代谢组学技术在疾病研究中的应用进展

书书书 分子生物医学 代谢组学技术在疾病研究中的应用进展 孙立业1，2△(综述) ，颜贤忠2※(审校) (1．军医进修学院，北京 100853;2．国家生物医学分析中心，北京 100850) 中图分类号:R446;R33 文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2012)07-0961-03 基金项目:国家自然科学基金(30973676) ;国家“重大新药创 制”科 技 重 大 专 项 (2009ZX09301-002) ;国 家 科 技 重 大 专 项 (2008ZX10002-016) 摘要:代谢组学是后基因时代发展起来的一门新的组学技术，是系统生物学的重要组成部分。 它应用现代的分析技术和数据处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对生命体内的小分子代谢物进行全面研究，揭示机体生命活 动代谢的本质。与基因组学、转录组学、蛋白质组学不同，代谢组学研究的是生物事件的终点，可以 与生物事件建立直接关系。现就代谢组学在疾病诊断、治疗监测、病理研究及器官移植等领域中的 应用予以综述。 关键词:代谢组学;核磁共振;质谱;疾病研究 Recent Development of Metabonomics and Its Applications in Diseases Research SUN Li-ye1，2，YAN Xian-zhong2 ．(1． Chinese PLA Postgraduate Medical School，Beijing 100853，China;2． National Center of Bi- omedical Analysis，Beijing 100850，China) Abstract:Metabonomics is a new " omics" technology emerging after genomics，transcriptomics and pro- teomics in the post-genomic era． It is an important component of systems biology． Metabonomics employs mod- ern analytical technologies and data analysis methods for studying low molecular weight compounds in biologi- cal systems and revealing the nature of metabolism． Unlike other " omics" technologies，metabonomics eluci- dates the end points of biological events and are directly related to biological process． This biotechnology has the potential for significant clinical impact． Here is to make a review on the present status of metabonomics application in disease diagnosis，monitoring therapy，pathophysiology，and organ transplantation etc． ． Key words:Metabonomics;Nuclear magnetic resonance;Mass spectrometry;Disease research 代谢组学(metabonomics /metabolomics)是继基 因组学、转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一 门新的组学技术，四者共同构成系统生物学。1999 年，Nicholson等［1］正式提出代谢组学概念:可以定量 测定生物体系对病理生理刺激或遗传因素改变所产 生的动态多参数代谢应答的一种方法。代谢组学与 其他组学技术有相同之处，即都是从生命系统整体 的角度出发进行研究。同时也具有独特的优势，即 从代谢物层面来探究生命活动，反映的是已经发生 了的生物学事件，直接与生物学功能相关。代谢组 学技术早期主要被应用于植物学、药理学、毒理学及 中医药学，后来才应用于临床研究及营养学等领域。 1 代谢组学技术概述 1． 1 代谢组学样品及化学分析技术 采集待检测 的生物样本，如生物体液(血液、尿液、脑脊液等)、组 织(肝、肾、心等)、细胞及其培养液等并对其进行预 处理以供检测。多种分析手段均可以应用于代谢组 学分析，如磁共振(magnetic resonance，MR)、质谱、光 谱、电化学检测等。目前应用比较广泛的技术手段 主要有 MR［2-4］、气相色谱-质 谱联用［5］和液相色谱-质谱 联用［6-7］。三种方法各有优 缺点，MR 技术的优点在于 对样品无破坏性，样品前处 理简单，对所有组分的检测 无偏向性，快速且价格低廉; 缺点是灵敏度较低。气相色 谱-质谱联用和液相色谱-质 谱联用的优点在于分辨率和 检测灵敏度较高，质谱技术 的重现性及不同组分离子化 程度的不同成为影响实验结 果的主要因素。在研究中需要灵活地选用合适的分 析手段，或将MR和质谱方法结合应用，取长补短，得 到更多的代谢物信息。 1． 2 数据分析 代谢组学的数据分析目前多采用 模式识别技术，如主成分分析法、偏最小二乘法(par- tial least squares，PLS)、正交信号校正法及近几年新 近发展起来的将正交信号校正与 PLS 结合起来的正 交偏最小二乘法(OPLS)。其中主成分分析法最为 简单，是一种非监督方法，反映数据的原始情况，可 以有效发现并剔除异常样本，当样本组间差异较小 而组内差异较大时则难以得出正确结论;PLS 是一种 可监督方法，人为加入分组变量，可以弥补主成分分 析法的不足，强化组间差异;正交信号校正法用来滤 除与研究对象无关的噪声，进一步强化对分组有意 义的变量。OPLS则是 PLS 的一种扩展，其整合了正 交信号校正法并对 PLS 方法进行了改进［8］，使数据 分析更为准确和更具针对性，目前 OPLS 方法在代谢 组学中的应用越来越广泛。 2 代谢组学技术在疾病研究领域的应用 生物体是一个完整的系统，生物体液、细胞和组 织中的代谢物处于一个动态平衡的状态，当疾病出 现时，病理紊乱就会引起一些内源性代谢物的种类 ·169·医学综述 2012 年 4 月第 18 卷第 7 期 Medical Recapitulate，Apr． 2012，Vol． 18，No． 7 及浓度等发生改变。这些变化都可以应用代谢组学 技术来进行全面分析，从而为临床的诊疗提供依据。 目前，代谢组学应用于疾病领域的研究已非常广泛， 涉及临床诊断、治疗监测、病理研究、器官移植等多 个方面。 2． 1 代谢组学技术在临床诊断中的应用 任何疾 病的发生均会引起机体产生相应的代谢变化，通过 代谢组学的研究，找出相关代谢标志物并建立科学 的诊断模型，对于疾病诊断与分型是非常有意义的。 2002 年，Brindle等［2］首先报道了应用代谢组学 技术研究心血管疾病患者的血清和血浆的 MR谱图， 结合模式识别技术建立了判别心血管疾病及其严重 程度的新诊断方法。Wu 等［9］采用气相色谱-质谱联 用的代谢组学技术对肝癌患者的血清和尿液进行分 析，得到 18 种尿液代谢标志物，结合血清中传统标 志物甲胎蛋白值建立诊断模型，大大提高了临床诊 断的准确性。Wen等［10］采用基于 MR的代谢组学技 术研究了 17 例胆管癌患者和 21 例良性胆管疾病患 者血清及胆汁中的代谢物变化，结合“留一法”建立 诊断模型，对于胆管癌诊断的灵敏度和特异度分别 达到 88%和 81%。Holmes 等［11］采用基于 MR 的代 谢组学技术对精神分裂症患者的脑脊液进行了分 析，结合模式识别技术建立模型，诊断灵敏度和特异 度分别为 82% 和 85%。除此之外，还有研究利用 MR的代谢组学技术检测脑脊液，有助于识别诊断动 脉瘤蛛网膜下腔出血以及脊柱裂［12-13］，利用 MR 联 合质谱技术手段检测血液中磷脂的变化则有助于类 风湿性关节炎及创伤性关节炎的鉴别诊断［14］。 2． 2 代谢组学技术在治疗监测中的应用 在临床 治疗过程中，选择有效的监测手段对患者的治疗情 况进行评估是非常重要的，可以帮助医师及时调整 合适的治疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 从而减轻患者的痛苦。治疗措施对 机体功能的改变将会最终体现在机体代谢物的变化 上，因此应用代谢组学技术对临床治疗效果进行监 测无疑是一种既灵敏又快捷的方法。 Paige等［15］应用气相色谱-质谱联用技术对 9 例 抑郁症老年人，11 例缓解期抑郁症老年人和 10 例正 常老年人的血浆进行了代谢组学分析，发现抑郁症 老年人与正常老年人的差异主要体现在脂肪酸、甘 油和氨酪酸上，而缓解期抑郁症老年人血清的代谢 物含量与正常老年人相比较为接近，说明抗抑郁药 纠正了一些由疾病引起的异常代谢通路，对抑郁症 起到了一定的治疗作用。Liang 等［16］应用基于超高 效液相色谱-飞行时间质谱的代谢组学技术研究了人 参、丹参和中药“双龙”模式对于心肌梗死大鼠的治 疗效果，结合主成分分析法和 PLS-DA 模式识别方法 发现中药“双龙”模式对于治疗心肌梗死的效果优于 人参和丹参，并且通过分析尿中三羧酸循环和戊糖 磷酸途径变化了解到“双龙”模式治疗心肌梗死的机 制可能是减少了心肌梗死对于心脏的损伤。 2． 3 代谢组学技术在病理机制研究中的应用 疾 病在发生发展过程中，机体会对其作出相应的反应， 代谢组学就是通过对与某一疾病相关的代谢物变化 加以分析，来帮助人们更好地理解病变过程及机体 内物质的代谢途径变化，从而更好地对疾病机制进 行研究。 Sengupta等［17］应用 MR的代谢组学技术研究了 疟疾发展进程中对宿主(BALB /c 小鼠)机体各器官 的代谢影响，发现感染疟疾的小鼠肝内多条代谢途 径异常，包括犬尿喹啉酸代谢、糖代谢、脂代谢、氨基 酸代谢等。同时，发现疟疾具有明显的雌雄异型性， 雄性小鼠肝内磷脂降解明显而雌性小鼠则没有这一 现象。Lu等［18］采用基于气相色谱-飞行时间质谱的 代谢组学方法研究了转基因自发性高血压模型大鼠- SHR大鼠的代谢机制，研究发现 SHR 大鼠血浆中游 离脂肪酸的水平显著高于正常对照组，且与血压具 有较好的相关性，提示血浆中游离脂肪酸可能是高 血压的潜在代谢标志物。Catchpole 等［19］利用代谢 组学方法对肾细胞癌患者的代谢特征进行研究，发 现了潜在的代谢标志物，如 α-生育酚、马尿酸、肌醇、 1-磷酸果糖、1-磷酸葡萄糖。同时，发现在原位癌向 转移癌发展的进程中，花生四烯酸、脂肪酸类、脯氨 酸、尿嘧啶相关的代谢途径以及三羧酸循环通路可 能与这一过程密切相关，为进一步研究肾细胞癌的 发生及转移机制提供了重要依据。 2． 4 代谢组学技术在器官移植中的应用 在器官 移植中，对器官再灌注损伤和器官功能状态的评价 是监测器官移植的重要指标，之前的研究多局限于 一些已知化合物，如肌酐、葡萄糖等［20］。现代研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，多种代谢物的变化均与器官功能状态有关［21］，如 枸橼酸盐、乳酸盐、组氨酸、甘氨酸等。因此应用代 谢组学技术全面研究器官移植后机体内特异代谢物 变化并找到与器官移植功能变化的相关性具有重要 意义。 Serkova等［22］研究了严重缺血 /再灌注损伤的肾 移植模型鼠的血清和肾组织中的代谢物变化，利用 MR技术检测血清和肾组织中的代谢物，结果发现肾 组织中多不饱和脂肪酸含量降低，尿囊素含量升高， 说明机体氧化应激反应增强。血中氧化三甲胺升 高，说明肾髓质可能受到损伤。2007 年，Serkova 等［23］基于 MR的代谢组学技术研究了肝移植患者机 体的代谢变化，结果显示在肝移植后 2 h的血液中能 ·269· 医学综述 2012 年 4 月第 18 卷第 7 期 Medical Recapitulate，Apr． 2012，Vol． 18，No． 7 够检测到 6 种早期移植肝无功能的代谢标志物，分 别是乳酸、尿酸、脂肪酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸和枸橼 酸。传统方法在肝移植早期往往很难发现有意义的 变化，利用代谢组学技术则可以弥补这一缺陷，及时 检测到肝移植患者早期体内小分子代谢物的变化， 了解移植肝状态，正确调整治疗方式从而提高受者 器官移植后的存活率。此外，还有关于代谢组学应 用于心脏移植的研究［24］。 3 小 结 代谢组学技术在疾病研究领域具有十分广阔的 应用前景，与传统临床化学等研究方法相比，它是以 一种“全局”的研究理念来系统全面地反映生物体的 代谢特征。通过高通量、高分辨率的分析技术，结合 模式识别、专家系统等分析方法从整体上来探讨生 命活动在代谢层面的特征和规律，使代谢物含量变 化与生物表型变化建立直接关系，与基因组学、转录 组学、蛋白质组学相辅相成来共同研究生命现象。 代谢组学技术的应用已非常广泛，在疾病研究领域 的贡献引人关注，具有快速、高效、非侵袭性、高灵敏 度和高特异性的特点。目前，代谢组学正处于快速 发展阶段，许多工作仍需要进一步完善，相信随着分 析手段和数据分析方式的不断完善，代谢组学在未 来必将发挥更广泛的作用。 参考文献 ［1］ Nicholson JK，Lindon JC，Holmes E． 'Metabonomics':understand- ing the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spec- troscopic data［J］． Xenobiotica，1999，29(11) :1181-1189． ［2］ 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