专 论代谢组学的发展与药物研究开发X
刘昌孝
(天津药物研究院,天津药代动力学与药效动力学省部共建国家重点实验室,天津 300193)
摘 要 代谢组学是近年来新发展起来的一门组学,其主要研究体系有生物体液、生物组织及单个细胞的代谢组,利
用一些现代的分析技术,如N M R、L C-M S、G C-M S等,取得整个研究体系的多维数据后,利用模式识别和专家系统技术寻
找其中的系统生物学信息。本文从代谢组学的发展,代谢组学的研究范围和研究方法,以及在药物的作用机制和安全性评
价,疾病模型,特别是中药研究的应用等方面予以阐述。
关键词 代谢组学,药物研究开发,作用机制,安全性评价,中药现代研究,疾病诊断
中图分类号:R969 文献标识码:A 文章编号:1006-5687(2005)02-0001-06
Development of metabonomics and drug research and development
Liu Chang xiao
T ianjin K ey L abor ato ry of P harmaco kinetics and phar macodynamics,T ianjin I nstitute of Phar maceutical R esea rch,T ian-jin,300193
Abstract M etabo no mics is a new"-omics"science developed in r ecent year s.Its major r esearch objects co ver bio-fluid,
bio-tissue and metabolome of sing le cell.M odern a nalyt ical techno lo gies such as N M R,L C-M S and G C-M S are used to obtain multi-dim ensio nal data fo r the w hole resear ch sy st em,then pat tern r eco gnit ion and ex pert sy stems are emplo yed
to ext ract systemat ic bioinfo rmat ion.In this r eview,the development of met abo nomics,r esearch field,resear ch metho ds
and applicatio ns fo r mechanism o f drug action,dr ug to xicity screening,clinical safety and disease diag no sis,specifically in
tr aditio na l Chinese medicines ar e intr oduced.
Key words M etabonomics,dr ug r esearch and development,m echanism o f dr ug action,dr ug to xicity,tr aditio nal Chinese medicine,disease diagnosis
1 代谢组学研究的形成和发展
基因组(g enome)是指某一生物的所有DNA;基因组学是一门研究生物的整个基因组的科学。转录物组(transcriptome)是指某一生物或细胞所有基因表达的RN A;转录物组学是一门对某一生物或细胞所有基因表达的RNA(如mRNA)进行全面分析的科学。蛋白质组(pro teom e)是指某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质;蛋白质组学是一门对某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质进行定性和定量分析的科学。转录组学和蛋白质组学是分别在基因的转录和转录后的蛋白质翻译与修饰两个水平上,研究基因的功能。代谢组学相对于其它组学而言还是一门较新的组学,不过已经显示了其在药物发现过程中的巨大潜力,它可以在药物发现过程的前期就能识别药物的毒性,避免了药物发现过程中的损耗。代谢组学研究有希望成为新药发现与研发过程的一个必需部分[1]。代谢组学作为一门新发展的技术,它是通过考察生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后)其代谢产物的变化或其随时间的变化,来研究生物体系的代谢途径的一种技术[2]。最初人们提出了代谢物组(m etabo lome)的概念,严格地说,代谢物组应该是指某一生物或细胞所有的代谢产物(m etabolite)。在实际工作中,由于分析手段的局限性,更多的人倾向于把代谢物组局限于某一生物或细胞中所有的低分子量代谢产物。与基因组学、转录组学和蛋白质组学相对应,即代谢物组学是一门对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析,以监测活细胞中化学变化的科学。
在人们逐步的研究过程中,提出了一些相关概念,如代谢物靶目标分析(m etabo lite target analysis),代谢轮廓(谱)分析(m etabolic profiling analy sis),代谢组学(metabo no mics)或代谢物组学(m etabo lomics),
1
X收稿日期:2005-04-01
作者简介:刘昌孝,男(1942-),中国工程院院士,研究员,教授,博士生导师,主要从事药理学和药物代谢动力学的研究。现任天津药代动力学与药效动力学部省共建国家实验室主任,国家医药管理局天津药代动力学与临床药理学研究室主任等职。承担国家重大研究项目25项,领导完成100余个新药的药代动力学研究,获得27项科技成果奖,在国内外发表论文200多篇,中英文版专著12部。
代谢指纹分析(m etabolic fingerprinting analysis)。其中,m etabolom ics 和m etabonomics 分别从metabolome 和metabo nom e 演化而来,m etabolom ics 最早出现在Fiehn 小组的工作中,Fiehn 研究小组[3-6]主要研究植物生理代谢网络,其分析技术主要以GC-M S 为主,也利用NM R 和MS 技术;而metabonom ics 由Nicholson 率先提出[2,7],主要利用核磁共振手段分析动物体的代谢过程。因此有人提出以分析手段来区分metabo lomics 和metabonomics,目前国内的代谢组学研究小组基本达成共识,即用metabonomics 一词来表示“代谢组学”。
2 研究代谢组学的意义
人基因组计划的基本完成,表明后基因组时代的到来,生命科学的主要任务是基因组功能分析。有人估计认识其功能比认识其结构任务更艰巨,花时间更长(50年或更长),核心思想是整体性研究——以生物体内某一物质分子整体为对象的研究。近年来,人类基因组测序工作的完成,迎来了后基因时代。人们对生命过程的理解有了很大的提高,研究的热点转移到基因的功能和几个“组学”研究,包括研究RNA 转录过程的转录组学、研究某个过程中所有蛋白及其功能的蛋白组学、研究代谢产物的变化及代谢途径的代谢组学。遗传信息由基因经转录物向功能蛋白质传递,基因功能由其表达产物来体现。继基因组后,转录物组、蛋白质组出现,并相应形成“-om ics ”学说,如转录物组学(transcriptom ics)、蛋白质组学(proteomics)等。但是基因与功能的关系,还不能用转录物组、蛋白质组来表达生物体的全部功能,于是出现代谢物组学和代谢组学。以基因、mRNA 、蛋白质、代谢产物为研究对象的基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学,自然也是一个有机的整体,它们都是系统生物学特别是分子系统生物学研究的重要组成部分,系统生物学是后基因
组研究最具挑战性的一个研究领域。
图1 代谢组学与基因调控相关的“-组学”的关系
后基因组时代,代谢组学的出现,特别在药物安全
性研究中的应用,认为该新兴的学科分支会对药物安全性研究产生革命性的影响。面对风险的挑战,国外大制药公司:施贵宝(Br istol-M ey ers-Squibb),礼来(Eli lilly),哈弗曼-罗氏(Hoffm ann-La Roche),诺瓦迪(Novo Nordisk),辉瑞(Pfizer),法马西亚(Pharma-cia )和帝国理工学院(Imperial Co lleg e ,Londo n ),应用代谢组学评价药物毒性,进行后选药物的临床前毒性筛选,进而对广泛模型化合物评价和安全性预测(3年中在大鼠和小鼠的尿的NM R 分析研究了150个肝肾毒性模型)。他们的研究成果引起人们的关注,为发展这一新兴学科增添了力量。
代谢组是反应机体状况的分子集合,所有对机体健康影响的因素均可反映在代谢组(m etabono me )中,基因、环境、营养、药物(外源物)和时间(年龄)最终通过代谢组对表达施加影响。代谢组也是评价健康和治疗的合适的分子集合,因此研究代谢组学对药物治疗有直接意义。代谢组学是后基因时代的一门新兴的独立学科(2000年以后,发表的论文也不足100篇),该学科的应用跨越生物技术和医药技术,具有广泛发展前景。它与药物的药效和毒性筛选及评价研究、作用机制研究和治疗合理用药密切相关。3 研究对象和内容
基因组学和蛋白质组学——药物靶位发现和鉴别,组合化学——满足大量化合物的需要,高通量筛选——分子和细胞水平,生物活性快速评价,代谢物组学——新的评价系统,安全性和药效评价。代谢物组——生物体内小分子代谢物的总和,为基因表达和代谢形成的中间产物和最终产物。代谢组学测定的对象是生物标本——生物体液(如血液、尿等)、细胞提取物、细胞培养液和组织等。测定代谢物变化——研究系统生化谱和功能调节,应用代谢组信息——进行生物信息、化学计量学、统计学分析发现其内在的联系。4 研究方法
方法思路与基因组学相似,代谢组学研究细胞或生物样品的所有代谢的综合表现——全局观点,在研究方法上,代谢组学与其他基因组学不同之处,如在样本采集和处理上,方法简单,测定快速,并能进行动态连续研究。它虽然是一年轻的学科,但分析方法成熟,适于定性定量(HPLC,MS,NM R),实现与功能的联系,通过(与药效、毒性)比较、验证,所得结果容易与传统方法所得结果联系。代谢组学通常采用绘图技术,现代分析测定方法(NM R ,HPLC ,MS )绘制代谢物组图,应用计算机技术和统计方法,完成“指纹图谱”(fingerpr int ),以高通量的实验和大规模的计算为特征。其中NM R 在药物代谢物组学研究中,显示出极高
2
的地位。它具有图谱可测出信息量大的特点,人体尿
液的1
H -NM R 谱中包含几百个甚至上千个化合物的信
息。涉及数学分析、计算机应用、模型建立和仿真等诸多方面的研究内容[8-10]。
NM R 谱中的化学位移、峰面积、偶合常数、驰豫时间均是解析化合物结构的依据,这使得NMR 法成为
目前代谢研究关注的一种方法。1
H -NM R 谱测定时样品用量少,一般0.3m l ,一维谱的测定仅需5min ,为一快速、简便的方法。与色谱法比较,突出的优点是对生物样品的预处理简单,这使得NM R 法更具实用性,NM R 谱的无损伤特点还使其可以检测整体动物或人体特定器官细胞内的代谢物组。然而由于代谢物的分子小,在数以千计的化合物中,大量的内源性物质,如
肌酸酐、马尿酸、蛋白质。1
H -NMR 的化学位移范围只有10ppm ,因此在3～5ppm 和6～8ppm 处存在大量的氨基酸,图谱中可能出现上百个化合物的峰,这些峰相互重叠、干扰,造成了图谱解析的困难,生物标物(biomarker)常常受到与测定不相关物质的干扰,因此一般NM R 就难以发挥其作用。高分辨核磁共振(hig h-resolution NM R)则成为强有力的武器。采用高分辨核磁共振仪,因其具有较好的灵敏度,信号分散,使图谱
容易解析,可检测的核素有1H 、13C 、15N 、19F 、23Na 、31
P 和39
K 等。大多数药物都含有质子,因此最常用1
H -NM R 。而13C 、15
N 可用来跟踪标记的糖、氨基酸、脂肪、内源性小分子或药物等在体内的代谢物组,配合二维的1H -1H COSY 谱可提供大量有用的信息,并且可以简化图谱。采用分散系数编辑的图谱中,还可以看到乳酸、肌肝酸、丙氨酸、B -羟基丁酸、缬氨酸、胆碱类、脂蛋白等,以及用高分辨750MHz 1
H-NM R,采用自旋-回波、二维J-调制和同核、异核(1H-13C)相关谱研究血浆代谢物组。
Fiehn 研究小组的一系列有关植物代谢网络的研究比较有代表性,他们用GC /M S 方法对模板植物拟南芥的叶子提取物进行了研究,定量分析了326个化合物,并确定其中部分化合物的结构[7]。Nicho lson 等人在长期研究生物体液的基础上提出的基于NM R 方法的代谢组学,则是定量研究有机体对由病理生理刺激或遗传变异引起的、与时间相关的多参数代谢应答,它主要利用核磁共振技术和模式识别方法对生物体液和组织进行系统测量和分析,对完整的生物体(而不是单个细胞)中随时间改变的代谢物进行动态跟踪检测、定量和分类,然后将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学事件关联起来,从而确定发生这些变化的靶器官和作用位点,进而确定相关的生物标志物。除了
GC-M S 和NM R 之外,HPLC 和LC/T OF-M S 也被
用于这方面的研究[11]
。
与M S 和HPLC 相比,NMR 的缺点是灵敏度较低,但其优点也是非常明显的。NM R 方法具有无损伤性,不会破坏样品的结构和性质,可在接近生理条件下进行实验,可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件;可以进行实时和动态的检测;可设计多种编辑手段,实验方法灵活多样。NM R 还有一个重要的特点,就是没有偏向性,对所有化合物的灵敏度是一样的,而M S 则存在离子化程度和基质干扰等问题。因此,NMR 方法很适合研究代谢产物中的复杂成分。其实,NMR 氢谱很早就被用于研究生物体液,从一维高分辨1H 谱图可得到代谢物成分图谱,即代谢指纹图谱[12]。对1H NM R 谱图以0.04ppm 为单位,将谱图划分成若干区域,并对所有区域进行积分,然后将积分值归一化后输出。在得到了这些数据之后,就可以利用模式识别(pattern recog nition,PR)方法来处理和分析这些数据[17],获得有价值的生物学信息,见图2。
图2 主要代谢物分析
在代谢组学的研究中,最简单常用也是比较有效的模式识别方法是主成分分析法(principal component analysis ,PCA )。PCA 的特点是将分散在一组变量上的信息集中到某几个综合指标即主成分(principal component,PC)上,利用这些主成分来描述数据集内部结构,实际上也起着数据降维的作用。主成分是由原始变量按一定的权重经线性组合而成的新变量,这些变量具有以下性质:1任意两个主成分之间都是正交的;o第一个主成分包含了数据集的绝大部分方差,第二个主成分则次之,依次类推。这样,由前两个或三个主成分作图,就能够很好地反映数据集所包含的生物化学变化。这样的主成分图能够直观地描述药物作用到器官之后,或者基因改变之后生物体内的代谢模式的变化。每一个样本在主成分图上的位置纯粹由它的代谢反应所决定,在这种比较简单的方法中,将从受试动物得到的样本与NM R 产生的代谢组数据库进行比较,就可以确定它在主成分图上的位置,从而确定其机理,并有可能找到生物标志物。处于相似病理生理状
3
态的动物得到的样本通常具有相似的组分,因此在主成分图中也处于相似的位置,许多代谢物之间的相关性无令人满意的结果,因此需要发展或采用更复杂的分析方法。另外,一些环境因素和性别、饮食等因素都会影响分析结果,因此,需要采用滤噪技术,如正交信号校正(orthog onal sig nal correction )[18],同时采用更为复杂的分析方法,如偏最小二乘法、判别分析(PLS -DA )[19]
和人工神经网络[20]
。用这类方法可以建立复杂
的数学模型,对未知样本进行预测分析[2,7]
。
NM R 样品只需要简单的预处理,尿液和血清是代谢组学研究中的主要样品[13]。对于尿样,需要通过离心除去固体悬浮物质,然后加入磷酸盐缓冲溶液,保证所有样品的pH 值都在一个很小的范围内,这样才能保证所得到的谱图中相同化合物的谱峰在相同的位置。对于尿样,常用的实验方法是1D 1H 谱,通常采用加预饱和的1D NOESY 脉冲序列,这样可以得到较好的水峰抑制效果和较平直的基线。同时采用较高的数字分辨率和较长的驰豫延迟,以保证能够区分化学位移相近的谱峰,且能够得到准确的积分。而对于血清样品,则需要采用驰豫编辑[14]或扩散编辑[15]的方法来分别观测小分子和大分子的谱峰。随着NM R 技术的发展,以前用于固体的魔角旋转(MAS )技术被移植到液体领域,使得我们可以研究以前难以用液体NM R 研究的样品,如器官组织样品。利用M AS 技术,我们
可以得到完整的组织样品的高分辨谱图[16]
,扩展了代谢组学研究的样品范围,同时可以更全面地对一个系统进行深入的研究。
5 药物作用模型的鉴别和确证
新药发现和开发领域中基因组学和蛋白质组学等新技术的应用,发展并推进了药物作用靶位或受体的发现和鉴别。组合化学提供的大量化合物以及从天然产物提取的大量样品,为建立高通量筛选提供了在细胞和分子水平评价筛选化合物,发现新的生物活性物质。但从整体观念来看,新药的发现最终必须在整体动物的药理和疾病模型上予以证实,才能将生物活性化合物转化为候选化合物进入开发研究。代谢组学作为一种系统方法,能在鉴别和确证药理和疾病模型上发挥作用。成功的疾病治疗必须使代谢网络中的缺陷部分正常化,同时又不得干扰其它维持健康所必须的代谢途径的调控。新药发现和开发的目的就是要从中获得能使代谢平衡由疾病状态恢复到正常状态(即药效研究的目的),而不是出现病理状态(即应该降低或消除的不良反应或毒性)。代谢组学研究可以区别不同种属、不同品系动物模型的代谢状态,鉴别与人体疾病状
态的差异,寻找人类疾病、药效和毒性的适宜动物模
型。在用动物实验的结果,或细胞水平的实验结果预测
人的实验结果,生物标志物起着桥梁的作用。Aar dema
等认为具有以下关系,见图3[21]
。对于实验动物模型所得到的反映毒性的关键基因表达指纹与人有高度的相似性,表明发生在动物模型的分子损伤和效应与人相似。
图3 实验动物模型与人桥接标示物的关系6 药物作用机制的研究
如前所述,代谢组学作为一种系统方法,能在鉴别和确证药理和疾病模型上发挥作用。成功的疾病治疗必须使代谢网络中的缺陷部分正常化,同时又不得干扰其他维持健康所必须代谢途径的调控。药物的作用机制的研究就是研究药物在这种调控作用中所起的作用和如何起作用。代谢组学研究“代谢指纹图谱”,它不仅研究药物本身的代谢变化,而且主要是研究药物引起的内源性代谢物的变化,更直接反映体内生物化学过程和状态的变化。通过认识体液“代谢指纹图谱”变化的原因,阐明药物作用靶点或受体。受体学说已经成为现代医学科学的重要理论,它是说明细胞如何识别、接受和传递信息的学说。象人体这样复杂的多细胞系统,有赖于遗传信息和神经及体液因素的正常传递,而这种信息传递在相当程度上依赖于各种受体。从药物学角度看,则依据药物分子与受体分子之间的反应规律,在药物分子结构和效应的关系基础上,发现新药并最终使新药具有更好的疗效和更少的毒性和副作用。利用代谢组学研究磷酸二酯酶IV 抑制剂CI -1018形成的血管损伤与炎症反应的关系,发现该化合物引起的尿代谢物组图谱改变是血管损伤造成的,而与炎症
反应无关[25]
。又如抗糖尿病药物罗格列酮对脂质代谢物组的影响的实验中,发现其作用机制是抑制动物肝脏-血液的脂交换[26]。从成功的实例不难看出,用代谢组学方法研究所揭示的生物化学变化很容易与传统手段的测定结果联系,更容易评价药效作用和发现药物作用的生物化学物质基础和作用机制。比较两种抗抑郁药物(氯氮平和奎的平)的生物化学机制研究中,应用代谢组学方法,采用HPLC 测定给药动物血清中多种内源性神经递质(Ach,DA ,NE,5-TH 等)的动态变
4
化,而不是测定药物有效成分的变化进行该项目研究[22]。
7 中药现代研究中的应用
中药多成分、多靶点和作用的多样性,给其作用机制研究、安全性研究和传统理论与现代医学理论的结合认识,以及中医治疗疾病的整体观念的理解等具有相当的困难。而代谢组学是反应机体状况的分子集合与其功能之间的关系,所有对机体健康影响的因素均可反映在代谢组中,基因、环境、营养、药物(外源物)和时间(年龄)最终通过代谢组对表达施加影响,即代谢组学具有明显的整体反应性的特点。这一特点与中医治疗疾病的整体观念十分吻合。因此认为应用代谢组学方法研究中药的作用物质基础、作用机制,甚至安全性都是值得探索的。根据受体学说,在研究由勾藤等多味中药组成的多动合剂的生物化学机制,从代谢物组成分和含量的经时变化发现具有疗效的生物标志物,认为药物的整体作用产生的生物化学物质(神经递质)是其药效的基础物质,证明这种药物的作用机制与DA受体有关[23]。在研究参麦注射液的作用物质基础时,发现该中药能够激发机体形成洋地黄样的多肽物质,该物质与洋地黄样作用,是缓解心衰的物质基础[24]。
应用最新的具有反应整体思想的代谢物组学研究中草药的肾毒性,对中草药毒性进行科学的、综合的评价研究,以现代标准认识中草药毒性,对于确保中药的合理、安全、有效用药,建立现代中药的药理毒理评价体系,指导临床拟订合理的临床用药方案、剂量和时间均有理论意义和实用价值。这种利用最新学说发展成就试探中药的现代研究的思路,对提高我国中药研究水平也是值得提倡的。
8 药物的临床前毒性评价
临床前安全性评价的目的是提供新药对人类健康危害程度的科学依据,预测上市新药对人类健康的危害程度。药物毒理学的目的是观察和测定化学物质对机体引起的损害,而在研究中能够提供更多重要信息的,是毒性病理学的研究。毒性病理检查能够判定药物造成病理性损伤的部位、程度、性质和预后等基本问题,因而可为药物的安全性提供重要的依据。在毒理学研究中大部分实验要进行动物试验,无论是急性毒性试验、长期毒性试验、致畸试验、致癌试验等病变的发现,部位的确定,病因的探索,都离不开毒性病理学的检查和诊断。试验的周期越长,毒性病理学检查的结果就越重要。用新技术新方法进行毒性机理的研究,是国际上一个重要的发展趋势。安全性评价必须在保证检测数据的可靠性的同时,引进先进的分子生物学等新技术和新方法,深入地进行毒性机制的研究,提高安全性评价的技术分析水平。代谢组学已经作为一种独立的技术被广泛地应用于候选药物的毒性评价,还被几家制药公司纳入其药物研发方案中。许多生物化学、毒理学和临床化学的问题,都可以用基于高分辨1H NM R的代谢组学来加以阐述。从生物体液的1H NMR 谱图可以得到大量的代谢物数据,并由此确定毒性的靶器官,推导出毒性的生化机理,发现损伤的发生、发展和消失过程中的生物标记物[27,28]。
Nicho lso n研究小组利用基于NMR的代谢组学技术,在药物的毒性评价方面做了大量的卓有成效的工作,其工作涵盖分析平台的建立、结果的重现性分析和改进、基因改变及相应代谢响应的特性研究、化学计量学方法等。六家制药公司和英国伦敦帝国理工学院联合组成了COM ET(Consortium fo r Metabonom ic T ox icology)联盟,在COM ET的研究项目中,主要利用1H NM R技术、模式识别和专家系统,根据已知毒性物质的病理效应对被检测的生物组织进行分类。该项目的主要目标是:1对实验对象(老鼠的尿液、血清和组织)中代谢物的病理和生化变化进行详细的多维描述;o建立加入“有毒药物”后代谢产物的NM R谱图数据库;?建立毒性预测的专家系统;?找寻各类生物标记物;?通过对有毒和无毒类似物的分类,测试所建立的专家系统[29]。现在,COMET正在建立老鼠尿中和雄性动物血清中代谢物的NM R谱图库,研究人员大约要对150种典型药物进行研究。由Nicholson 等人建立的M etabo metr ix公司与Waters公司于2002年3月10日签署了一个为期3年的协议,由Wa-ters提供LC/M S仪器,M etabom etrix帮助Waters开发代谢组学技术,包括基于LC/M S和NM R的数据处理方法、信息学和化学计量学模型等,双方合作的重点放在药物毒性和疾病诊断的代谢组学研究。
9 结语
代谢组学在药物开发、临床诊断、微生物和植物、营养科学中的重要性已越来越显现。Front Line策略咨询公司在其《代谢产物组:市场与技术的战略评估报告》中预测,代谢组学技术将广泛应用于药物靶点的发现,新药的开发,毒理学研究,疾病的预防和诊断及农业等领域。代谢组学分析系统的硬件、软件技术都将有进一步的提高,将朝着整合化、自动化和高通量的方向发展。在国内代谢组学的发展刚刚起步,还有许多基础工作有待完善。尤其在国内很多传统医药有待于用代谢组学方法进行研究,以得到更深入的阐述,在我国中药现代化进程中,如何应用代谢组学理论、方法和技术还有许多亟待解决的问题。
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代谢组学的研究方法和研究流程分子微生物学１12３０0０0３林兵 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施，基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用，与此同时, 代谢组学(ｍｅtaｂoloｍiｃs）在2０世纪90年代中期产生并迅速地发展起来，与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用，它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律.这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障. 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Ｊereｍｙ N ichｏｌson教授提出的，他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统，机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。20０0年，德国马普所的Fｉeｈn等提出了代谢组学的概念，但是与Ｎ ichoｌs ｏn提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程，也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。同时Ｆieｈn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类: 代谢物靶标分析，代谢轮廓（谱)分析, 代谢组学，代谢指纹分析。现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的定义: 代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。 与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同, 代谢组学的主要研究思想是全局观点。与传统的代谢研究相比, 代谢组学融合了物理学、生物学及分析化学等多学科知识, 利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测，并通过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物, 而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的，因此，代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化，这使研究对象从微观的基因变为宏观的代谢物，宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直观，易于理解, 这点也是代谢组学研究的优势之一. 代谢组学的优势主要包括：对机体损伤小，所得到的信息量大，相对于基因组学和蛋白质组学检测更加容易。由于代谢组学发展的时间较短, 并且由于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的小分子物质，因此对分析手段的要求比较高, 在数据处理和模式识别上也不成熟，存在一些不足之处。同时生物体代谢物组变化快, 稳定性较难控制，当机体的生理和药理效应超敏时，受试物即使没有相关毒性，也可能引起明显的代谢变化，导致假阳性结果。 代谢组学应用领域大致可以分为以下7个方面：
药物代谢动力学在药物研发中的应用 [摘要]：近年来药物动力学方法在中药缓释、控释和靶向制剂研究中的应用情况,提示药物动力学的研究方法有助于中药制剂达到“三效”、“三小”的要求,实现中药制剂研究与生产的现代化。根据创新药物研发过程中所使用的方法和技术手段不同,我们可以将其大致分为两个阶段:药物发现阶段和药物开发阶段，药物代谢动力学国内外研究现状,在新药研发、药理学、中药现代化、毒理学和临床药理学研究等应用领域,。本文将针对目前药物代谢动力学在各个阶段的应用和进展作综述。 [关键词]：药物代谢动力学；新药研发；中药现代化；研究进展 药物代谢动力学(phamraeokineties,PK)是定量研究药物在生物体内吸收、分布、代谢和排泄(ADME)随时间变化的过程及规律的一门学科[1]。理想的药物要有优良而持久的药效和较低的毒副作用,同时还应具有良好的药动学性质,即较高的生物利用度和合适的药物半衰期。回顾药物发现与发展的历史,药物研究已经由初始的经验性、偶然性研究发展到现今的理论性和科学性研究[2]。1945一1995年间,药物研究遵循“分子库一活性筛选一传统定量构效关系(QSAR)模型一ADME/PK研究一毒性(oTx)研究一侯选药物”的垂直模式;而1995年至今,则遵循“分子库一平行筛选(包括活性、ADME/Tox等)-ADME/Tox模型一合成分子一平行筛选一侯选药物”的平行过程,使药物发现和开发变的更加快捷和有效[3]。然而,据资料报道,在进人临床试验后大约有40%左右的候选化合物由于其药动学方面的原因而功亏一签[4,5]。因此如何让药代动力学尽早介人到新药的研发过程,在药物开发的早期即帮助发现药代参数不理想或代谢特征不佳的候选化合物,从而缩短药物开发时间,降低药物开发成本已成为一个迫在眉睫的问题。 1药代动力学在新药发现阶段中的应用 针对前面所提及的药物在开发后期由于药动学行为不佳而被淘汰的问题,目前已有人提出在药物设计的最初过程,提前对药物的ADME性质和毒性进行预测评估,遵循“不行即止,降低成本(ifahgnfast,butfailing。heap)”的原则[4],以减少药物开发成本[3,6-8]。创新药物设计和筛选一般包括先导化合物的产生(leaddiseove)和先导化合物的优化(leadopti-mization)两个阶段。先导化合物的产生可有多种途径,包括天然生物活性物质,如动植物、海洋生物、微生物等体内活性成分以及矿物质有效成分;组合化学方法制备的化合物库;一些重要的内源性物质,如与疾病有关酶系的底物、受体和配体等;基于生物大分子例如核酸、酶、受体、生物膜的三维结构而进行的分子设计,基于生物大分子与配体小分子作用机制而进行的分子设计等。然后对得到的先导化合物进行筛选,或者进行结构的修饰和改造,从而得到需要的候选化合物。近年来,组合化学方法制备化合物库,辅以自动化或高通量筛选(highthorughputseerening)已经成为寻找和优化先导化合物的一种新的且有效的途径。组合化学是将一些称之为构建模块的基本分子(如氨基酸、核昔酸、单糖及化学小分子)通过化学或生物合成的手段,将它们系统的装配成不同的组合,它可以在较短的时间内得到大量的具有结构多样性特征的分子,从而建立化学分子库,然后使用体外和体内高通量筛选,快速的从数以万计的化学分子库中筛选出药效持久、毒性较小、药代动力学属性较好的候选化合物,或者根据体内体外筛选得到的信息,进一步指导组合化学的药物设计和优化。因此,在新药的设计和筛选阶段如何提高筛选的高通量,如何能够在较短短的时间内得到足够的相对准确的反馈信息,成为当今比较关注的问题。新药设计阶段的ADME筛选包括计算机辅助药物虚拟筛选v(irtualscerenign),体外筛选和体内高通量筛选。 2药物代谢动力学在药理学研究中的应用 药物产生药理效应,必须分布到靶部位,维持一定的浓度,并与作用部位产生受体-药物相互作用,产生一定的效应。通过PK-PD研究可以探索药物的作用机制,机体内外环境因素对药
代谢组学在医药领域的应用与进展 一、学习指导 1.学习代谢组学的概念及内涵，掌握代谢组学的研究对象与分析方法。 2.熟悉代谢组学数据分析技术手段 3.了解代谢组学优势特点 4.了解代谢组学在医药领域的应用 5.了解代谢组学发展趋势 二、正文 基因组功能解析是后基因组时代生命科学研究的热点之一，由于基因功能的复杂性和生物系统的完整性，必然要从“整体”层面上来理解构成生物体系的各个模块功能。随着新的测量技术、高通量的分析方法、先进的信息科学和系统科学新理论的发展，加上生物学研究的深入和生物信息的大量积累，使得在系统水平上研究由分子生物学发现的组件所构成的生命体系成为可能[1]。系统生物学家们认为，将生命科学上升为“综合”科学的时机已经成熟，生命科学再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物学时代进入到系统生物学时代[2]。系统生物学不同以往的实验生物学仅关注个别基因和蛋白质，它要研究所有基因、蛋白质，代谢物等组分间的所有相互关系，通过整合各组成成分的信息，以数学方法建立模型描述系统结构[3,4]。 （一）代谢组学的概念及内涵 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，系统生物学的重要组成部分，也是目前组学领域研究的热点之一。代谢组学术语在国际上有两个英文名，即metabolomics 和metabonomics。Metabolomics是由德国的植物学家Fiehn等通过对植物代谢物研究提出来的，认为代谢组学（metabolomics）是定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量代谢产物，从而监测机体或活细胞中化学变化的一门科学[5]。英国Nicholson研究小组从毒理学角度分析大鼠尿液成份时提出了代谢组学（Metabonomics）的概念，认为代谢组学是通过考察生物体系受扰动或刺激后（如某个特定基因变异或环境变化后），其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化来研究生物体系的代谢途径的一种技术[6]。国内的代谢组学研究小组基本用metabonomics一词来表示“代谢组学”。严格地说，代谢组学所研究的对象应该包括生物系统中所有的代谢产物。但由于实际分析手段的局限性，只对各种代谢路径底物和产物的小分子物质（MW<1Kd）进行测定和分析。 （二）代谢组学优势特点 代谢组学作为系统生物学的一个重要组成部分，代谢组可以更好地反映体系表型生物机体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，在从基因到性状的生物信息传递链中，机体需通过不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部以及与外界环境的正常动态平衡[7]。
药物代谢动力学的研究 摘要：超高效液相色谱(UPLC)和PBPK模型在药物代谢动力学研究发挥的重要的作用。UPLC是一种柱效高、发展前景好的液相色谱技术,是一种基于机制的数学模型；PBPK用于模拟化学物质在体内的分布代谢更方面对药物动力学的研究。药物代谢动力学的更深研究在药物研发中起到了重要意义及作用。 关键词：药物代谢动力学 UPLC PBPK模型药物研发 Abstract: the high performance liquid chromatography (UPLC) and PBPK model in the study of the pharmacokinetic play an important role. UPLC is a column efficiency high, the prospects of the development of good performance liquid chromatography, is based on a mathematical model of the mechanism; PBPK used for simulation of the chemical substances in the body of metabolic distributed more medicine dynamics research. The pharmacokinetic deeper in drug development research has important significance and role. Keywords: Pharmacokinetic UPLC PBPK model Drug development 前言：动力学的基本理论和方法已经渗透到生物药剂学,药物治疗学,临床药理学及毒理学等多学科领域中。药物代谢动力学是应用数学处理方法,定量描述药物及其他外源性物质在体内的动态变化规律,研究机体对药物吸收、分布、代谢和排泄等的处置以及所产生的药理学和毒理学意义;并且探讨药物代谢转化途径,确证代谢产物结构,研究代谢产物的药效或毒性;提供药物效应和毒性的靶器官,阐明药效或毒性的物质基础,弄清药物疗效和毒性与药物浓度的关系[1]。 1、药物动力学的研究进展 1.1 群体药物动力学 群体药物动力学是研究药物动力学群体参数的估算，药物动力学参数群体值不仅是临床用药所必需，而且有可能成为新药评价的一个必备参数。药物动力学参数群体值的估算有两种方法，一种是传统的二步法，另一种是近年来发展的一步法。后者亦名Nonmen程序法，它把药物动力学参数在患者身上的自身变异及患者间的变异全估算在内。根据变异值的大小也可预估一些生理、病理因素对药物动力学参数的影响。因而更具优越性，在个体化给药中，Nonmen常与Bayesian反馈法结合使用。 1.2 时辰药物动力学 时辰药物动力学是指同一剂量在l天内不同时间给予时药物处置出现显著变异。如多数脂溶性药物的吸收，清晨比傍晚吸收更佳，另外象单硝酸异山梨酯在清晨服用时所导致的体位性低血压最为明显，同时达峰时间也较其他时间给药为短。一些疾病并非1天24小时机体均需要同等水平的药物，如心脏病患者在凌晨发病较多，若制成脉冲式给药，可产生预防作用；相反，如药物浓度始终维持在同一水平却容易带来耐药性，例如硝酸甘油和许多抗菌素类药物；再如只有当血浆中糖分较高时才需要较高的胰岛素。人们开始研究能够自动感知血糖水平，以调节胰岛素释放速率的智能给药装置。
代谢组学技术及其在中医研究中的探讨 姓名：郭欣欣学号：22009283 导师：刘慧荣 代谢组学(metabonomics) 是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科,是关于生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后) 其代谢产物(内源代谢物质) 种类、数量及其变化规律的科学。它研究的是生物整体、系统或器官的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响。常用的方法是检测和量化一个生物整体代谢随时间变化的规律;建立内在和外在因素影响下,代谢整体的变化轨迹,反映某种病理(生理) 过程中所发生的一系列生物事件。 1 代谢组学研究技术平台 代谢组学研究的技术平台包括以下几个部分:前期的样品制备,中期的代谢产物检测、分析与鉴定以及后期的数据分析与模型建立。 前期代谢组学研究常用的检测技术,一般不需要对标本行特别的分离、纯化等。但离体条件下,细胞或组织内的代谢状态可迅速改变,代谢物的质与量亦随之变化,为正确反映在体的真实信息,须立即阻断内在酶的活性。最为常用的是冰冻/液氮降温法及冷冻、干燥的保存技术,尽管如此,细胞间仍始终有一低水平的代谢活动,需尽量避免氧化等活化因素。 中期代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学技术的核心部分,最常用的是NMR及质谱(MS)两种。 核磁共振技术是利用高磁场中原子核对射频辐射的吸收光谱鉴定化合物结构的分析技术,生命科学领域中常用的是氢谱( 1H NMR ) 、碳谱(13C NMR)及磷谱(31P NMR)三种。可用于体液或组织提取液和活体分析两大类。 NMR技术在代谢组学中的应用越来越广泛,它具有如下优点: ①无损伤性,不破坏样品的结构和性质; ②可在一定的温度和缓冲范围内进行生理条件或接近生理条件的实验; ③与外界特定干预相结合,研究动态系统中机体化学交换、运动等代谢产物的变化规律; ④实验方法灵活多样。但仪器价格及维护费用昂贵限制了该技术的进一步普及。 质谱技术是将离子化的原子、分子或是分子碎片按质量或是质荷比(m/e)大小顺序排列成图谱,并在此基础上,进行各种无机物、有机物的定性或定量分析。新的离子化技术则使质谱技术的灵敏度和准确度均有很大程度的提高。NMR技术与MS技术相比,各有其优缺点,需要在研究中灵活选用。总体而言,NMR技术应用的更为广泛。此外,根据代谢组学的研究需要,还常用于其他的一些分析技术,如气相色谱(GC) ,高效液相色谱仪(HPLC) ,高效毛细管电泳(HPCE)等。它们往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。但不容忽视的是,随着分析手段更新,敏感性及分辨率提高,“假阳性”的概率也就越大,可能是仪器技术方法固有的，亦或是数据分析过程中产生的。 后期代谢组学研究的后期需借助于生物信息学平台。它往往借助于一定的软件,联合多种数据分析技术,将多维、分散的数据进行总结、分类及判别分析,发现数据间的定性、定量关系,解读数据中蕴藏的生物学意义,阐述其与机体代谢的关系。如果说分析技术在我们面前打开了“一扇门”,正确的数据分析方法和模型建立便是“找到宝藏”的钥匙。 主成分分析法( PCA) 是最常用的分析方法。其将分散于一组变量上的信息集中于几个综合指标(PC)上,如糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢等,利用主成分描述机体代谢的变化情况,发挥了降维分析的作用,避免淹没于大量数据中。其他的模式识别技术,如聚类分析、辨别式功能分析、最小二乘法投影法等在代谢组学研究中亦有其重要的地位。 现实情况下,代谢组学的数据更为复杂,特别是NMR对病理生理过程的研究,将代谢物的表达谱与时间相联系,分析时更加困难,需要借助复杂的模型或是专家系统进行分析(在应用
药用植物代谢组学的研究进展 【摘要】从技术步骤、分析方法以及实际应用三个方面对当前药用植物代谢组学研究领域的一些理论问题和实践中面临的挑战进行综述。 【关键词】药用植物;代谢组学;功能基因组学 代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术[1],它是系统生物学的重要组成部分(如图1所示),药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响,如气候变化、营养胁迫、生物胁迫,以及基因的突变和重组等引起的微小变化,是物种表型分析最强有力的工具之一。在现代中药研究中,代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。另外,在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前,代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。目前,国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子,这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础 目前,还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成,由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解,所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值,这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识,Fiehn[2]对代谢组学有关的研究方向进行了分类(见表1)。 1代谢组学研究的技术步骤 代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面(见图2)。 1.1植物栽培 对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制,相对于微生物和动物而言,植物的人工栽培需要考 表1代谢组学的分类及定义略 虑更多的问题,如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢组研究的重复性。为了解决以上问题,推荐使用大容量的培养箱[3],定时更换培养箱中栽培对象的位置,以及使用无土栽培技术等,Fukusaki E[4]利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给量进行精确地控制,大大提高了实验的重复性。 1.2样本制备 为了获得稳定的实验结果,样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题,并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择,逐一优化试验方案。Maharjan RP等[5]用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取,发现用-40℃甲醇进行提取的效果最好。现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子,尤其是初级代谢产物,气相色谱 质谱联用(GC MS)和毛细管电泳 质谱(CE MS)联用都是分析亲水小分子的重要技术。Fiehn O等[6]使用GC MS 对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析,发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。 1.3衍生化处理 对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备,GC MS系统只适
专 论代谢组学的发展与药物研究开发X 刘昌孝 (天津药物研究院,天津药代动力学与药效动力学省部共建国家重点实验室,天津 300193) 摘 要 代谢组学是近年来新发展起来的一门组学,其主要研究体系有生物体液、生物组织及单个细胞的代谢组,利 用一些现代的分析技术,如N M R、L C-M S、G C-M S等,取得整个研究体系的多维数据后,利用模式识别和专家系统技术寻 找其中的系统生物学信息。本文从代谢组学的发展,代谢组学的研究范围和研究方法,以及在药物的作用机制和安全性评 价,疾病模型,特别是中药研究的应用等方面予以阐述。 关键词 代谢组学,药物研究开发,作用机制,安全性评价,中药现代研究,疾病诊断 中图分类号:R969 文献标识码:A 文章编号:1006-5687(2005)02-0001-06 Development of metabonomics and drug research and development Liu Chang xiao T ianjin K ey L abor ato ry of P harmaco kinetics and phar macodynamics,T ianjin I nstitute of Phar maceutical R esea rch,T ian-jin,300193 Abstract M etabo no mics is a new"-omics"science developed in r ecent year s.Its major r esearch objects co ver bio-fluid, bio-tissue and metabolome of sing le cell.M odern a nalyt ical techno lo gies such as N M R,L C-M S and G C-M S are used to obtain multi-dim ensio nal data fo r the w hole resear ch sy st em,then pat tern r eco gnit ion and ex pert sy stems are emplo yed to ext ract systemat ic bioinfo rmat ion.In this r eview,the development of met abo nomics,r esearch field,resear ch metho ds and applicatio ns fo r mechanism o f drug action,dr ug to xicity screening,clinical safety and disease diag no sis,specifically in tr aditio na l Chinese medicines ar e intr oduced. Key words M etabonomics,dr ug r esearch and development,m echanism o f dr ug action,dr ug to xicity,tr aditio nal Chinese medicine,disease diagnosis 1 代谢组学研究的形成和发展 基因组(g enome)是指某一生物的所有DNA;基因组学是一门研究生物的整个基因组的科学。转录物组(transcriptome)是指某一生物或细胞所有基因表达的RN A;转录物组学是一门对某一生物或细胞所有基因表达的RNA(如mRNA)进行全面分析的科学。蛋白质组(pro teom e)是指某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质;蛋白质组学是一门对某一生物或细胞在各种不同环境条件下表达的所有蛋白质进行定性和定量分析的科学。转录组学和蛋白质组学是分别在基因的转录和转录后的蛋白质翻译与修饰两个水平上,研究基因的功能。代谢组学相对于其它组学而言还是一门较新的组学,不过已经显示了其在药物发现过程中的巨大潜力,它可以在药物发现过程的前期就能识别药物的毒性,避免了药物发现过程中的损耗。代谢组学研究有希望成为新药发现与研发过程的一个必需部分[1]。代谢组学作为一门新发展的技术,它是通过考察生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后)其代谢产物的变化或其随时间的变化,来研究生物体系的代谢途径的一种技术[2]。最初人们提出了代谢物组(m etabo lome)的概念,严格地说,代谢物组应该是指某一生物或细胞所有的代谢产物(m etabolite)。在实际工作中,由于分析手段的局限性,更多的人倾向于把代谢物组局限于某一生物或细胞中所有的低分子量代谢产物。与基因组学、转录组学和蛋白质组学相对应,即代谢物组学是一门对某一生物或细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析,以监测活细胞中化学变化的科学。 在人们逐步的研究过程中,提出了一些相关概念,如代谢物靶目标分析(m etabo lite target analysis),代谢轮廓(谱)分析(m etabolic profiling analy sis),代谢组学(metabo no mics)或代谢物组学(m etabo lomics), 1 X收稿日期:2005-04-01 作者简介:刘昌孝,男(1942-),中国工程院院士,研究员,教授,博士生导师,主要从事药理学和药物代谢动力学的研究。现任天津药代动力学与药效动力学部省共建国家实验室主任,国家医药管理局天津药代动力学与临床药理学研究室主任等职。承担国家重大研究项目25项,领导完成100余个新药的药代动力学研究,获得27项科技成果奖,在国内外发表论文200多篇,中英文版专著12部。
眼部药物代谢动力学的研究 摘要：药代动力学研究在药品研发及评价过程中具有重要作用。本文对眼用制剂的药代动力学研究的进行了探讨。本文介绍了眼的药物代谢途径及其特点，眼部药代动力学样本采集以及常见的分析方法。通过药代动力学的研究可以了解药物在体内的代谢特征，指导临床用药的给药剂量、间隔、途径等，保证药物疗效，减少毒副作用。 关键词：眼；药代动力学；分析方法 对药品研发人员、技术审评人员以及临床医师来说, 人体药代动力学研究所提供的信息是非常重要的, 有时甚至是其他研究所无法替代的。通过眼部药代动力学的研究，学者们可以获得药物在眼部代谢的浓度一时间曲线，了解药物在眼内的代谢特征，对于药物剂型设计、给药方案、治疗监测等起着重要的作用。但是眼具有特殊屏障作用, 眼用制剂的药代动力学过程不同于系统给药的过程, 那么其药代动力学的特点及一般过程如何? 其意义何在? 常用的分析方法用哪些？另外，现有眼科局部给药的突破点在于,如何通过改进药物剂型和给药方式保证病人良好的依从性和药物应用的便捷性, 安全性。因此,对眼局部的药物代谢动力学加以了解和考察,能够更好的针对不同的疾病选择不同的给药方式和药物剂型, 对于临床诊治及用药安全具有重要的指导意义。同时，眼部给药系统研究的兴起也要求有方便、准确、安全、有效的检测方法来进行说明和验证。 1 眼的药物代谢途径及其特点 1.1 药物在眼球表面的流失 在眼局部应用滴眼剂时, 由于泪液在眼表的涂布,流动和循环使药物在接触眼表时即发生了流失。泪液在眼表的更新速度仅为1μl/min,相对多量的滴眼剂可在数分钟之内随着泪液的循环快速流入鼻泪管发生排泄[1]。由此可见,滴眼剂药物的全身吸收不仅在结膜囊的局部毛细血管中进行,同时也存在于滴眼剂流入鼻腔从而进入全身的情况。因此, 大多数以局部滴眼剂方式给药的小分子量药物在数分钟内即会进入全身循环,从而导致其在眼表的生物利用度仅在5%甚至更少。全身循环中的吸收降低了药物在眼表的有效浓集, 因此,通过应用固体药物
·综述· 代谢组学研究技术进展 胡正青a，林夏珍a，郭明b*(浙江林学院，a. 园林学院；b. 理学院化学系，浙江临安 311300) 摘要：目的介绍代谢组学研究技术的最新进展。方法综合国内外文献报道，介绍当前代谢组学研究中样品制备、仪器分析技术、数据处理方法和结果分析的最新研究概况。结果代谢组学研究技术取得了一定进步，拓宽了代谢组学的应用范围。结论自动化、标准化、整合化和完整化将是代谢组学研究技术的发展方向。 关键词：代谢组学；研究进展；系统生物学；分析技术；综述 中图分类号：Q591 文献标志码：A 文章编号：1007-7693(2010)06-0485-06 Advances in Research Techniques of Metabonomics HU Zhengqing a, LIN Xiazhen a, GUO Ming b*(Zhejiang Forestry University, a.School of Landscape Architecture, b. Department of Chemistry, Lin’an 311300, China) ABSTRACT: OBJECTIVE To introduce the new advances in research techniques of metabonomics. METHODS Make a summary of both national and overseas papers about matabonomics, and introduce the latest development in sample preparation, instrument analytical techniques, data processing and results analysis. RESULTS Research techniques of metabonomics have made certain progress and extend applied fields of metabonomics. CONCLUSION Automation, standardization, integration of multi-disciplinary and completeness will be the orientation for the future development of metabonomic techniques. KEY WORDS: metabonomics; research evolution; systems biology; analytical technique; review 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的一门新兴学科，它以生物系统中的代谢产物(由于实际分析手段的局限性，目前主要针对相对分子质量1 000以下的小分子)为分析对象，以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段，结合模式识别等化学计量学方法，分析生物体系受刺激或扰动后(如将某个特定的基因变异或环境变化后)其代谢产物的变化或其随时间的变化规律。英文文献中，早期的代谢组学研究使用了两个不同的术语：metabolomics和metabonomics。前者侧重以单个细胞作为研究对象，Fiehn等[1]将其定义为定性和定量分析单个细胞或单一类型细胞的代谢调控和代谢流中所有低分子量的代谢产物。后者一般以动物的体液和组织为研究对象，Nicholson等[2]将其定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生代谢物质动态应答的定量测定。随着代谢组学的研究发展，不管是在植物和微生物研究领域，还是在病理生理研究领域，这两个名词已经基本等同使用。目前国内的代谢组学研究小组达成共识，以metabonomics来表示“代谢组学”。 在代谢组学的研究过程中，代谢组学的一些相关概念也不断被提出来，目前已获得广泛认同的研究层次有：①代谢物靶标分析；②代谢轮廓(谱)分析；③代谢指纹分析；④代谢组学。严格地说，只有第4层次才是真正意义上的代谢组学研究，但是目前还没有发展出一种可以涵盖所有代谢物而不管分子大小和性质的代谢组学技术。 代谢组学相对于其他组学更能反映生物体的整体信息，这是因为代谢物处于生物系统生化活动调控的末端，反映的是已经发生了的生物学事件，基因表达和蛋白质的变化对系统产生的影响都可在代谢物水平上得到体现，所以从理论上来说，代谢组学分析所提供的信息更能够揭示生物体系生理和生化功能状态，对进行功能基因组的研究提供了极大便利。代谢组学与转录组学和蛋
代谢组学综述 摘要：代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的对某一生物或细胞所有低相对分子质量代谢产物进行定性和定量分析的一门新学科,由于其广泛的应用前景,目前已成为系统生物学的重要组成部分。现简要介绍了代谢组学的含义、代谢组学研究的历史沿革、当前代谢组学研究中的分析技术、数据解析方法,综述了代谢组学在药物毒理学研究、疾病诊断、植物和中药等领域的应用情况,并对当前代谢组学研究中存在的问题及发展趋势进行探讨。 关键词：代谢组学研究技术 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施,基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用, 与此同时, 代谢组学（metabolomics）在20世纪90年代中期产生并迅速地发展起来, 与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用, 它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律。这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障。 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Jeremy N icholson教授提出的, 他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统, 机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。2000年, 德国马普所的Fiehn等提出了代谢组学的概念, 但是与N icholson提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程, 也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代
Botanical Research 植物学研究, 2016, 5(1), 26-33 Published Online January 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/348791168.html,/journal/br https://www.doczj.com/doc/348791168.html,/10.12677/br.2016.51005 Application of Metabolomics in Plant Research Guixiao La1, Xi Hao1, Xiangyang Li1, Mingyi Ou2, Tiegang Yang1* 1Industrial Crops Research Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou Henan 2China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd., Guiyang Guizhou Received: Dec. 10th, 2015; accepted: Dec. 25th, 2015; published: Dec. 30th, 2015 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/348791168.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Metabolomics is an emerging omics technology after genomics and proteomics, which can qualify and quantify all small molecular weight metabolites in an organism or cells in a short time. With the technology development of gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS), liquid chroma-tography-mass spectrometer (LC-MS) and capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS), and the improvement of data process method and presented huge advantages, plant metabolomics has been used in multiple research fields such as functional genomics, metabolism pathway, crop improvement... In this paper, we reviewed the recent progress in plant metabolomics and the put-ative problem in this research field. Moreover, the application prospects of the plant metabolom-ics were also forecasted. Keywords Metabolomics, Plant, Advance, Prospect 代谢组学在植物研究领域中的应用 腊贵晓1，郝西1，理向阳1，欧明毅2，杨铁钢1? 1河南省农业科学院经济作物研究所，河南郑州 2贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳 *通讯作者。
药物代谢动力学（pharmacokinetics）简称药代动学或药动学，主要是定量研究药物在生物体内的过程（吸收、分布、代谢和排泄），并运用数学原理和方法阐述药物在机体内的动态规律的一门学科。确定药物的给药剂量和间隔时间的依据，是该药在它的作用部位能否达到安全有效的浓度。药物在作用部位的浓度受药物体内过程的影响而动态变化。在创新药物研制过程中，药物代谢动力学研究与药效学研究、毒理学研究处于同等重要的地位，已成为药物临床前研究和临床研究的重要组成部分。包括药物消除动力学：一级消除动力学（单位时间内消除的药量与血浆药物浓度成正比，又叫恒比消除）和零级消除动力学（单位时间内体内药物按照恒定的量消除，又叫恒量消除） 药物代谢动力学的重要参数： 1、药物清除半衰期（half life，t1/2），是血浆药物浓度下降一半所需要的时间。其长短可反映体内药物消除速度。 2、清除率（clearance，CL），是机体清除器官在单位时间内清除药物的血浆容积，即单位时间内有多少体积的血浆中所含药物被机体清除。使体内肝脏、肾脏和其他所有消除器官清除药物的总和。 3、表观分布容积（apparent volume of distribution，V d），是指当血浆和组织内药物分布达到平衡后，体内药物按此时的血浆药物浓度在体内分布时所需的体液容积。 4、生物利用度（bioavailability，F），即药物经血管外途径给药后吸收进入全身血液循环药物的相对量。可分为绝对生物利用度和相对生物利用度。 体内过程 即药物被吸收进入机体到最后被机体排出的全部历程，包括吸收、分布、代谢和排泄等过程。其中吸收、分布和排泄属物理变化称为转运。代谢属于化学变化亦称转化。机体对药物作用的过程，表现为体内药物浓度随时间变化的规律。药物动力学是研究药物体内过程规律，特别是研究血药浓度随时间而变化的规律。 1.吸收（absorption） 药物从给药部位进入血液循环的过程称为吸收。影响吸收的因素主要有： 1、给药途径：吸收速度：吸入>舌下>肌注>皮下>直肠>口服>皮肤。 2、药物性质： （1）脂溶性：脂溶性越大，吸收越快； （2）水溶性：易溶于水的药物易吸收； （3）离解度：不解离部分脂溶性较大，易吸收；而解离部分，由于带有极性，脂溶性低，难以吸收。。 口服药物被吸收进入体循环的比率，即给药量与吸收量的比率称为生物利用度（或生物可用度）。 2.分布（distribution） 药物吸收后从血液循环到达机体各个器官和组织的过程称为分布。 影响药物分布的主要因素有： 1、药物的性质：脂溶性大分布到组织器官的速度快。 2、药物与组织的亲和力：有些药物对某些组织器官有特殊的亲和力。药物对组织器官的亲和力与疗效及不良反应有关。
2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展 王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞 （河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002） 摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。 关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能 中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016 Research of Metabolomics in Tobacco WANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function 代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。 烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出 基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150） 作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@https://www.doczj.com/doc/348791168.html, *通信作者，E-mail：zhaomingqin@https://www.doczj.com/doc/348791168.html, 收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19