代谢组学研究进展综述

代谢组学技术及其在中医研究中的探讨

姓名：郭欣欣学号：22009283 导师：刘慧荣

代谢组学(metabonomics) 是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科,是关于生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 其代谢产物(内源代谢物质) 种类、数量及其变化规律的科学。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。常用的方法是检测和量化一个生物整体代谢随时间变化的规律;建立内在和外在因素影响下,代谢整体的变化轨迹,反映某种病理(生理) 过程中所发生的一系列生物事件。

1 代谢组学研究技术平台

代谢组学研究的技术平台包括以下几个部分:前期的样品制备,中期的代谢产物检测、分析与鉴定以及后期的数据分析与模型建立。

前期代谢组学研究常用的检测技术,一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但离体条件下,细胞或组织内的代谢状态可迅速改变,代谢物的质与量亦随之变化,为正确反映在体的真实信息,须立即阻断内在酶的活性。最为常用的是冰冻/液氮降温法及冷冻、干燥的保存技术,尽管如此,细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽量避免氧化等活化因素。

中期代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学技术的核心部分,最常用的是NMR及质谱(MS)两种。

核磁共振技术是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术,生命科学领域中常用的是氢谱( 1H NMR ) 、碳谱(13C NMR)及磷谱(31P NMR)三种。可用于体液或组织提取液和活体分析两大类。

NMR技术在代谢组学中的应用越来越广泛,它具有如下优点: ①无损伤性,不破坏样品的结构和性质; ②可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生理条件的实验; ③与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交换、运动等代谢产物的变化规律; ④实验方法灵活多样。但仪器价格及维护费用昂贵限制了该技术的进一步普及。

质谱技术是将离子化的原子、分子或是分子碎片按质量或是质荷比(m/e)大小顺序排列成图谱,并在此基础上,进行各种无机物、有机物的定性或定量分析。新的离子化技术则使质谱技术的灵敏度和准确度均有很大程度的提高。NMR技术与MS技术相比,各有其优缺点,需要在研究中灵活选用。总体而言,NMR技术应用的更为广泛。此外,根据代谢组学的研究需要,还常用于其他的一些分析技术,如气相色谱(GC) ,高效液相色谱仪(HPLC) ,高效毛细管电泳(HPCE)等。它们往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。但不容忽视的是,随着分析手段更新,敏感性及分辨率提高,“假阳性”的概率也就越大,可能是仪器技术方法固有的，亦或是数据分析过程中产生的。

后期代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台。它往往借助于一定的软件,联合多种数据分析技术,将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析,发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与机体代谢的关系。如果说分析技术在我们面前打开了“一扇门”,正确的数据分析方法和模型建立便是“找到宝藏”的钥匙。

主成分分析法( PCA) 是最常用的分析方法。其将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标(PC)上,如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等,利用主成分描述机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的作用,避免淹没于大量数据中。其他的模式识别技术,如聚类分析、辨别式功能分析、最小二乘法投影法等在代谢组学研究中亦有其重要的地位。

现实情况下,代谢组学的数据更为复杂,特别是NMR对病理生理过程的研究,将代谢物的表达谱与时间相联系,分析时更加困难,需要借助复杂的模型或是专家系统进行分析(在应用

的部分,结合具体研究简单加以阐述) 。

2 基于代谢组学技术的中医证候研究的设想

从现代医学生物学观点看,每一个证候群显然都具有其特定的生物学基础,这个基础可以包括生理、病理、生化。分子生物学等方面,也就是说,每个证候群都有支持它的结构基因组、蛋白组学或代谢组学背景,证候群复杂的多样性表现很可能就是基因多态性、多功能基因异常表达或物质代谢通路改变的表型，这种外在表现在临床上由一组特定的症状和体征所组成,并由此构成中医证候的最基本的临床特征。

中医证候的科学研究,必须紧紧抓住证候的临床表征和现代医学生物学基础这两个基本要素,在这一认识基础上进行证候的科学研究,是真正推动中医证候现代化的基本保证。基于代谢组学技术具有无损伤性,不会破坏样品的结构和性质；可在接近生理条件下进行实验；具有高通量样品检测和保证样品在检测期内维持原有性质；可以进行实时和动态的检测；可满足对尽可能多的化合物进行检测；没有偏向性,对所有化合物的灵敏度是一样的特点。代谢组学技术是研究中医证候的绝好平台。中医证候生物学本质研究首先以病人为直接研究对象称为可能性。尽管动物实验和实验动物在医学发展过程中具有十分重要的作用和地位,是医学研究不可缺少的,但由于证候概念的特殊内涵决定了要在动物身上模拟人的证候起码在现阶段几乎是不可能的在技术条件满足的条件下, 实事求是地直接以人作为研究对象, 是最为便捷和科学的。因此，基于代谢组学技术可满足中医证候的研究, 我们设想中医证候病理生理本质研究可使用如下技术路线。

2、1 从病证结合入手，选择同病异证的病例进行代谢组学研究,得到同病异证病例的各证“相关代谢物指纹图谱”分析“代谢指纹图谱”变化的原因, 确定与中医证候发生密切相关的“代谢组学特征”和小分子标志化合物“证相关生物标志物”。

2.2 从中医证候入手,选择异病同证的病例进行代谢组学研究得到异病同证病例的各病

相关代物指纹图谱分析代谢指纹图谱变化的原因,确定与中医证候发生密切相关的“代谢组学特征”和小分子标志化合物“证相关生物标志物”。

2.3 从方证相应入手,选择异病同证的病例进行代谢组学研究得到异病同证病例的治疗前后的“相关代谢物指纹图谱”,分析“代谢指纹图谱”变化的原因, 确定与中医证候发生和方药作用机理密切相关的“代谢组学特征”和小分子标志化合物“证相关生物标志物”。阐明药物作用靶点及作用机理,为中医证候和方药作用机理的系统研究提供科学依据。

2.4 由于代谢组学侧重于体内生物化学反应的产物的整体变化,而基因组、转录组和蛋白质组研究更强调生命过程的调控机制和物质基础。因此需进一步以基因组、转录组和蛋白质组方法从动物实验入手来研究机体内生物化学反应的过程及代谢通路变化的调控机理。