代谢组学在临床营养研究中的应用

董婷婷1  张红静2（通讯作者）

2重庆市巴南区第二人民医院 重庆 400054

摘要：代谢组学可在整体水平上定量考察饮食、生活习惯、生物活性物质和肠道菌群等引起的身体代谢的细微动态变化，有望为营养需求研究、营养流行病学与其相关疾病研究提供新的策略。

关键词：代谢组学；临床营养；应用

随着后基因组时代的到来，生物医学领域的研究策略发生了重大变化，新技术可分析大量基因产物，使人们有可能全面了解生物体系内分子调节机制。随后出现一系列关于“功能基因组学”的研究，包括研究不同细胞状态下特定时间点mRNA数量转录组学，以及蛋白质表达、代谢动力学、翻译后修饰和蛋白质间相互作用蛋白质组学等，代谢组学旨在研究生物体内低分子量代谢产物在外部刺激或扰动下的时空变化，以探索生物体系的代谢途径。

一、代谢组学研究内容与方法

完整代谢组学流程包括样本采集、预处理、数据采集、分析、解释。其研究平台由技术、数据分析平台组成。代谢组学致力于分析生物体系所有代谢产物，因而需尽可能强调保留及反映总代谢产物信息，其理论上是分析化合物，研究处理各种性质差异大、浓度分布广的分子。传统低分子量代谢产物分析方法研究特定类型复合物，分离探测技术针对感兴趣物质理化性质，要求低。代谢组学分析需全面分析代谢产物，理论上能检测获得各个体代谢谱。但实现对代谢产物组成的总揽较困难，需对其分析及资料处理采取综合策略。合适分析技术要敏感、稳定，并具有高通量能力。

1、代谢组学分析策略。代谢组学研究可分为以下层次：代谢组学(metabonomics/metabolomics)：metabonomics最初定义为生物系统对生理、病理刺激、基因改变的代谢应答定量测定，对生物系统特定状态下代谢产物的无偏向选择定性定量分析。样品制备中不应丢弃任何代谢产物，分析技术具有高选择性与敏感性；metabolomics侧重于细胞层次的组学研究，其界限还不太清晰。代谢谱分析是对预先确定特定数量代谢产物的定性定量分析，常与某些特定代谢途径有关。样本制备与设备有特定要求，在质谱鉴定前，通常应用色谱分离技术从生物样本中分离纯化感兴趣代谢物，该方法广泛用于制药工业的药物筛选、药物代谢产物与药物治疗作用鉴定。代谢指纹分析对样品进行高通量、快速全面分类分析，定性定量分析通常不固定，扫描技术用于区分不同生理状态或来源的样品间差异。样品制备过程简单，无需色谱分离纯化，分析过程快。代谢物靶标分析是对与特定代谢反应相关的一种或几种代谢产物的定性定量分析，要使用复杂技术从生物样品中分离纯化感兴趣代谢产物，特别是物质检测极限低时，此过程较重要。常用色谱与敏感的质谱或紫外检测器联用。

2、相应分析技术。到目前为止，代谢组学研究中最常见分析工具是核磁共振光谱(NMR)，其无需大量样品提纯，甚至无需提纯，能实现对具有定量分析特性的样品非破坏性、非选择性分析。但也有明显缺点：低灵敏度与分辨率，造成高丰度分析物掩盖低丰度分析物。随着磁场强度的增加及NMR检测器的改进，低灵敏度问题得到了显著改善，但分析低丰度代谢产物时分辨率差问题仍需解决。

高敏感性和宽测量范围使用质谱技术(MS)，包括气相色谱质谱、液相色谱色谱、基质辅助激光解吸离子化质谱、其它基于MS的技术等，成为分析众多代谢产物有力工具，也是NMR良好补充，能提供高分辨率及检测灵敏度，并具有参考和比较标准谱图库。与NMR一样，MS也有许多缺陷。质谱分析需复杂样品制备过程，生物样本的低分子量代谢产物在有机溶剂萃取中不可避免会丢失。此外，红外光谱技术还能实现对代谢产物的快速、非破坏性、高通量分析，这项技术也在不断发展。

3、数据分析方法。生物样品代谢物谱包含了与机体生理病理代谢状态相关的丰富信息，分析这些数据并挖掘其隐含有用信息较重要。在代谢组学研究中，大多情况需对检测到的两类或多类信息判别分类，所以应用于数据分析的技术主要集中在模式识别技术上。模式识别方法可分为两类：用于鉴定样品簇类的非监督方法、分析资料额外信息组间异同的监督方法。模式识别技术已成功用于各种疾病病例对照研究的鉴别中，这项技术用于营养研究中潜能大，在比较不同饮食或营养干预时，要考虑其它因素，如食物中非营养成分、肠道微生物产生的各种代谢物等，以及个体差异对代谢产物的影响，而这些在传统营养中被忽视。最近应用这种代谢研究方法引起了人们对植物复合物中非营养成分的关注。可能影响代谢非营养成分与众多其它因素，包括内外部因素，在代谢组学分析中均能予以考虑。

二、代谢组学在营养研究中的应用

代谢组学作为一项新发展的技术，已广泛用于微生物、植物学、毒理学、疾病机制的研究，如给予外源复合物测定对代谢的影响。应用包括饮食底物代谢、药物引起的2型糖尿病患者体内脂肪的重新分布，以及维生素在慢性代谢性疾病中的治疗效果评定等。但在临床，尤其是临床营养领域，代谢组学仍是一项较新技术。在不同饮食或营养干预下，机体内这些小分子量代谢产物的变化是代谢组学在营养研究中的主要目标，有助于加深对人类健康的认识。

氨基酸与脂类代谢产物能用代谢组学方法定量测定。有学者建立了一种荧光标记的HPLC方法测定伏隔核各亚区14种氨基酸浓度，并用该方法测定多巴胺D3/D2受体激动剂喹那定蓝作用下对这些代谢产物浓度的影响。由于该氨基酸定量测定方法的稳定性与重复性好，可用于其它系统的研究。另有学者研究发现，氨基酸代谢谱有助于揭示特定生理状态，揭示迄今为止最全面的代谢关系。一种新的基于功能的联合算法来测定氨基酸比率，可将糖尿病模型大鼠与肥胖和非糖尿病大鼠鉴别出来。同样的方法能确定二甲基亚硝胺引起肝功能衰竭后肝脏纤维化标志物羟脯氨酸的大概浓度范围，该方法可用于各种生理或疾病状态的临床诊断。

脂质是另一种使用定量方法测定的代谢产物，定量脂质代谢资料可用于分析摄食油脂对心脏及肝脏磷脂代谢的不同影响，其能记录生化途径中脂类代谢产物浓度变化及不同治疗或表现型对其的影响。该策略还能测定胰岛素敏感剂罗格列酮治疗2型糖尿病小鼠模型对其肝脏、血浆、心脏、脂肪组织脂质代谢的影响，这项研究表明，这种药物对体液与组织中的脂质代谢有广泛影响，罗格列酮降低血浆脂质浓度，显著改变心脏磷脂代谢，并导致脂肪组织中多不饱和脂肪酸谱异常。另一项关于培养3T3-L1脂肪细胞脂类代谢改变的研究表明，随着细胞分化，奇数链脂肪酸逐渐在脂肪细胞内蓄积，包括甘油三酯及磷脂，本研究结果表明过氧化物酶体在脂肪细胞脂肪酸代谢中的重要作用。由于饮食中大分子复合物对组织代谢的影响常反映在血浆脂质代谢中，因此可用代谢组学研究方法来评价个体间对饮食的反应。当前，正在建立人类各种基因表现型的脂质代谢数据库，这将有助于研究人员充分利用丰富数据资源。另利用代谢组学研究方法评价健康绝经期前期妇女每天给予60g大豆前后对血浆脂蛋白、氨基酸、碳水化合物代谢谱的影响。尽管个体间有基因差异，但这种代谢分析仍能确定血浆组分与饮食干预间关系，大豆能显著改变血浆脂蛋白、氨基酸、碳水化合物代谢谱，表明摄食大豆可改变能量代谢，尽管对大豆干预代谢改变反应程度存在个体差异，但这种改变确实存在于每个个体中。这种研究方法能根据个体代谢能力差异，经鉴定个体对一些干预的反应指导临床。

健康领域面临挑战已从传统微生物感染、毒素暴露和营养缺乏扩展到由营养失衡、代谢功能失调引起的健康问题。随着代谢组学的发展及在营养领域的成熟应用，以及代谢组学数据库建立与完善，饮食与代谢谱、不同代谢谱及健康与疾病间关系将随代谢组在营养研究中的应用而逐步确立。营养学家将能充分利用这种资源，评价个体营养健康状态，预言其健康发展趋势，经饮食、药物干预、生活方式改变来调节个体代谢模式，提高生活质量，预防慢性病的发生。

参考文献：

[1]何庆华.代谢组学在营养学研究中的应用[J].食品科学，2016(05).