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    最近幾十年，各種組學的研究已經被生物醫(yī)學領域所廣泛應用，并為生物學和醫(yī)學的發(fā)展做出了巨大貢獻。組學的研究包括了基因組學、轉錄組學、蛋白質組學以及代謝組學?；蚪M學的研究目標是生物體的基因，它研究了細胞的可能潛在作用，但其結果是一幅靜止的圖片，到底最后是否發(fā)生了什么或者是怎樣發(fā)生的，都不是很清楚。后來轉錄組學和蛋白質組學的研究，對于將來可能會發(fā)生的作用以及發(fā)生的機理做了一些研究。但最終生物體已經發(fā)生了什么作用，則需要從代謝組學來進行研究。代謝組學研究的對象是整個生命活動鏈的最終端，因此能夠更靈敏、更有效地反映出生物體內所發(fā)生的生理、病理的各種變化，而且其分析樣本易得、分析成本較低，在臨床醫(yī)學領域有著很好的發(fā)展與應用前景。

    一、代謝組學概述

    代謝組學主要是效仿基因組學和蛋白質組學的研究思想，對生物體內所有代謝產物進行定量分析，并尋找代謝產物與生理病理變化相對關系的一種研究，是系統(tǒng)生物學的組成部分。代謝組學的研究可以追溯至上世紀80年代，Van De Greef研究小組和Nicholson研究小組分別利用質譜技術（MS）和核磁共振（NMR）技術分析了尿液。1999年，Nicholson提出了代謝組學的概念。

    代謝組學研究的是一個細胞、組織或器官中，所有代謝組分的集合，尤其是小分子物質，一般分子質量為1,000以下的小分子。代謝組學系統(tǒng)研究了新陳代謝的動態(tài)過程中代謝產物的變化規(guī)律揭示了機體生命活動的代謝本質。

    二、代謝組學的國內外研究現(xiàn)狀

    在當前的國際舞臺上，代謝組學研究非?；钴S。美國、英國、加拿大、德國、荷蘭、比利時、日本以及韓國等國家的許多大學和公司都開展了代謝組學的研究工作，其中有些小組已經開始將代謝組學、轉錄組學和蛋白質組學整合在一起來進行研究。SpringerLink出版社出版了名為Metabolomics的新雜志。代謝組學的研究工作小組分別在2004、2005和2007年制定了代謝組學的標準。2007年1月，人類代謝組學計劃完成了人類代謝組的第一張草圖，包含了2500種代謝產物、1200中藥物和3500種食物成分。

    在我們國內，軍事醫(yī)學科學院、中國科學院、中國林業(yè)科學院以及北京植物所等科研單位也已開展了代謝組學的研究工作。上海長征醫(yī)院腎內科也已經在腎臟病領域開展了多項代謝組學的研究工作。

    三、代謝組學的研究技術

    代謝組學的研究首先要解決的一個問題是：什么是代謝產物？代謝產物簡單的說就是生物體內任何可以檢測得到的有機分子，分子量一般小于1000Da。代謝產物包括了各種糖、脂類、多肽、氨基酸、核苷等，同時也包括了酮體、醛類、胺類、有機酸、生物堿等，當然也包括各種藥物和毒物。

    代謝產物所研究對象的是單個細胞、組織或器官中所有的小分子成分及其波動規(guī)律，對生物體液和組織可以進行系統(tǒng)的測量和分析，并研究完整的生物體中代謝產物隨時間改變的情況，以了解生物體的病理生理過程，確定生物標志物。先進的分析檢測技術結合模式識別和專家系統(tǒng)等計算分析方法是代謝組學研究的基本方法。

    代謝組學研究的一般過程包括：
    （1）前期的樣品采集；
    （2）樣品的處理；
    （3）代謝產物檢測、鑒定和數(shù)據(jù)獲得；
    （4）后期的數(shù)據(jù)分析和模型建立。

    樣品采集、制備方法根據(jù)不同的分析方法，采取不同的樣品制備方法，但需要遵循同性質樣品和條件標準化的原則，切實保證眾多樣本的一致性。樣品的處理，即代謝產物的分離，包括了SPE、LLE和ASE等方法，其關鍵問題是防止樣品的變質和污染。常用的檢測與鑒定方法包括質譜分析（MS）、核磁共振（NMR）以及聯(lián)合分析平臺，如氣相色譜/MS、液相色譜/MS、毛細管電泳/MS以及液相色譜/NMR等，各種方法優(yōu)勢互補，需要按照不同要求采用不同的分析方法。數(shù)據(jù)獲得后要進行數(shù)據(jù)分析和模型建立，需要利用生物學和化學知識（生物信息學、化學信息學），并應用一定的分析方法（化學計量學、計算生物學）來對大量數(shù)據(jù)進行整合分析研究。

    四、代謝組學的應用

    代謝組學在系統(tǒng)生物學的研究中已廣泛應用。如監(jiān)測基因和環(huán)境的相互作用，也可以監(jiān)測基因突變的后果。在植物的選擇中也有很多應用，可以利用代謝產物的識別來進行優(yōu)質品種的選擇。在醫(yī)學領域，還能確定一些未知基因的功能，通過監(jiān)測或測量代謝產物的量來了解人體的病理生理過程，也可以把代謝產物作為疾病或追蹤毒物、藥物的生物標記。

    1、生物學研究領域

    代謝組是基因型與表型之間的橋梁，代謝組學將代謝產物和基因關聯(lián)起來，從而實現(xiàn)基因功能的鑒定。通過將代謝組學方法和基因組學技術結合起來，以檢測代謝產物的變化，可以成功推斷相關基因的功能。

    2、農業(yè)和食品領域

    代謝組學技術通過促進植物基因功能組學的研究工作，可以加快農作物的品質改良進程，從而加快得到優(yōu)良的品種。代謝組學研究還可以通過對轉基因和野生型生物代謝產物差異的比較，來對轉基因生物及其食品進行安全性評估。

    3、醫(yī)藥領域

    人體中各種體液成分的變化反映了人體生理過程，也可反應代謝損害或毒物引起的細胞功能異常。應用代謝組學的研究方法可檢測血漿、尿液、膽汁等人體體液中具有特殊意義的異常微量物質成分，也可以對所有代謝產物進行定量分析，從而對新化合物進行篩選，為新藥臨床前安全性評價提供可靠的技術支持與保障。因此，早期的代謝組學研究在毒物藥物學和新藥篩選方面有較多的應用。美國食品與藥品管理局（FDA）已經接受代謝組學的研究結果作為新藥申報和注冊的重要參考指標。

    在疾病的診斷方面，尤其是一些先天性疾病，也已開始應用代謝組學來進行診斷。如應用NMR技術來分析患者尿液中尿黑酸的量，可以用來篩查尿黑酸病。對于早期無癥狀的腫瘤，可應用高敏感性的代謝組學綜合檢測手段來進行診斷。另外，冠心病的發(fā)病率逐年上升，常規(guī)的X線血管造影方法確診率高，但存在創(chuàng)傷、副作用多以及花費高的情況。有學者通過NMR技術來分析血清樣本，建立相應的模型，通過此模型對可疑冠心病患者進行高靈敏性和高特異性的診斷，還可以判斷冠心病的嚴重程度和累及血管的數(shù)目。NMR技術還正在應用于其他疾病，如糖尿病的診斷和預后判斷，各種關節(jié)炎（骨關節(jié)炎、類風濕性關節(jié)炎和創(chuàng)傷性關節(jié)炎）的鑒別診斷等。

    4、在腎臟疾病研究中的應用

    代謝組學研究在腎臟病領域的應用也逐漸增多。腎臟疾病有其特點，相對來說人體的尿液標本很容易采集，且能很好的反應腎臟方面的問題，所以代謝組學研究在腎臟病領域的應用近年來越來越多。文獻檢索結果發(fā)現(xiàn)，在最初的幾年，代謝組學在腎臟病領域的文章發(fā)表較少，但近年來關于腎臟疾病代謝組學的研究越來越多，發(fā)表的文章也呈明顯上升趨勢。

    代謝組學研究已涉及了腎臟病領域的很多方面，包括腎毒性藥物的監(jiān)測分析、腎臟疾病生物標記物的檢測、急性腎缺血、糖尿病腎病、腎小球腎炎、慢性腎衰竭、多囊腎病以及腎移植排斥反應的監(jiān)測、預后判斷等。

    五、代謝組學存在的問題和展望

    代謝組學的研究需要先進的儀器、技術和各種分析方法，同時也獲得了大量的數(shù)據(jù)。目前存在的問題主要是用非常先進的技術和分析方法，也不能全面的描述代謝組，且無法獲得成千上萬的代謝產物并進行分析，所以只有通過有選擇性的提取某些化合物、并結合各種分析技術來進行分析，從而解決這個問題。

    另外，由于化學物質的復雜性導致了代謝產物的差異，給檢測和鑒定分析帶來了不確定因素。不同的質譜分析技術，得到的數(shù)據(jù)也各有不同，如何通過不同的方法學來對所有的數(shù)據(jù)整合起來進行分析，從而達到正確解釋代謝組研究所得到的數(shù)據(jù)，這也是一個問題。生物體非常復雜，代謝組學的研究結果也只是其中一個方面，還需要和基因組學、轉錄組學以及蛋白質組學的研究結合起來，從而給生物學作用一個更好的解釋。

    代謝組學的研究還處在初生階段，如果能了解代謝產物的5%～10%，就已經很幸運了。我們相信隨著代謝組學技術和方法的不斷完善和優(yōu)化，這種研究方法必將使人類對生物體的了解更加清晰、更加深刻，也必將成為人類更高效、更準確診斷疾病的一種有力手段。