新一代靶向代谢组学及其应用

新一代靶向代谢组学及其主要应用

李克峰博士

代谢组学和常见的平台

代谢组学技术(Metabolomics) 是后基因时代发展起来的系统生物学新技术，旨在测定生物体内所有小分析代谢产物。相比基因组学(Genomics)、转录组学(Transcriptomics) 和蛋白质组学 (Proteomics)，只能告诉我们生物体可能会发生什么，代谢组学则直接的，准确的反映了生物体当前的状态，告诉我们生物体确实发生了哪些变化。

随着分析仪器技术的迅速发展和生物信息大数据的不断进步，代谢组学技术在临床、药学、环境、食品和营养等各个学科都得到了应用，形成了许多新兴学科，笔者统计了，近3年Science, Nature, 以及其子刊，共发表代谢组学相关文章达到121篇。

代谢组学技术按照其检测目标代谢产物的方式，可以分为非靶向代谢组学(Non-targeted Metabolomics) 和靶向代谢组学 (Targeted Metabolomics)。非靶向代谢组学是对分析样品中的小分子离子 (50Da~1200Da) 进行全部扫描，获得离子质谱图，通过与数据库比对，对代谢产物进行鉴定。图1列了代谢组学的分类和常见的平台。

图1：代谢组学的分类和常用的平台

非靶向代谢组学从1998年开始，第一篇发表在Nature Biotechnology上，关于植物的GC-MS 文章。过去10几年，非靶向代谢组学最常用的分析平台为GC-MS，然而GC-MS 在代谢组学应用上存在许多缺陷，主要是，GC-MS使用单质谱，缺乏碎片离子信息，许多化合物不能被准确鉴定。另一个比较常用的是NMR平台。基于NMR 的代谢组学平台，主要缺陷是检测灵敏度没有质谱检测器高，只能够检测100多个代谢产物。最近几年随着TOF检测器的发展，LC-Q-TOF也被应用到代谢组学中来，LC-Q-TOF的准确分子量，克服了GC-MS和NMR的缺点，能够检测出>1万个图谱特征，但是由于缺乏完善的代谢数据库比对，往往最后能鉴定出的有统计学意义的代谢产物只有几十个，甚至几个。更重要的是，非靶向代谢组学只能提供代谢产物的相对丰度，无法获得代谢产物的绝对浓度。靶向代谢组学，主要是指对代谢产物的在样品中的绝对浓度进行定量测定。传统的靶向代谢组学，受到仪器条件的限制，只能检测10个左右的代谢产物，基本上不能称之为代谢组学。随着仪器技术的不断发展，

新一代靶向代谢组学 (Next-Generation Metabolomics)

随着仪器技术的迅速发展，最近1-2年，靶向代谢组学得到了突飞猛进的发展，成为代谢组学的新的亮点。新的靶向代谢组学，我们也称之为第二代或者新一代靶向代谢组学(Next-Generation Metabolomics)，用于区分老的靶向代谢物分析。新一代靶向代谢组学能够同时对超过1000个的代谢产物进行定量分析，大大缩短了数据后处理的时间，显著提高了代谢组学的效率，使得生物标记物筛选过程，变的简单、可靠，省去了代谢产物验证的步骤。

新一代靶向代谢组学平台的特点：

❖检测的代谢产物多：新一代靶向代谢组学平台较传统的LC-MS 或者LC-UV 技术相比，由于采用了新的正负极转换技术 (Polarity Switch) 大大提高了仪器的扫描速率，能够在一段时间能最多扫描1000个代谢产物，极大的提高了代谢产物同时检测的效率。

❖代谢产物鉴定容易：新一代靶向代谢组学技术采用了多反应动态监控的方法(Multiple Reaction Monitoring, MRM)，一个代谢产物的确认，由其母离子、子离子和碰撞能(Collision Energy) 共同决定，在进入检测器前，进行了2步筛选，大大提高了代谢产物鉴定的准确性。

❖后续生物信息学处理容易：新一代靶向代谢组学，免去了非靶向代谢组学的费时的数据库搜索和化合物鉴定。导出的数据，可以直接进行多重比较分析，主成分分析，代谢通路分析等生物大数据处理，节省了时间。

新一代靶向代谢组学的主要应用：

新一代靶向代谢组学开发后，在各个领域都显示出了极大的应用潜力：

•临床代谢组学（Clinical Metabolomics）：与正常组对比，可以揭示疾病的分子机理，寻找早期诊断的血液和尿液标记物，肠道和口腔菌代谢等。

•药物代谢组学(Pharmacometabolomics)：揭示药物作用的靶点（药效研究，含中药），快速全面评价药物的毒性，评价药物与病人之间相互作用(个性化制药)等。

•环境代谢组学 (Environmental Metabolomics)：揭示环境对生物体的影响，环境污染物高通量检测，污染物分解，迁移，探讨污染物对海洋生态的影响等。•食品代谢组学(Food Metabolomics): 食品营养功能评估；食品安全评估；食品中抗生素、毒枝菌素、农药和杀虫剂检测。

•植物代谢组学 (Plant Metabolomics)：利用新一代靶向代谢组学，可以揭示植物病虫抗性机理，植物逆境抗性机理（干旱、盐、重金属等），植物基因功能，植物-微生物相互作用研究，植物主要和次生代谢途径的研究。

•器官移植代谢组学(Transplants Metabolomics)：利用代谢组学监控手术和移植后的效果。