代謝組學研究進展.doc

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1、代謝物組學（metabonomics）一詞是英國倫敦大學帝同學院的Nicholson教授于1999年首次提出，指的是通過分析生物的體液、組織中的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物話（metabonome，代謝物組或代謝物圖譜）的變化來研究整體的生物學狀況和基因功能調(diào)節(jié)的現(xiàn)代生物醫(yī)學分支學科。與傳統(tǒng)的代謝研究相比，代謝物組學通過現(xiàn)代化學的儀器分析技術(shù)檢測機體整個代謝產(chǎn)物譜的變化，并通過多元統(tǒng)計分析方法研究整體的生物學功能狀況。代謝物組學與細胞代謝物組學（metabolomics）的區(qū)別是細胞代謝物組學研究單個細胞或一個相對獨立系統(tǒng)中的小分子成分因外界環(huán)境改變而發(fā)生的代謝變化，主要應用于植物生理和細胞學研

2、究。其實早在20世紀60年代，代謝物組學的核心技術(shù)——核磁共振技術(shù)（NMR），就已經(jīng)被應用到代謝研究中。但直到20世紀90年代，隨著模式識別分析技術(shù)的發(fā)展，代謝譜的定量分析才得以實現(xiàn)，并應用于藥物和基因功能的研究。利用代謝物組學研究藥物對整體的作用主要依賴于多參數(shù)檢測外源物質(zhì)攻擊所導致的機體新陳代謝改變。這種方法也適合研究基因突變和轉(zhuǎn)基因所產(chǎn)生的代謝改變以及疾病診斷和療效評價。在藥物發(fā)現(xiàn)階段，它可以進行體內(nèi)毒性研究、先導藥物的篩選和目標化合物的優(yōu)化及體內(nèi)動物模型的藥效篩選。在藥物開發(fā)階段，它可以在臨床前安全性評價方面進行生物標志物的發(fā)現(xiàn)和毒性機制的研究，從而可有效地利用動物模型研究

3、人類疾病的治療，發(fā)現(xiàn)與臨床安全性和有效性有關(guān)的生物標志物。1研究的對象——生物體液許多生物體液都可以進行代謝物組學研究，包括唾液、血液、血漿、尿液、乳液、腦脊液、組織萃取液等。不同體液的器官分布及功能各不相同，因此包含的代謝產(chǎn)物成分也存在較大差異。每種體液都具有特異性的NMR指紋譜，其中可溶性物質(zhì)的濃度和分子間的相互作用決定了峰譜的密度和分布。如血漿、腦脊液和尿液的代謝譜能夠反映某些藥物或某種發(fā)生在單一器官或多個器官的疾病所產(chǎn)生的代謝變化。NMR譜很適于體液的生化分析，因為其靈敏度高（檢測限達ng級），檢測速度快，樣品無需預處理，并且?guī)缀跛写x物都具有特有的1H－NMR譜。利用特

4、定的軟件可以很容易地把所有可溶性體液中所存在的最大的障礙信號（水峰譜）除去而不影響結(jié)果分析。藥物毒性篩選和臨床診斷中對體液的要求首先是量足、易得，且對機體不會產(chǎn)生損傷，這樣尿液和血漿都適合代謝物組學研究。利用血漿進行代謝物組學研究的樣品和常現(xiàn)生化分析以及藥動學研究是一致的，而尿液在代謝物組學的研究中有其自身的優(yōu)點。首先，如果不處死動物，通過靜脈血管采集血液將對動物產(chǎn)生損傷和一定程度的應激，影響結(jié)果。更為關(guān)注的是血液采集的時間和頻率的限制，大大影響了血漿大規(guī)模的使用；而尿液就不存在以上問題，通過代謝籠可以定時、隨時收集尿液，并不會對動物產(chǎn)生任何影響。尿液一維1H－NMR譜圖（600M

5、Hz或更大）由成千上萬條線組成，其中包含了數(shù)千種代謝物。尿液的1H－NMR譜主要由低分子物質(zhì)組成，因為NMR主要測定的是相對分子質(zhì)量低于20×104的小分子物質(zhì)。而血漿中含有大量的高分子物質(zhì)，像蛋白質(zhì)和脂蛋白將會產(chǎn)生較寬的信號峰，小分子物質(zhì)的信號也有可能整合到大分子的信號峰上。這樣血漿樣品必須經(jīng)過除蛋白處理，或通過自旋回波（Spin－echo）處理以降低由于蛋白質(zhì)或其他大分子產(chǎn)生的寬信號峰對實驗結(jié)果的影響，而這樣的處理也會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，代謝物組學研究中最常用的體液為尿液。在收集時應該使尿液保持低溫，并要添加一定量的防腐劑（一般選用疊氮鈉，因為在NMR分析中疊氮鈉不

6、會產(chǎn)生有影響的信號）。2研究的核心——核磁共振技術(shù)早在20世紀60年代，NMR就已經(jīng)應用到代謝研究中，但當時質(zhì)子工作頻率低（小于300MHz），能分析的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物較少；隨著質(zhì)子工作頻率和測量靈敏度的提高（大于400MHz）以及模式識別技術(shù)的發(fā)展，NMR技術(shù)可分析測定更多的小分子物質(zhì)，并發(fā)展成為代謝物組學研究的核心技術(shù)。對于疾病、毒性反應、基因突變等病理過程引起的復雜的代謝成分改變，NMR無疑是一種非常好的技術(shù)手段。首先，NMR是物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)研究中的重要剖析工具，H，F(xiàn)等原子的原子核如同小磁體，當置于外界磁場中時，即按磁場方向取向。NMR譜就是以測定改變這種取向所需要的射頻能為基

7、礎(chǔ)。其中最常用的是1H－NMR，它能反映有機分子結(jié)構(gòu)中處于不同位置的H原子的信息。在外加磁場的作用下，分子中多個H原子所處的電子環(huán)境也完全不同，其共振頻率也不相同，因此，其原子就會有不同的化學位移。相反，在不同的分子中，處于相同電子環(huán)境的質(zhì)子（也稱等性質(zhì)子）都有大致相同的化學位移。通過辨析各種質(zhì)子的吸收峰并根據(jù)各自的化學位移，就可初步推斷其分子結(jié)構(gòu)。其次，魔角自旋核磁共振技術(shù)[magicanglespinning（MAS－NMR）]可用于研究完整組織和細胞的代謝變化，