代谢组学研究进展.doc

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1、代谢物组学（metabonomics）一词是英国伦敦大学帝同学院的Nicholson教授于1999年首次提出，指的是通过分析生物的体液、组织中的内源性代谢产物话（metabonome，代谢物组或代谢物图谱）的变化来研究整体的生物学状况和基因功能调节的现代生物医学分支学科。与传统的代谢研究相比，代谢物组学通过现代化学的仪器分析技术检测机体整个代谢产物谱的变化，并通过多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。代谢物组学与细胞代谢物组学（metabolomics）的区别是细胞代谢物组学研究单个细胞或一个相对独立系统中的小分子成分因外界环境改变而发生的代谢变化，主要应用于植物生理和细胞学研

2、究。其实早在20世纪60年代，代谢物组学的核心技术——核磁共振技术（NMR），就已经被应用到代谢研究中。但直到20世纪90年代，随着模式识别分析技术的发展，代谢谱的定量分析才得以实现，并应用于药物和基因功能的研究。利用代谢物组学研究药物对整体的作用主要依赖于多参数检测外源物质攻击所导致的机体新陈代谢改变。这种方法也适合研究基因突变和转基因所产生的代谢改变以及疾病诊断和疗效评价。在药物发现阶段，它可以进行体内毒性研究、先导药物的筛选和目标化合物的优化及体内动物模型的药效筛选。在药物开发阶段，它可以在临床前安全性评价方面进行生物标志物的发现和毒性机制的研究，从而可有效地利用动物模型研究

3、人类疾病的治疗，发现与临床安全性和有效性有关的生物标志物。1研究的对象——生物体液许多生物体液都可以进行代谢物组学研究，包括唾液、血液、血浆、尿液、乳液、脑脊液、组织萃取液等。不同体液的器官分布及功能各不相同，因此包含的代谢产物成分也存在较大差异。每种体液都具有特异性的NMR指纹谱，其中可溶性物质的浓度和分子间的相互作用决定了峰谱的密度和分布。如血浆、脑脊液和尿液的代谢谱能够反映某些药物或某种发生在单一器官或多个器官的疾病所产生的代谢变化。NMR谱很适于体液的生化分析，因为其灵敏度高（检测限达ng级），检测速度快，样品无需预处理，并且几乎所有代谢物都具有特有的1H－NMR谱。利用特

4、定的软件可以很容易地把所有可溶性体液中所存在的最大的障碍信号（水峰谱）除去而不影响结果分析。药物毒性筛选和临床诊断中对体液的要求首先是量足、易得，且对机体不会产生损伤，这样尿液和血浆都适合代谢物组学研究。利用血浆进行代谢物组学研究的样品和常现生化分析以及药动学研究是一致的，而尿液在代谢物组学的研究中有其自身的优点。首先，如果不处死动物，通过静脉血管采集血液将对动物产生损伤和一定程度的应激，影响结果。更为关注的是血液采集的时间和频率的限制，大大影响了血浆大规模的使用；而尿液就不存在以上问题，通过代谢笼可以定时、随时收集尿液，并不会对动物产生任何影响。尿液一维1H－NMR谱图（600M

5、Hz或更大）由成千上万条线组成，其中包含了数千种代谢物。尿液的1H－NMR谱主要由低分子物质组成，因为NMR主要测定的是相对分子质量低于20×104的小分子物质。而血浆中含有大量的高分子物质，像蛋白质和脂蛋白将会产生较宽的信号峰，小分子物质的信号也有可能整合到大分子的信号峰上。这样血浆样品必须经过除蛋白处理，或通过自旋回波（Spin－echo）处理以降低由于蛋白质或其他大分子产生的宽信号峰对实验结果的影响，而这样的处理也会对分析结果产生一定的影响。因此，代谢物组学研究中最常用的体液为尿液。在收集时应该使尿液保持低温，并要添加一定量的防腐剂（一般选用叠氮钠，因为在NMR分析中叠氮钠不

6、会产生有影响的信号）。2研究的核心——核磁共振技术早在20世纪60年代，NMR就已经应用到代谢研究中，但当时质子工作频率低（小于300MHz），能分析的内源性代谢产物较少；随着质子工作频率和测量灵敏度的提高（大于400MHz）以及模式识别技术的发展，NMR技术可分析测定更多的小分子物质，并发展成为代谢物组学研究的核心技术。对于疾病、毒性反应、基因突变等病理过程引起的复杂的代谢成分改变，NMR无疑是一种非常好的技术手段。首先，NMR是物质分子结构研究中的重要剖析工具，H，F等原子的原子核如同小磁体，当置于外界磁场中时，即按磁场方向取向。NMR谱就是以测定改变这种取向所需要的射频能为基

7、础。其中最常用的是1H－NMR，它能反映有机分子结构中处于不同位置的H原子的信息。在外加磁场的作用下，分子中多个H原子所处的电子环境也完全不同，其共振频率也不相同，因此，其原子就会有不同的化学位移。相反，在不同的分子中，处于相同电子环境的质子（也称等性质子）都有大致相同的化学位移。通过辨析各种质子的吸收峰并根据各自的化学位移，就可初步推断其分子结构。其次，魔角自旋核磁共振技术[magicanglespinning（MAS－NMR）]可用于研究完整组织和细胞的代谢变化，