代谢组学在医药领域的应用与进展一、学习指导1. 学习代谢组学的概念及内涵，掌握代谢组学的研究对象与分析方法。2. 熟悉代谢组学数据分析技术手段3. 了解代谢组学优势特点4. 了解代谢组学在医药领域的应用5. 了解代谢组学发展趋势二、正文基因组功能解析是后基因组时代生命科学研究的热点之一，由于基因功能的复杂性和生 物系统的完整性，必然要从“整体”层面上来理解构成生物体系的各个模块功能。随着新的测 量技术、高通量的分析方法、先进的信息科学和系统科学新理论的发展，加上生物学研究的 深入和生物信息的大量积累，使得在系统水平上研究由分子生物学发现的组件所构成的生命 体系成为可能1。系统生物学家们认为，将生命科学上升为“综合”科学的时机已经成熟，生 命科学再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物学时代进入到系统生物学时代2。系 统生物学不同以往的实验生物学仅关注个别基因和蛋白质，它要研究所有基因、蛋白质，代 谢物等组分间的所有相互关系，通过整合各组成成分的信息，以数学方法建立模型描述系统 结构3,4。（一）代谢组学的概念及内涵代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，系统生物学的重要组成部分，也 是目前组学领域研究的热点之一。代谢组学术语在国际上有两个英文名，艮metabolomics和 metabonomics。Metabolomics是由德国的植物学家Fiehn等通过对植物代谢物研究提出来的， 认为代谢组学（metabolomics）是定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代 谢流中所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学5。英国Nicholson研究小组从毒理学角度分析大鼠尿液成份时提出了代谢组学（Metabonomics）的 概念，认为代谢组学是通过考察生物体系受扰动或刺激后（如某个特定基因变异或环境变化 后）， 其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化来研究生物体系的代谢途径的一种技术6 国内的代谢组学研究小组基本用metabonomics一词来表示“代谢组学。严格地说，代谢组学 所研究的对象应该包括生物系统中所有的代谢产物。但由于实际分析手段的局限性，只对各 种代谢路径底物和产物的小分子物质（MW1Kd）进行测定和分析。（二）代谢组学优势特点代谢组学作为系统生物学的一个重要组成部分，代谢组可以更好地反映体系表型生物机 体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，在从基因到性状的生物信息传递链中，机体 需通过不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部以及与外界环境的正常动态平衡 7。DNA、RNA以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础，而代谢物质和代谢表型所 反映的是已经发生了的生物学事件，是基因型与环境共同作用的综合结果，是生物体系生理 和生化功能状态的直接体现。代谢组学放大了基因和蛋白表达的微小变化，从而使检测更容易。细胞的功能在很大程 度上体现于代谢水平的调节，比如某些相关基因的表达谱相似，但代谢物谱或代谢通量（flux） 却差异明显；fluxome是基因组功能的终端体现，在扰动情况下，由于基因或蛋白的补偿 作用，使最终代谢通量维持相对稳定以抵消干扰效应，但代谢物水平却变化显著，因此，细 胞代谢物的浓度改变要比代谢通量变化敏感得多9,10。可见，基因和蛋白表达的细微变化都 可能在相应的代谢物水平上得到放大。代谢组学的研究不需建立全基因组测序及大量表达序列标签（EST）的数据库，且代谢 物的种类要远小于基因和蛋白的数目。与核酸和蛋白质等大分子相比，小分子代谢物的数量 以及空间结构的复杂性要小得多，由于给定的代谢物在每个组织中都是一样的，所以研究中 采用的技术更为通用也更易被人们所接受11。 这对于借助多种甚至是全代谢物系统分析、 快速准确寻找相应的生物标记物和应用代谢组新技术进行代谢表型和功能基因组研究提供 了极大的便利。（三）代谢组学的技术平台及分析方法由于代谢物的多样性，许多分析技术得到广泛应用。最初代谢组学的数据主要来源于核 磁共振光谱学，近来代谢组学运用HPLC-ESI-MS, HPLC和LC/MS/MS结合，HPLC和LC/TOF-MS 结合，HPLC和UPLC/ TOF-MS（超高效液相色谱/时间飞行质谱）结合等方法来进行研究卫.13， MALDI-MS则能够测量出比代谢产物更小的肽和蛋白碎片。质谱作为常见的技术之一，目前 发展了有飞行时间质谱仪TOF-MS、四级杆质谱仪QMS、三重四级杆质谱仪QQQ,其中四级 杆质谱仪QMS最为常见，定量能力突出。一般根据样品的属性和研究目的来选择并综合利 用多种技术平台（图1）。通常情况，研究植物与微生物常使用，HPLC和LC/MS/MS检测代 谢物，而在动物样品的研究中则更多地采用了核磁共振（NMR）技术。质谱与核磁共振技术 分析，这两种分析方法各存在优缺点，其中NMR样品处理方法简单，对化学结构无破坏， 可定量。近年来对同一研究目标联合多种分析方法进行整合，所得结果信息量更加丰富14。图 1 代谢组学常见硬件技术平台代谢组学分析产生的是信息含量丰富的多维数据，由NMR或MS得到组织和体液的谱 峰复杂，仅仅依靠谱图对代谢物进行指认分析是不可能的，因此有必要充分运用化学计量学 理论和多元统计分析新方法对采集的多维海量原始信息进行压缩降维和归类分析，从中有效 挖掘出潜在关联的信息和对代谢分析有用信息。对数据的分析多采用化学计量学的方法15， 并建立专家系统对谱图进行解析，这种统计分析的方法类似于在基因组学、蛋自组学中所采 用的数据处理模式。解决复杂体系中归类问题和标记物鉴别的主要手段是模式识别，模式识 别（Partern Recognization）是通过一系列的试验测量从而建立起数据内部关联的模式来澄清 一个事物、预测它的起源。模式识别方法具有明显的优点，它不需要数学模型，需要的先验知识很少，擅长处理 复杂事物和多源数据，它对所有的数据进行无歧视的分析，因此在代谢物组学研究的数据分 析过程中扮演着重要的角色。无论是内源性物质，还是外源性物质的代谢产物峰，都能进行 全部分析。通常包括监督和非监督两种分类方法，非监督方法不需要有关样品分类的任何背 景信息，而监督分类便于由已知有效推测未知。目前在代谢组学中运用较多的包括主成分分 析（PCA）、层次聚类分析（HCA）、非线性影射（NLM ）等非监督分类方法，以及偏最小 二乘法-判别分析（PLS-DA）、k-最近邻法（KNN）、神经网络（NN）等监督分类方法。在模式识别的各种方法中，主成分分析法（principal components analysis，PCA）是最有 用且最易使用的模式识别技术。经典PCA线性降维的基本思想是对原变量空间进行旋转变换 （方差最大化）以形成新的变量矩阵和误差矩阵，即先计算原变量（n维）相关系数的协方 差矩阵，再按矩阵特征根由大到小顺序确定出原变量线性组合后的新变量主成分，目标是尽 量用较少（一般2或3维）的独立主成分综合体现原多维变量中蕴含的绝大部分（习惯上85%） 整体信息。在代谢组学分析中，常通过PCA得分图（score plot）以获得对样品分类的信息； 通过PCA载荷图（loading plot）以发现可作为生物标记物的变量。数据输出的最终目的是将代谢组数据转化为标准化和统一的格式16。分析仪器直接导 出的元数据（metadata），由于原始谱图的信号量大、噪音复杂、格式各样、尺度迥异、基 线漂移和测试重现性等问题 17 ，不能直接用于模式识别分析，此前须经过原始数据的预处 理，如采用多种方法18，19进行原始图谱的分段积分、滤噪、峰匹配、标准化和归一化等处 理，最后提取出二维数据表形式，即行代表样品或试验数目；列表示相应的单个测定指标（通 常为信号强度等）。（四）代谢组学应用领域4.1. 代谢组学在医学领域的研究应用 代谢组学在医学中的应用主要集中于疾病状态的诊断及疾病发病机制的研究两个领域。由于机体的病理变化，使得机体的代谢产物也产生了某种相应的变化，对这些由疾病引起的 代谢产物的变化进行分析能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径，有助 于发现疾病新的生物标志物和辅助临床的诊断。4.1.1 心脏病 心脏疾病的研究是代谢组学技术研究最多的病种之一，也是相对较为有成就的病种之一Brindle等20应用iH-NMR技术，以血清与血浆为研究对象，对36例严重心血管疾病患者（TVD） 和30例心血管动脉硬化患者进行谢组学研究，结合主成分分析（PCA）等模式识别技术对 心血管疾病及其严重程度进行判别，得到了高于 90%的灵敏度及专一性。该方法具有最小限 度的侵入性，仅需几滴血液，利用核磁共振分析，然后再以计算机模式识别技术加以分类， 就可以区分出心脏病前兆的核磁共振图谱特征模式，优于传统的心血管造影术，用于心血管 检测具有快速、廉价、安全的优点，且不良反应少。而且检测标本（可以是血液、尿液等）无 须特殊的前期处理，可以有效地应用于人群的筛查。Kostar 等21用 1H-NMR 对已经确诊为冠心病的病人全血浆的脂质进行了分析。他们认为 目前严重的冠心病患者都伴随有原生质脂蛋白的改变。iH NMR是一种能够提供快速全面的 分析脂质混合物的新方法，而且这种方法不需要化学变化或试验条件的预处理，对含氢的化 合物均有响应，能对代谢产物大多数化合物进行检测，定量容易，分析方法更加简便快捷。 4.1.2 癌症癌症是世界最难以攻克的疑难杂症之一，早期发现、早期预防、早期治疗是治疗癌症的 最有效方法。沈朋等22研究了乳腺癌患者血清蛋白质和尿代谢物组的变化，发现了乳腺癌 患者体液内化学物质与正常人相比特异性模式差异， Beckonert 等23用 1H NMR 方法观测了 乳腺癌组织中代谢产物的改变。研究发现，活体外NMR技术结合适当的模式识别和可视化 技术可以通过对组织匀浆代谢产物的检测区分不同的组织。研究发现，通过对组织不同代谢 谱图的分析，可以区分不同恶性程度的乳腺肿瘤组织和健康的乳腺组织。4.1.3 高血压原发性高血压中医辨证分为肝火亢盛、痰湿雍盛及阴虚阳亢三型，LU Yi-hong等24应用 GC/MS测定健康人及原发性高血压病人血清内源性代谢物，并用主成分分析（PCA）、偏最小 乘方分析（PLS-DA）和马氏距离（MD）分析他们的代谢谱。PCA和PLS-DA分析的结果表明： 健康人与高血压病人血清代谢谱有明显差异，能够被区分开，而且利用MD不仅可以清晰地 区分上述三种类型的高血压，同时还显示高血压的发展过程。除此以外，代谢组学还参与了糖尿病、脂肪代谢类疾病、肾脏疾病等其他疾病等都得到 广泛的研究25，26，结果都显示了一定的优越性。4.2 代谢组学在药学领域的研究应用代谢组学与药物药效及毒物毒理的筛选和评价、作用机制研究和个性化治疗用药等均密 切相关，在药学领域中有着广泛的应用27。4.2.1 在药物毒物作用机制中的应用药物对疾病的治疗作用应该是使机体代谢网络中的不正常部分正常化，同时又不干扰其 他的代谢途径。而药物作用机制研究的是药物在体内起什么作用和如何起作用。代谢组学通 过研究服药后体内内源性代谢物的变化，直接反映出机体内生物化学过程和状态的变化，探 索代谢指纹图谱变化的原因，进而阐明药物作用靶点和过程，揭示药物作用机制。毒物作用机制的研究就是研究毒物在毒性损伤中所起的作用及其如何发挥作用。传统的 毒理学实验既耗时又难以确定毒物作用机制，而通过某种代谢物变化的特征作为一种特定指 纹来判断毒物作用机制，可以弥补传统研究方法的不足。代谢组学技术应用于毒性作用机制 研究，其基本原理是毒性破坏正常细胞的结构功能，改变代谢途径中内源性代谢物稳态，从 而通过直接或间接效应改变细胞体液成分。生物