代谢组学分析方法及应用新进展

　　摘 要： 质谱分析技术是代谢组学研究的重要技术之一。该文通过近 5 年来的文献分析，对基于质谱分析的代谢组学研究方法的新进展，包括样品前处理方法、分析检测方法、数据处理方法等，以及近年来代谢组学在疾病诊断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等领域的应用进展，进行了较全面的综述，并对未来的发展趋势进行了展望。
　　
　　关键词： 质谱分析； 代谢组学； 研究进展； 综述。
　　
　　Abstract: Mass spectrometry（ MS） is one of the most important analytical technologies for metabolo-mics. In recent years,metabolomics based on MS has been widely used in disease diagnosis,drugeffect research,nutrition,toxicology,sports medicine,etc. This paper reviews the sample pre-treatment,analytical tools,data processing method and main application fields in the past five years.The development tendency of metabolomics in future is also proposed.
　　
　　Key words: mass spectrometry（ MS） ; metabolomics; advance; review.
　　
　　代谢组学（ Metabolomics,Metabonomics） 是指生物体系因生物刺激、病理生理扰动或遗传信息改变等引起的总体、动态的代谢变化[1].代谢组学作为系统生物学最下游的 “组学”,是整体性研究生命体系功能变化的重要学科分支。代谢组学的研究对象为复杂的生物体系，种类非常多，常见的生物样本包括生物体液（ 尿液、血清、血浆、唾液、胆汁、脑脊液、羊水、眼泪、胰液、肠液等） 、动物或人体组织（ 肿瘤、肝脏、脑、脂肪组织等） 和细胞[2].代谢组学常用的研究手段包括质谱和核磁两大类，本文重点综述了 2010 年以来基于质谱（ MS） 分析的代谢组学在医学领域的研究进展，主要包括疾病诊断、药物研发、营养学、毒理学、运动医学等方面。
　　
　　1 代谢组学分析方法的新进展。
　　
　　代谢组学又分为靶向性代谢组学（ Targeted metabolomics） 和非靶向性代谢组学（ Untargeted metabolomic） .靶向性代谢分析主要是定量特定的代谢物，典型的是关注一种或几种相关的代谢通路。常用于研究药物代谢的药代动力学，衡量某种疗法或基因修饰的效果。靶向性代谢分析的流程是代谢物标准品的液相色谱 -质谱联用分析（ LC -MS） ,选择性离子监测，分析方法优化和标准曲线制作，样品前处理，样品提取物 LC -MS分析，通过对比样品和标准品进行数据分析，定量特定的代谢物[3 -6].非靶向性代谢组学范围宽泛，目标是从生物样本中同时分析尽可能多的代谢物。而非靶向性代谢组学的步骤是样品前处理，代谢物提取，LC -MS 全扫描检测，数据预处理，统计分析及差异代谢物结构鉴定[3 -4,7 -9].
　　
　　1. 1 样品前处理。
　　
　　样品前处理直接关系到信息获取的准确性，非靶向性代谢组学的样品前处理要求尽量不破坏代谢组分，以获得尽可能全的代谢信息。靶向性代谢组学则更关注提取的效率，用回收率、精密度、准确性等表征。本实验室用甲醇 - 乙腈（ 1 ∶ 1） 去除血浆中的蛋白，建立了大鼠血浆的高效液相色谱 - 时间飞行质谱联用（ HPLC - TOF - MS） 的分析方法，同时定量了大鼠服用知母后的 21 种药物代谢物，用精确质量测定了代谢物的基本组成并确认其结构，其中包括同分异构体的代谢物[10].成玉等[11]优化了去除血清蛋白的方法，发现甲醇 - 乙腈混合除蛋白检测的离子峰多于纯甲醇和纯乙腈，这与本实验室的研究结果相一致，另外一方面通过对比方法的重现性，发现甲醇 - 乙腈（ 1 ∶ 9） 去除血清中的蛋白优于甲醇 - 乙腈（ 1 ∶ 1） .Want 等[12]和 Sarafian 等[13]处理胆汁酸的样本时，均采用甲醇除蛋白法。非靶向分析实体组织代谢物研究方面，多篇文献均采用甲醇 - 水（ 1 ∶ 1） 提取水溶性代谢物，二氯甲烷 - 甲醇（ 3 ∶ 1） 提取有机类代谢物[14 -18].在液质联用（ LC - MS） 分析粪便代谢物方面，Su 等[19]处理粪便样本时，先用水提取，再用相同体积的乙腈提取，合并上清液、吹干，用同位素丹磺酰氯衍生化，数据结合 HMDB 数据库，鉴定出 3 位女性 7 d 粪便中的 39 种代谢物； Tian 等[20]则采用甲醇涡旋提取处理粪便样本，用液质联用分析出对照组和给药组的 16 个代谢标志物。气相色谱 - 质谱联用（ GC - MS） 能直接从标准谱库中比对化合物信息，易于定性，但其不适用于难挥发和高极性代谢物分析，前处理需衍生化，相对处理复杂，常用的衍生化方法有硅烷化、酰化、烷基化[21 -22].Sulek 等[23]用气质联用分析头发代谢物时，分别用氢氧化钠水解、酸中和、冷冻干燥、甲醇水混合物再提、蒸干、C2H3ClO2衍生、弃去水层的步骤处理头发样本。Tsutsui 等[24]用液质联用分析头发代谢物时，用甲醇盐酸混合物超声提取头发样本，前处理方面较气质联用简单。本实验室建立了从细胞中提取线粒体及其样本制备的方法，并将代谢组学的应用推广到亚细胞层面[25].各类样本的靶向分析和非靶向分析的前处理方法详见表 1.