肺癌和肝癌是世界范围内常见且发病率和死亡率都比较高的癌种。目前,虽然广泛使用的临床诊断肺癌和肝癌的金标准主要还是病理学检查。但是,近年来分子诊断得到了越来越多的关注,这主要是因为分子诊断可以提供病理学检查可能无法获得的更多信息,把与癌症相关的生物标记物分子纳入临床决策,给癌症的精准诊疗提供了新的机会。在众多的分析手段中,质谱(MS)技术因其卓越的灵敏度、特异性和准确度等优点,已成为生命科学及临床研究等领域的强大工具,广泛地应用于临床各种疾病的分子诊断和辅助治疗。虽然传统质谱技术例如液相色谱质谱联用(LC-MS)技术和气相色谱质谱联用(GC-MS)技术也能实现不同形态临床样品中特定化合物的高灵敏、准确检测,但这些分析方法一般只适合经过匀浆、萃取、分离等多步骤精细处理后的样品,导致花费时间较长、效率低下、无法满足大量临床样本高通量分析和相关学科发展的实际需求。为了提高各种类型临床样品研究的效率,无需任何样品预处理而直接对样品进行质谱分析的直接质谱分析技术获得重视。直接质谱分析技术可在无需任何样品预处理或只需很少样品预处理的条件下,实时、直接获取不同形态临床样品例如组织、血清、尿液、痰液和呼吸气体等中的分子信息,已成为癌症分子诊断的前沿手段。目前,越来越多的直接质谱分析技术正逐步应用于快速、准确的癌症分子诊断。本博士论文研究课题选择世界范围内发病率和死亡率均较高的肺癌和肝癌,围绕目前临床难以快速、精准地实现癌变组织性质的分子诊断这一重大难题,基于一种新型的直接质谱分析技术,即内部萃取电喷雾电离质谱(iEESI-MS)技术,可在无需样品预处理的条件下,快速实现组织样本(例如癌症组织样本)内部丰富分子信息直接获取的优势,并结合统计学分析方法及小鼠动物模型,开展了在肺癌和肝癌分子诊断中的应用研究,为临床术中快速、精准地分子诊断肺癌和肝癌提供了一种新型的科学工具。本研究主要选取肺癌和肝癌的组织和血液临床样本,开展了以下三个方面的研究工作:(1)整合组学研究以提高肺癌分子诊断准确度方法的开发。提高肺癌癌变组织分子诊断的准确度是肺癌手术过程精准确定切除范围的关键。本工作通过系统地研究各实验参数对同一组织样品内部不同层次分子信息(例如脂质、小分子代谢物和蛋白质)荷电萃取的影响规律,探索同一组织样品中脂质、小分子代谢物和蛋白质顺次萃取的电离机制。最终通过调控萃取溶液的组成,利用iEESI-MS技术实现了同一组织样品内部脂质、小分子代谢物和蛋白质的顺次荷电萃取。结合正交偏最小二乘法判别分析(OPLS-DA),使肺癌癌症组织样品和正常组织样品得到了明显区分。此外,利用机器学习算法支持向量机(SVM)比较了经过和未经过顺次萃取得到的化学信息(例如脂质、小分子代谢物和蛋白质)对肺癌预测的性能,结果表明整合经过顺次萃取方法得到的小分子代谢物、脂质和蛋白质的化学信息,使肺癌预测的灵敏度、特异性和准确度均达到了100%。本工作建立的III方法具有样品耗量低(约2.0 mg)和操作简便等优点,在提高临床肺癌分子诊断的准确度和系统生物学研究方面具有潜在的应用价值。(2)肺癌分子边界的探究。术中精准地判定肺癌的分子边界,对提高肺癌的治疗效果和改善肺癌患者的生活质量具有重要意义。本工作结合裸鼠肺癌模型,利用专用、定量iEESI电离源跟LTQ-MS平台结合,实现了裸鼠肺癌组织样本、正常组织样本和癌旁组织样本中磷脂分子信息的直接表征。此外,结合统计分析方法建立了肺癌组织样本、正常组织样本和癌旁组织样本的分子识别模型。结果表明,iEESI-MS技术可以应用于肺癌组织与正常组织分子边界的界定,通过将iEESI-MS技术的分析结果与病理学方法判断结果比较,证实iEESI-MS方法的准确度可达95.83%。重要地是,该方法发现在距离病理肿瘤边界约1-2 mm的地方可能存在一条潜在的肺癌分子边界,这对提高临床肺癌的治愈率具有很大的指导意义。(3)肝癌小鼠模型和人体间磷脂变化的比较研究。比较研究小鼠癌症模型和人体间的特征分子变化情况对探究小鼠癌症模型在开发癌症分子诊断方法以及癌症发病机制研究中的作用具有十分重要的意义。本工作通过iEESI-MS技术直接表征了不同类型小鼠组织样本(包括原发性肝癌组织样本、癌旁组织样本和肝癌肺转移组织样本)和人体肝癌组织样本(包括原发性肝癌组织样本、癌旁组织样本、肝癌肺转移组织样本和复发性肝癌组织样本)中磷脂的变化情况。结合统计学方法,在小鼠组织样本和人体组织样本中筛选出了在肝癌发展过程发生重要变化的差异性识别化合物分别为50个和62个(变量重要性投影(VIP>1.0)),其中在这些化合物中找到了在小鼠组织样本和人体组织样本中共同存在的差异性识别化合物有27个。此外,在这27个差异性识别化合物当中,存在6种磷脂(PC(34:2)、PC(36:4)、PC(38:6)、PC(36:2)、PC(38:4)和PC(42:9)),它们在不同类型的小鼠组织样本、人体组织样本以及人体血清样本的分子诊断过程都起着重要作用。特别地,这6种磷脂在肝癌患者血清样本和健康志愿者血清样本分子诊断中表现出了良好的性能,它们的灵敏度、特异性和准确度分别为91%、88%和90%。总之,我们的研究结果表明尽管人与小鼠之间肝癌磷脂的整体变化存在显著的差异,但在人和小鼠组织以及人血清中发现的这6种关键磷脂在肝癌的分子诊断中显示出一定的潜在应用价值,这在一定程度上说明可以通过将直接质谱技术和这6种磷脂物质结合来实现快速、特异性地分子诊断肝癌。