臨床代謝組學(xué)及其應(yīng)用

王 凱，江 華，陳 偉，彭 謹(jǐn)，曾 俊，2b

(1.川北醫(yī)學(xué)院，四川 南充 637100；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院 a.急診醫(yī)學(xué)與災(zāi)難醫(yī)學(xué)研究所創(chuàng)傷代謝組多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室；b.創(chuàng)傷外科，四川 成都 610072；3.北京協(xié)和醫(yī)院腸外與腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)科，北京 100730)

臨床代謝組學(xué)及其應(yīng)用

王 凱1，2a，江 華2a，2b△，陳 偉3，彭 謹(jǐn)2a，曾 俊2a，2b

(1.川北醫(yī)學(xué)院，四川 南充 637100；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院 a.急診醫(yī)學(xué)與災(zāi)難醫(yī)學(xué)研究所創(chuàng)傷代謝組多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室；b.創(chuàng)傷外科，四川 成都 610072；3.北京協(xié)和醫(yī)院腸外與腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)科，北京 100730)

臨床代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)研究重要的組成部分，定量定性分析機(jī)體受到刺激或者疾病擾動(dòng)前后小分子代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化，研究機(jī)體整體代謝網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)的一門技術(shù)。最近幾年，其在疾病研究、藥物毒性分析、臨床營(yíng)養(yǎng)研究，以及在細(xì)胞代謝組學(xué)等領(lǐng)域飛速發(fā)展，但是對(duì)臨床生物樣本的精確定性識(shí)別和定量計(jì)算仍然需要進(jìn)一步突破。使用恰當(dāng)?shù)姆绞綄⒋x組學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化，從而建立恰當(dāng)?shù)臏y(cè)度空間是未來(lái)綜合系統(tǒng)代謝組學(xué)發(fā)展方向。

臨床代謝組學(xué)；核磁共振；質(zhì)譜；綜合系統(tǒng)代謝組學(xué)；系統(tǒng)生物學(xué)

代謝組技術(shù)肇端于20世紀(jì)90年代中晚期，該概念的提出，應(yīng)歸功于英國(guó)曼切斯特大學(xué)的Steven G.Oliver和倫敦帝國(guó)理工學(xué)院Nicholson JK，前者于1998年創(chuàng)立了metabolomics這一概念[1，2]，后者被認(rèn)為于1999年創(chuàng)立了metabonomics的概念。

1 代謝組學(xué)發(fā)展概況

代謝組學(xué)是在多種物理化學(xué)和分析化學(xué)的技術(shù)平臺(tái)上發(fā)展起來(lái)的，這些技術(shù)平臺(tái)包括：核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、質(zhì)譜(mass spectrometry，MS)和多種色譜。通過(guò)單獨(dú)或聯(lián)合應(yīng)用這些技術(shù)手段，研究者能夠?qū)ι矬w代謝過(guò)程中的各種化合物進(jìn)行全面和定量分析[4～9]。不同于經(jīng)典、針對(duì)單一代謝產(chǎn)物和代謝通路的檢測(cè)技術(shù)(如同位素示蹤)，代謝組技術(shù)可以通過(guò)一次采樣，獲得數(shù)以百計(jì)的體內(nèi)代謝化合物的定量數(shù)據(jù)。相較于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)，代謝組學(xué)關(guān)注的是基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的最終作用產(chǎn)物，對(duì)患者整體代謝體系進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)分析體液組成，獲取在疾病過(guò)程中具有特異性的代謝產(chǎn)物“生物標(biāo)志物”，幫助了解病變過(guò)程中機(jī)體代謝的改變，輔助臨床診斷和治療，其臨床應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了證實(shí)。

總結(jié)起來(lái)，與傳統(tǒng)的各種組學(xué)(基因組、轉(zhuǎn)錄組及蛋白組)技術(shù)相比，代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)包括[10～12]：代謝產(chǎn)物的檢測(cè)更容易；代謝物的種類遠(yuǎn)少于基因和蛋白的種類；代謝產(chǎn)物在所有個(gè)體內(nèi)都是類似的，樣品方便易得，可較為容易地實(shí)現(xiàn)物種間代謝網(wǎng)絡(luò)比較研究；對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的研究不僅涵蓋了機(jī)體自身代謝過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，還隱含了對(duì)外界環(huán)境(如食物、藥物等)作用于機(jī)體的探索；很多復(fù)雜疾病(如代謝綜合征、肥胖、心血管疾病、癌癥等) 的發(fā)病機(jī)制和過(guò)程主要反映在代謝物網(wǎng)絡(luò)上，且在基因水平上的機(jī)制性變化，最終的調(diào)控還是要反映在代謝網(wǎng)絡(luò)上。

2 代謝組學(xué)的兩大主要分析平臺(tái)

2.1 NMR NMR分析是源自于物理化學(xué)和量子物理學(xué)的一項(xiàng)技術(shù)。最先發(fā)展出來(lái)的用于生物樣本的NMR波譜分析技術(shù)，是基于1 h核的1 h-NMR，由該技術(shù)兼具良好的靈敏度，很好的定性能力、成本低廉、測(cè)試快速、樣品制備簡(jiǎn)單等多種優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，其他NMR核(如13C、31P、15N)也隨著儀器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步而陸續(xù)被引入臨床代謝組學(xué)研究領(lǐng)域。

NMR技術(shù)在臨床研究和應(yīng)用中獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)包括：①可以同時(shí)提供待測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量信息；②能以完全無(wú)損的方式對(duì)組織和體液進(jìn)行分析測(cè)試。這意味著NMR測(cè)試過(guò)的樣品還可用于其他技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)樣本，同時(shí)用于多個(gè)研究目的”，重現(xiàn)性強(qiáng)。

更為重要的是，NMR代謝組學(xué)技術(shù)從其誕生之日起，就以模式識(shí)別技術(shù)作為其數(shù)據(jù)分析的基本理論，在現(xiàn)今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，其優(yōu)勢(shì)更為突出。代謝物的集合，可以視為一種本體，可以視為超越了物種、基因、細(xì)胞、以及組織的獨(dú)立分析對(duì)象。隨著數(shù)學(xué)分析工具更進(jìn)一步的滲透，NMR代謝組學(xué)最有可能成為將基礎(chǔ)研究與臨床研究連接在一起的方法學(xué)框架，并由之而成為新一代智慧檢驗(yàn)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)性平臺(tái)。

最新開(kāi)發(fā)出的定量核磁絕對(duì)濃度應(yīng)用軟件，不需要內(nèi)部對(duì)照品或者外部電子標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，只需用已知濃度樣品做一次校正便可以對(duì)不同濃度的未知樣品在不同脈沖角度下采集的數(shù)據(jù)來(lái)確定積分區(qū)域，其所呈現(xiàn)的積分?jǐn)?shù)值能反映待測(cè)物質(zhì)的絕對(duì)濃度。此外，Liu等[13]發(fā)明了一種新的核磁定量處理圖譜時(shí)自動(dòng)積分的方法，大大縮短了測(cè)定大批量樣品時(shí)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，并提高了分析效率。

2.2 MS MS是另一大類常用的代謝組學(xué)檢測(cè)平臺(tái)。其原理是通過(guò)測(cè)量離子質(zhì)荷比的方法，使待測(cè)樣品中各組的分子源發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器，在質(zhì)量分析器中，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，確定待檢物分子量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢物的定性。

MS技術(shù)主要的是一種定性鑒定技術(shù)，在單純品有機(jī)分子的鑒定方面發(fā)揮了極為重要的作用。它能快速準(zhǔn)確測(cè)定單純品生物分子的分子量，尤其是生物大分子。因此其是蛋白質(zhì)組學(xué)研究中最為重要的工具，已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)了多種蛋白質(zhì)從一級(jí)結(jié)構(gòu)到高級(jí)結(jié)構(gòu)的鑒定。已發(fā)表的代謝組學(xué)研究中，基于MS平臺(tái)技術(shù)的和基于NMR平臺(tái)技術(shù)的，各占半壁江山。但與NMR技術(shù)相比，MS技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是樣本制備程序較為繁瑣、對(duì)樣本具有破壞性，已經(jīng)檢測(cè)過(guò)的樣本、無(wú)法再用于其他技術(shù)平臺(tái)分析，對(duì)生物樣品的重現(xiàn)性劣于NMR、對(duì)混合物的分析測(cè)試能力較弱、且只能作為定性工具，若要實(shí)現(xiàn)定量，必須與氣相色譜(GC)或液相色譜(LC)聯(lián)用，更增加應(yīng)用的繁瑣性。這樣就限制了其在臨床研究條件下的普及應(yīng)用。

2.3 NMR數(shù)據(jù)預(yù)處理、代謝物波譜分析及模式識(shí)別 NMR原始數(shù)據(jù)是時(shí)間域上的音頻信號(hào)，這些元數(shù)據(jù)不能用于模式識(shí)別分析，需要處理后方可做進(jìn)一步分析。預(yù)處理的方法首先是對(duì)所有的譜圖進(jìn)行相位調(diào)節(jié)與基線校正，然后對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。通常，氫原子空間分布復(fù)雜的化合物有可能對(duì)應(yīng)多個(gè)波峰，因此需利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立起波譜和物質(zhì)之間的恰當(dāng)?shù)膶?duì)應(yīng)關(guān)系，此即“峰匹配”。等距離桶狀積分是代謝組學(xué)的研究中對(duì)NMR波譜進(jìn)行峰匹配的最常見(jiàn)技術(shù)，其主要的目的是降低連續(xù)的波譜信號(hào)維數(shù)，并且同時(shí)減少化學(xué)位移漂移的影響。

一張一維1 h-NMR譜圖就可能含有幾千條譜線，從中抽提對(duì)于研究或臨床診斷有價(jià)值的信息是任何代謝組實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。代謝譜的差異，事實(shí)上體現(xiàn)為波譜線的差異。進(jìn)而言之，這些變異有的是來(lái)自于機(jī)體代謝本底的不同，有的則是由疾病造成的。由于這幾千條譜線的差異不可能都與研究者關(guān)注的疾病相關(guān)，因此，如何抽提出對(duì)于樣本整體變異貢獻(xiàn)最大的一系列譜線就是代謝組研究的重點(diǎn)。這一信號(hào)識(shí)別的過(guò)程，首先要利用數(shù)據(jù)降維的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)降維的核心原理是將n維空間的圖景在2維或3維空間顯示出來(lái)，并盡可能避免原n維空間中分類信息的丟失。數(shù)據(jù)降維，首先是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)監(jiān)督的模式分析，然后選定某一類樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，再對(duì)變量進(jìn)行加權(quán)處理，選定主成分建模的主成分?jǐn)?shù)目，最后利用有有監(jiān)督統(tǒng)計(jì)方法判別未知樣本。

3 臨床代謝組學(xué)研究的最新應(yīng)用

3.1 疾病研究 代謝組學(xué)廣泛應(yīng)用于與疾病早期診斷相關(guān)的代謝標(biāo)記物，通過(guò)對(duì)代謝物波譜的分析從而對(duì)疾病進(jìn)行早期診斷及治療。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Nicholson等利用快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜技術(shù)，對(duì)外科手術(shù)中電刀切割時(shí)釋放的氣霧(“煙”)進(jìn)行分析?？蓹z測(cè)出正常組織、原發(fā)性腫瘤和轉(zhuǎn)移性腫瘤組織的脂類代謝差別。此技術(shù)與外科電刀聯(lián)接后，就被開(kāi)發(fā)成為一種可用于術(shù)中組織快速診斷的工具，被稱為智能刀(intelligent knife，iKnife)。Nicholson等對(duì)302個(gè)患者的各種組織樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，建立起1624種癌組織和1309種非癌組織數(shù)據(jù)庫(kù)?？蔀橥饪漆t(yī)師精準(zhǔn)切除腫瘤組織提供了有力的支持[14]。四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院創(chuàng)傷代謝組多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室則建立了基于1 h-NMR技術(shù)的脊髓創(chuàng)傷后隨時(shí)間變化的大鼠血漿代謝指紋圖譜的方法[15，16]。使用該方法，可利用代謝輪廓對(duì)損傷后不同時(shí)間點(diǎn)的機(jī)體狀況進(jìn)行區(qū)分，并且篩選出可用于作為標(biāo)定脊髓損傷后傷情隨時(shí)間演化的代謝標(biāo)記物。建立的回歸方程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傷情精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和預(yù)后預(yù)測(cè)。此外，近年來(lái)還有不少基于代謝組學(xué)技術(shù)建立的對(duì)臨床重要疾病的研究，例如中國(guó)科學(xué)院大連物理化學(xué)所許國(guó)旺課題組基于正相液相色譜/電噴霧線性離子阱質(zhì)譜法，建立了可用于識(shí)別2型糖尿病的體液代謝指紋圖譜，并篩選出4種可用作為生物標(biāo)記物的磷脂分子[17]。同時(shí)，該課題組基于固相萃取-高效液相色譜(SPE-HPLC)，建立了腫瘤患者的尿液中核苷酸代謝輪廓分析方法，用于建立腫瘤患者與健康對(duì)照組尿液中核苷的水平和排放模式[18]。其檢測(cè)惡性腫瘤的敏感性高于臨床應(yīng)用的腫瘤標(biāo)記物。在肝癌與肝硬化患者研究中應(yīng)用基于液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用的方法，可以在健康人群中將肝癌及肝硬化患者進(jìn)行有效的區(qū)分，且肝癌診斷中肝硬化及肝炎患者的假陽(yáng)性率降低為7.4%[19]。

3.2 藥物毒性分析 最早開(kāi)始對(duì)藥物毒性分析的是Nicholson實(shí)驗(yàn)室，他們利用基于NMR的代謝學(xué)和模式識(shí)別技術(shù)對(duì)藥物毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析[20，21]。利用動(dòng)物體液及組織的NMR圖譜對(duì)百余種典型藥物的毒性進(jìn)行了研究。可以判斷出毒性影響動(dòng)物的組織器官和位點(diǎn)，推測(cè)出藥物的作用機(jī)制，并確定毒性相關(guān)的標(biāo)記物，建立毒物影響動(dòng)物內(nèi)源性代謝產(chǎn)物隨時(shí)間變化的軌跡及可供毒性預(yù)測(cè)的專家系統(tǒng)。代謝組學(xué)技術(shù)在藥理學(xué)的重要應(yīng)用還體現(xiàn)在對(duì)中藥中的單體成分毒性評(píng)價(jià)：如探索常見(jiàn)重要毒性成分馬兜鈴酸腎損害的機(jī)制，主要是經(jīng)由抑制三羧酸循環(huán)造成的[22]。王清秀等對(duì)經(jīng)大黃素處理的大鼠尿液、血漿和腎臟組織進(jìn)行研究，證明尿液中葡萄糖及氨基酸水平升高，其可作為腎小管損傷的標(biāo)記物[23]。而Mally等利用1 h-NMR代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)腎功能損傷的標(biāo)記物進(jìn)行了研究，在FeNTA和溴化鉀引起小鼠腎功能損傷的兩種模型中，證明了4-羥基-2(E)-壬醛基-巰基尿酸(HNE-MA)作為腎功能損傷標(biāo)記物的可行性[24]。

3.3 臨床營(yíng)養(yǎng)研究 眾所周知，臨床營(yíng)養(yǎng)是20世紀(jì)后半葉興起的多學(xué)科交叉專業(yè)，其研究的核心關(guān)鍵問(wèn)題即是營(yíng)養(yǎng)素-代謝網(wǎng)絡(luò)的相互作用，是代謝組學(xué)技術(shù)具有比較優(yōu)勢(shì)的學(xué)科之一。目前代謝組學(xué)在臨床營(yíng)養(yǎng)研究中的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：①營(yíng)養(yǎng)素和膳食干預(yù)研究；②膳食標(biāo)志物的研究；③飲食相關(guān)疾病的研究[25]。營(yíng)養(yǎng)素和膳食干預(yù)研究主要是確立干預(yù)的作用機(jī)理以及怎樣影響代謝途徑。例如，關(guān)于黑巧克力對(duì)機(jī)體代謝物影響的研究表明，進(jìn)食黑巧克力后可以減少壓力相關(guān)的代謝產(chǎn)物(甘氨酸、脯氨酸、β丙氨酸和檸檬酸鹽等)[26]。一項(xiàng)33名絕經(jīng)期后婦女進(jìn)食全麥黑麥面包或精制小麥面包的NMR研究顯示，進(jìn)食全麥黑麥面包的人群血樣中支鏈氨基酸減少(亮氨酸和異亮氨酸)，而NN-二甲基甘氨酸升高[27]。最近關(guān)于嬰兒喂養(yǎng)方法的一項(xiàng)研究證明了NMR代謝組學(xué)在揭示膳食成分有益作用的分子機(jī)制中的強(qiáng)大作用[28]。通過(guò)分析母乳和標(biāo)準(zhǔn)喂養(yǎng)嬰兒的尿液NMR波譜，研究者們發(fā)現(xiàn)一系列蛋白質(zhì)和脂類代謝相關(guān)的代謝產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)喂養(yǎng)的嬰兒尿液中有增高。飲食標(biāo)記物在改進(jìn)飲食評(píng)估方法上的作用已經(jīng)被廣泛認(rèn)可，并且被臨床營(yíng)養(yǎng)學(xué)界認(rèn)為是代謝組學(xué)在本領(lǐng)域最具潛力的應(yīng)用方向之一[29]?；贜MR代謝組學(xué)的研究已可鑒定出人類在進(jìn)食肉類后具有特征性的代謝相關(guān)標(biāo)記物，包括肌酐、肌酸、肉堿、肌肽、牛磺酸、1-甲基組氨、3-甲基組氨及氧化三甲胺(Trimethylamine oxide，TMAO)等。其中，TMAO在其他研究中也被證實(shí)與肉類代謝相關(guān)，表明TMAO可以作為飲食中蛋白質(zhì)的標(biāo)記物。最近的一項(xiàng)基于NMR波譜評(píng)估高蛋白與低蛋白飲食代謝的研究證實(shí)尿樣中TMAO與尿氮排泄呈高度相關(guān)性[30]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，支鏈氨基酸與胰島素抵抗和2型糖尿病之間存在相關(guān)性[31]。在一項(xiàng)1680例患者的研究中，NMR定量分析支鏈氨基酸顯示出其循環(huán)水平可預(yù)測(cè)胰島素抵抗風(fēng)險(xiǎn)[32]。

3.4 細(xì)胞代謝組學(xué) 目前，多種代謝組學(xué)技術(shù)已經(jīng)用于建立造血細(xì)胞的生理狀態(tài)和人類造血系統(tǒng)疾病下的代謝圖譜。年輕和衰老的普通紅細(xì)胞的代謝分析可以顯示代謝產(chǎn)物的水平與鐮狀紅細(xì)胞病直接相關(guān)[33]。高解析NMR波譜被用于鑒別人結(jié)直腸腺癌細(xì)胞(Caco-2)細(xì)胞的分化程度，結(jié)果顯示分化的細(xì)胞中代謝產(chǎn)物存在明顯差異[34]。大多數(shù)代謝產(chǎn)物存在于早期未分化細(xì)胞和晚期分化細(xì)胞中，某些特定的代謝產(chǎn)物顯著的變化，特別是肌醇和?；撬帷Ｈ欢?，建立細(xì)胞代謝的綜合表征是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，因?yàn)閮?nèi)源性代謝物在物理和化學(xué)性質(zhì)上的巨大差異。目前，大量代謝物的化學(xué)性質(zhì)仍然不明確，加上標(biāo)準(zhǔn)的萃取及分離方法還存在問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)化合物不易獲得、數(shù)據(jù)庫(kù)尚未完善及代謝途徑還未理清，這些問(wèn)題導(dǎo)致映射和解釋相應(yīng)的標(biāo)記物存在相當(dāng)大的困難。

4 從代謝型到復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)分析

Modi等利用網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)演繹了大腸桿菌中sRNAs的相互調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，顯示出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析能夠識(shí)別sRNAs的生物功能[35]。Chen等利用腫瘤細(xì)胞構(gòu)建起凋亡的蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)，分析并證明了3個(gè)潛在的藥物靶點(diǎn)[36]。這些研究表明針對(duì)代謝復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘可以找到有生物功能的藥物靶點(diǎn)。其原理為，基因、蛋白質(zhì)、小分子代謝物之間通過(guò)相互結(jié)合、解離和相互催化形成了一套異常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。本課題組確定嚴(yán)重的脊髓損傷的代謝物后，在整體代謝網(wǎng)絡(luò)上查找代謝作用和相互作用，從而開(kāi)發(fā)出的三步法，簡(jiǎn)述如下[16]：①利用人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)(the human metabolome database，HMDB)的代謝通路功能，檢索催化特定代謝物的酶類；②在京都基因與基因組百科全書(shū)(Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG)數(shù)據(jù)庫(kù)中反查出相應(yīng)的酶類所在的代謝途徑；③使用Matlab的KEGG API工具包繪制受損傷影響的代謝網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)圖。最終基于1 h-NMR譜構(gòu)建出一個(gè)以代謝為基礎(chǔ)的，具有臨床應(yīng)用前景的脊髓損傷的嚴(yán)重程度定量評(píng)價(jià)模型，建立了一套集成了代謝組學(xué)分析與代謝網(wǎng)絡(luò)分析的新方法。從本體代謝提取顯著改變的代謝物并映射到一個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)生這些代謝物的酶也被確定，并包括在網(wǎng)絡(luò)中。在損傷后受到干擾的主要代謝路徑包括：①視黃醛(維生素A)和視黃酸(RA)代謝；②甘油磷脂和花生四烯酸(AA)代謝；③NAD-NADPH轉(zhuǎn)化過(guò)程；④酪氨酸代謝；⑤尸胺和腐胺代謝；⑥醚和醇的代謝紊亂。

5 NMR代謝組學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與解決方法

基于NMR的代謝組學(xué)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也面臨著巨大挑戰(zhàn)。此即對(duì)臨床生物樣本的精確定性識(shí)別和定量計(jì)算。臨床代謝組研究使用的標(biāo)本，是血漿、尿液等生物體液，其每一份標(biāo)本，都是一個(gè)由上百種單體化合物構(gòu)成的復(fù)雜體系。對(duì)一位波譜學(xué)家而言，面對(duì)混合物，他通常會(huì)先對(duì)其進(jìn)行單分子分離純化，再進(jìn)行NMR掃描鑒定結(jié)構(gòu)，通常不會(huì)一次性對(duì)混合體系進(jìn)行掃描[9～13]。然而，臨床代謝組研究的要求迥異于此：我們面臨的標(biāo)本，不僅種類繁多，需要逐個(gè)進(jìn)行分離純化，成本巨大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，有些研究者已經(jīng)開(kāi)展了探索。一種思路是提高設(shè)備探測(cè)精度和聯(lián)用多種平臺(tái)。例如，2015年Miao等[37]利用HPLC和微探頭NMR聯(lián)用技術(shù)分析復(fù)雜生物體液及組織。在小鼠尿液和排泄物中分別鑒定出83種和73種代謝產(chǎn)物，其中各有40種和45種代謝產(chǎn)物是在常規(guī)NMR技術(shù)下無(wú)法分離出來(lái)的。但即使如此，對(duì)代謝譜中許多可見(jiàn)峰無(wú)法鑒定。因此，解決臨床體液標(biāo)本的NMR波譜精準(zhǔn)鑒定，是下一代代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)展的核心關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，從儀器設(shè)計(jì)進(jìn)路提出了一種可能的解決方案，此即不斷提高NMR的場(chǎng)強(qiáng)，目前已問(wèn)世的頂級(jí)NMR波譜儀，其場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)高達(dá)1.1 GHz。然而，這類儀器價(jià)格極為昂貴，且與之相配合的物質(zhì)解析算法尚不成熟，不適合推廣應(yīng)用。破解這一難題，需要另辟蹊徑。

基于上述認(rèn)識(shí)我們提出了一種全新的解決問(wèn)題的思路：引入計(jì)算數(shù)學(xué)工具實(shí)現(xiàn)工程解。欲要使用代謝型來(lái)描述疾病過(guò)程，先決條件是一定要建立合適的度量空間，從而才能在此空間中建立動(dòng)力系統(tǒng)。進(jìn)而將疾病的演變問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一類軌道的描述問(wèn)題[38]。進(jìn)而可使用計(jì)算數(shù)學(xué)的理論和技術(shù)建立新一代代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析理論與技術(shù)工具。最終將代謝組學(xué)技術(shù)與其他多種組學(xué)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一起，形成一種系統(tǒng)性的疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究范式。

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Clinical metabolomics and its application

WANG Kai1，2a，JIANG Hua2a，2b，CHEN Wei3，PENG Jin2a，ZENG Jun2a，2b

衛(wèi)生部急診醫(yī)學(xué)國(guó)家臨床重點(diǎn)專科建設(shè)項(xiàng)目、四川省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：SZ20120209，2011SZ0336，2015SZ0110)及成都市科技局人口與健康項(xiàng)目(編號(hào)：12PPYB181SF-002，11PPYB009SF-289)

R0657.61；R-33；R34；R446

B

1672-6170(2015)06-0160-05

2015-06-21；

2015-09-11)

△通訊作者