代谢组学及其分析技术
代谢组学数据处理方法主成分分析
代谢组学数据处理方法主成分分析一、本文概述1、代谢组学概述代谢组学，作为一门新兴的交叉学科，致力于系统性地研究生物体系内所有低分子量代谢物（分子量通常小于1000 Da）的定性和定量分析。
代谢组学的主要目标在于理解生物系统在受到内部遗传和外部环境因素扰动时，其代谢产物的动态变化规律。
这些代谢物不仅是基因表达调控的终端产物，而且是环境因子对生物体产生影响的直接体现。
因此，代谢组学的研究在疾病诊断、药物研发、营养学、环境科学等多个领域具有广泛的应用前景。
代谢组学的研究方法主要包括样本的采集与预处理、代谢物的提取与分离、代谢物的检测与鉴定，以及代谢数据的处理与分析。
其中，数据处理与分析是代谢组学研究中不可或缺的一环。
由于代谢组学数据通常具有高通量、高维度、小样本、多噪声等特点，因此如何有效地处理和分析这些数据，从中提取出有用的信息，是代谢组学研究的关键所在。
主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）作为一种经典的数据降维和可视化方法，在代谢组学数据处理中得到了广泛的应用。
PCA通过正交变换将原始数据转换为一系列线性无关的表示，即主成分。
这些主成分按照方差大小进行排序，能够反映原始数据中的主要变化和趋势。
通过PCA分析，研究者可以在降低数据维度的保留数据中的主要信息，从而更加直观地理解数据的内在结构和规律。
PCA还可以用于识别数据中的潜在模式、异常值以及不同样本之间的相似性和差异性。
在代谢组学数据处理中，PCA的应用不仅有助于降低数据维度、消除噪声和冗余信息，还可以提高数据分析的准确性和效率。
PCA还可以与其他多变量统计分析方法相结合，如聚类分析、判别分析等，以进一步挖掘代谢组学数据中的潜在价值和意义。
因此，掌握PCA方法在代谢组学数据处理中的应用，对于深入理解代谢组学数据的内在规律和推动代谢组学研究的发展具有重要意义。
2、代谢组学数据的特点与挑战代谢组学，作为系统生物学的一个重要分支，旨在全面、定量地分析生物体系内所有小分子代谢物的动态变化。
代谢组学ppt课件
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2 代谢组学的概念
在新陈代谢的动态进程中,系统地研究代 谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代 谢本质的科学。
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Metabonomics ---英 Jeremy K.Nicholson 20世纪
90年代
生命体系对病理生理刺激或遗传改造所产生的 动态,多指标代谢响应的定量测定.
Metabolomics ---Oliver Fiehn需要,可将 组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处 理),加至质谱仪,经历汽化,离子化、加速分离 及检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢 组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的分子 量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化 学成分以及半定量关系。
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(3)常用的其他一些分析技术
代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学 技术的核心部分,最常用的方法是有两种
NMR 质谱(MS)
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(1)核磁共振技术
原理
核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定 磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时 所发生的共振吸收现，是一种利用原子核在磁 场中的能量变化来获得关于核信息的技术. 生 命科学领域中常用的有三种
气相色谱(GC) 高效液相色谱仪(HPLC) 高效毛细管电泳(HPCE)
往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。 敏感性及分辨率提高,“假阳性”率也就越大
空间代谢组学技术
空间代谢组学技术一、空间代谢组学技术简介空间代谢组学技术是一种新兴的代谢组学技术。
它利用空间信息对代谢组学数据进行分析，可以通过分析细胞内代谢物的分布和代谢级联反应的关系，进一步了解细胞的生理状态及其调控机制。
空间代谢组学技术的出现，有效地弥补了传统代谢组学技术中的一些不足之处，扩展了代谢组学的研究范围和应用领域。
二、空间代谢组学技术的类别1. MALDI ImagingMALDI Imaging是一种利用基质辅助激光解析离子化质谱成像技术，可以分析样本分子分布，从而揭示组织或细胞的生物学过程。
MALDI Imaging的应用范围非常广泛，包括药物发现、生物医药、食品科学等等。
2. 荧光成像荧光成像是一种利用荧光标记分子的成像技术，可以用于观察细胞、组织或者生物体内各种化学物质的空间分布和变化。
荧光成像通过荧光探针直接反映代谢产物在细胞内的含量和动态变化，从而深化代谢组学数据的分析。
3. 光刻微制备技术光刻微制备技术是一种对生物体特定区域进行高精度操作的技术。
通过该技术，科研人员可以针对特定组织或细胞原位测量代谢产物的分布情况，为疾病的早期诊断和治疗提供新的思路。
三、空间代谢组学技术的应用1. 研究肿瘤代谢肿瘤细胞的代谢活跃度不同于正常细胞，可以通过空间代谢组学技术揭示其代谢通路并提供治疗靶点。
例如，针对乳腺癌病人的代谢组学分析显示，乳腺癌中的脂肪代谢和细胞色素P450催化反应可能是治疗乳腺癌的潜在治疗靶点。
2. 研究肝脏疾病肝脏是维持机体代谢平衡的关键器官。
空间代谢组学技术可以对肝脏代谢通路进行高效的定量测量和实时监测，从而为早期诊断和治疗肝脏疾病提供新的线索。
3. 研究心脏疾病心脏疾病是世界范围内的主要死因之一。
利用空间代谢组学技术，科研人员可以在心肌细胞中研究代谢调节通路的功能和变化，探索病理过程，并开发新的治疗方法。
四、空间代谢组学技术的未来空间代谢组学技术是一种前沿的技术，在未来的科学研究和医学治疗中有着重要的应用前景。
代谢组学液相质谱、气相质谱、核磁优缺点
代谢组学是一门研究生物体在特定生理状态下的代谢物（代谢产物）组成和代谢动力学的科学。
在代谢组学的研究中，质谱和核磁共振成像是两种常用的分析技术。
而在质谱技术中，液相质谱和气相质谱是最常用的方法之一。
而在本文中，我们将就这三种分析方法的优缺点进行全面评估，并深入探讨其在代谢组学中的应用。
一、液相质谱液相质谱是指以液体作为流动相的质谱技术。
液相质谱的分析对象通常是极性或中等极性的化合物。
它具有分离能力强、分析灵敏度高和分析速度快的优势。
尤其在代谢组学研究中，液相质谱可以分析各类代谢产物，如氨基酸、核苷酸、核苷、多肽、小分子糖、中性类脂质等。
这使得液相质谱在代谢组学研究中得到了广泛的应用。
液相质谱的优点在于其对生物体内极性或中等极性化合物的分析效果非常突出。
这使得液相质谱在代谢组学研究中能够全面地分析生物体内代谢产物的组成和动态变化规律。
但是，液相质谱也存在着一些缺点，比如在分离非极性化合物方面效果不佳，并且分析过程中需要使用大量有机溶剂，因此对环境造成一定的污染。
二、气相质谱与液相质谱相对应的是气相质谱，它是以气体为流动相的质谱技术。
气相质谱通常用于分析非极性或低极性化合物，比如脂类、脂溶性维生素和荷尔蒙等。
气相质谱的分离效果非常突出，对非极性化合物的分析效果尤其显著。
在代谢组学研究中，气相质谱常常用于分析生物体内脂类代谢产物的组成和变化规律。
气相质谱的优点在于其对非极性或低极性化合物的分析有着非常好的效果，且在分析流程中不需要大量有机溶剂，因此对环境的影响相对较小。
但是，气相质谱也存在着一些缺点，比如分析速度相对较慢、对极性化合物的分析效果不佳等。
三、核磁共振成像除了质谱技术，核磁共振成像（MRI）也是代谢组学研究中常用的分析方法之一。
核磁共振成像可以不侵入地获得生物体内各种化合物的组成和分布情况，具有非常好的空间分辨率。
在代谢组学研究中，核磁共振成像通常用于从整体上观察生物体内代谢产物的分布和变化规律。
微生物学研究中的代谢组学技术
微生物学研究中的代谢组学技术微生物在生物圈中占据着重要的地位，它们分布在各种环境中，对整个生态系统发挥着至关重要的作用。
微生物是自然界最早的生命形式，成为许多生物物种的祖先，也给人类带来了巨大的贡献。
微生物的代谢组学技术越来越成为微生物学研究中的热点，本文将从代谢组学的基本概念、技术手段、代谢组学在微生物研究中的应用几个方面来介绍微生物学研究中的代谢组学技术。
一. 代谢组学的基本概念代谢组学是一种综合性分析方法，其涉及从生物样本中获得尽可能多的代谢产物信息。
代谢产物包括代谢途径中产生的化合物，如蛋白质、核酸和多糖等化学物质，以及代谢触发的生理变化，如能量代谢、脂肪酸代谢、糖代谢和氨基酸代谢等。
代谢组学的主要目的是识别潜在的生物标志物或生物学过程，以明确不同的生理和疾病状态之间的差异。
二. 代谢组学技术手段代谢组学技术是从样品中提取代谢产物，并对其进行化学分析、光谱分析和质谱分析。
常见的代谢组学技术手段包括核磁共振（NMR）技术、高效液相色谱质谱联用分析（LC-MS）和气质联用质谱（GC-MS）等。
这些技术手段的优缺点不同，应根据不同的研究目的和样品性质进行选择。
同时，应在具有严格的质量控制和标准化的分析流程中进行分析，以获得可重复和可比性的结果。
三. 代谢组学在微生物学研究中的应用代谢组学技术在微生物学研究中的应用广泛，是微生物学研究的重要工具之一。
其应用包括但不限于以下方面：1. 明确微生物代谢途径及其调控机制代谢组学技术可以揭示微生物代谢途径和调控机制，为更深入研究微生物代谢提供了基础信息。
通过代谢组学技术分析微生物活动产生的代谢产物，可以推断微生物的代谢途径和代谢途径中涉及的反应酶。
同时，代谢组学技术还可以探究代谢途径的调控机制，如糖代谢、脂肪酸代谢和氨基酸代谢等。
2. 识别微生物毒素生成机制及其抑制方法代谢组学技术还可以通过检测微生物生长过程中的代谢产物，识别微生物毒素生成的机制及其不同阶段的代谢特征，以开发微生物毒素的防治等应用均有前景。
微生物基因组学与代谢组学分析
微生物基因组学与代谢组学分析微生物是指肉眼无法看到的微小生物，它们广泛存在于自然界中的各种环境中，包括土壤、水体、空气以及其他生物体表面和内部等，并且在人体内，微生物也身体活跃。
微生物的基因组学和代谢组学研究所得的信息，将对微生物的分类、鉴定、功能以及工业应用提供有益的信息。
本文将从两个方面来介绍微生物基因组学与代谢组学的分析。
微生物基因组学分析微生物基因组学是运用遗传学、分子生物学、生物信息学等技术，研究微生物基因组的分布、组成、表达及其功能的一门科学。
对于微生物基因组学的分析，主要包括两个方面：第一方面是基因组测序。
通过测定微生物基因组的DNA序列，可以了解微生物的基因、调节区、编码蛋白质及RNA等信息。
经过基因注释和编码基因区域的分析，可以了解微生物的分类、系统进化、代谢及生理功能等。
基因组测序还可以为基因工程和生物信息学等提供有益信息，为人类的用途提供基础支持。
第二方面是基因组比较分析。
基因组比较分析是通过对多个不同微生物的基因组的比较，确定基因组之间的相似度，从而了解在进化过程中，哪些基因是保守的，哪些基因可能是新进的，对于生物体的生存和繁殖都十分重要。
基因组比较的也可以为基因家族的功能类型推断、代谢途径和重要生物功能等提供信息。
微生物代谢组学分析微生物代谢组学是运用生化学，分析微生物在代谢过程中所涉及到的化学反应等，旨在了解微生物代谢途径和其相关的底物和产物等，这有助于进一步推测微生物的生态位、代谢能力及其在生物输变化过程中所发挥的作用。
为了更好的实现微生物代谢组学的分析，现有的技术可以分为三类：第一类是代谢组学初步测序。
通过从代表性微生物中提取代谢物数据，结合其基因组信息，可以初步了解其代谢能力及其代谢途径。
第二类是代谢物指纹图谱。
这是一种基于色谱和质谱技术的分析方法，旨在对生物样品或代谢物进行定性和定量分析。
通过通过比较代谢物指纹图谱可以确定微生物的类型、分类、代谢途径和关键酶或代表性代谢物。
代谢组 国自然标书-概述说明以及解释
代谢组国自然标书-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分主要介绍代谢组的概念和意义。
代谢组是指一个生物体内特定时间点的全部代谢产物，包括代谢产物的类型、质量和相对丰度等。
代谢组研究旨在揭示代谢物在生物体内的相互作用、调控网络以及其与生理状况、疾病状态之间的关联。
代谢组研究的目的是为了深入了解生物体的代谢特征，解析代谢物之间的相互关系，为相关领域的研究提供基础和指导。
代谢组研究具有广泛的应用价值。
首先，通过对代谢组的研究，我们可以深入了解代谢物的产生、转化、代谢途径等基本过程，并揭示其在细胞和生物体内的功能。
其次，代谢组分析能够为疾病的早期诊断和临床治疗提供重要依据，通过检测代谢组中的异常代谢物，可以发现疾病的潜在风险因素，预测疾病的发展趋势，以及评估治疗效果。
此外，代谢组研究还可以为新药的研发和药效评估提供指导，通过分析代谢组的变化，可以评估药物的代谢过程和效果，并优化药物治疗方案。
综上所述，代谢组研究是一门重要的科研领域，它的研究内容涉及生物体的代谢状态、疾病发展和治疗效果等方面。
随着研究方法和技术的不断发展，代谢组研究将为医学、生物学、药物研发等领域提供更多的突破和进展，为人类健康和科学发展作出重要贡献。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包含以下内容：文章结构部分的目的是介绍整篇文章的组织结构和各个部分的要点。
本文的结构如下：第一部分是引言，主要包括概述、文章结构和目的。
在概述部分，我们将简要介绍代谢组的概念和意义。
文章结构部分将列出整篇文章的大纲，让读者对文章的组织有一个清晰的了解。
目的部分将明确本文的写作目标和预期结果。
第二部分是正文，将详细阐述代谢组的定义和意义以及代谢组研究的方法和技术。
在代谢组的定义和意义部分，我们将说明什么是代谢组以及其在生物医学研究中的重要性。
接着，在代谢组研究的方法和技术部分，我们将介绍常用的代谢组分析方法和技术，包括代谢组学、质谱分析和核磁共振等。
美吉 代谢组学
美吉代谢组学一、引言代谢组学是研究生物体内代谢产物的组成和变化的科学领域，它通过对生物体内代谢产物的分析，揭示了生物体在不同状态下的代谢特征和变化规律。
美吉代谢组学是一种应用代谢组学技术来研究美吉这种药物在人体内的代谢过程和效应的方法。
本文将围绕美吉代谢组学展开，介绍其基本原理、实验流程、数据分析方法以及在临床研究中的应用等方面进行详细阐述。
二、基本原理美吉是一种常用的中药，具有抗菌、消炎、镇痛等多种药理活性。
通过美吉代谢组学研究，可以了解美吉在人体内的转化过程和作用机制，为其临床应用提供科学依据。
1.代谢产物分析：通过质谱技术对人体样本中的代谢产物进行定性和定量分析，可以获得美吉及其代谢产物在不同时间点或不同个体中的浓度变化情况。
2.代谢通路分析：通过对代谢产物的分析，可以推断出美吉在人体内的代谢途径和代谢酶参与的反应，进而揭示其作用机制。
三、实验流程美吉代谢组学研究的实验流程主要包括样本采集、样品前处理、质谱分析和数据处理等步骤。
1.样本采集：收集人体血液、尿液等样本，以获得美吉及其代谢产物在体内的浓度变化信息。
2.样品前处理：对采集到的样本进行预处理，如蛋白质去除、有机溶剂萃取等，以提取目标化合物并去除干扰物质。
3.质谱分析：使用质谱仪对样品进行分析，常用的方法包括气相色谱质谱联用（GC-MS）和液相色谱质谱联用（LC-MS）等。
4.数据处理：对得到的质谱数据进行预处理、特征提取和定量分析等操作，以获取美吉及其代谢产物在不同样本中的浓度信息，并进行统计学分析和生物信息学分析。
四、数据分析方法美吉代谢组学的数据分析主要包括特征提取、差异分析和通路分析等。
1.特征提取：从质谱数据中提取出与美吉及其代谢产物相关的特征峰，可以使用多种方法，如主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等。
2.差异分析：通过对不同组别样本的特征峰进行统计学分析，可以找到与美吉代谢变化相关的差异物质，并根据其质谱信息进行结构鉴定。
药用植物代谢组学
随着高通量测序技术、生物信息学和代谢组学等技术的不断发展，药用植物代谢组学的研究将更加深入和完善。 未来，该领域的研究将更加注重药用植物药理作用机制的深入研究、新药开发以及植物药抗药性机制的研究等方 面，为中医药研究和植物药产业发展提供更加有力的支持。
02
药用植物代谢物的种类与功能
氨基酸类代谢物
抗药性机制
通过对药用植物代谢组学的深入研究，建 立植物药的质量控制体系，保障植物药的 安全性和有效性。
研究植物药抗药性的代谢组学基础，为抗 药性机制的深入研究和新药开发提供新的 思路和方法。
药用植物代谢组学的历史与发展
历史
药用植物代谢组学的研究可以追溯到20世纪初期，但直到近年来随着代谢组学技术的快速发展，该领域的研究才 得到了广泛关注和应用。
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用于分离和分析不挥发性物质
高效液相色谱（HPLC）
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是合物和元素 可用于高精度分析
串联质谱（MS/MS） 傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）
核磁共振技术
氢核磁共振（H-NMR） 碳核磁共振（C-NMR）
可用于鉴定有机化合物结构 可用于鉴定有机化合物结构
推动中药现代化与国际化发展
提升中药的科技含量
通过深入研究中药的代谢组学，我们 可以提升中药的科技含量，提高中药
在国际市场的竞争力。
完善中药的质量标准
通过研究中药中各种成分的代谢过程 ，我们可以完善中药的质量标准，提
高中药的安全性和有效性。
加强中药的国际化推广
通过与国际合作和交流，我们可以推 广中药在国际市场上的应用，促进中
靶点确认与验证
通过对药物作用靶点的确认与验证，为新药研发提供可靠的依据 。
基于核磁共振(nmr)的代谢组学
基于核磁共振（nmr）的代谢组学基于核磁共振（NMR）的代谢组学引言：代谢组学是一门研究生物体内代谢物的整体水平及其变化的学科，通过对代谢物谱图的分析，可以获取生物体内代谢物的全面信息。
核磁共振（NMR）作为一种重要的分析技术，被广泛应用于代谢组学研究中。
本文将介绍基于核磁共振的代谢组学方法及其在生物医学领域中的应用。
一、核磁共振（NMR）技术简介核磁共振（NMR）是一种基于原子核的物理性质进行分析的技术，通过测量原子核在外加磁场作用下的共振现象来获取物质的结构和动态信息。
核磁共振技术具有非破坏性、无辐射、高灵敏度等优点，可以对生物样品进行无损分析。
二、核磁共振在代谢组学中的应用1. 代谢物定性与定量分析：核磁共振技术可以通过对代谢物谱图的分析，确定代谢物的种类和含量，从而实现对生物体内代谢物的全面检测。
同时，核磁共振还可以通过标准物质的定量来实现对代谢物的定量分析。
2. 代谢途径研究：通过核磁共振技术可以追踪代谢物在代谢途径中的转化过程，揭示代谢途径的变化规律。
这对于研究代谢性疾病的发生机制以及寻找新的治疗靶点具有重要意义。
3. 生物标志物的发现：核磁共振技术可以通过对不同组织或生物体样品的代谢物谱图进行比较分析，寻找与特定疾病相关的生物标志物。
这些生物标志物可以用于早期疾病诊断、疾病进展监测以及药物疗效评估等。
4. 药物代谢研究：核磁共振技术可以对药物在生物体内的代谢过程进行研究，揭示药物代谢途径、代谢产物及其动态变化规律。
这对于药物的合理使用和药物研发具有重要意义。
三、核磁共振代谢组学的优势与挑战1. 优势：核磁共振技术具有高分辨率、高灵敏度、非破坏性等特点，可以同时检测多种代谢物，并提供全面的代谢信息。
此外，核磁共振技术还可以对代谢物进行非靶向分析，有助于发现未知的代谢物。
2. 挑战：核磁共振技术在代谢组学研究中面临一些挑战，如样品制备的复杂性、分析时间较长、数据处理与解释的复杂性等。
此外，核磁共振技术对于低浓度代谢物的检测灵敏度相对较低，需要进一步提高。
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★综述★代谢组学及其分析技术3
王斯婷,李晓娜,王皎,凌笑梅33(北京大学药学院,北京100191)
摘要:代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或是细胞内所有低相对分子质量代谢产物进行动态检测以及定性定量研究的一门学科,它主要应用在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域。代谢组学对分析技术要求较高,近年来随着分析手段的不断完善,代谢组学的研究得到了更加广泛的应用。本文对近年来各种分析技术在代谢组学中的应用,不同分析技术各自的优缺点,应用领域等进行了综述。同时也总结了在代谢组学的实际应用中遇到的一些实验技术方面的问题。关键词:代谢组学;核磁共振;气质联用;液质联用中图分类号:R917 文献标识码:A 文章编号:0254-1793(2010)09-1792-08
Metabonomicsanditsanalyticaltechnique3WANGSi-ting,LIXiao-na,WANGJiao,LINGXiao-mei33(SchoolofPharmaceuticalSciences,PekingUniversity,Beijing100191,China)Abstract:Metabonomicsisanewscienceandtechnologydevelopedinmid1990s.Itreferstoaholisticanddynamicanalyticalapproachtoallthelowrelativemolecularmassmetabolitesinanorganismorcells.Currentstatusforap2plicationsofmetabonomicsresearchintoxicology,diagnosis,plantsandtraditionalChinesemedicine.Becausemeta2bonomicshashighlyrequestforanalyticaltechnology,withthedevelopingofanalyticaltechnology,metabonomicshasmorewidelyapplication.Inthispaper,currentanalyticaltechnologyformetabonomicsanditsapplicationisre2viewed.Andexperimentaltechnologyformetabonomicsissummarized.Keywords:metabonomics;NMR;GC-MS;LC-MS
随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用,与此同时,代谢组学(metabonomics)在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来,与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成“系统生物学”。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种“组学”在生命科学领域中发挥了重要的作用,它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究,使人们能够从分子水平研究生命现象,探讨生命的本质,逐步系统地认识生命发展的规律。这些“组学”手段加上生物信息学,成为系统生物学的重要组成部分。代谢组学的出现和发展是必要的,同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足,代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答,并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段,同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。1 代谢组学的概念及发展代谢组学metabonomics最初是由英国帝国理工大学JeremyNicholson教授提出的,他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统,机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究,并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定[1]。2000年,德国马普
—2971—药物分析杂志ChinJPharmAnal2010,30(9
)
333北京市自然基金项目(7102107);天然药物及仿生药物国家重点实验室开放基金项目(K20090207);国家科技重大专项“重大新药创制”
课题(2009ZX09301-010)通讯作者 Tel:(010)82801590;E-mail:pkulxm@126.com所的Fiehn[2]等提出了metabolomics的概念,但是与Nicholson提出的metabonomics不同,他是将代谢组学定位为一个静态的过程,也可以称为“代谢物组学”,即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。同时Fiehn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类:代谢物靶标分析,代谢轮廓(谱)分析,代谢组学,代谢指纹分析。现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展,科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善,作出了科学的定义:metabonomics/metabolomics是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析,从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同,代谢组学的主要研究思想是“全局观点”。与传统的代谢研究相比,代谢组学融合了物理学、生物学及分析化学等多学科知识,利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测,并通过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物,而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的,因此,代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化,这使研究对象从微观的基因变为宏观的代谢物,宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直观,易于理解,这点也是代谢组学研究的优势之一。代谢组学的优势主要包括:对机体损伤小,所得到的信息量大,相对于基因组学和蛋白质组学检测更加容易。由于代谢组学发展的时间较短,并且由于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的小分子物质,因此对分析手段的要求比较高,在数据处理和模式识别上也不成熟,存在一些不足之处。同时生物体代谢物组变化快,稳定性较难控制,当机体的生理和药理效应超敏时,受试物即使没有相关毒性,也可能引起明显的代谢变化,导致假阳性结果。代谢组学应用领域大致可以分为以下7个方面:(1)植物功能基因组研究,主要以拟南芥为研究模型,也包括一些转基因作物的研究;(2)疾病诊断,根据代谢物特征图谱诊断肿瘤、糖尿病等疾病;(3)制药业即新药临床前安全性评价,主要通过高通量比对预测药物的毒性和有效性,通过全面分析来发现新的生物指示剂;(4)微生物领域;(5)毒理学研究,包括利用代谢组学平台研究环境毒理及药物毒理;(6)食品及营养学,即研究食品中进入体内的营养成分及其与体内代谢物的相互作用;(7)在中药现代化及其机理上的研究。2 代谢组学的分析技术代谢组学的研究过程一般包括代谢组数据的采集、数据预处理、多变量数据分析、标记物识别和途径分析等步骤[3]。首先,采集生物样品(如尿液、血液、组织、细胞和培养液等),对其进行生物反应灭活、预处理。再运用先进的分析手段如核磁共振、质谱或色谱等检测样品中所有代谢物的种类、含量、状态,从而得到原始的大量的反映生物样品信息的实验数据,而后使用多变量数据分析方法对获得的多维复杂数据进行降维和信息挖掘,从这些复杂大量的信息中筛选出最主要的最能反映代谢物变化的主要成分,再通过模式识别将其与标准的代谢物谱进行比对,或是根据代谢物谱在时程上的变化来寻找生物标记物,研究相关代谢物变化涉及的代谢途径和变化规律,以阐述生物体对相应刺激的响应机制。同时由于不同分析手段各有其特点,在不同应用领域使用的分析方法也是有所不同的。2.1 核磁共振技术核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)是有机结构测定的四大谱学之一,作为一种分析物质的手段,由于其可深入物质内部而不破坏样品,并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用。在代谢组学发展的早期,NMR技术被广泛应用在毒性代谢组学的研究中。NMR的优势在于能够对样品实现无创性、无偏向的检测,具有良好的客观性和重现性,样品不需要烦琐处理,具有较高的通量和较低的单位样品检测成本。此外,
1
H-NMR
对含氢化合物均有响应,能完成样品中大多数化合物的检测,满足代谢组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标[3]。NMR虽然可对复杂样品如尿液、血液等进行非破坏性分析,与质谱法相比,它的缺点是检测灵敏度相对较低(采用现有成熟的超低温探头技术,其检测灵敏度在纳克级水平)、动态范围有限,很难同时测定生物体系中共存的浓度相差较大的代谢产物;
同时,购置仪器所需的投资也较大。为了改进NMR
检测灵敏度较低的缺点,可采用高分辨核磁共振技术或使用多维核磁共振技术和液相色谱-核磁共振联用(LC-NMR)。魔角旋转(magicanglespinning,
MAS)核磁共振技术是20世纪90年代初发展起来
—3971—药物分析杂志ChinJPharmAnal2010,30(9
)的一种新型的核磁共振技术,在代谢组学的研究中,魔角旋转核磁共振波谱技术已被成功地应用到研究生物组织上,因为生物组织在核磁共振实验中会由于磁化率不均匀、分子运动受限等因素而引起谱线增宽。这些因素利用固体核磁共振中的MAS方法可以消除[8]。例如大鼠肝脏[4,5]、哺乳动物肾脏[6]以及大鼠睾丸组织[7]等。2.2 气相色谱-质谱联用技术在代谢组学的研究中,气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术在植物代谢组学[9]、诊断代谢组学[10～12]、药物毒理[13]等领域有广泛的应用。有研究表明[14],采用GC-MS来检测大鼠尿样中内源性的代谢产物可以检测出49种,并且有26种代谢产物的检测可以达到定量标准。GC-MS在植物代谢组学的研究中最为广泛。它的优势在于能够提供较高的分辨率和检测灵敏度,并且有可供参考、比较的标准谱图库,可以方便地得到待分析代谢组分的定性结果。局限性表现在GC只能对其中的挥发性组分实现直接分析,从而得不到体系中难挥发的大多数代谢组分的信息。如陆益红[10]等利用GC-MS技术探讨自发性高血压大鼠(SHR)和正常大鼠(WKY)血浆代谢组差异,确证高血压模型,在此基础上探讨人参总皂苷对SHR血压及代谢组的影响,应用GC-MS测定内源性代谢物,用主成分分析(PCA)和偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)鉴别两组动物的代谢谱及引起高血压的生物标记物。GC-MS联用技术在代谢组学的其他方面的应用也很广泛,如王晓艳[11]等对冷应激及其药物干预的代谢组学进行研究。采用衍生化GC-MS的方法分析尿液中内源性小分子代谢物,结合主成分分析、最小二乘法等模式识别方法计算峰响应信号,冷应激前后正常大鼠尿液内源性代谢物在主成分分析图上产生显著分离,人参皂苷组则冷应激前后几乎无分离。从代谢物的角度证实冷应激对动物机体的影响、机体的自我恢复以及人参皂苷的抗应激作用。2.3 液相色谱-质谱联用技术代谢组学研究所用到的三大分析技术中,液相色谱-质谱(LC-MS)联用技术可以说是最晚在代谢组学领域得到开发与利用的,由于LC-MS联用技术本身的强大优势,及其与NMR技术和GC-MS联用技术的互补性,虽然起步较晚,但它的发展速度及应用频率正在大大提高中。LC-MS和GC-MS联用技术都可以同时检测出数百种化合物,包括糖类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量植物的次级代谢产物。但是GC-MS技术需要先对样品进行衍生化预处理,这一步骤耗时而且容易引起样品的变化。而LC-MS技术不受此限制,其与NMR相比又具有经济实用的优点,适用于那些热不稳定、不易挥发、不易衍生化和相对分子质量较大的物质。在代谢组学的研究中,LC-MS已经广泛应用在疾病诊断[15～21]、毒理学分析[22,23]、中药机理方面研究[24,25]、植物代谢组学[26]、物种差异的研究[27]以及微生物代谢物研究[28]等方面。其中,寻找与疾病相关的生物标记物是近年来代谢组学研究中的热门领域,它主要是通过对待测样品与对照样品的LC-