结直肠癌（CRC）是全球癌症相关死亡的第三大原因。结直肠癌是一种异质性疾病,患者之间存在着巨大的生物学和临床差异,发病原因尚不清楚,且发生发展是一个多步骤多复杂的过程。由于该病只有在晚期才会出现症状,世界各地都在实施有组织的筛查计划,目的是提高早期发现的概率,并减少结直肠癌的发病率和死亡率。因此,高效快速、准确的、用于诊断的生物标志物是实现结直肠癌早期诊断和干预的迫切需要。尽管目前有很多报道关于结直肠癌代谢标志物的研究,但很少的标志物被用于临床应用。质谱技术作为生命科学和临床研究等领域中强大的工具,特别是在癌症诊断中发挥着重要作用。本论文围绕目前结直肠癌在分子层次上难以识别可用于临床精确诊断的代谢分子这一重大难题,通过内部萃取电喷雾电离质谱（i EESI-MS）技术和超高效液相色谱质谱联用（UHPLC-MS）技术全面分析结直肠癌组织和细胞的代谢特征及代谢途径,利用统计学分析方法或机器学习等数据分析方法筛查具有诊断性能的生物标志物,并结合转录组数据以及细胞生物实验对潜在的生物标志物进行综合分析和验证,深入研究结直肠癌的发生发展过程,以期揭示关于结直肠癌发生发展的关键代谢分子标志物,为结直肠癌的早期干预和早期诊断提供一个新的视角。本论文的研究主要内容分为以下三部分:1.利用代谢组学和转录组学分析结直肠癌的组织生物标志物多组学分析可以在多个层面上对分子进行表征,从多个角度捕捉癌症的复杂性质。首先搭建高通量的i EESI-MS分析平台,检测两个数据集（共173名结直肠癌患者）的组织代谢物。利用机器学习等可视化方法对代谢数据进行预测和交叉验证,得出7个代谢物组合的预测模型,该模型具有较高的预测准确性（87.74%）、特异性（89.66%）和敏感性（85.82%）,准确区分了正常组织和癌症组织。并进一步评估了7个代谢物的权重,代谢分子PC（30:0）显示出良好的诊断性能。此外,将代谢数据与转录组数据联合分析,发现和PC（30:0）具有相关性的基因。并通过细胞实验和q-PCR进行了验证,结果显示PC（30:0）可以促进结直肠癌细胞SW480的增殖,揭示了癌症中基因变化和代谢失调之间的关联性。本工作建立的方法表明i EESI-MS分析使我们能够捕捉到组织样本中细微的分子变化,从而全面描述疾病进展的特征,克服了其他传统方法的低通量带来的限制,并且利用多组学分析方法有助于更好地理解代谢组学研究,在CRC诊断和治疗具有重要的意义。2.i EESI-MS揭示与结直肠癌早期和进展期相关的特征分子开发能够准确区分早期分子病理生理状态的方法具有重要意义。利用86例结直肠癌组织样本,全面分析结直肠癌相关的代谢特征和代谢途径,建立具有高准确度且稳健的SVM模型,准确率可达92.4%,准确区分早期结直肠癌组织和正常组织,以用于早期诊断。进一步研究早期结直肠癌和晚期结直肠癌之间代谢分子的变化,确定其癌症发展的过程。同时通过i EESI-MS分析发现区分早期结直肠癌和晚期结直肠癌的代谢标志物,含有LPC（18:0）的代谢标志物组合仅在分子水平上可以较好的区分早期CRC和晚期CRC。此外,通过细胞实验证明LPC（18:0）在抑制SW480增殖方面具有生物学功能。并且LPC（18:0）的下调与CRC的进展有关,可能与EGFR的调节有关。这项研究表明,组织来源的代谢物可用于识别潜在的生物标志物,并有助于建立一个临床水平的早期检测平台。3.基于超高效液相色谱质谱联用的结直肠癌细胞代谢组学研究癌细胞的代谢组学特征的表征对于癌症的早期诊断以及后续治疗反应具有重要价值。利用UHPLC-MS分析人结直肠癌SW480细胞系、Coco-2细胞系、HT-29细胞系,以人正常肝细胞LO2细胞作为对照组,探究结直肠癌细胞系的代谢水平变化,阐释结直肠癌细胞的代谢功能紊乱途径,并寻找与结直肠癌组织相关联的差异代谢物分子。发现33种细胞差异代谢物,5条具有显著变化的代谢途径,分别为甘油磷脂代谢途径、精氨酸的生物合成途径、鞘磷脂代谢途径、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢途径、乙醛和二羧酸盐代谢途径和甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径。其中,甘油磷脂代谢发生显著失调,这与前面转录组数据分析和组织代谢数据的结果相一致。并寻找了结直肠癌组织相关联的差异代谢物分子,发现了甘油磷酸肌醇和PG（36:2）,进一步表明甘油磷脂代谢途径与结直肠癌的发生发展紧密相关,这为开发新型特异性阻断试剂奠定了基础。