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代谢组学在药物开发中的应用研究在当今的医学和制药领域，不断寻求创新和高效的方法来开发更安全、更有效的药物是至关重要的。
代谢组学作为一门新兴的学科，正逐渐在药物开发中展现出其巨大的应用潜力。
代谢组学是对生物体内所有小分子代谢物进行全面、系统的定性和定量分析的一门科学。
这些小分子代谢物包括氨基酸、脂肪酸、糖类、核苷酸等，它们反映了生物体内的生理和病理状态。
通过对代谢物的分析，可以深入了解生物体的代谢网络和功能，为药物开发提供重要的信息。
在药物靶点的发现方面，代谢组学发挥着关键作用。
传统的药物靶点发现方法往往依赖于对已知蛋白质和基因的研究，但这些方法可能会忽略一些潜在的重要靶点。
代谢组学则可以从整体代谢的角度出发，发现与疾病相关的代谢通路和关键代谢物。
这些代谢物的异常变化可能暗示着潜在的药物靶点。
例如，在某些癌症中，特定代谢物的积累或缺乏可能与肿瘤细胞的生长和存活密切相关。
通过分析这些代谢物的变化，就有可能找到新的治疗靶点，为开发针对性的抗癌药物提供方向。
在药物的临床前研究阶段，代谢组学有助于评估药物的安全性和有效性。
药物在体内的代谢过程会对代谢物的水平产生影响，通过监测这些变化，可以了解药物的作用机制和潜在的副作用。
例如，如果一种药物导致某些重要代谢物的水平显著改变，这可能提示该药物对相关代谢通路产生了不良影响，从而需要进一步评估其安全性。
此外，代谢组学还可以用于比较不同药物候选物的代谢特征，帮助筛选出更具优势的药物。
药物的临床研究是药物开发的关键环节，代谢组学在这一阶段也具有重要价值。
通过对患者在治疗前后的代谢组进行分析，可以更准确地评估药物的疗效。
与传统的临床指标相比，代谢组学能够提供更早期、更灵敏的反应信号。
例如，在心血管疾病的治疗中，某些代谢物的变化可能在症状改善之前就已经出现，这为及时调整治疗方案提供了依据。
同时，代谢组学还可以帮助发现个体对药物反应的差异，即药物代谢的个体差异性。
这种差异性可能与患者的遗传背景、生活方式等因素有关。
代谢组学在病证相关中药复方研究中的应用郭宇;魏玮;杨俭勤【摘要】代谢组学作为系统生物学的一个分支，是一种基于全局观点的整体性研究方法。
基于代谢组学研究中药复方，既符合中医的整体观、动态观、辩证观等指导思想，又能与现代科学先进技术相结合，被广泛应用于病证相关领域研究，具有整体性、动态性等研究优势。
%As a branch of systems biology, metabonomics is a holistic study method based on the overall viewpoint. In the study of modern traditional Chinese compound medicine, this method not only accords with guiding concepts in traditional Chinese medicine (TCM), such as holistic view, dynamic view and syndrome differentiation, but also combines TCM with modern scientific and advanced technology, which is widely used in studies related to disease integrating with syndrome and has prominent advantages in integrality and dynamics.【期刊名称】《环球中医药》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】6页(P1416-1421)【关键词】代谢组学;中药复方;病证结合;综述【作者】郭宇;魏玮;杨俭勤【作者单位】100700 北京中医药大学东直门医院;中国中医科学院望京医院脾胃病科;中国中医科学院望京医院脾胃病科【正文语种】中文【中图分类】R289.5中医药是中国传统文化重要组成部分,作为朴素唯物主义哲学观与数千年临床经验相结合的实践产物,拥有独特的方法学、认识论及理论体系。
组学技术在生物医药领域中的应用研究随着生物学和医学研究的发展，越来越多的学者开始关注不同基因、蛋白质和代谢产物的相互作用，这其中包括了组学学科。
组学研究是一种综合的研究方法，它将生物体中所有的生物分子，包括DNA、RNA、蛋白质等，视为一个整体来进行研究。
这种综合的研究方法被广泛应用于医学领域中，包括了疾病的预警、诊断、治疗以及基因编辑等方面。
在本文中，我们将介绍组学技术在生物医药领域中的应用研究。
基因组学基因组学是组学中一个重要的方向，它主要涉及了人类基因序列的分析和比较，以及基因功能的研究。
基因组学被广泛应用于疾病诊断和治疗上，例如对遗传性疾病的精准辨识以及基因疗法的开发等。
通过对基因组学的研究，我们可以更加深入地了解基因间的相互作用及其在疾病中的作用。
目前，很多公司和研究机构都在致力于开发基于基因组学的疗法，例如CRISPR-Cas9技术的应用。
转录组学转录组学主要研究人类转录组的特征，以及基因表达的调控机制。
转录组学的研究对于了解基因在生命过程中的调节机制和生物体对不同环境的应对机制有着重要的意义。
转录组学的研究可以帮助我们探索新的药物靶点，并在基因治疗和药物研发方面起到重要作用。
例如，转录组学研究已经被应用于一些抗癌药物的研发中。
在这方面，我们可以通过对某些疾病对应的基因差异进行转录组学的研究，以设计出更为有效的药物疗法。
蛋白质组学蛋白质组学是研究生物体中所有蛋白质的种类、含量、结构和功能等方面的综合性研究，被广泛应用于生物医药领域。
蛋白质是细胞中最为重要的分子组成部分之一，它们不仅在代谢、结构和运动等方面有着重要的作用，而且在多种疾病的治疗中也扮演着重要的角色。
目前，许多企业和研究机构都在研究蛋白质组学的应用，例如利用蛋白质组学的研究手段可以精确确定肿瘤标志物，这将有助于早期发现癌症和进行治疗。
代谢组学代谢组学是一个新兴的研究方向，它研究人体各个组织和器官的代谢产物选择及其在生物过程中的相互关系。
代谢组学在药物研发中的应用随着科技的不断进步，人们对于药物研发的要求也越来越高，如何提高药物的治疗效果，减少不良反应，一直是医药领域的研究热点。
代谢组学就是一种通过分析生物体内的代谢产物，来揭示生物体生物代谢网络的知识和规律，从而推动药物研发和临床应用的新技术。
本文将从代谢组学的定义、方法和应用三个方面介绍代谢组学在药物研发中的应用现状。
一、代谢组学的定义和方法代谢组学是以代谢产物为研究对象的组学，可以揭示生物体内代谢的全貌及其动态变化规律。
代谢产物是生物体内代谢活动的结果，通过代谢组学技术，能够对代谢物进行高通量分析及定量研究，获得大量数据，并通过生物信息学方法来挖掘数据中的规律和信息。
代谢组学的方法主要包括样品采集、样品前处理、代谢产物检测和数据分析。
样品采集是代谢组学的基础，样品的来源和处理方法会直接影响到后续数据的可靠性和解释性。
样品前处理主要包括提取代谢产物和样品的处理，常用的方法有固相萃取法、液液萃取法、直接甲醇化法等。
代谢产物检测可以分为有监督和无监督两种方法，有监督方法包括气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用等多种技术，无监督方法则包括核磁共振、毒性检测等。
数据分析是代谢组学的核心，它是通过生物信息学技术对大量数据进行处理，以发现代谢物的相互关系、生物代谢网络规律等。
二、代谢组学的应用在药物研发中具有广泛的前景，以下是代谢组学在药物研发中的应用模式和具体案例介绍。
1.药物代谢研究代谢组学的一个应用领域是研究药物的代谢途径和代谢产物。
药物代谢研究可以更好地理解生物体内药物的代谢过程、代谢途径和代谢产物，帮助评估药物的代谢毒性和药效。
比如，研究儿茶酚胺也是维持自主神经系统功能的重要神经递质。
通过代谢组学分析不同口服剂量的儿茶酚胺对于大鼠免疫功能的影响，揭示出了其对于氧化应激和病原微生物免疫功能的作用。
2.药物筛选和评价代谢组学技术可以应用于药物筛选和评价，通过测定药物对代谢产物的调控作用，可以评价药物的效能和毒性。
代谢组前景代谢组学是一门研究生物体内代谢过程的科学，近年来在医学领域取得了突破性的进展。
代谢组学通过分析生物体内的代谢产物，揭示了代谢物的组成、变化与生物体功能之间的关系，为疾病的诊断、治疗提供了新的思路和方法。
代谢组学在药物研发、个体化医疗等领域有着广阔的应用前景。
首先，代谢组学可以用于疾病的诊断和监测。
通过分析生物体内的代谢物，可以发现某些代谢物的异常变化与特定疾病的发生和发展相关联。
例如，肿瘤细胞的代谢特征与正常细胞有所不同，通过分析肿瘤患者的代谢物，可以辅助肿瘤的早期诊断和预后判断。
此外，代谢组学还可以用于监测疾病的治疗效果，通过分析代谢物的变化可以评估药物的疗效和副作用，提供个体化治疗策略。
其次，代谢组学在药物研发领域有着广泛的应用前景。
药物研发中的体内代谢过程是一个复杂的网络，通过代谢组学的手段可以全面了解药物在生物体内的代谢过程和产物，揭示药物的代谢途径和转化产物，为药物的优化和设计提供理论依据。
同时，代谢组学还可以预测药物的药动学特性，如吸收、分布、代谢和排泄，以及药物的互作信息，为药物的合理用药和药物相互作用的研究提供支持。
此外，代谢组学还可以应用于个体化医疗的实践。
每个人的代谢组成都是独特的，通过分析某个人的代谢物，可以了解其个体差异，并为其制定个体化的健康管理和治疗方案。
例如，通过代谢组学的手段可以评估某个人对特定药物的反应情况，从而制定个体化的用药方案，提高药物治疗的效果，并减少副作用的发生。
总之，代谢组学是一门前景广阔的科学，在医药领域有着重要的应用价值。
随着技术的不断进步和深入研究的开展，代谢组学将为疾病的诊断、治疗和个体化医疗提供更多有效的手段和方法，为人类健康事业做出更大贡献。
·综述·中药治疗溃疡性结肠炎的代谢组学研究进展Δ白琳1＊，王洋洋1，白静怡2，闻新丽2 #（1.陕西中医药大学第一临床医学院中医系，陕西咸阳 712046；2.陕西省中医医院脾胃病二科，西安 710003）中图分类号 R285文献标志码 A 文章编号 1001-0408（2023）22-2810-07DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2023.22.22摘要溃疡性结肠炎（UC）作为临床消化系统的常见病、难治病，一直是医学研究的热点和难点。
中医药在治疗UC方面具有疗效显著、安全性高、停药后不易反复等优势，但作用机制尚未完全阐明。
代谢组学从整个机体内源性动态代谢角度出发，寻找潜在的生物标志物及代谢途径，有助于评价药物治疗效果和探索相关作用机制。
中药治疗UC的代谢组学研究显示，中药复方、单味中药以及中药单体可通过调控机体内源性代谢物，作用于氨基酸代谢、脂质代谢、能量代谢等诸多相关通路，从而抑制免疫炎症反应、改善氧化应激、降低肠道敏感性、调节肠道菌群、修复肠道黏膜损伤，使机体恢复正常的代谢活动。
但相关代谢标志物还需进一步筛选与验证。
关键词中药；溃疡性结肠炎；代谢组学；代谢物；代谢途径Research progress on metabonomics of traditional Chinese medicine in the treatment of ulcerative colitisBAI Lin1，WANG Yangyang1，BAI Jingyi2，WEN Xinli2（1. Dept. of Traditional Chinese Medicine，the First College of Clinical Medicine，Shaanxi University of Chinese Medicine，Shaanxi Xianyang 712046，China；2. The Second Department of Spleen and Stomach Diseases，Shaanxi Provincial Hospital of Chinese Medicine，Xi’an 710003， China）ABSTRACT OBJECTIVE Ulcerative colitis （UC），as a common and refractory disease of the digestive system，has always been a hot and difficult point in medical research. Traditional Chinese medicine has the advantages of good efficacy，high safety and not easy to relapse after drug withdrawal in the treatment of UC，but the mechanism has not been fully elucidated. Metabonomics looks for potential biomarkers and metabolic pathways from the point of view of the endogenous dynamic metabolism of the whole body，which is helpful to evaluate the efficacy of drugs and explore related mechanisms. Metabolomics studies on the treatment of UC with traditional Chinese medicine have shown that traditional Chinese medicine formulas，single herbs and herbs monomers act on various related pathways such as amino acid metabolism，lipid metabolism and energy metabolism by regulating endogenous metabolites in the body，thereby inhibiting immune inflammatory reactions，improving oxidative stress，reducing intestinal sensitivity，regulating intestinal microbiota，repairing intestinal mucosal damage，and restoring normal metabolic activity in the body. However， further screening and validation of relevant metabolic markers are needed. KEYWORDS traditional Chinese medicine； ulcerative colitis； metabonomics； metabolite； metabolic pathway溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）的一种主要类型，其特点是累及结、直肠黏膜和黏膜下层的慢性非特异性炎症反应，以反复发作的腹痛、腹泻、黏液脓血便为主要临床表现[1]。
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]。
DNA、RNA以及蛋白质的存在为生物过程的发生提供了物质基础，而代谢物质和代谢表型所反映的是已经发生了的生物学事件，是基因型与环境共同作用的综合结果，是生物体系生理和生化功能状态的直接体现。
代谢组学放大了基因和蛋白表达的微小变化，从而使检测更容易。
细胞的功能在很大程度上体现于代谢水平的调节，比如某些相关基因的表达谱相似，但代谢物谱或代谢通量（flux）却差异明显[8]；fluxome是基因组功能的终端体现，在扰动情况下，由于基因或蛋白的补偿作用，使最终代谢通量维持相对稳定以抵消干扰效应，但代谢物水平却变化显著，因此，细胞代谢物的浓度改变要比代谢通量变化敏感得多[9,10]。
可见，基因和蛋白表达的细微变化都可能在相应的代谢物水平上得到放大。
代谢组学的研究不需建立全基因组测序及大量表达序列标签（EST）的数据库，且代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目。
与核酸和蛋白质等大分子相比，小分子代谢物的数量以及空间结构的复杂性要小得多，由于给定的代谢物在每个组织中都是一样的，所以研究中采用的技术更为通用也更易被人们所接受[11]。
这对于借助多种甚至是全代谢物系统分析、快速准确寻找相应的生物标记物和应用代谢组新技术进行代谢表型和功能基因组研究提供了极大的便利。
（三）代谢组学的技术平台及分析方法由于代谢物的多样性，许多分析技术得到广泛应用。
最初代谢组学的数据主要来源于核磁共振光谱学，近来代谢组学运用HPLC-ESI-MS，HPLC和LC/MS/MS结合，HPLC和LC/TOF-MS 结合，HPLC和UPLC/ TOF-MS（超高效液相色谱/时间飞行质谱）结合等方法来进行研究[12.13]，MALDI-MS则能够测量出比代谢产物更小的肽和蛋白碎片。
质谱作为常见的技术之一，目前发展了有飞行时间质谱仪TOF-MS、四级杆质谱仪QMS、三重四级杆质谱仪QQQ，其中四级杆质谱仪QMS最为常见，定量能力突出。
一般根据样品的属性和研究目的来选择并综合利用多种技术平台（图1）。
通常情况，研究植物与微生物常使用，HPLC和LC/MS/MS检测代谢物，而在动物样品的研究中则更多地采用了核磁共振（NMR）技术。
质谱与核磁共振技术分析，这两种分析方法各存在优缺点，其中NMR样品处理方法简单，对化学结构无破坏，可定量。
图 1 代谢组学常见硬件技术平台代谢组学分析产生的是信息含量丰富的多维数据，由NMR或MS得到组织和体液的谱峰复杂，仅仅依靠谱图对代谢物进行指认分析是不可能的，因此有必要充分运用化学计量学理论和多元统计分析新方法对采集的多维海量原始信息进行压缩降维和归类分析，从中有效挖掘出潜在关联的信息和对代谢分析有用信息。
对数据的分析多采用化学计量学的方法[15]，并建立专家系统对谱图进行解析，这种统计分析的方法类似于在基因组学、蛋自组学中所采用的数据处理模式。
解决复杂体系中归类问题和标记物鉴别的主要手段是模式识别，模式识别（Partern Recognization）是通过一系列的试验测量从而建立起数据内部关联的模式来澄清一个事物、预测它的起源。
模式识别方法具有明显的优点，它不需要数学模型，需要的先验知识很少，擅长处理复杂事物和多源数据，它对所有的数据进行无歧视的分析，因此在代谢物组学研究的数据分析过程中扮演着重要的角色。
无论是内源性物质，还是外源性物质的代谢产物峰，都能进行全部分析。
通常包括监督和非监督两种分类方法，非监督方法不需要有关样品分类的任何背景信息，而监督分类便于由已知有效推测未知。
目前在代谢组学中运用较多的包括主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）、非线性影射（NLM）等非监督分类方法，以及偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）、k-最近邻法（KNN）、神经网络（NN）等监督分类方法。
在模式识别的各种方法中，主成分分析法（principal components analysis，PCA）是最有用且最易使用的模式识别技术。
经典PCA线性降维的基本思想是对原变量空间进行旋转变换（方差最大化）以形成新的变量矩阵和误差矩阵，即先计算原变量（n维）相关系数的协方差矩阵，再按矩阵特征根由大到小顺序确定出原变量线性组合后的新变量主成分，目标是尽量用较少（一般2或3维）的独立主成分综合体现原多维变量中蕴含的绝大部分（习惯上>85%）整体信息[15]。
在代谢组学分析中，常通过PCA得分图（score plot）以获得对样品分类的信息；通过PCA载荷图（loading plot）以发现可作为生物标记物的变量。
数据输出的最终目的是将代谢组数据转化为标准化和统一的格式[16]。
分析仪器直接导出的元数据（metadata），由于原始谱图的信号量大、噪音复杂、格式各样、尺度迥异、基线漂移和测试重现性等问题[ 17 ]，不能直接用于模式识别分析，此前须经过原始数据的预处理，如采用多种方法[ 18，19]进行原始图谱的分段积分、滤噪、峰匹配、标准化和归一化等处理，最后提取出二维数据表形式，即行代表样品或试验数目；列表示相应的单个测定指标（通常为信号强度等）。
（四）代谢组学应用领域4.1. 代谢组学在医学领域的研究应用代谢组学在医学中的应用主要集中于疾病状态的诊断及疾病发病机制的研究两个领域。
由于机体的病理变化，使得机体的代谢产物也产生了某种相应的变化，对这些由疾病引起的代谢产物的变化进行分析能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径，有助于发现疾病新的生物标志物和辅助临床的诊断。
4.1.1 心脏病心脏疾病的研究是代谢组学技术研究最多的病种之一，也是相对较为有成就的病种之一。
Brindle等[20]应用1H-NMR技术，以血清与血浆为研究对象，对36例严重心血管疾病患者（TVD）和30例心血管动脉硬化患者进行谢组学研究，结合主成分分析（PCA）等模式识别技术对心血管疾病及其严重程度进行判别，得到了高于90%的灵敏度及专一性。
该方法具有最小限度的侵入性，仅需几滴血液，利用核磁共振分析，然后再以计算机模式识别技术加以分类，就可以区分出心脏病前兆的核磁共振图谱特征模式，优于传统的心血管造影术，用于心血管检测具有快速、廉价、安全的优点，且不良反应少。
而且检测标本(可以是血液、尿液等)无须特殊的前期处理，可以有效地应用于人群的筛查。
Kostar等[21]用1H-NMR对已经确诊为冠心病的病人全血浆的脂质进行了分析。
他们认为目前严重的冠心病患者都伴随有原生质脂蛋白的改变。
1H NMR是一种能够提供快速全面的分析脂质混合物的新方法，而且这种方法不需要化学变化或试验条件的预处理，对含氢的化合物均有响应，能对代谢产物大多数化合物进行检测，定量容易，分析方法更加简便快捷。
4.1.2 癌症癌症是世界最难以攻克的疑难杂症之一，早期发现、早期预防、早期治疗是治疗癌症的最有效方法。
沈朋等[22]研究了乳腺癌患者血清蛋白质和尿代谢物组的变化，发现了乳腺癌患者体液内化学物质与正常人相比特异性模式差异，Beckonert等[23]用1H NMR方法观测了乳腺癌组织中代谢产物的改变。
研究发现，活体外NMR技术结合适当的模式识别和可视化技术可以通过对组织匀浆代谢产物的检测区分不同的组织。
研究发现，通过对组织不同代谢谱图的分析，可以区分不同恶性程度的乳腺肿瘤组织和健康的乳腺组织。
4.1.3 高血压原发性高血压中医辨证分为肝火亢盛、痰湿雍盛及阴虚阳亢三型，LU Yi-hong等[24]应用GC/MS测定健康人及原发性高血压病人血清内源性代谢物，并用主成分分析(PCA)、偏最小乘方分析（PLS-DA）和马氏距离（MD）分析他们的代谢谱。
PCA和PLS-DA分析的结果表明：健康人与高血压病人血清代谢谱有明显差异，能够被区分开，而且利用MD不仅可以清晰地区分上述三种类型的高血压，同时还显示高血压的发展过程。
除此以外，代谢组学还参与了糖尿病、脂肪代谢类疾病、肾脏疾病等其他疾病等都得到广泛的研究[25，26]，结果都显示了一定的优越性。
4.2 代谢组学在药学领域的研究应用代谢组学与药物药效及毒物毒理的筛选和评价、作用机制研究和个性化治疗用药等均密切相关，在药学领域中有着广泛的应用[27]。
