル、脂肪酸、プリンおよびピリミジン代謝に関連する代謝物であり、それぞれシステイン、シスチン、グルタミン酸、α-ケトグルタル酸、3-ヒドロキシ酪酸、アデノシン-5-一リン酸、ウラシルが含まれていました。また、ショ糖の代謝は、甲状腺結節患者と健常者で大きく異なっていた。さらに、レシーバー操作特性（ROC）曲線分析では、スクロースはPTCとMNGを区別することができました（ROC曲線下面積＝0.92）。この研究により、甲状腺結節に関連する代謝経路の理解が深まり、患者と健常者を区別することが可能になりました。さらに、本研究では、甲状腺結節患者の血漿中にショ糖の代謝が広範囲に認められ、これは甲状腺結節の腫瘍化の新たな代謝シグネチャを提供するものであった。このことから、スクロースは、不確定な甲状腺結節の悪性と良性の鑑別診断のための循環バイオマーカーとして考えられることが示唆された。

One of the challenges in the area of diagnostics of human thyroid cancer is a preoperative diagnosis of thyroid nodules with indeterminate cytology. Herein, we report an untargeted metabolomics analysis to identify circulating thyroid nodule metabolic signatures, to find new novel metabolic biomarkers. Untargeted gas chromatography-quadrupole-mass spectrometry was used to ascertain the specific plasma metabolic changes of thyroid nodule patients, which consisted of papillary thyroid carcinoma (PTC; = 19), and multinodular goiter (MNG; = 16), as compared to healthy subjects ( = 20). Diagnostic models were constructed using multivariate analyses such as principal component analysis, orthogonal partial least squares-discriminant analysis, and univariate analysis including One-way ANOVA and volcano plot by MetaboAnalyst and SIMCA software. Because of the multiple-testing issue, false discovery rate -values were also computed for these functions. A total of 60 structurally annotated metabolites were subjected to statistical analysis. A combination of univariate and multivariate statistical analyses revealed a panel of metabolites responsible for the discrimination between thyroid nodules and healthy subjects, with variable importance in the projection (VIP) value greater than 0.8 and -value less than 0.05. Significantly altered metabolites between thyroid nodules versus healthy persons are those associated with amino acids metabolism, the tricarboxylic acid cycle, fatty acids, and purine and pyrimidine metabolism, including cysteine, cystine, glutamic acid, α-ketoglutarate, 3-hydroxybutyric acid, adenosine-5-monophosphate, and uracil, respectively. Further, sucrose metabolism differed profoundly between thyroid nodule patients and healthy subjects. Moreover, according to the receiver operating characteristic (ROC) curve analysis, sucrose could discriminate PTC from MNG (area under ROC curve value = 0.92). This study enhanced our understanding of the distinct metabolic pathways associated with thyroid nodules, which enabled us to distinguish between patients and healthy subjects. In addition, our study showed extensive sucrose metabolism in the plasma of thyroid nodule patients, which provides a new metabolic signature of the thyroid nodule's tumorigenesis. Accordingly, it suggests that sucrose can be considered as a circulating biomarker for differential diagnosis between malignancy and benignity in indeterminate thyroid nodules.

Copyright © 2020 Abooshahab, Hooshmand, Razavi, Gholami, Sanoie and Hedayati.