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代謝組學(xué)技術(shù)及其在藥學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用論文
摘抄：代謝組學(xué)是近年來(lái)興起的一門(mén)學(xué)科，其研究對(duì)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(diǎn)。對(duì)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(duì)代謝組學(xué)這一研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行小結(jié)。
1引言
隨著生命科學(xué)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生命體的研究逐漸從局部轉(zhuǎn)向?yàn)檎w，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(lái)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(guó)的Nicholson教授于1999年首次提出代謝組學(xué)概念。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(gè)領(lǐng)域，比如營(yíng)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(duì)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(gè)特定基因的變異）或刺激后其代謝產(chǎn)物的變化或隨時(shí)間的變化，其研究對(duì)象是小分子物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量大多在1000以內(nèi)。這些代謝物既能反映細(xì)胞營(yíng)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(duì)細(xì)胞的作用。Nicholson最初給代謝組學(xué)的定義是：定量測(cè)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。故而有人認(rèn)為“通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)你知道可能會(huì)發(fā)生什么，而通過(guò)代謝組學(xué)你則會(huì)明白確實(shí)發(fā)生了什么”。
2.2代謝組學(xué)的研究方法
Oliver Fiehn根據(jù)研究對(duì)象和目的不同，以四個(gè)層次來(lái)劃分對(duì)生物體系代謝物的分析，即：代謝指紋分析（metabolomics fingerprinting）、代謝輪廊分析（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(duì)全部代謝物進(jìn)行的模糊分析，也就是不測(cè)量或分析樣品的具體組分，只是對(duì)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(diǎn)。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(gè)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(xué)則定義為生命體系所有代謝物動(dòng)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(cè)定生物樣品中的一個(gè)或數(shù)個(gè)特定代謝物。
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(duì)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。例如氣相色譜—質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用，這種技術(shù)具有可檢庫(kù)鑒定已知物、高重復(fù)性、高靈敏度等特點(diǎn)再比如，液相色譜一質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用可對(duì)代謝物進(jìn)行定量和定性分析，同時(shí)也可避免氣相色譜一質(zhì)譜中樣品前處理帶來(lái)的困難與損失，另外，對(duì)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(shuō)液相色譜一質(zhì)譜是最具應(yīng)用前景的代謝組學(xué)分析技術(shù)之一。高效液相色譜一四極桿飛行時(shí)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(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用于代謝組學(xué)研究。
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(huì)直接或間接地使基因表達(dá)發(fā)生改變，這種改變?cè)诖x物水平上進(jìn)一步被放大，所以說(shuō)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(cè)技術(shù)檢測(cè)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(diǎn)，更深入地了解藥物的毒性作用機(jī)制。Slim等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(shí)，發(fā)現(xiàn)CI-1081組和加入抗炎藥的CI-1081組的譜圖沒(méi)有分開(kāi)，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。王勇等在研究三聚氰胺影響兒童尿液代謝時(shí)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(lái)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(wú)創(chuàng)檢測(cè)。
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(dòng)學(xué)，這兩個(gè)過(guò)程在體內(nèi)是同時(shí)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等比較了精神分裂癥患者經(jīng)奧氮平、利哌利酮和阿立呢唑治療前后的代謝譜，并評(píng)價(jià)這三種抗精神分裂藥物對(duì)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(méi)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)五味子是通過(guò)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(duì)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(lái)分析大鼠血清內(nèi)源性代謝物的變化而得以實(shí)現(xiàn)的。
藥動(dòng)學(xué)主要研究機(jī)體對(duì)藥物的處置的動(dòng)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(gè)體間的差異對(duì)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(gè)體特征實(shí)行個(gè)體化治療。Clayton等曾提出利用“藥物代謝組學(xué)”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)給藥方案?jìng)�(gè)體化，以大鼠給予撲熱息痛做初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)給藥后大鼠的組織學(xué)檢測(cè)結(jié)果與給藥前其尿的生化代謝譜呈顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)。由此曹蓓等以為：“藥物代謝組學(xué)”可以作為群體篩選的一個(gè)基礎(chǔ)，根據(jù)個(gè)體的特殊情況來(lái)預(yù)測(cè)藥物的作用結(jié)果，針對(duì)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(duì)藥理學(xué)的深入研究有推動(dòng)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(duì)認(rèn)識(shí)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(shí)用藥劑量和療程、配伍減毒，對(duì)中藥質(zhì)量控制和優(yōu)選資源、實(shí)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(huì)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(jì)量學(xué)的藥物代謝組學(xué)。呂天等設(shè)置空白對(duì)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(cè)，獲得了以質(zhì)荷比和保留時(shí)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(huì)有所不同。吳宏偉等利用基于的代謝組學(xué)分析方法，建立了能夠分析來(lái)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(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(yàn)（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(guò)干預(yù)脂質(zhì)和氨基酸代謝來(lái)發(fā)揮護(hù)肝作用的。
由此可見(jiàn)，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(huì)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(yǔ)
近年來(lái)，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(shì)，然而，作為一門(mén)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(shì)和不足，若將其整合進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使分析結(jié)果能統(tǒng)一、交叉驗(yàn)證是代謝組學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。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(kù)也將進(jìn)一步完善，可參考的價(jià)值也越來(lái)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(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、新藥的開(kāi)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、維吾爾族醫(yī)藥理論及其臨床診療現(xiàn)代化研究中。以上這些都說(shuō)明代謝組學(xué)具有巨大的發(fā)展空間，值得我們?nèi)パ芯浚⑵浒l(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(diǎn)研究領(lǐng)域，并在多個(gè)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(píng)價(jià)、中藥研究等方面發(fā)揮了極其重要的作用。相對(duì)于蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)來(lái)說(shuō)，代謝組學(xué)有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)單；代謝物可以放大蛋白質(zhì)合成和基因表達(dá)時(shí)細(xì)小的差異，從而使檢測(cè)更簡(jiǎn)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。
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