代谢组学及其在阿尔茨海默病中的应用

代谢组学〔1〕是通过考察生物体系（ 细胞、组织或生物体） 受刺激或扰动后（ 如将某个特定的基因变异或环境变化后） 代 谢产物图谱及其动态变化，研究生物体系的代谢网络的一种技 术，是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一 门新兴“组学”。与其他三种组学研究的 DNA、RNA 和蛋白质 等生物大分子不同，代谢组学是对生物体系中的小分子速，已 广泛应用到毒理学〔2〕、营养学〔3〕、植物学〔4〕、微生物学〔5〕、药物 研发〔6〕、疾病研究〔7〕、功 能 基 因 组 学〔8〕等 领 域。 阿 尔 茨 海 默 病 （ AD） 是一种原因不明的以进行性认知功能障碍和记忆损害为 特征的中枢神经系统退行性疾病，典型病理改变为老年斑和神 经纤维缠结的形成。AD 病因复杂，其发病机制至今仍然不明。 近年来，一些学者〔9〕对 AD 的生物学指标进行了研究，希望能 够找到早期诊断 AD 的标志物并探明其发病机制。代谢组学 运用高通量、高敏感的分析技术，结合化学计量学方法，分析体 液中的代谢产物，可以将所有代谢物的信息整合到一起，通过 比较其代谢特性，寻找出早期敏感的生物标志物，能够帮助分 析病变过程和辅助临床诊断。本文就代谢组学及其在 AD 生 物标志物研究中的现状做一综述。
与液谱和质谱技术相比，样品的可重 代谢物图谱分析 复性较差
1. 3 代谢组学数据的分析 由分析仪器获得的元数据经适当 的预处理〔21〕（ 包括滤噪、峰检测、峰匹配、标准化、归一化和重 叠峰解析等） 得到大量的多维的数据信息，需进一步借助化学 计量学方法对代谢物进行全面分析。最常用的是模式识别技 术，包括非 监 督 学 习 方 法 和 有 监 督 学 习 方 法。 非 监 督 学 习 方 法〔16〕主要用于从原始谱图信息或预处理后的信息中对样品进 行分类，不需相关 样 品 分 类 的 任 何 背 景 信 息，并 将 获 得 的 分 类 信息与样本的原始信息进行比较，建立代谢产物与这些原始信 息的联系，筛选出相关的标记物，考察其代谢途径，主要包括主 成分分析（ PCA）〔22〕、聚类分析（ CA）〔23〕、非线性映射（ NLM）〔24〕 等。有监督学习方法〔16〕主要用于类别间的分类，使各类样品间 达到最大的分离，并利用建立的多参数模型对未知的样本进行 预测。主要包括神经网络 （ NN）〔25〕、偏最小二乘法 （ PLS） 、 〔26〕 偏最小二乘法-判别式分析（ PLS-DA）〔27〕等。其中 PCA 和 PLSDA 是代谢组学研究中最常用的模式识别方法，这两种方法通 常以得分图获得对样品分类的信息，载荷图获得对分类有贡献 变量及其 贡 献 大 小，从 而 用 于 发 现 可 作 为 生 物 标 记 物 的 变 量〔16〕。代谢组学分析还需要各种代谢途径和生物化学数据库， 数据库中每种代 谢 产 物 都 有 其 相 应 的 化 学 、临 床、分 子 生 物 学 和生化数据〔16〕。检索相关代谢组学数据库，同时结合医学生物 学相关理论，向代 谢 终 点 的 上 游 追 溯，能 够 探 索 出 生 物 标 志 物 的代谢途径或通路，进而了解疾病的发病机制。一些生化数据 库〔28〕如连接图数据库 （ Connections Map DB） 、京都基因与基因 组百科全书 （ KEGG） 、METLIN、I-RIS、AraCyc、PathDB、生物化 学途径（ ExPASy） 、Duke 博士植物化学和民族植物学数据库、 Arizona 大学天然产物数据库等，可供未知代谢物的结构鉴定或 用于已知代谢物的生物功能解释〔11〕。包含生物体代谢物组信 息以及代谢 物 定 量 数 据 较 多 的 数 据 库 有 人 类 代 谢 组 数 据 库、 ChemSpider 数据库，但目前尚无功能完备的数据库。
1. 1 样品的采集及制备 在采集样品之前，就要设计好样本 的采集时间、种类、部位、样本量和采集样品的器材等，并且采 集样品时要有严格的质量控制，尽可能在相同的条件下采集样 本，使实验误差减到最小。代谢产物的变化会影响分析结果， 处理样品时应抑制残留酶的活性，避免发生氧化，采用冰冻、液 氮降温或冷冻干燥技术保存样品〔12〕。根据研究目的和分析技 术的不同，样品预处理的方法也各不相同。磁共振（ NMR） 分析 技术对样品的处理比较简单，控制样品的 pH 值、选用不同的缓 冲液即可〔13〕。气相色谱质谱（ GC-MS） 技术需对挥发性较小的 化合物进行 衍 生 化，以 增 加 其 挥 发 性，扩 大 化 合 物 的 检 测 范 围〔13〕。高效液相色谱质谱（ HPLC-MS） 联用技术通常根据样品 的性质以及相似相溶原理，利用水和有机溶剂（ 甲醇、己烷等） 分别提取，从而 把 非 极 性 和 极 性 物 质 分 开〔14〕。 由 于 特 定 的 提
GC-MS〔18〕
LC-MS〔19〕 CE-MS〔20〕
表 1 代谢组学研究中常用分析技术的比较
优点
缺点
应用
高通量； 普适性； 非破坏性； 分析条件简 检测动态范围窄； 与 MS 相比灵敏度
便，有良好的客观性和重现性
低、分辨率低； 仪器价格及维修 费用
昂贵
高通量； 高分辨率； 高灵敏度； 普适性； 对低挥发性的代谢产物需衍生化处
费用较低； 有可供参考的标准图谱库， 理，预处理过程繁琐
可对代谢产物定性
高通量； 高分辨率； 高灵敏度； 普适性； 非极性物质难以分离； 费用高； 仪器
耗时较少； 动态检测范围宽
复杂，难操作
药物毒性、基因功能、疾病的临床诊断
植物和微生物的代谢指纹分析
适于样本中复杂代谢产物的检测和潜在标 记物的鉴定
高分辨率； 较高的灵敏度； 分析速度快； 可检测低丰度代谢物； 所需样品量少； 仪器简单，操作简便； 成本低，消耗少
通讯作者： 王德才（ 1954-） ，男，教授，硕士生导师，主要从事阿尔茨海默 病及代谢组学的研究。
第一作者： 刘秀勤（ 1986-） ，女，在读硕士，主要从事阿尔茨海默病生物 标志物的代谢组学研究。
1 代谢组学的研究概况 代谢组学多应用在药物研发和疾病研究等领域研究动物
体液或组织。Fiehn 等〔1〕将其定义为对限定条件下的特定生物 样品中所有代谢产物的定性定量分析，多应用于植物和微生物 领域研究细胞的代谢组学。代谢组学技术能够将基因和蛋白 质表达的微小变化在代谢物上放大，从而使检测更为容易。根 据研究对象和研究目的的不同，Fiehn〔10〕将代谢组学分为代谢 物靶标分析、代谢轮廓分析、代谢组学及代谢物指纹分析等四 个层次，研究的样品主要包括尿液、血液、唾液以及细胞或组织 的提取液等。代谢组学的研究一般包括样品的采集和制备、代 谢组数据的采集、数据预处理、多变量数据分析、标志物识别和 途径分析等步骤〔11〕。
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中国老年学杂志 2012 年 4 月第 32 卷
取条件只适于某类化合物，目前尚无一种普适性的提取方法， 故应根据不同的化合物选择不同的预处理方法制备样品。
1. 2 代谢组学数据的采集 样本预处理后，应选择适当的分 析方法检测其中的代谢产物，进行代谢组数据的采集。目前多 种分析技术〔15〕（ 色谱、质谱、NMR、电化学、毛细管电泳等） 已经
应用到代谢组学的研究中，表 1 比较了代谢组学研究中常用分 析技术的各自优势和适用范围。其中色谱-质谱方法兼备色谱 的高分离度、高通量及质谱的普适性、高灵敏度和特异性，1 HNMR 对含氢的代谢产物具有普适性，因此，色谱-质谱联用技术 和 NMR 技术是目前代谢组学研究中最主要的分析工具〔16〕。
分析技术 NMR〔17〕
代谢组学及其在阿尔茨海默病研究中的应用
刘秀勤 王德才 （ 哈尔滨医科大学公共卫生学院，黑龙江 哈尔滨 150081）
〔关键词〕 代谢组学； 阿尔茨海默病； 生物标志物 〔中图分类号〕 R749. 1 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1005-9202（2012）07-1551-04；doi：10. 3969 / j. issn. 1005-9202. 2012. 07. 119