科普靶向和非靶向性代谢组学剖析技能简介

原标题：科普 | 靶向和非靶向性代谢组学剖析技能简介

代谢组学(metabolomics)是生物体内生化反响的总成，是生命体坚持生命的物质根底，也是研讨生命活动的重要根底。代谢组学是依据高通量剖析和生物信息学技能，研讨生命在内、外环境影响下的内源代谢活动，包含对代谢产品品种、数量及其改动规则的检测和剖析，然后研讨团体生命活动发作和开展的实质。代谢物作为生物学进程的终端产品，其状况改动能够精确地反响细胞功用的改动。研讨标明，包含癌症在内的多种疾病，如肝脏疾病、肾病、心血管和神经系统疾病等都与细胞内代谢状况改动导致的生理学紊乱或细胞功用缺失相关联。代谢组学已成为后基因组学年代功用基因组学的研讨利器，是大规模挑选用于疾病的前期猜测、确诊和分型的新生物标志物的重要手法，是精准医学的重要技能手法之一。

• 代谢物的品种、数量改动易于检测；
• 比较于基因组学和蛋白组学，技能手法更为简略；
• 与基因组学和的蛋白组学比较，代谢物数量少，易于检测、验证和剖析；
• 代谢水平改动可实时提醒机体生理病理状况。

代谢组学依据研讨意图的不同，可进一步分为非靶向和靶向代谢组学。

非靶向代谢组学（Untargeted metabolomics）是指选用 LC-MS、GC-MS、NMR技能，无偏向性的检测细胞、安排、器官或许生物体内遭到影响或扰动前后一切小分子代谢物（首要是相对分子量1000 Da以内的内源性小分子化合物） 的动态改动，并通过生信剖析挑选差异代谢物，对差异代谢物进行通路剖析，提醒其改动的生理机制。

靶向代谢组学（Targeted metabolomics）是针对特定一类代谢物的研讨剖析。二者各有优缺陷，常常结合运用，用于差异代谢产品的发现和定量，对后续代谢分子标志物进行深化的研讨和剖析，这在食物判定、疾病研讨、动物模型验证、生物标志物发现、疾病确诊、药物研制、药物挑选、药物评价、临床研讨、植物代谢研讨、微生物代谢研讨中发挥及其重要的效果。

1、生物样本中杂乱代谢产品的检测。

2、寻觅疾病的生物标志物。

3、标志物的验证和肯定定量研讨。

4、研讨代谢通路机制。

非靶向代谢组学常用LC/MS、GC/MS、NMR三种检测手法，优缺陷如下表：

1. NMR（核磁共振）

长处是对样品无破坏性，测定无偏向性，即适用于血液、尿液体液等液体样品，也适用于安排和器官等固体样品，而且测定速度快，可完成样品代谢组的动态监测，缺陷首要是分辩率较低。

2. GC-MS（气相色谱）

GC-MS是代谢组学研讨的技能，具有技能老练安稳、分辩率高级特色，一起，因为具有相对完善的数据库，使得定性也好一些，缺陷则首要体现在样品处理杂乱，而且关于不易衍生化的物质定性和定量较困难，影响了该技能在更大规模内的运用。

3. LC-MS（液相色谱）

长处首要体现在样品制备和前处理简略、试验重复性好，分辩率高，别离和剖析规模大，缺陷则首要体现在数据库完善程度不行，定性相对困难。

各渠道优缺陷比较

数据渠道

代谢组学常常需求运用多种剖析技能手法来满意不同的试验需求。常见的代谢组学剖析技能包含核磁共振（NMR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、毛细管电泳-质谱联用（CD-MS）、HILIC--MS等。高分辩质谱技能首要有TOF-MS、FTICR-MS、Orbitrap-MS、Sector-MS等。

技能渠道敏感性比较

1. GC-MS（气相色谱）是代谢组学研讨的经典技能，具有技能老练安稳、分辩率高级特色，一起，因为具有相对完善的数据库，使得定性也更为精确，缺陷则首要体现在样品处理杂乱，而且关于不易衍生化的物质定性和定量较困难，影响了该技能在更大规模内的使用。

2. LC-MS（液相色谱）优势首要体现在样品制备和前处理简略、试验重复性好，分辩率高，别离和剖析规模广，缺陷则首要体现在数据库完善程度不行，定性相对困难。

• 数据预处理：使用XCMS、MZmine和MarkerView等东西进行原始数据处理。
• 判定差异代谢物：常用的剖析办法包含主成分剖析（PCA）、偏最小二乘判别剖析（PLS-DA）、正交偏最小二乘判别剖析（OPLS-DA）等。数据剖析成果还需求通过t查验和变量权重重要性排序（variable importance in projection, VIP）值挑选差异性代谢产品。一般以为，一起满意P<0.05，VIP>1.0的变量为差异代谢物。
• 代谢通路剖析：常见的代谢组学通路数据库包含HMDB、KEGG、Reactome、BioCyc、metaCyc等数据库，可通过这些数据库进行代谢通路和互作网络剖析。
• 多组学剖析：多组学剖析已经是组学发现的趋势了。可用的数据库和东西包含IMPaLA网站、iPEAP软件、metaboAnalyst网站、SAMNetWeb网站、pwOMICS、metaMapR、MetScape、Grinn、WGCNA、MixOmic、DiffCorr、qpgraph、huge等。

非靶向代谢组剖析流程图

依据非靶向代谢组学的代谢性疾病转化医学研讨流程 （图片来源于张涛试验室）

1. 微生物和细胞样本：敏捷钝化代谢活动（淬灭），一起坚持细胞不裂解

2. 动物体液（如尿、血、安排、器官、唾液）：采样后要敏捷预处理，如参加抗凝血剂、防腐剂，并当即冷冻处理（-80℃）

3. 植物样本：搜集后敏捷冷冻（液氮），然后转入-80℃保存，200mg/例

4. 血清样品：500ul/例（不得低于200ul/例），必定防止重复冻融。(血液搜集在离心管中静置30分钟进行凝结。然后离心取上清装载于洁净的离心管中，再离心5分钟，8000rpm，取上清分装到冻存管中，每管0.5ml，-80℃冻存寄送。)

5. 尿液样品：1ml/例，原则上能够多取一点（尿液直接分装到离心管中，每管1ml，增加一滴（约10ul）质量体积为1/100（w/v）的叠氮化钠，-80℃冻存寄送）

6.瘤胃液：1ml/例，原则上能够多取一点。 搜集过程：瘤胃液经 6000×g 离心15min，取上清，分装， -80℃冷冻保存，干冰寄送。 为了让样品能保存更长的时刻，取样之后可增加一滴（约10µl）质量体积为1/100（w/v）的叠氮化钠溶液。

样本要求

关于生物学重复次数

一般来说，植物、细胞、微生物等至少6个生物学重复，动物样本，因为其个体化差异较大，包含安排、血、尿液等至少10个生物学重复。临床样本，个体差异更大，血浆、尿液等至少要在30个生物学重复左右，无上限。详细依据文章宣布层次和试验设计而定。

1.Poisson, L.M., et al., Untargeted Plasma metabolomics Identifies Endogenous metabolite with Drug-like Properties in Chronic Animal Model of Multiple Sclerosis. J Biol Chem, 2015. 290(52): p. 30697-712.

2.Fan Y, Li Y, Chen Y et al., Comprehensive metabolomic Characterization of Coronary Artery Diseases. J Am Coll Cardiol. 2016; 68(12):1281-93. doi: 10.1016/j.jacc.2016.06.044.

3.范仕成,高悦,张慧贞,黄民,毕惠嫦.非靶向和靶向代谢组学在药物靶点发现中的使用[J].药学发展,2017,41(04):263-269.

4.赖博文,刘玢,梁永康.依据高分辩质谱的非靶向代谢组学在食物造假判定中的研讨发展[J].生物技能通报,2019,35(02):192-197.

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