1、 代代 谢谢 组组 学学1生物系统生物系统(机体机体)外部或内部刺激外部或内部刺激知识或模型知识或模型基因基因转录转录翻译翻译代谢代谢基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学数据处理数据处理系统生物学系统生物学:用系统的观点或方法研究生物体系用系统的观点或方法研究生物体系,以获以获得海量数据和生物模型得海量数据和生物模型.其特点是不用单一指标描述生其特点是不用单一指标描述生物体的状态物体的状态,而是用多元数据组进行描述而是用多元数据组进行描述.23一一 代谢组学的基本概念代谢组学的基本概念自自2020世纪末出现基因组学概念以后世纪末出现基因组学概念以后,
2、各种各种”组学组学(-omics(-omics)”)”呈井喷式暴发呈井喷式暴发.有人统计有人统计共有数百种组学问世共有数百种组学问世.l常见的如基因组学常见的如基因组学,蛋白质组学蛋白质组学,转录组学转录组学,代代谢组学谢组学l上述组学还可再分出诸多亚组学上述组学还可再分出诸多亚组学,如肝细胞转如肝细胞转录组学录组学,骨代谢组学等骨代谢组学等41 代谢组的概念代谢组的概念细胞内的生命活动均以代谢为基础，代谢细胞内的生命活动均以代谢为基础，代谢物的变化可更直接反映细胞所处的环境，物的变化可更直接反映细胞所处的环境，如营养状态、药物作用和环境改变等。如营养状态、药物作用和环境改变等。代谢组代谢组l
3、指一个细胞、组织或器官中指一个细胞、组织或器官中,所有代谢产物的所有代谢产物的集合集合,一般指分子量小于一般指分子量小于1000D1000D的物质的物质.52 代谢组学的概念代谢组学的概念在新陈代谢的动态进程中在新陈代谢的动态进程中,系统地研究代系统地研究代谢产物的变化规律谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代揭示机体生命活动代谢本质的科学。谢本质的科学。l 6MetabonomicsMetabonomics -英英 Jeremy K.NicholsonJeremy K.Nicholson 20 20世纪世纪9090年代年代l生命体系对病理生理刺激或遗传改造所产生的生命体系对病理生理刺激或遗传改
4、造所产生的动态动态,多指标代谢响应的定量测定多指标代谢响应的定量测定.MetabolomicsMetabolomics -Oliver Fiehn -Oliver Fiehn 21 21世纪初世纪初l全面定量分析生物体系中的所有代谢产物全面定量分析生物体系中的所有代谢产物.73 代谢组学的发展过程代谢组学的发展过程代谢组学的研究可以追溯至上世纪代谢组学的研究可以追溯至上世纪8080年代。年代。l1970s1970s代谢轮廓分析代谢轮廓分析(Metabolic profiling),(Metabolic profiling),DevauxDevaux等人于上世纪等人于上世纪70 70 年代提出。
5、年代提出。l19851985年年,Nicholson,Nicholson研究小组利用核磁共振研究小组利用核磁共振(NMR)(NMR)技术分析大鼠的尿液技术分析大鼠的尿液,意识到这可能是生命科意识到这可能是生命科学研究的巨大突破学研究的巨大突破.8l1986 1986 年年,Journal of Chromatography A,Journal of Chromatography A 出出版了一期关于版了一期关于Metabolic profiling Metabolic profiling 的专辑。的专辑。l90 90 年代后期年代后期,随着基因组学的提出和迅速发展随着基因组学的提出和迅速发展,
6、Oliver Oliver 于于1997 1997 年提出了代谢组学年提出了代谢组学(metabolomics(metabolomics)的概念的概念 ,之后很多植物化学之后很多植物化学家开展了这方面的研究家开展了这方面的研究.91999 1999 年年Jeremy K.Nicholson Jeremy K.Nicholson 等人提出等人提出metabonomicsmetabonomics 的概念的概念,并在疾病诊断、药并在疾病诊断、药物筛选等方面做了大量的卓有成效的工物筛选等方面做了大量的卓有成效的工作作 ,使得代谢组学得到了极大的充实使得代谢组学得到了极大的充实,同同时也形成了当前代谢组
7、学的两大主流领域：时也形成了当前代谢组学的两大主流领域：metabolomicsmetabolomics 和和metabonomicsmetabonomics。10l一般认为一般认为,metabolomics,metabolomics 是通过考察生物体系是通过考察生物体系受刺激或扰动后受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或如将某个特定的基因变异或环境变化后环境变化后)代谢产物的变化或其随时间的变代谢产物的变化或其随时间的变化化,来研究生物体系的代谢途径的一种技术。来研究生物体系的代谢途径的一种技术。而而metabonomicsmetabonomics 是生物体对病理生理刺激或是生物体对病理生
8、理刺激或基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化基因修饰产生的代谢物质的质和量的动态变化的研究。前者一般以细胞做研究对象的研究。前者一般以细胞做研究对象,后者则后者则更注重动物的体液和组织。更注重动物的体液和组织。114 代谢组学与其他组学关系代谢组学与其他组学关系 基因组学主要研究生物系统的基因结构组基因组学主要研究生物系统的基因结构组成成,即即DNA DNA 的序列及表达。的序列及表达。蛋白组学研究由生物系统表达的蛋白及由蛋白组学研究由生物系统表达的蛋白及由外部刺激引起的差异。外部刺激引起的差异。代谢组学是研究生物体系代谢组学是研究生物体系(细胞细胞,组织或生组织或生物体物体)受外部刺激所
9、产生的所有代谢产物受外部刺激所产生的所有代谢产物的变化的变化。12代谢组学是代谢组学是“组学组学”研究的最终方向研究的最终方向基因组的变化不一定能够得到表达基因组的变化不一定能够得到表达,从而并不对从而并不对系统产生影响。系统产生影响。某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高某些蛋白的浓度会由于外部条件的变化而升高,但由于这个蛋白可能不具备活性但由于这个蛋白可能不具备活性,从而也不对系从而也不对系统产生影响。统产生影响。由于基因或蛋白的功能补偿作用由于基因或蛋白的功能补偿作用,某个基因或蛋某个基因或蛋白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补白的缺失会由于其它基因或蛋白的存在而得到补偿偿,最后
10、反应的净结果为零。而小分子的产生和最后反应的净结果为零。而小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终结果代谢才是这一系列事件的最终结果,它能够更准它能够更准确地反映生物体系的状态。确地反映生物体系的状态。13基因组学告诉你可能发生什么基因组学告诉你可能发生什么蛋白质组学告诉你如何发生什么蛋白质组学告诉你如何发生什么代谢组学告诉你已经发生了什么。代谢组学告诉你已经发生了什么。145 代谢组学优点代谢组学优点l1)1)基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得到放大谢物上得到放大,从而使检测更容易；从而使检测更容易；l2)2)代谢组学的技术不需建立全基因组测序及
11、代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列标签大量表达序列标签(EST)(EST)的数据库；的数据库；l 15l3)3)代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。每个生物体每个生物体(organism)(organism)中代谢产物大约在中代谢产物大约在1010数量级数量级,而最小的细菌而最小的细菌,其基因组中也有几千个其基因组中也有几千个基因；基因；l4)4)因为代谢产物在各个生物体系中都是类似因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的的,所以代谢组学研究中采用的技术更通用。所以代谢组学研究中采用的技术更通用。166 6 生物体系的代谢产物分析的四个层次生
12、物体系的代谢产物分析的四个层次1)1)代谢物靶标分析代谢物靶标分析(Metabolite target(Metabolite target analysis):analysis):对某个或某几个特定组分的对某个或某几个特定组分的分析分析;2)2)代谢轮廓代谢轮廓/谱分析谱分析(Metabolic(Metabolic profiling analysis):profiling analysis):对一系列少数预对一系列少数预设的一些代谢产物的定量分析。如某一类设的一些代谢产物的定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物结构、性质相关的化合物(氨基酸、有机氨基酸、有机酸、顺二醇类酸、顺二醇类)或某一
13、代谢途径的所有中或某一代谢途径的所有中间产物或多条代谢途径的标志性组分析间产物或多条代谢途径的标志性组分析;173)3)代谢组学代谢组学(Metabolomics(Metabolomics):):对某一生对某一生物体或细胞在（限定条件下的特定生物样物体或细胞在（限定条件下的特定生物样品中）所有代谢组分的定性和定量品中）所有代谢组分的定性和定量;4)4)代谢物指纹分析代谢物指纹分析(Metabolic fingerp-(Metabolic fingerp-rintingrinting):):不分离鉴定具体单一组分不分离鉴定具体单一组分,而而是对样品进行高通量的快速定性分析。是对样品进行高通量的快
14、速定性分析。18二二 代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法 代谢组学流程包括代谢组学流程包括l样品的采集样品的采集l预处理预处理l数据的采集数据的采集l数据的分析及解释数据的分析及解释19l研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台研究平台主要由分析技术平台和数据分析平台构成。代谢组学力求分析生物体系构成。代谢组学力求分析生物体系(如体液和如体液和细胞细胞)中的所有代谢产物中的所有代谢产物,所以整个过程中都所以整个过程中都强调尽可能的保留和反映总的代谢产物的信息强调尽可能的保留和反映总的代谢产物的信息。201 1 分析技术平台分析技术平台代谢组学的研究中最常见的分析工具是代谢组学的研究中最常见的
15、分析工具是NMR,NMR,特别是特别是H-NMRH-NMR、1313C-NMRC-NMR、3131P-NMRP-NMRl优点优点对样品的非破坏性、非选择性分析对样品的非破坏性、非选择性分析,满足了代谢满足了代谢组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标。组学中的对尽可能多的化合物进行检测的目标。l缺陷缺陷:灵敏度低灵敏度低分辨率不高分辨率不高l因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的分析因此常导致高丰度的分析物掩盖低丰度的分析物。物。21在植物的代谢组学研究中在植物的代谢组学研究中,主要采用的技主要采用的技术为术为GCGC（气相色谱）（气相色谱）/MS/MS（质谱）。（质谱）。l优势优势能够提供较高
16、的分辨率和检测灵敏度能够提供较高的分辨率和检测灵敏度有可供参考、比较的标准谱图库有可供参考、比较的标准谱图库,可以方便地得可以方便地得到待分析代谢组分的定性结果。到待分析代谢组分的定性结果。l局限性局限性只能对其中的挥发性组分实现直接分析。只能对其中的挥发性组分实现直接分析。22 LC/MS(/MS)LC/MS(/MS)技术逐渐被广泛地用于代谢技术逐渐被广泛地用于代谢组学的研究中组学的研究中 。LC/MS LC/MS 采用采用LCLC作为其主作为其主要的分离手段要的分离手段,增强了其分辨能力增强了其分辨能力,与与MSMS或或MS/MSMS/MS的联用可以得到代谢组分的结构信的联用可以得到代谢组
17、分的结构信息。与息。与GCGC相比相比,预处理相对简单。预处理相对简单。232 2 数据分析平台数据分析平台 在得到分析对象的原始数据后在得到分析对象的原始数据后,首先需要首先需要对各种分析手段得到的原始数据进行处理对各种分析手段得到的原始数据进行处理,得到可用于代谢组学研究的格式。根据各得到可用于代谢组学研究的格式。根据各种分析手段种分析手段(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)(NMR,GC/MS,LC/MS/MS)自自身的特点身的特点,研究者们开发出了相应的算法研究者们开发出了相应的算法对原始谱图的数据进行提取、峰对齐、去对原始谱图的数据进行提取、峰对齐、去噪等处理。然后需要对这些数据
18、进行分析噪等处理。然后需要对这些数据进行分析,挖掘隐含于其中的有用信息。挖掘隐含于其中的有用信息。24模式识别技术主要有模式识别技术主要有模式识别技术主要有非监督和有监督学习模式识别技术主要有非监督和有监督学习方法两种方法两种非监督非监督(un-supervised)(un-supervised)学习方法学习方法l主成分分析主成分分析(Principal Components(Principal Components Analysis,PCA)Analysis,PCA)、l非线形映射非线形映射(Nonlinear Mapping,NLM)(Nonlinear Mapping,NLM)、25有监
19、督有监督(supervised)(supervised)学习方法。学习方法。l簇类分析簇类分析(Hierarchical Cluster Analy(Hierarchical Cluster Analy-sis,HCA)sis,HCA)簇类的独立软模式分类法簇类的独立软模式分类法(Soft(Soft In-dependentIn-dependent Modeling of Class Analogy Modeling of Class Analogy，SIMCA)SIMCA)、PLS-DA PLS-DA (PLS-Discriminant(PLS-Discriminant Analysis)A
20、nalysis)、人工神经网络、人工神经网络(Artificial(Artificial Neural NetworkNeural Network，ANN)ANN)等等26代谢组学的研究方法代谢组学的研究方法分为三阶段分为三阶段l前期前期l中期中期l后期后期27前期前期-样品制备样品制备代谢组学研究常用的检测技术代谢组学研究常用的检测技术,一般不需一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但须立要对标本行特别的分离、纯化等。但须立即阻断内在酶的活性。即阻断内在酶的活性。l最为常用的是最为常用的是冰冻冰冻/液氮降温法液氮降温法冷冻、干燥冷冻、干燥l细胞间仍始终有一低水平的代谢活动细胞间仍始终有一低水
21、平的代谢活动,需尽量需尽量避免氧化等活化因素。避免氧化等活化因素。28中期中期-产物检测产物检测、分析与鉴定分析与鉴定 代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学技术的核心部分技术的核心部分,最常用的方法是有两种最常用的方法是有两种lNMRNMRl质谱质谱(MS)(MS)29(1)核磁共振技术核磁共振技术原理原理l核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定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
22、来获得关于核信息的技术场中的能量变化来获得关于核信息的技术.生生命科学领域中常用的有三种命科学领域中常用的有三种氢谱氢谱(1 1H-NMR)H-NMR)碳谱碳谱(1313C-NMR)C-NMR)磷谱磷谱(3131P NMR)P NMR)l可用于体液或组织提取液和活体分析两大类可用于体液或组织提取液和活体分析两大类30代谢指纹分析代谢指纹分析(metabolic fingerprint analysis)(metabolic fingerprint analysis)氢谱氢谱(1H NMR)(1H NMR)l将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的1
23、1H-NMRH-NMR谱峰与样品中各化合物的氢原子对应谱峰与样品中各化合物的氢原子对应,根根据一定的规则或与标准氢谱比照可以直接鉴定出据一定的规则或与标准氢谱比照可以直接鉴定出代谢物的化学成分代谢物的化学成分,信号的相对强弱则反映了各信号的相对强弱则反映了各成分的相对含量。成分的相对含量。l不同样品的代谢物图谱有其特质性不同样品的代谢物图谱有其特质性,对这种特质对这种特质性进行区分、鉴定性进行区分、鉴定,被称为被称为“代谢指纹分析代谢指纹分析(metabolic fingerprint analysis)”(metabolic fingerprint analysis)”。31代谢谱分析代谢谱
24、分析(metabolic profi(metabolic profi-ling analysis)-ling analysis)NMRNMR对活体内外的非损伤组织、器官进行对活体内外的非损伤组织、器官进行研究。以心脏的磷谱研究为例研究。以心脏的磷谱研究为例,将预处理将预处理的体外灌流心脏直接置于检测区的体外灌流心脏直接置于检测区,持续观持续观察低氧干预下察低氧干预下3131PNMRPNMR谱峰的改变情况谱峰的改变情况,发现发现低氧状况下低氧状况下,P,P3+3+和和MgMg2+2+的含量增加的含量增加,并随低并随低氧的延长而加深、加重。这种分析器官或氧的延长而加深、加重。这种分析器官或组织中某
25、一代谢物或组合随时间变化的情组织中某一代谢物或组合随时间变化的情况况,称之为称之为“代谢轮廓分析代谢轮廓分析(metabolic(metabolic profiprofi-ling analysis)-ling analysis)32NMRNMR技术的优点与缺点技术的优点与缺点 优点优点l无损伤性无损伤性,不破坏样品的结构和性质不破坏样品的结构和性质;l可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近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生理条件的实验;l与外界特定干预相结合与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交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换、运
26、动等代谢产物的变化规律;l实验方法灵活多样。实验方法灵活多样。缺点缺点l仪器价格昂贵仪器价格昂贵l维护费用高维护费用高l灵敏度低灵敏度低33(2)质谱技术质谱技术 原理原理l首先使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同首先使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器离子束，进入质量分析器.在质量分析器中，再利用电在质量分析器中，再利用电场和磁场使离子发生相反的速度色散，将他们分别聚场和磁场使离子发生相反的速度色散，将他们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量焦而得到质谱图，从而确定其
27、质量.色谱和电泳等分色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离分析提供有力的手段，如气相色谱一质谱联用析提供有力的手段，如气相色谱一质谱联用(GC(GC一一MS)MS)，液相色谱一质谱联用液相色谱一质谱联用(Lc(Lc一一MS)MS)和毛细管电泳一质谱联和毛细管电泳一质谱联用用(CE(CE一一MS)MS)等是质谱相关技术中的常见技术，在代谢等是质谱相关技术中的常见技术，在代谢组学的各个领域有广泛的应用组学的各个领域有广泛的应用.34l将预处理的体液或是组织将预处理的体液或是组织(根据实验需要根据实验需要,可将可将组织行甲醇除蛋白、庚
28、烷除脂肪及冻干等处组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处理理),),加至质谱仪加至质谱仪,经历汽化经历汽化,离子化、加速分离离子化、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组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的分子量量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化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。学成分以及半定量关系。35(3)(3)常用的其他一些分析技术常用的其他一些分析技术气相色谱气相色谱(GC)(GC)高效液相色谱仪高效液相色谱仪(HPLC)(HPLC)高效毛细管电泳高效毛细管电泳(HP
29、CE)(HPCE)l往往与往往与NMRNMR或或MSMS技术联用技术联用,进一步增加其灵敏性。进一步增加其灵敏性。l敏感性及分辨率提高敏感性及分辨率提高,“,“假阳性假阳性”率也就越大率也就越大36后期后期-数据分析与模型建立数据分析与模型建立 代谢组学研究的后期需借助于生物信息学代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台平台 借助于一定的软件借助于一定的软件,联合多种数据分析技联合多种数据分析技术术,将多维、分散的数据进行总结、分类将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析及判别分析,发现数据间的定性、定量关发现数据间的定性、定量关系系,解读数据中蕴藏的生物学意义解读数据中蕴藏的生物学意义,阐
30、述其阐述其与机体代谢的关系。与机体代谢的关系。37影响代谢组学分析的主要因素影响代谢组学分析的主要因素生物种属生物种属:l如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差别较如灵长类、啮齿类及兔类尿甘氨酸的量差别较大大;不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒性的易感性也不同性的易感性也不同 性别性别:l雄性波峰的变异性明显高于雌性雄性波峰的变异性明显高于雌性,而前者对药而前者对药物及毒物的敏感性也高物及毒物的敏感性也高38年龄年龄:l在四氯化碳的肝毒性模型研究中在四氯化碳的肝毒性模型研究中,发现发现2828月龄月龄的的F344F344大鼠较大鼠较5 5月龄的敏感性差月龄的
31、敏感性差;并随年龄增长并随年龄增长,尿液中三羧酸的代谢产物也不同尿液中三羧酸的代谢产物也不同;尿中代谢产尿中代谢产物的组成变化还与个体间的健康状况、遗传差物的组成变化还与个体间的健康状况、遗传差异性等密切相关。异性等密切相关。生物活环境生物活环境:l温度、觉醒等刺激温度、觉醒等刺激,甚至周围气候不同、菌群甚至周围气候不同、菌群的改变的改变,代谢组也可发生种类及数量的差别代谢组也可发生种类及数量的差别。39昼夜节律昼夜节律:l昼夜节律更替影响了体内激素水平昼夜节律更替影响了体内激素水平,血清代谢血清代谢谱亦随之变化谱亦随之变化 ;主成分主成分(PCA)(PCA)分析核磁共振分析核磁共振(1H(1
32、H NMR)NMR)谱谱,能很容易识别不同时间点的尿样品能很容易识别不同时间点的尿样品:白白天尿中的牛磺酸、马尿酸、肌酐水平较高天尿中的牛磺酸、马尿酸、肌酐水平较高,而而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相应葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相应较低。较低。饮食饮食:略略 40主成分分析法主成分分析法(PCA)(PCA)-最常用的分析方法最常用的分析方法 将分散于一组变量上的信息集中于几个综将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标合指标(PC)(PC)上上,如糖代谢、脂质代谢、氨如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等基酸代谢等,利用主成分描述机体代谢的利用主成分描述机体代谢的变化情况变化情况,
33、发挥了降维分析的作用发挥了降维分析的作用,避免淹避免淹没于大量数据中没于大量数据中.41其他模式识别技术其他模式识别技术 聚类分析聚类分析辨别式功能分析辨别式功能分析最小二乘法投影法最小二乘法投影法 现实情况下现实情况下,代谢组学的数据更为复杂代谢组学的数据更为复杂,需要借助复杂的模型或是专家系统进行分需要借助复杂的模型或是专家系统进行分析析.42三三 代谢组学的应用代谢组学的应用 发掘疾病新的诊断方法发掘疾病新的诊断方法研究疾病的发病机制研究疾病的发病机制研究疾病发生、发展、恢复的进程研究疾病发生、发展、恢复的进程开发新药开发新药l研究药物的作用机制，评价药物的安全性和有研究药物的作用机制，
34、评价药物的安全性和有效性等效性等 431 1 代谢组学在药物领域中的应用代谢组学在药物领域中的应用 (1)(1)药物筛选药物筛选 l鉴别和确证动物模型鉴别和确证动物模型 代谢物组学研究可以区分不同种属、品系动物模型的代谢物组学研究可以区分不同种属、品系动物模型的代谢状态代谢状态.在实施毒性筛选之前，可以先查清它们的在实施毒性筛选之前，可以先查清它们的生化状态，寻找人类疾病、药效或毒性检验的最适宜生化状态，寻找人类疾病、药效或毒性检验的最适宜的动物模型。的动物模型。代谢物组分析能够区分不同生理因素（饮食、健康状代谢物组分析能够区分不同生理因素（饮食、健康状况、昼夜节律、压力）造成的代谢物组图谱差
35、别，这况、昼夜节律、压力）造成的代谢物组图谱差别，这些差别会与药物造成的细微变化相混淆。例如，些差别会与药物造成的细微变化相混淆。例如，BollardBollard等研究观察到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄等研究观察到雌性大鼠在夜晚的牛磺酸排泄水平增加，而过去牛磺酸尿是作为肝损伤的生物标志。水平增加，而过去牛磺酸尿是作为肝损伤的生物标志。因此，不考虑动物模型生理因素的影响会导致错误的因此，不考虑动物模型生理因素的影响会导致错误的毒性评价。毒性评价。44(2)(2)毒性筛选毒性筛选 l代谢组学有独特的优越性：代谢组学有独特的优越性：代谢组学样品多为外周性生物体液，可以多代谢组学样品多为外周性生物体液
36、，可以多次采样，观察单一动物毒性发作和恢复的全过程。次采样，观察单一动物毒性发作和恢复的全过程。样品处理简单。经某些非破坏性分析技术，样品处理简单。经某些非破坏性分析技术，如如NMR,HPLC,NMR,HPLC,测定后的样品还可用于其他研究。测定后的样品还可用于其他研究。可以较早发现毒性的分子标志物可以较早发现毒性的分子标志物,大大减少药大大减少药物研发消耗。有的制药公司已将该方法纳入药物物研发消耗。有的制药公司已将该方法纳入药物开发方案。另外开发方案。另外,液质联用的应用也获得了初步液质联用的应用也获得了初步探索。探索。45(3)(3)药物作用机制研究药物作用机制研究l如抗糖尿病药罗格列酮对
37、脂质代谢物组在不同的组织如抗糖尿病药罗格列酮对脂质代谢物组在不同的组织分布的影响。观察到血浆中的特定磷脂酰胆碱、三酰分布的影响。观察到血浆中的特定磷脂酰胆碱、三酰甘油、胆固醇酯的总浓度降低，但这些脂类中的棕榈甘油、胆固醇酯的总浓度降低，但这些脂类中的棕榈烯酸烯酸,而棕榈烯酸是肝脂合成增加的标志物，这与肝脏而棕榈烯酸是肝脂合成增加的标志物，这与肝脏中观察到的总三酰甘油蓄积相符。联系到血浆的低三中观察到的总三酰甘油蓄积相符。联系到血浆的低三酰甘油浓度，而且血液中的磷脂酰胆碱和三酰甘油主酰甘油浓度，而且血液中的磷脂酰胆碱和三酰甘油主要由肝脂输出，提示该药抑制小鼠正常的肝脏要由肝脂输出，提示该药抑制小
38、鼠正常的肝脏-血液脂血液脂交换。由代谢组学测定揭示的生化变化可以很容易地交换。由代谢组学测定揭示的生化变化可以很容易地与传统手段（临床化学和组织病理学）的检测结果相与传统手段（临床化学和组织病理学）的检测结果相联系，从而更全面评价药效及不良反应。联系，从而更全面评价药效及不良反应。46(4)(4)新药开发新药开发 l新药研究需要回答两个关键问题新药研究需要回答两个关键问题:一是新药作一是新药作用的靶点是什么用的靶点是什么?二是新药在体内的代谢规律二是新药在体内的代谢规律如何如何?l这些正是代谢组学的优势所在这些正是代谢组学的优势所在.l 47代谢组学还可以用于代谢组学还可以用于l药物相互作用药
39、物相互作用l药物或毒物对靶器官的作用药物或毒物对靶器官的作用l药物临床试验中药效监测药物临床试验中药效监测482 代谢组学在医疗领域中的应用代谢组学在医疗领域中的应用(1)(1)个体化用药个体化用药 l代谢物组可评价当前的健康状况，确定遗传变代谢物组可评价当前的健康状况，确定遗传变异和环境对个体状态的影响异和环境对个体状态的影响 l代谢物组绘图能鉴别个体间的细微生化差异，代谢物组绘图能鉴别个体间的细微生化差异，将单一疾病的不同患者分层，从而细化药物需将单一疾病的不同患者分层，从而细化药物需求求 49(2)(2)疾病诊断疾病诊断-无创诊断无创诊断l建立各种疾病的代谢组学模型建立各种疾病的代谢组学
40、模型诊断标准诊断标准lNMRNMR本身需要从技术层面上提高本身需要从技术层面上提高l降低成本降低成本,使多数人能够接受使多数人能够接受l产前诊断和优生优育产前诊断和优生优育50几个例子几个例子肿瘤肿瘤:l特别是无症状的早期肿瘤特别是无症状的早期肿瘤,尤其需要借助于敏尤其需要借助于敏感性高的综合检测手段。早在感性高的综合检测手段。早在19921992年年,Howells,Howells等便利用核磁共振等便利用核磁共振(1H NMR)(1H NMR)技术联合主成分分技术联合主成分分析析(PCA)(PCA)对脑肿瘤组织进行检测对脑肿瘤组织进行检测,其中脑膜瘤诊其中脑膜瘤诊断的准确率达断的准确率达85
41、%,85%,神经胶质瘤则为神经胶质瘤则为62%.62%.51冠心病冠心病(CHD):(CHD):l Brindle Brindle等将等将X X线血管造影明确诊断的患者进线血管造影明确诊断的患者进行分组行分组,同时用同时用NMRNMR技术分析血清样本技术分析血清样本,建立了建立了合适的模型。借助此模型合适的模型。借助此模型,对于可疑对于可疑CHDCHD患者诊患者诊断的灵敏度高达断的灵敏度高达92%,92%,特异性为特异性为93%93%。52结束语结束语 代谢组学正处于快速发展的阶段。高通量、代谢组学正处于快速发展的阶段。高通量、高分辨率的分析技术高分辨率的分析技术,与生物信息学相整与生物信息学相整合合,为生物代谢层面的研究提供了独特视为生物代谢层面的研究提供了独特视角。代谢组学必将在药物开发、临床诊断角。代谢组学必将在药物开发、临床诊断和预防等方面发挥越来越大的作用。相信和预防等方面发挥越来越大的作用。相信通过我们的努力目标将越来越接近。通过我们的努力目标将越来越接近。53
