代謝組學技術及其在藥學研究領域的應用

代謝組學技術及其在藥學研究領域的應用代謝組學技術及其在藥學研究領域的應用代謝組學是近年來興起的一門學科，其研究對象主要是能反映生物體所處環(huán)境的生物體液、生物標本、細胞提取物、細胞培養(yǎng)液和組織，并利用核磁共振和質譜等技術進行分析。在藥學研究領域已成為研究的熱點。對代謝組學的概況、分析技術及其近些年在藥學研究領域中的應用進行了綜述，并對代謝組學這一研究方法的優(yōu)缺點進行小結。1引言隨著生命科學的迅速發(fā)展，人們對生命體的研究逐漸從局部轉向為整體，并由此產生了許多種組學的研究方法。在蛋白質組學和基因組學興起之后，又發(fā)展起來了一種全新的組學技術，即代謝組學，它是系統生物學的重要組成部分。英國的Nicholson教授于1999年首次提出代謝組學概念。代謝組學因其全局性的研究理念，迅速發(fā)展并滲透到多個領域，比如營養(yǎng)食品科學、植物學、環(huán)境學、醫(yī)學、藥學等。如今，代謝組學在這些領域都展現了其廣闊的應用前景，尤其在藥學研究領域發(fā)揮的作用不可估量。筆者就代謝組學的概況及其在藥學研究領域中的應用現狀和前景等進行闡述。2代謝組學概況2.1代謝組學的概念代謝組學指的是一種研究方式，它能定性或者定量分析生物體內的代謝物，并尋找代謝物與機體發(fā)生生理病理變化的相對關系。代謝組學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）或刺激后其代謝產物的變化或隨時間的變化，其研究對象是小分子物質，相對分子質量大多在1000以內。這些代謝物既能反映細胞營養(yǎng)狀態(tài)和細胞所處的環(huán)境，也能反映環(huán)境污染物和藥物等外界因素對細胞的作用。Nicholson最初給代謝組學的定義是：定量測量生物體因基因改變或病理生理刺激引起的相應的代謝變化。故而有人認為“通過蛋白質組學和基因組學你知道可能會發(fā)生什么，而通過代謝組學你則會明白確實發(fā)生了什么”。2.2代謝組學的研究方法OliverFiehn根據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（metabolomicsfingerprinting）、代謝輪廊分析（metabolomicsprofiling）、代謝組學（metabonomics）和代謝物靶標分析（metabolitetargetanalysis）。代謝指紋分析是對全部代謝物進行的模糊分析，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。代謝輪廓分析是指利用已有的技術盡可能多地分析鑒別出樣本中的代謝物，反映機體所處不同狀態(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。代謝組學則定義為生命體系所有代謝物動態(tài)應答的系統性度量。而代謝物靶標分析是有選擇的定性或定量測定生物樣品中的一個或數個特定代謝物。2.3代謝組學的分析技術目前，核磁共振波譜分析技術（NMR），質譜分析技術（MS），光譜分析技術和色譜分析技術是代謝組學的主要分析技術。然而，代謝組學分析對象的性質差異較大，種類繁多，如果僅靠某一種分析手段，是不可能完成代謝產物的整體性精確分析的，所以經常需要多種分析技術的聯用。例如氣相色譜—質譜（GC-MS）聯用，這種技術具有可檢庫鑒定已知物、高重復性、高靈敏度等特點再比如，液相色譜一質譜（LC-MS）聯用可對代謝物進行定量和定性分析，同時也可避代謝組學技術及其在藥學研究領域的應用免氣相色譜一質譜中樣品前處理帶來的困難與損失，另外，對于復雜的生物樣品基質，即使含量非常低的代謝物類型也可被鑒別出，所以說液相色譜一質譜是最具應用前景的代謝組學分析技術之一。高效液相色譜一四極桿飛行時間質譜（UPLC-Q-TOF-MS）技術因具有高分離度、高靈敏度、高分辨率、快速以及適用范圍廣等特點，也被廣泛應用于代謝組學研究。3代謝組學在藥學研究領域中的應用3.1代謝組學在藥物毒理學研究領域的應用藥物毒性作用機制的研究是藥物毒理學的首要任務之一。藥物一般會直接或間接地使基因表達發(fā)生改變，這種改變在代謝物水平上進一步被放大，所以說藥物的毒性作用與代謝物的變化緊密相關。代謝組學是在代謝物的整體水平上，利用高通量檢測技術檢測機體在藥物作用后的各種生理生化指標，再結合傳統的病理學終點，更深入地了解藥物的毒性作用機制。Slim等利用基于核磁共振波譜分析技術的代謝組學方法研究炎癥反應與磷酸二酯酶抑制劑（CI-1081）導致的血管損傷的關系時，發(fā)現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)的炎癥反應造成了CI-1081引起的尿代謝組圖譜改變。王勇等在研究三聚氰胺影響兒童尿液代謝時也運用了代謝組學法，結果發(fā)現三聚氰胺利用腎結石導致的物理性損傷來干擾機體的檸檬酸代謝。因此，我們可將代謝組學應用于三聚氰胺導致的代謝異常的研究及三聚氰胺導致腎損傷的無創(chuàng)檢測。3.2代謝組學在藥理學研究中的應用藥物可影響人體的代謝并導致代謝物出現差異，因此可利用代謝組學分析代謝物的組成研究藥物的作用機制。藥理學的任務主要是研究藥效學和藥動學，這兩個過程在體內是同時進行的且緊密相連。藥效學主要研究藥物是如何作用于機體的，以闡明藥物防治疾病的規(guī)律。KaddurahDaouk等比較了精神分裂癥患者經奧氮平、利哌利酮和阿立呢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節(jié)作用，發(fā)現除了都可以調節(jié)脂質代謝外，還各有其特有的效應：機體經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。皮子鳳等研究五味子治療糖尿病腎病的作用機制，發(fā)現五味子是通過影響腸內菌代謝、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技術的代謝組學方法來分析大鼠血清內源性代謝物的變化而得以實現的。藥動學主要研究機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依據。例如，由于個體間的差異對藥物反應也存在差異，為了提高用藥安全性和有效性，可根據患者的個體特征實行個體化治療。Clayton等曾提出利用“藥物代謝組學”的方法來實現給藥方案個體化，以大鼠給予撲熱息痛做初步的動物實驗，結果發(fā)現給藥后大鼠的組織學檢測結果與給藥前其尿的生化代謝譜呈顯著的統計相關。由此曹蓓等以為：“藥物代謝組學”可以作為群體篩選的一個基礎，根據個體的特殊情況來預測藥物的作用結果，針對性地改變給藥劑量或挑選某類藥物進行治療。巨大的潛力，對藥理學的深入研究有推動作用。將代謝組學應用于中藥研究中，對認識中藥產生毒副作用的物質基礎、藥效作用的物質基礎，正確認識用藥劑量和療程、配伍減毒，對中藥質量控制和優(yōu)選資源、實現資源的可持續(xù)發(fā)展等都很有意義。中藥成分復雜，表現出的低毒性往往會影響中藥的使用，綜上所述，代謝組學方法應用于藥理學研究具有3.3代謝組學在中藥研究中的應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計量學的藥物代謝組學。呂天等設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，運用UPLC-MS代謝組學技術進行分析檢測，獲得了以質荷比和保留時間為變代謝組學技術及其在藥學研究領域的應用量的矩陣數據。結果發(fā)現給藥累積劑量和肝毒性之間呈正相關，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)、生產環(huán)境及加工方式等的不同，其所含化學成分的差異可能很大，其藥性和臨床用途也會有所不同。吳宏偉等利用基于的代謝組學分析方法，建立了能夠分析來源于不同地區(qū)的姜科植物姜黃（Curcuma.LongaL）塊根（中藥郁金）和根莖（中藥萎黃）的次生代謝產物的方法，利用主成分得分圖（Scoreplot）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物在表達上是有差別的；利用載荷圖（Loading）和t檢驗（t-test）發(fā)現了14種可能是導致姜黃根莖與塊根藥性差異和臨床用途不同的化合物。YongliHua等運用代謝組學方法研究了當歸經不同方式加工后提取出的多糖的保肝作用機理，結果表明，盡管當歸的加工工藝不同，但其提取出的多糖作用機制相似，都是通過干預脂質和氨基酸代謝來發(fā)揮護肝作用的。由此可見，代謝組學在中藥研究領域中的應用已取得了很多的重要成果，而且隨著代謝組學體系的逐漸完善，將會與中藥研究更加緊密。所以代謝組學在中藥研究方面的應用前景是不可估量的。4結束語近年來，代謝組學發(fā)展迅速，在藥學研究領域已逐步顯示出其獨特的優(yōu)勢，然而，作為一門新興的學科，代謝組學存在很大的發(fā)展空間，需要逐步完善，例如在分析技術和研究領域方面都可以繼續(xù)創(chuàng)新和拓展。在分析技術方面，代謝組學的每種分析技術都有其優(yōu)勢和不足，若將其整合進行優(yōu)勢互補，使分析結果能統一、交叉驗證是代謝組學發(fā)展的一個趨勢。就代謝組學自身而言，代謝產物的標準值數據庫也將進一步完善，可參考的價值也越來越大，越可靠。在研究領域方面，代謝組學將廣泛應用到藥物作用靶點的發(fā)現、新藥的開發(fā)、中藥現代化研究等領域，甚至可以深入藏醫(yī)藥基礎理論、維吾爾族醫(yī)藥理論及其臨床診療現代化研究中。以上這些都說明代謝組學具有巨大的發(fā)展空間，值得我們去研究，并將其發(fā)展和完善。代謝組學是系統生物學的新興學科，已是目前的熱點研究領域，并在多個行業(yè)中得到應用，尤其在藥學研究領域，如藥理學、毒理學、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。相對于蛋白質組學和基因組學來說，代謝組學有著較明顯的優(yōu)勢，例如代謝組學的研究標本容易獲取，種類較少，前處理也較簡單；代謝物可以