Differential diagnosis of benign and malignant ovarian tumors based on the blood metabolome

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The high mortality rate from ovarian cancer is largely due to the asymptomatic course of the disease. The signs of malignant and borderline ovarian tumors are similar to the manifestations of benign lesions, which determines the relevance of developing additional examination procedures and searching for new cancer markers that will distinguish benign and malignant processes.

Aim. To build stable blood lipid panels for differentiation of healthy women, patients with benign (BOT) and malignant (MOT) ovarian tumors.

Materials and methods. The search for markers for clustering of molecular profiles of blood samples of patients of the Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology with BOT (cystadenoma – n=30, endometrioid cyst – n=56, teratoma – n=21), with MOT (borderline tumor – n=28, ovarian cancer of low malignancy – n=16, ovarian cancer of high malignancy – n=59) and volunteers of the group control (n=19) using discriminant analysis of orthogonal projections to hidden structures with an established threshold of importance of the variable VIP>1 (OPLS) and the method of projections to hidden structures (PLS-PLS – it is a technology of multidimensional statistical analysis used to reduce the dimension of the feature space with minimal loss of useful information; VIP importance threshold >1) and other statistical tools. Samples’ molecular profile was complete by species, which were identificated by nuclear magnetic resonance and high-perfomance liquid chromatography-mass spectrometry. The analysis of the involvement of compounds that are potential markers of malignant processes in metabolic pathways was carried out.

Results. Based on the OPLS and PLS methods, as a result of pairwise and multiclass comparisons, respectively, sets of lipids were identified that can be considered as markers of malignant and benign neoplasms. The overlap of the obtained panels with databases of metabolic pathways was studied, in particular, it was shown that all markers (except glucose) obtained by PLS for differentiation of healthy patients, patients with BOT or with MOT are involved in the transport of small molecules, glucose and lactate are involved in the “TCA Cycle” pathway “Nutrient Utilization and Invasiveness of Ovarian Cancer”. Triglycerides TG 16:0_16:0_18:1, TG 16:0_18:0_18:1, TG 16:0_18:1_18:1, TG 18:0_18:1_18:1, TG 18:0_18:1_18:2 and lactate are involved in the “HIF1A and PPARG regulation of glycolysis” pathway, and The HIF1A and PPARG genes are associated with the development of tumors. Metabolites CE 20:4, TG 16:0_16:0_18:1, TG 16:0_18:0_18:1, TG 16:0_18:1_18:1, TG 18:0_18:1_18:1, TG 18:0_18:1_18:2 are included in the pathways of energy metabolism, and LPC 16:0, PC 16:0_20:3, PC 16:0_20:4 is involved in the path of “Choline metabolism in cancer”. Graphs of the correlation interaction of markers that allow solving classification problems with an unambiguous interpretation of the results are constructed, which makes it possible to assert the prospects of using these panels for further creation of classification models.

Conclusion. It is shown that lipids from the developed panels are involved in metabolic pathways associated with the development of tumor diseases and can be used for further validation of diagnostic models based on advanced machine learning methods. The introduction of the achievements of postgenomic research has the potential to increase the diagnostic value of the applied methods of differentiation of benign and malignant proliferative processes, as well as to supplement the available data on the processes of carcinogenesis in the ovaries. Thus, the analysis of the molecular profile of blood by mass spectrometry is a minimally invasive potentially effective diagnostic method.

About the authors

Maria V. Iurova

Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology

Author for correspondence.
Email: m_yurova@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-0179-7635

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Alisa O. Tokareva

Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology

Email: alisa.tokareva@phystech.edu
ORCID iD: 0000-0001-5918-9045

Cand. Sci. (Phys.-Math.)

Russian Federation, Moscow

Vitaliy V. Chagovets

Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology

Email: vvchagovets@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5120-376X

Cand. Sci. (Phys.-Math.)

Russian Federation, Moscow

Natalia L. Starodubtseva

Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology

Email: n_starodubtseva@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0001-6650-5915

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Moscow

Vladimir E. Frankevich

Kulakov National Medical Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology

Email: v_vfrankevich@oparina4.ru
ORCID iD: 0000-0002-9780-4579

D. Sci. (Phys.-Math.)

Russian Federation, Moscow

References

  1. Каприн А.Д., Старинский В.В., Шахзадова А.О. Состояние онкологической помощи населению России в 2019 году. М. 2020 [Kaprin AD, Starinskii VV, Shakhzadova A.O. Sostoianiie onkologicheskoi pomoshchi naseleniyu Rossii v 2019 godu. Moscow. 2020 (in Russian)].
  2. Warren LA, Shih A, Renteira SM, et al. Analysis of menstrual effluent: diagnostic potential for endometriosis. Mol Med. 2018;24(1):1-12. doi: 10.1186/s10020-018-0009-6.
  3. Gaul DA, Mezencev R, Long TG, et al. Highly-accurate metabolomic detection of early-stage ovarian cancer. Sci Rep. 2015;5:1-7.
  4. Grossman DC, Curry SJ, Owens DK, et al. Screening for ovarian cancer US preventive services task force recommendation statement. JAMA. 2018;319(6):588-94.
  5. Xie WT, Wang YQ, Xiang ZS, et al. Efficacy of IOTA simple rules, O-RADS, and CA125 to distinguish benign and malignant adnexal masses. J Ovarian Res. 2022;15(1):15. doi: 10.1186/s13048-022-00947-9
  6. Xun L, Zhai L, Xu H. Comparison of conventional, doppler and contrast-enhanced ultrasonography in differential diagnosis of ovarian masses: a systematic review and meta-analysis. BMJ Open. 2021;11:e052830. doi: 10.1136/bmjopen-2021-052830
  7. Cui L, Xu H, Zhang Y. Diagnostic Accuracies of the Ultrasound and Magnetic Resonance Imaging ADNEX Scoring Systems For Ovarian Adnexal Mass: Systematic Review and Meta-Analysis. Acad Radiol. 2022;29(6):897-908. doi: 10.1016/j.acra.2021.05.029
  8. Eroglu EC, Kucukgoz Gulec U, Vardar MA, Paydas S. GC-MS based metabolite fingerprinting of serous ovarian carcinoma and benign ovarian tumor. Eur J Mass Spectrom (Chichester). 2022;28(1-2):12-24. doi: 10.1177/14690667221098520
  9. Kim H, Won BH, Choi JI, et al. BRAK and APRIL as novel biomarkers for ovarian tumors. Biomark Med. 2022;16(9):717-29. doi: 10.2217/bmm-2021-1014
  10. Zhang W, Lai Z, Liang X, et al. Metabolomic biomarkers for benign conditions and malignant ovarian cancer: Advancing early diagnosis. Clin Chim Acta. 2024;560:119734. doi: 10.1016/j.cca.2024.119734
  11. Ban D, Housley SN, Matyunina LV, et al. A personalized probabilistic approach to ovarian cancer diagnostics. Gynecol Oncol. 2024;182:168-75. doi: 10.1016/j.ygyno.2023.12.030
  12. Nunes SC, Sousa J, Silva F, et al. Peripheral Blood Serum NMR Metabolomics Is a Powerful Tool to Discriminate Benign and Malignant Ovarian Tumors. Metabolites. 2023;13(9):989. doi: 10.3390/metabo13090989
  13. Shekher A, Puneet, Awasthee N, et al. Association of altered metabolic profiles and long non-coding RNAs expression with disease severity in breast cancer patients: analysis by 1H NMR spectroscopy and RT-q-PCR. Metabolomics. 2023;19(2):8. doi: 10.1007/s11306-023-01972-5
  14. Чаговец В.В., Васильев В.Г., Юрова М.В., и др. Метаболомная подпись свободных муцинов при онкологических заболеваниях: CA125 и рак яичников высокой степени злокачественности. Вестник РГМУ. 2021;(6):10-6 [Chagovets VV, Vasil'ev VG, Iurova MV, et al. Metabolic “footprints” of the circulating cancer mucins: CA125 in the high-grade ovarian cancer. Bulletin of RSMU. 2021;(6):10-6 (in Russian)]. doi: 10.24075/vrgmu.2021.065.
  15. Sah S, Bifarin OO, Moore SG, et al. Serum Lipidome Profiling Reveals a Distinct Signature of Ovarian Cancer in Korean Women. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 2024;33(5):681-93. doi: 10.1158/1055-9965.EPI-23-1293
  16. Saorin A, Di Gregorio E, Miolo G, et al. Emerging role of metabolomics in ovarian cancer diagnosis. Metabolites. 2020;10:419.
  17. Butler LM, Perone Y, Dehairs J, et al. Lipids and cancer: emerging roles in pathogenesis, diagnosis and therapeutic intervention. Adv Drug Deliv Rev. 2020;159:245-93.
  18. Niemi RJ, Braicu EI, Kulbe H, et al. Ovarian tumours of different histologic type and clinical stage induce similar changes in lipid metabolism. Br J Cancer. 2018;119:847-54.
  19. Li J, Xie H, Li A, et al. Distinct plasma lipids profiles of recurrent ovarian cancer by liquid chromatography-mass spectrometry. Oncotarget. 2017;8:46834-45.
  20. Onwuka JU, Okekunle AP, Olutola OM, et al. Lipid profile and risk of ovarian tumours: a meta-analysis. BMC Cancer. 2020;20:200.
  21. Braicu EI, Darb-Esfahani S, Schmitt WD, et al. High-grade ovarian serous carcinoma patients exhibit profound alterations in lipid metabolism. Oncotarget. 2017;8:102912-22.
  22. Buas MF, Drescher CW, Urban N, et al. Quantitative global lipidomics analysis of patients with ovarian cancer versus benign adnexal mass. Sci Rep. 2021;11:18156.
  23. Galan A, Papaluca A, Nejatie A, et al. GD2 and GD3 gangliosides as diagnostic biomarkers for all stages and subtypes of epithelial ovarian cancer. Front Oncol. 2023;13:1134763.
  24. Iurova MV, Chagovets VV, Pavlovich SV, et al. Lipid Alterations in Early-Stage High-Grade Serous Ovarian Cancer. Front Mol Biosci. 2022;9:770983. doi: 10.3389/fmolb.2022.770983
  25. Юрова М.В., Чаговец В.В., Франкевич В.Е., и др. Дифференциация серозных новообразований яичников на основании масс-спектрометрического анализа липидного профиля сыворотки крови: пилотное исследование. Акушерство и гинекология. 2021;(9):107-19 [Iurova MV, Chagovets VV, Frankevich VE, et al. Differential diagnosis of serous ovarian tumors using mass spectrometry-based serum lipid profiling: A pilot study. Akusherstvo i Ginekologiia. 2021;(9):107-19 (in Russian)]. doi: 10.18565/aig.2021.9.107-119
  26. Юрова М.В., Франкевич В.Е., Павлович С.В., и др. Диагностика серозного рака яичников высокой степени злокачественности Iа–Iс стадии по липидному профилю сыворотки крови. Гинекология. 2021;23(4):335-40 [Iurova MV, Frankevich VE, Pavlovich SV, et al. Diagnosis of Ia–Ic stages of serous high-grade ovarian cancerby the lipid profile of blood serum. Gynecology. 2021;23(4):335-40 (in Russian)]. doi: 10.26442/20795696.2021.4.200911
  27. Bowman FD, Guo Y, Derado G. Statistical approaches to functional neuroimaging data. Neuroimaging Clin N Am. 2007;17(4):441-58. doi: 10.1016/j.nic.2007.09.002

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The graph of the correlation interaction of markers selected using OPLS for classification tasks: a – control group/BOT; b – control group/MOT; c – BOT/MOT. Red circles indicate the markers increasing in malignancies; blue circles indicate those decreasing, and white circles indicate markers with no changes found. Negative correlations are marked with red lines and positive ones with green lines.

Download (265KB)
3. Fig. 2. The graph of the correlation interaction of markers selected using PLS when comparing groups: a – control group/BOT; b – control group/MOT; c – BOT/MOT. Red circles indicate the markers increasing in malignancies, blue circles indicate those decreasing, and white circles indicate those with no changes found. Negative correlations are marked with red lines and positive ones with green lines.

Download (226KB)
4. Fig. 3. Receiver operating curves generated during the cross-validation of the models based on the developed panel. Black is the classification of "control group"/"BOT," blue is the classification of "control group"/"MOT," and red is the classification of "BOT"/"MOT."

Download (99KB)

Copyright (c) 2024 Consilium Medicum

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».