细胞代谢组学研究及应用进展

细胞代谢组学研究及应用进展【关键词】细胞代谢组学；研究方法与应用；综述
【摘要】细胞代谢组学作为代谢组学研究的一个新兴的方向，在病原体感染、肿瘤研究、药物作用机制及药物研发、毒性评价等多个领域都有所应用。

可解决
基本的生物学问题，并允许观察细胞内的代谢现象。

现简要综述细胞代谢组学的
主要研究方法及其应用方面的研究进展。

1.细胞代谢组学的研究方法
细胞代谢组学实验一般可分为几个步骤：细胞增生培养或刺激、淬灭、代谢
物提取、样品检测和数据处理。

1.1细胞淬灭
细胞淬灭是指快速使细胞内的酶失活，阻止代谢物变化。

理想的淬灭技术应
在不损害细胞、不造成细胞内代谢物泄漏的前提下确保胞内酶迅速失活。

Hounoum等考察3种细胞淬灭方式对NSC-34鼠神经元细胞的影响，分别为-40℃
甲醇淬灭、-20℃甲醇淬灭及迅速冻存于-80℃后加入4℃甲醇淬灭。

实验结果显
示-40℃甲醇是用于该细胞最为理想的淬灭方式；有研究发现甲醇会破坏细胞膜
结构，从而导致无法控制的细胞内代谢物泄漏，故常在甲醇中加入缓冲液如HEPES及AMBIC以维持离子强度，避免渗透冲击。

而对于贴壁细胞，液氮冷冻被
是停止其酶活性的最佳方法，Zhao等比较了液氮和75%甲醇（-80℃)2种溶液对
副溶血性弧菌细胞的淬灭效果，结果发现75%甲醇（-80℃）淬灭时，细胞发生代
谢物泄漏；液氮淬灭速度快，且不存在代谢物泄漏问题。

1.2代谢物提取
代谢物具有不同的化学和物理性质，如大小、质量、极性、溶解性等，而细
胞代谢组学要求找到一种合适的提取方式，尽可能多地把胞内所有代谢物定量提
取出来。

因此，提取方法应该有效而没有选择性和破坏性。

提取过程应有效地从
细胞中释放代谢物，避免潜在干扰，确保最小代谢物损失。

胞内代谢物通常单独
用有机溶剂，或与水结合，或与其他有机溶剂结合，在不同温度条件下提取。

经
典的酸性和碱性提取剂也可分别用来提取对酸、碱稳定的化合物。

对于悬浮细胞，常用含水甲醇、含水乙腈或纯甲。

对于贴壁细胞，提取的溶剂有：水混合溶剂
（如甲醇、氯仿和甲醇）、纯有机溶剂（如氯仿、甲醇）和有机溶剂的混合物
（氯仿和甲醇），并且在不同温度（如冷冻、4℃、室温、50℃、90℃、沸水等）下提取。

DietmairS等比较了12种不同的提取方法，发现50％的冷乙腈所提取
的哺乳动物细胞内代谢物的浓度高于其他方法提取的代谢物。

1.3样品检测
1.3.1核磁共振（NMR)：
核磁共振应用广泛，具有对样本无创、无损以及样品处理方法简便等优点。

一维核磁共振谱可在短时间内分析数百到数千个样品。

活体磁共振波谱（MRS）
等技术能够全面快速地获得机体某一指定活体部位的核磁共振波谱，直接鉴别和
解析其中的化学成分。

Ippolito JE等在利用MRS研究前列腺神经内分泌癌衍生
的前列腺神经内分泌癌细胞中，发现与能量代谢密切相关的小分子代谢物γ－氨
基丁酸及丙二醇，二者在癌细胞中的含量明显增高，与细胞能量利用、细胞增殖
及细胞之间信息传递等密切相关。

1.3.2液相色谱－质谱联用（LC-MS)
质谱技术的进步使得在确定的生物条件下同时测量和定量许多代谢物成为可能。

尤其与液相结合使用时，主要用来定性和定量分析不同基质中的有机分子。

质谱分析器的发展，如三重四级杆、高分辨飞行时间和Orbitrap等，使得质谱
能够在浓度非常低的情况下直接和有选择性地分析有机分子。

因此，当用来检测
细胞和组织中的有机分子时，它是一个理想的分析工具。

1.4细胞代谢组学后期的数据处理
代谢组学研究后期，通过SIMCA-P、SPSS等软件，采用多变量分析方法以鉴
定生物学相关的光谱特征，以进行进一步目标分析。

主要方法有主成分分析
（PCA）和偏最小二乘判别分析( PLS-DA)。

PCA是最常用的分析方法，其结果显
示为散点图，点聚集在一起时具有类似的代谢组成分，点分散时具有不同的代谢
组分。

PLS-DA分析的目的是计算模型，区分组间和模型与对照组之间的差异。

所以，PCA的初步应用，能提供数据集结构和组间关系的信息，而PLS或OPLS可以
进行更详细的验证和测试。

2.细胞代谢组学的应用
2.1病原体感染研究
由于病原体易感宿主的局限性，细胞模型常被科研工作者用于病原体感染的
研究，如研究病原体的变异性、感染宿主细胞的机制等。

呼吸道合胞病毒（RSV）是导致婴儿期和儿童早期支气管炎和肺炎最主要的原因，Yeo等采用HPLC/ESI-
MS技术观察了RSV对Hep2细胞脂筏膜结构的作用。

该团队发现RSV会导致脂膜
脂类尤其是磷脂酰肌醇代谢异常，这些脂类代谢改变在病毒装配过程中起到重要
作用。

Ritter等建立了2种人甲流病毒株感染的犬肾细胞模型，发现感染12h后，甲流病毒感染细胞外葡萄糖和乳酸吸收显著，细胞内糖酵解相关代谢物升高，核
苷酸浓度降低，两甲流病毒株的结果相似。

2.2肿瘤研究
肿瘤细胞的代谢组学研究可用于发现肿瘤相关标志物、总结肿瘤细胞代谢特
征从而进行靶向治疗等。

苯扎贝特和醋酸甲羟孕酮常联合治疗急性髓系白血病，
其作用机制可能和肿瘤细胞内活性氧（ROS）的生成有关，但ROS生成的具体机
制未明。

Tiziani等运用1H-NMR技术探究了苯扎贝特和醋酸甲羟孕酮作用后3种
急性髓系白血病细胞KG1a,K562和HL-60代谢的变化。

结果发现在药物作用的早
期（24h）代谢物改变并不大。

当2种药物联合作用时，主要引起三羧酸循环相
关代谢物的改变，特别是α－酮戊二酸含量降低和琥珀酸含量升高，这是最有可
能的ROS 生成机制。

Meadows等用GC-MS法比较了正常人类乳腺上皮细胞和MCF-
7乳腺癌细胞的代谢模式差别，发现乳腺癌细胞在氨基酸代谢、磷酸戊糖代谢、
能量代谢及三羧酸循环等方面有异常。

2.3药物作用机制及药物研发
代谢组学是对细胞生化反应进程中小分子代谢物的系统研究。

小分子代谢物
参与生化过程，并可对生命系统的状态和功能提供许多信息。

它们可与酶或其他
蛋白质起作用来影响细胞内代谢途径，构成代谢网络。

当药物作用时，代谢组的
研究可直接反映其表型的变化，因此可用代谢组学来阐明药物的作用机制，为药
物的研发提供一个框架。

WangY等探讨2－氨基乙酰氨基-10-（3,5－二甲基）－
苄基-9（10H）－吖啶酮酸盐（8a）治疗CCRF－CEM白血病细胞可能的抗肿瘤机制，发现用8a治疗的细胞，还原型谷胱甘肽（GSH）水平和氧化型谷胱甘肽（GSH／GSSG）的比例显著降低，同时Ｌ－半胱酰胺－甘氨酸和谷氨酸显著增加；细胞膜成分磷脂酰胆碱减少，而氧化产物溶血磷脂酰胆碱显著增加；活性氧和脂
质过氧化产物丙二醛含量显著增加，并伴有线粒体跨膜电位下降，细胞色素Ｃ释
放和Caspase-3的活化。

2.4毒性评价
对代谢组学技术评价化合物毒性的研究和测定结果可以提前预警，保护人类
免受环境中化学物质的危害。

PengS等采用LC-ESI-TOFMS来研究暴露在不同剂量
的全氟辛酸中的LO2的代谢谱，鉴定了与全氟辛酸毒性有关的18个代谢物作为
潜在生物标记物，包括肉碱和酰基肉碱，核苷和核苷缀合物，氨基酸和氨基酸结
合物等。

Shi等经体外试验研究了京大戟中二萜类化合物pekinenal对人肝细胞
的毒性，UHPLC-MS检测发现细胞内甘油磷脂、花生四烯酸、脂肪酸氧化及氨基酸
代谢出现紊乱，这些代谢通路的改变与pekinenal诱导的肝细胞损伤有关马兜铃
酸（AAS）过去的十几年里的肾脏毒性越来越受到人们重视。

3.问题与展望
细胞代谢组学是新兴的技术，随着其广泛应用一些问题也开始凸显。

首先，
细胞代谢组学中细胞样品处理方法多种多样，如何制定标准化样品处理方法来保
证结果的重复性和可靠性？其次，细胞代谢组学实验得到的大量数据如何进行有
效分析？此外，细胞中一些含量极低的代谢物可能是与研究问题密切相关的关键
物质，但可能因其浓度过低被忽视或不被检测到，如何对这些痕量物质进行有效
分析？但随着细胞代谢组学方法的优化和应用领域的不断扩展，其前景必将十分
广阔。