走进基于质谱的代谢组学、发展历史、种类及应用

1.质谱定义

代谢组学就是研究生命体中所有代谢产物（小分子化合物）变化规律的科学，通过比较不同实验组之间代谢物的系统性差异来研究生命现象，并揭示其内在规律。在 DNA-RNA-蛋白质-代谢物这一中心法则框架内，代谢组学处于生命动态系统最下游，最接近于表型，它不仅是表型的描述性指标，还可以通过调节基因组、转录组、蛋白组等多组学来影响机体的生理功能。近年来，代谢组学发展迅猛，研究成果备受顶级期刊青睐。

说到这里，您一定想了解代谢组学最早期的发展历史吧~~

 

2.发展历史

1970 年

Baylor 药学院提出代谢轮廓分析

 

1975 年

Thompson 和 Markey 利用气质联用开展定量分析，同期 HPLC 及 NMR 对代谢物的分析也开始发展起来

 

1986 年

Journal of Chromatography A 初版一期代谢轮廓分析专辑，多类型样本的代谢轮廓分析发展迅速

 

1997 年

Oliver 提出来代谢组（metabolome）的概念

 

1999 年

Nicholson 等人提出 metabonomics 的概念

 

2005 年

Metabolomics 创刊

 

3.代谢组学的应用与发展

3.1 代谢组学促进多学科，多领域交叉发展

代谢组学的不断发展，促使分子分离和检测仪器，结构解析的制造商以及相关科学家们需要不断地研发出各种针对代谢组学的硬件、软件和技术支持。也就意味着需要不同领域和学科的技术支持，特别是基于分析化学的结构解析方面。同时，在代谢组学的发展中至关重要的是基于计算机科学（程序语言）的大数据处理和分析。因此，代谢组学的发展离不开多科学、多领域的技术发展。

 

3.2 代谢组学在医学领域中的应用

新药的筛选和开发：新药研发存在风险高、周期长的问题，代谢组学的应用降低了风险，缩减了周期，可高通量、系统性地筛选、评价化学合成的化合物，天然活性物质等，以获得新的生物活性物质作为潜在药物，从而为新药的筛选和鉴定提供更多的选择和思路。

 

药物作用机制研究：代谢组学结合药代动力学的研究，是目前发展最为成熟的药物作用机制研究思路，代谢组学可系统地研究药物引起的内源性代谢物变化，药物本身的代谢和动力学变化，更客观直接地反映药物作用下生物机体本身的生化过程和状态的变化。

 

药物毒理研究：代谢组学的出现为药物毒理学发展赋予了新的契机，通过对代谢结果的系统整体研究，全面进行安全性评价，并阐明毒性作用机制，以降低药物对人类的危害，以合理指导用药、降低药物不良反应及减少因药物毒性导致的新药开发失败。

 

疾病的早期筛查和诊断：精准医疗领域一个重要的问题是如何在疾病的早期进行筛查和诊断，代谢组学凭借其样本处理简单、能同时反应多种物质的变化的优势，通过系统的数据筛查，找到与疾病相关的生物标志物，用于辅助临床的诊断和早期筛查，提前发出健康预警。

 

3.3 代谢组学在农学领域中的应用

多组学联合研究：代谢是基因和表型之间的桥梁，代谢产物是基因和蛋白表达作用的终产物，代谢组学在揭示生命基本生活和规律方面发挥着越来越重要的作用。

 

植物微生物互作研究：植物根际土壤本就是微生物高度活跃的区域，植物和微生物的共存共同促进植物的生长发育，植物在与微生物共存的过程中产生的自身免疫应答反应，代谢物扮演着非常重要的作用。

 

植物（农作物等）性状，品质区分：通过代谢组的检测方法，构建不同品种之间的代谢特征谱库数据模型，更加数据化，直观的，准确的评价植物品质。

 

作物遗传育种：一个是转基因育种的代谢谱评估，另一个最重要的也是研究较多的抗逆研究。

 

中药药效及药理，药物活性分子研究评价：可通过代谢组联合其他技术手段系统地印证中药治疗的合理有效，也可通过动物实验找到一些具有治疗意义的药物活性分子。

 

4.代谢组学技术策略及优势

代谢组学技术的最常见分支就是非靶向和靶向分析的分支，非靶向方法尽可能多地监测到所有物质。靶向分析则聚焦于已知的组分数量上的变化，例如在胁迫和疾病的反应过程中，一些生物标志物的含量变化。近些年来，拟靶向代谢组技术发展迅猛，结合非靶向的高通量以及靶向分析的经典定量技术，拟靶向技术也逐渐成为代谢组学分析中不可或缺的组成部分。

 

4.1 核磁共振光谱技术（NMR）：

核磁技术对于靶向分析来说，尤为强大，因为它可定量，重复性也比较好，适用于复杂基质样本的检测；此外，核磁技术对于化合物的结构分析也有着天然的优势。然而，使用NMR的代谢组学分析也存在局限，因为它的灵敏度比更加流行的代谢组学方法“质谱分析法（MS）”要低好几个数量级。

 

4.2 气相色谱质谱联用 ：

气质联用技术是早期应用于代谢组分析的技术平台之一，它有着较高的分辨率和灵敏度，能检测到样本中相对含量较低的代谢物，目前，二维 GC 的应用进一步提高了分辨率，对于化合物的分离有着得天独厚的优势。此外，气质联用质谱技术平台有着良好的重现性，特有的EI离子源能产生特征性离子碎片辅助进行化合物的结构鉴定，因此，目前基于气质联用质谱平台有公共的数据库进行化合物的鉴定。GCMS 最让人诟病的是一些极性代谢物需要进行衍生化处理之后才能进行上机，衍生化的过程相对繁琐，但衍生化同时也增加了 GCMS 对于代谢物的覆盖度。此外，GCMS 相对比 LCMS 来说，能鉴定到的代谢物相对较少，但是准确度相对较高，这是二者之间最直观的区别。

 

4.3 液相色谱质谱联用：

液质联用技术是近些年来发展最为迅速的质谱技术，其超高的分辨率和灵敏度，良好的重复性受到广大科研工作者们的好评，优秀的定性和定量能力使其在如今的代谢组学领域技术平台中发挥着不可替代的作用，因此其在多领域中的应用也发展得越来越好。但其最为薄弱的一点在于：不同仪器厂商生产的类型一致的液质联用设备，同一化合物的质谱图存在一定的差异，不同设备的数据库无法通用。因此液质联用质谱的数据库建设成为了现今最为关注的话题，本地化的数据库相对来说较为受限，公共数据库又兼容性不好，且液质联用设备相对来说造价昂贵，这些也是目前基于液质联用技术平台的代谢组学正在面临和需要解决的一些问题。

 

近年来质谱技术发展很快。随着质谱技术的发展,质谱技术的应用领域也越来越广。由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，因此，质谱技术广泛地应用于化学，化工，环境，能源，医药，运动医学，刑侦科学，生命科学，材料科学等各个领域。

 

小鹿导语

代谢组学在系统生物学中扮演着不可或缺的角色，承担着挖掘有效信息的关键一环，代谢组学实验设计在整个代谢组学当中扮演了很重要的角色；而对于代谢组大数据以及多维复杂数据的挖掘和分析，质谱数据的鉴定和筛选，计算机，数学，化学多学科知识在其中发挥着举重若轻的作用，总的来说：多学科环绕发展的代谢组学充满挑战。