据世界卫生组织国际癌症研究机构数据统计，2022年全球新发癌症病例已接近2000万例，癌症相关死亡人数约970万。更值得警惕的是，近年来50岁以下年轻人群的癌症发病率持续攀升，结直肠癌、乳腺癌等早发性癌症增速尤为突出。单纯依靠遗传因素，已经无法解释这一快速变化，学界普遍认为，饮食、作息等后天生活方式在癌症发生发展中扮演着关键角色。
而癌细胞区别于正常细胞的一大显著特征，便是彻底重编程自身的代谢模式，如同 “疯狂进食” 一般摄取营养，支撑无限增殖的特性，这也成为当下癌症研究的重要突破口。
圣路易斯华盛顿大学Gary Patti团队在Nature Reviews Cancer发表综述Decoding cancer across scales with metabolomics，系统梳理了代谢组学（metabolomics）这一前沿领域的研究体系、技术难点与应用前景，试图通过解析癌细胞的代谢规律，将其 “贪吃” 的特性转化为抗癌的新武器。
简单来说，代谢组学是一门专门研究生物体内小分子代谢物的学科，这类小分子通常指分子量小于1.5 kDa的物质，既包含细胞自身合成的内源性代谢物，也有从饮食、外界环境中摄入的外源性代谢物。
该领域的核心研究工具以质谱技术为核心，其中液相色谱-质谱联用（LC/MS）凭借超高的检测通量与灵敏度，成为癌症代谢研究的主流平台，目前全球公共数据库中60%的癌症相关代谢数据均来自高分辨LC/MS设备。
Patti实验室配备了二十余台质谱仪，可在超洁净环境中捕捉代谢物的微量波动。但质谱能精准识别定量分子，不代表研究工作就此顺利：在一份生物样本中能检测出数千种代谢物，如何从中筛选出专属肿瘤的生物标志物、锁定可用于药物或饮食干预的代谢靶点，是整个领域面临的核心挑战。
早在百年前，科学家就发现了经典的瓦博格效应（Warburg effect），证实肿瘤细胞的代谢模式与健康细胞截然不同。而现代代谢组学进一步厘清了关键真相：癌细胞与正常细胞利用的营养物质种类并无本质区别，二者最大的差异在于代谢周转速率——癌细胞摄取、转化营养的速度远超正常细胞，这也是其“贪吃”的本质。
这一特征看似简单，却让癌症代谢研究陷入多重困境，其中最突出的便是模型与真实人体的偏差。在培养皿中体外生长的癌细胞，和扎根在动物、人体组织内的同一类癌细胞，营养偏好往往天差地别。
传统细胞实验常用的DMEM等培养基，营养配比与人体生理环境相去甚远，即便如今学界开始改用类血浆培养基、Plasmax等仿生培养液，也无法完全复刻体内环境。
与此同时，肿瘤组织本身具有极强的异质性，并非单纯由癌细胞构成，还混杂着成纤维、脂肪、免疫等多种基质细胞，不同细胞之间还会产生代谢竞争或协同作用，想要从复杂的混合信号中精准剥离出癌细胞的代谢特征，难度极大。
此外，癌症代谢研究还难以找到完美的健康对照样本，进一步增加了实验设计的难度。
空间代谢组学的质谱学成像
为了系统性破解这些难题，学界将癌症代谢研究划分为三个独立又相互关联的尺度：单一癌细胞、肿瘤微环境、肿瘤宏观环境（全身代谢系统），不同尺度对应着差异化的研究思路与技术方案。
针对离体癌细胞的研究，除了优化培养基之外，同位素示踪技术成为重要辅助手段，通过标记特定营养物质，就能直观追踪癌细胞的代谢通路活性。
聚焦肿瘤微环境时，研究者需要面对细胞间的代谢交互，比如已有研究发现，胰腺星状细胞会分泌丙氨酸，为胰腺癌细胞提供增殖所需的营养；而质谱成像（空间代谢组学） 技术的出现，能够在组织切片上定位代谢物的分布，一定程度上解决了混合细胞信号难以区分的问题，不过该技术目前仍存在检测代谢物数量有限、难以达到单细胞分辨率等短板。
而范围最广的肿瘤宏观环境，指向肿瘤与人体全身器官的代谢串扰：肿瘤并非孤立的 “病灶”，它会扰乱肝脏、肌肉、脂肪等全身组织的代谢，晚期癌症患者出现的癌性恶病质——也就是无法通过营养补充逆转的不明原因体重下降、肌肉流失，正是全身代谢紊乱的典型表现；反过来，肥胖、糖尿病、衰老等全身代谢异常，也会显著提升癌症的发病风险与死亡概率，这也再次印证了生活方式与癌症的深层关联。
一项关于果糖的经典研究，生动诠释了肿瘤与全身代谢的紧密联系，也为饮食干预抗癌提供了重要参考。2024年相关研究成果发表于Nature，实验显示，在黑色素瘤、乳腺癌、宫颈癌的小鼠模型中，高果糖饮食会显著加速肿瘤生长，部分情况下增殖速度可提升4至5倍。
但有趣的是，直接向培养皿中的癌细胞供给果糖，它们并不会主动利用。结合代谢组学溯源后发现，果糖并非直接喂养癌细胞，而是先经过肝脏代谢，生成一类溶血磷脂中间产物，这类物质通过血液循环输送到全身各处的肿瘤组织，间接为肿瘤供能。
这一案例充分说明，研究癌症代谢不能只盯着癌细胞本身，必须站在全身代谢网络的视角分析，这也是为何过往许多基于体外细胞实验的饮食干预方案，难以在临床中落地见效。
除了饮食相关发现，代谢组学也已在抗肿瘤药物研发中展现出实际价值。研究发现，携带异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变的癌细胞，会特异性生成致癌代谢物R-2-羟基戊二酸（R-2-hydroxyglutarate），依托这一代谢特征研发的靶向药物，如今已获得美国FDA批准，用于治疗胶质瘤、急性髓系白血病，这也证明代谢物完全可以成为可靠的药物靶点。
不过现阶段代谢组学仍存在技术瓶颈：一份LC/MS检测图谱中，约95%的信号都来自溶剂杂质、分子碎片、同位素峰等非生物干扰信号，仅有5%是真实有效的独特代谢物，海量数据的筛选与解析成为行业限速步骤。
为此，学界也探索出混合质控样本、机器学习批量校正等方案，尝试推动代谢组学走向万人级别的大型人群研究。
面对当下年轻人群癌症高发的现状，Gary Patti等研究者认为，仅依靠小范围实验无法理清饮食、遗传、生活方式与癌症的复杂关联，未来必须开展大规模人群代谢组学研究，纳入不同地域、饮食结构、遗传背景的受试者，积累海量数据才能挖掘其中的规律。
利用饮食调整对抗癌症并非全新思路，但受限于体外细胞模型的局限性，过往相关方案始终缺乏精准指导。而如今多尺度代谢组学的发展，让研究者能够直接从癌症患者体内获取真实代谢数据，直击癌细胞的代谢弱点。
癌细胞依赖异常的高速代谢维持生存与增殖，这是它们的生存根基，也成为了致命短板。随着LC/MS、质谱成像、同位素示踪等技术不断迭代，以及多尺度研究体系的完善，代谢组学不仅能助力癌症早期筛查、新型靶向药物研发，更有望搭建起“代谢特征-饮食干预-肿瘤控制”的全新体系。
在癌症年轻化成为全球公共卫生挑战的今天，这套从分子代谢到全身网络的研究思路，正在为癌症预防、精准治疗与长期健康管理，开辟一条全新的道路。
[1]Rowles, J.L., Patti, G.J. Decoding cancer across scales with metabolomics. Nat Rev Cancer 26, 312–327 (2026). doi：10.1038/s41568-026-00908-0.
