代謝組學(xué)技術(shù)及其在藥學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

陳　曉， 李　涵， 陳　曦， 胡　海張紅菱

(1.武漢輕工大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，湖北 武漢430023；2.武漢輕工大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)與護(hù)理學(xué)院，湖北 武漢430023；3.華中科技大學(xué) 同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院，湖北 武漢 430032)

?

代謝組學(xué)技術(shù)及其在藥學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

陳曉1， 李涵3， 陳曦3， 胡海2 ，張紅菱2

(1.武漢輕工大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，湖北 武漢430023；2.武漢輕工大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)與護(hù)理學(xué)院，湖北 武漢430023；3.華中科技大學(xué) 同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院，湖北 武漢 430032)

摘要：代謝組學(xué)是近年來興起的一門學(xué)科，其研究對象主要是能反映生物體所處環(huán)境的生物體液、生物標(biāo)本、細(xì)胞提取物、細(xì)胞培養(yǎng)液和組織，并利用核磁共振和質(zhì)譜等技術(shù)進(jìn)行分析。在藥學(xué)研究領(lǐng)域已成為研究的熱點。對代謝組學(xué)的概況、分析技術(shù)及其近些年在藥學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對代謝組學(xué)這一研究方法的優(yōu)缺點進(jìn)行小結(jié)。

關(guān)鍵詞：代謝組學(xué)；藥學(xué)；毒理學(xué)

1引言

隨著生命科學(xué)的迅速發(fā)展，人們對生命體的研究逐漸從局部轉(zhuǎn)向為整體，并由此產(chǎn)生了許多種組學(xué)的研究方法。在蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)興起之后，又發(fā)展起來了一種全新的組學(xué)技術(shù)，即代謝組學(xué)，它是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。英國的Nicholson教授于1999年首次提出代謝組學(xué)概念[1]。代謝組學(xué)因其全局性的研究理念，迅速發(fā)展并滲透到多個領(lǐng)域，比如營養(yǎng)食品科學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等。如今，代謝組學(xué)在這些領(lǐng)域都展現(xiàn)了其廣闊的應(yīng)用前景，尤其在藥學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮的作用不可估量。筆者就代謝組學(xué)的概況及其在藥學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景等進(jìn)行闡述。

2代謝組學(xué)概況

2.1代謝組學(xué)的概念

代謝組學(xué)指的是一種研究方式，它能定性或者定量分析生物體內(nèi)的代謝物，并尋找代謝物與機(jī)體發(fā)生生理病理變化的相對關(guān)系。代謝組學(xué)主要考察生物體系受干擾(環(huán)境變化或某個特定基因的變異)或刺激后其代謝產(chǎn)物的變化或隨時間的變化[2]，其研究對象是小分子物質(zhì)，相對分子質(zhì)量大多在1 000以內(nèi)。這些代謝物既能反映細(xì)胞營養(yǎng)狀態(tài)和細(xì)胞所處的環(huán)境，也能反映環(huán)境污染物和藥物等外界因素對細(xì)胞的作用。Nicholson最初給代謝組學(xué)的定義是：定量測量生物體因基因改變或病理生理刺激引起的相應(yīng)的代謝變化[3]。故而有人認(rèn)為“通過蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)你知道可能會發(fā)生什么，而通過代謝組學(xué)你則會明白確實發(fā)生了什么”[4]。

2.2代謝組學(xué)的研究方法

Oliver Fiehn[5]根據(jù)研究對象和目的不同，以四個層次來劃分對生物體系代謝物的分析，即： 代謝指紋分析(metabolomics fingerprinting)、代謝輪廓分析(metabolomics profiling)、代謝組學(xué)(metabonomics)和代謝物靶標(biāo)分析(metabolite target analysis)。

代謝指紋分析是對全部代謝物進(jìn)行的模糊分析，也就是不測量或分析樣品的具體組分，只是對其進(jìn)行整體性定性分析、分類和快速鑒別。具有快速、高通量、全局分析的特點[6]。代謝輪廓分析是指利用已有的技術(shù)盡可能多地分析鑒別出樣本中的代謝物，反映機(jī)體所處不同狀態(tài)的代謝輪廓，并探尋某個或某組特異敏感的代謝物，用以描繪和區(qū)分生物體系狀態(tài)的差異[7]。代謝組學(xué)則定義為生命體系所有代謝物動態(tài)應(yīng)答的系統(tǒng)性度量。而代謝物靶標(biāo)分析是有選擇的定性或定量測定生物樣品中的一個或數(shù)個特定代謝物[8]。

2.3代謝組學(xué)的分析技術(shù)

目前，核磁共振波譜分析技術(shù)(NMR)，質(zhì)譜分析技術(shù)(MS)，光譜分析技術(shù)和色譜分析技術(shù)是代謝組學(xué)的主要分析技術(shù)。然而，代謝組學(xué)分析對象的性質(zhì)差異較大，種類繁多，如果僅靠某一種分析手段，是不可能完成代謝產(chǎn)物的整體性精確分析的，所以經(jīng)常需要多種分析技術(shù)的聯(lián)用[9]。例如氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用，這種技術(shù)具有可檢庫鑒定已知物、高重復(fù)性、高靈敏度等特點[10]。再比如，液相色譜—質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用可對代謝物進(jìn)行定量和定性分析，同時也可避免氣相色譜—質(zhì)譜中樣品前處理帶來的困難與損失，另外，對于復(fù)雜的生物樣品基質(zhì)，即使含量非常低的代謝物類型也可被鑒別出，所以說液相色譜—質(zhì)譜是最具應(yīng)用前景的代謝組學(xué)分析技術(shù)之一[11]。高效液相色譜—四極桿飛行時間質(zhì)譜(UPLC-Q-TOF-MS)技術(shù)因具有高分離度、高靈敏度、高分辨率、快速以及適用范圍廣等特點，也被廣泛應(yīng)用于代謝組學(xué)研究[12]。

3代謝組學(xué)在藥學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1代謝組學(xué)在藥物毒理學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

藥物毒性作用機(jī)制的研究是藥物毒理學(xué)的首要任務(wù)之一。藥物一般會直接或間接地使基因表達(dá)發(fā)生改變，這種改變在代謝物水平上進(jìn)一步被放大，所以說藥物的毒性作用與代謝物的變化緊密相關(guān)。代謝組學(xué)是在代謝物的整體水平上，利用高通量檢測技術(shù)檢測機(jī)體在藥物作用后的各種生理生化指標(biāo)，再結(jié)合傳統(tǒng)的病理學(xué)終點，更深入地了解藥物的毒性作用機(jī)制[13]。Slim等[14]利用基于核磁共振波譜分析技術(shù)的代謝組學(xué)方法研究炎癥反應(yīng)與磷酸二酯酶抑制劑(CI-1081)導(dǎo)致的血管損傷的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)CI-1081組和加入抗炎藥的CI-1081組的譜圖沒有分開，得出是血管損傷而不是繼發(fā)的炎癥反應(yīng)造成了CI-1081引起的尿代謝組圖譜改變。王勇等[15]在研究三聚氰胺影響兒童尿液代謝時也運(yùn)用了代謝組學(xué)法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三聚氰胺利用腎結(jié)石導(dǎo)致的物理性損傷來干擾機(jī)體的檸檬酸代謝。因此，我們可將代謝組學(xué)應(yīng)用于三聚氰胺導(dǎo)致的代謝異常的研究及三聚氰胺導(dǎo)致腎損傷的無創(chuàng)檢測。

3.2代謝組學(xué)在藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

藥物可影響人體的代謝并導(dǎo)致代謝物出現(xiàn)差異，因此可利用代謝組學(xué)分析代謝物的組成研究藥物的作用機(jī)制。藥理學(xué)的任務(wù)主要是研究藥效學(xué)和藥動學(xué)，這兩個過程在體內(nèi)是同時進(jìn)行的且緊密相連。藥效學(xué)主要研究藥物是如何作用于機(jī)體的，以闡明藥物防治疾病的規(guī)律。Kaddurah Daouk等[16]比較了精神分裂癥患者經(jīng)奧氮平、利哌利酮和阿立哌唑治療前后的代謝譜，并評價這三種抗精神分裂藥物對脂類生化代謝的調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)除了都可以調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝外，還各有其特有的效應(yīng)：機(jī)體經(jīng)奧氮平和利哌利酮治療后，游離脂肪酸減少，甘油三酯升高，而阿立哌唑卻沒有這種效果。皮子鳳等[17]研究五味子治療糖尿病腎病的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)五味子是通過影響腸內(nèi)菌代謝、脂肪酸代謝、色氨酸代謝、嘌呤代謝等通路對糖尿病腎病發(fā)揮治療作用，也是采用了基于UPLC-Q-TOF-MS技術(shù)的代謝組學(xué)方法來分析大鼠血清內(nèi)源性代謝物的變化而得以實現(xiàn)的。

藥動學(xué)主要研究機(jī)體對藥物的處置的動態(tài)變化，可為臨床合理用藥提供科學(xué)依據(jù)。例如，由于個體間的差異對藥物反應(yīng)也存在差異，為了提高用藥安全性和有效性，可根據(jù)患者的個體特征實行個體化治療。Clayton等[18]曾提出利用“藥物代謝組學(xué)”的方法來實現(xiàn)給藥方案個體化，以大鼠給予撲熱息痛做初步的動物實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)給藥后大鼠的組織學(xué)檢測結(jié)果與給藥前其尿的生化代謝譜呈顯著的統(tǒng)計相關(guān)。由此曹蓓等[19]以為：“藥物代謝組學(xué)”可以作為群體篩選的一個基礎(chǔ)，根據(jù)個體的特殊情況來預(yù)測藥物的作用結(jié)果，針對性地改變給藥劑量或挑選某類藥物進(jìn)行治療。

綜上所述，代謝組學(xué)方法應(yīng)用于藥理學(xué)研究具有巨大的潛力,對藥理學(xué)的深入研究有推動作用。

3.3代謝組學(xué)在中藥研究中的應(yīng)用

將代謝組學(xué)應(yīng)用于中藥研究中，對認(rèn)識中藥產(chǎn)生毒副作用的物質(zhì)基礎(chǔ)、藥效作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，正確認(rèn)識用藥劑量和療程、配伍減毒，對中藥質(zhì)量控制和優(yōu)選資源、實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展等都很有意義。

中藥成分復(fù)雜，表現(xiàn)出的低毒性往往會影響中藥的使用，而研究藥物低毒性的比較全面且靈敏的方法之一便是基于化學(xué)計量學(xué)的藥物代謝組學(xué)。呂天等[20]設(shè)置空白對照組和以柴胡總皂苷(SS)給藥組大鼠，并于給藥后的第3天和第5天取其尿液樣本，運(yùn)用UPLC-MS代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析檢測，獲得了以質(zhì)荷比和保留時間為變量的矩陣數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)給藥累積劑量和肝毒性之間呈正相關(guān)，有累積肝毒性和明顯的急毒性。

此外，同一藥材由于采收季節(jié)、生產(chǎn)環(huán)境及加工方式等的不同，其所含化學(xué)成分的差異可能很大，其藥性和臨床用途也會有所不同。吳宏偉等[21]利用基于GC-MS的代謝組學(xué)分析方法，建立了能夠分析來源于不同地區(qū)的姜科植物姜黃(Curcuma.Longa L)的塊根(中藥郁金)和根莖(中藥姜黃)的次生代謝產(chǎn)物的方法，利用主成分得分圖(Score plot)成功地區(qū)分了姜黃的塊根和根莖樣品，表明塊根和根莖的次生代謝產(chǎn)物在表達(dá)上是有差別的；利用載荷圖(Loading)和t檢驗(t-test)發(fā)現(xiàn)了14種可能是導(dǎo)致姜黃根莖與塊根藥性差異和臨床用途不同的化合物。Yongli Hua等[22]運(yùn)用代謝組學(xué)方法研究了當(dāng)歸經(jīng)不同方式加工后提取出的多糖的保肝作用機(jī)理，結(jié)果表明，盡管當(dāng)歸的加工工藝不同，但其提取出的多糖作用機(jī)制相似，都是通過干預(yù)脂質(zhì)和氨基酸代謝來發(fā)揮護(hù)肝作用的。

由此可見，代謝組學(xué)在中藥研究領(lǐng)域中的應(yīng)用已取得了很多的重要成果，而且隨著代謝組學(xué)體系的逐漸完善，將會與中藥研究更加緊密。所以代謝組學(xué)在中藥研究方面的應(yīng)用前景是不可估量的。

4結(jié)束語

近年來，代謝組學(xué)發(fā)展迅速，在藥學(xué)研究領(lǐng)域已逐步顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢，然而，作為一門新興的學(xué)科，代謝組學(xué)存在很大的發(fā)展空間，需要逐步完善，例如在分析技術(shù)和研究領(lǐng)域方面都可以繼續(xù)創(chuàng)新和拓展。在分析技術(shù)方面，代謝組學(xué)的每種分析技術(shù)都有其優(yōu)勢和不足，若將其整合進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，使分析結(jié)果能統(tǒng)一、交叉驗證是代謝組學(xué)發(fā)展的一個趨勢。就代謝組學(xué)自身而言，代謝產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)庫也將進(jìn)一步完善，可參考的價值也越來越大，越可靠。在研究領(lǐng)域方面，代謝組學(xué)將廣泛應(yīng)用到藥物作用靶點的發(fā)現(xiàn)、新藥的開發(fā)、中藥現(xiàn)代化研究等領(lǐng)域，甚至可以深入藏醫(yī)藥基礎(chǔ)理論[23]、維吾爾族醫(yī)藥理論[24]及其臨床診療現(xiàn)代化研究中。以上這些都說明代謝組學(xué)具有巨大的發(fā)展空間，值得我們?nèi)パ芯?，并將其發(fā)展和完善。

代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的新興學(xué)科，已是目前的熱點研究領(lǐng)域，并在多個行業(yè)中得到應(yīng)用，尤其在藥學(xué)研究領(lǐng)域,如藥理學(xué)、毒理學(xué)、藥物篩選、藥效評價、中藥研究等方面發(fā)揮了極其重要的作用。相對于蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)來說，代謝組學(xué)有著較明顯的優(yōu)勢，例如代謝組學(xué)的研究標(biāo)本容易獲取，種類較少，前處理也較簡單；代謝物可以放大蛋白質(zhì)合成和基因表達(dá)時細(xì)小的差異，從而使檢測更簡便。盡管如此，代謝組學(xué)仍存在一些不足，例如分析技術(shù)不夠成熟，選擇的體液是否具有代表性，提供參考的數(shù)據(jù)是否全面、可靠等，還需要我們進(jìn)一步研究探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nicholson J K,Lindon J C,Holmes E.Metabonomics:understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data [J]. Xenobiotica,1999,29(11):1181-1189.

[2]Nicholson J K,Connelly J,Lindon J C,et al.Metabonomics:a platform for studying drug toxicity and gene function [J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2002,1(2):153-161.

[3]Lindon J C,Holmes E,Nicholson J K.So what’s the deal with metabonomics?[J]. Anal Chem,2003,75(17):384A-391A.

[4]German J,Bauman D,Burrin D,et a1.Metabolomies in the opening decade of the 21 st Century:building the roads to individualized health[J]. J Nutr, 2004,134(10):2729-2732．

[5]Fiehn O,Kopka J,Dormann P,et al.Metabolite profiling for plant functional genonmics[J].Nat Biotechnol,2000,18(11):1157-1161.

[6]梁強(qiáng),郭曉輝,周蓓莉,等.代謝指紋分析及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2011,37(10):134-136.

[7]Khan M T H,Ather A.Metabolomics-systematic studies of the metabolic profiling[J]. Advances in Phytomedicine， 2006, 22(7):411-419.

[8]Dunn W B,Ellis D I.Metabolomics: current analytical platforms and methodologies[J].Trends in Anal Chem, 2005,24(4):285-294.

[9]劉姍姍,陶金忠,趙興緒,等.代謝組學(xué)分析技術(shù)及其在生殖領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2014,35(3):109-115.

[10]Dunn W B,Ellis D I.Metabolomics:current analytical platforms and methodologies[J].TrAC Trends in Analy Chem,2005,24(4):285-294.

[11]Gellppi E.Contributions of liquid chromatography-mass spectrometry to “highlights” of biomedical research[J].J Chromatogra A,2003,1000(1):567-581.

[12]張瑞興,劉舒,皮子鳳，等.汞離子對細(xì)胞代謝通路影響的代謝組學(xué)[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2014,35(6):1146-1151.

[13]黃瑛.代謝組學(xué)在藥物毒理學(xué)中的應(yīng)用[J].藥學(xué)實踐雜志,2009,3(27):165-167.

[14]Slim R M,Roberstson D G,Ajbassam M,et al.Effect of dexamethasone on the metabonomics profile associated with phosphodiesterase Inhibitor-induced vascular lesions in rat[J].Toxicol Appl Res,2003,183(2):108-109.

[15]王勇,江芝婷,梁瓊麟,等.代謝組學(xué)法研究三聚氰胺對兒童尿液代謝的影響[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2010,31(1):57-60.

[16]Kaddurah-Daouk R,McEvoy J,Baillie R A,et al.Metabolomic mapping of atypical antipsychotic effects inschizophrenia[J].Mol Psychiatry,2007,12(10):934-45.

[17]皮子鳳,門麗慧,張靜，等.五味子治療大鼠糖尿病腎病作用機(jī)制的血清代謝組學(xué)研究[J].分析化學(xué)，2015,43(2):169-175.

[18]Clayton TA,Lindon JC,Cloarec O,et al.Pharmacometabonomic phenotyping and personalized drug treatment[J].Nature, 2006, 440(7087):1073-1077.

[19]曹蓓,阿基業(yè),王廣基，等.代謝組學(xué)在臨床研究中的應(yīng)用及進(jìn)展[J].生命科學(xué),2010,22(8):761-771.

[20]呂天,牟紅元,馮江江,等.中藥柴胡總皂苷急性肝毒性的代謝組學(xué)研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2013,25(6):789-792.

[21]吳宏偉,李洪梅,唐力英,等.代謝組學(xué)方法研究姜黃根莖及塊根次生代謝產(chǎn)物表達(dá)差異[J].分析化學(xué)研究報告,2012,40(5):713-717.

[22]Yongli Hua,Wenxin Xue,Man Zhang,et al.Metabonomics study on the hepatoprotective effect of polysaccharides from different preparations of Angelica sinensis[J].Journal of Ethnopharmacology,2014,151(2014)1090-1099.

[23]德洛,羅尚華,周林,等.代謝組學(xué)研究在藏醫(yī)藥理論及臨床診療現(xiàn)代研究中的應(yīng)用前景分析[Z]. 全國藏醫(yī)藥學(xué)術(shù)交流與適宜技術(shù)培訓(xùn)會(五藏區(qū)會議)，甘肅合作市,2012.

[24]帕它木·莫合買提,哈木拉提·吾甫爾. 代謝組學(xué)與維吾爾醫(yī)現(xiàn)代研究[J].中國民族醫(yī)藥雜志,2008,1(1):63-65.

Metabonomics technology and its application in the field of pharmaceutical research

CHENXiao1,LIHan3,CHENXi3,HUHai2,ZHANGHong-ling2

(1.School of Biology and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.School of Health Science and Nursing,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;3.School of Public Health,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430032,China)

Abstract：Metabonomics is a new science and technology developed in recent years. Major research objects of metabonomics are biological fluids which could reflect the environment of organisms, biological specimen, cell extracts, cell culture fluid and tissue, while NMR and MS are used as analysis methods. Metabonomics has been a research hotspot in the field of pharmacy. This paper reviews the analytical methods and the applications of metabolomics and summarize the advantages and disadvantages of metabolomics.

Key words：metabonomics；pharmacy；toxicology

收稿日期：2016-01-05.

作者簡介：陳曉(1992-)，女，碩士研究生, E-mail: goodgir@qq.com. 通信作者:張紅菱(1965-)，女，教授， E-mail:zhlwjb163.com.

文章編號：2095-7386(2016)02-0012-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.02.002

中圖分類號：R 96

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A