代谢组学技术及其在动物医学中的应用

代谢组学技术及其在动物医学中的应用
畜牧业作为农业的支柱，畜产品可提高现代人的生活水平，但近年来由于畜产品(肉、
奶、蛋等)出现问题而导致的疾病事件越来越多，人们也越来越重视畜产品的安全性。动物
疾病及兽药毒性等可对畜产品的质量产生影响，需要检测疾病及兽药对畜产品的影响以保证
畜产品的安全。目前，检测疾病及兽药问题的技术越来越多。代谢组学由于具有易检测、代
谢物种类少、技术更通用等优点，被很多专家认为在畜牧业发展方面具有良好的发展和应用
前景。
代谢组学是20世纪90年代中期由英国学者Nicholson等 基于磁共振分析的基础上提出
并发展起来的学科，是研究生物体系在受到内在和外在因素刺激时产生内源性代谢变化的一
门科学。代谢组学在短短几年内取得了迅速发展，每年发表的相关科学文献和综述的数量都
在不断增加，而目前国内应用代谢组学进行动物医学的研究仍处于初级阶段。
与其他“组学”相比，代谢组学更加直接地表现了生命的代谢过程。研究对象通常是相
对分子质量小于1 000 Kd的内源性小分子，反映的是外界刺激或遗传修饰的细胞或组织的
代谢应答变化 1。由于代谢物处于生物系统生化活动调控的末端，包含着反映生理表型的直
接而全面的生物标记物信息，因此，代谢组学技术日益成为整体性研究生命体系功能变化的
非常有力的分析手段口 。
根据研究的对象和目的的不同，Fiehn等将代谢组学分为4个层次，即：①代谢物靶标
分析(metabolite target analysis)：对某个或某几个特定组分的分析；② 代谢轮廓(谱)分析
(metaboliteprofiling analysis)：对少数所预设的一些代谢产物的定量分析；③代谢组学
(metabonomics)：对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量；④ 代谢指纹
分析(metabolite finger—printing analysis)：不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速
分类。
1 代谢组学的研究方法
完整的代谢组学一般包括样品的采集、预处理、数据的采集和数据的分析及解释等流
程 。其研究平台主要包括分析技术平台和数据分析平台。实际的研究对象不同，样品采集
及预处理技术也不尽相同。代谢组学力求分析生物体系(如体液和细胞)中的所有代谢产物，
所以整个过程中都强调尽可能地保留和反映总的代谢产物的全面信息。
1．1 分析技术平台 核磁共振(NMR)是代谢组学中最早应用也是最常用的技术 I， 目前
较常用的有氢谱(‘H—NMR)、碳谱(”C—NMR)和磷谱(31p～NMR)，其中以 H—NMR更
为广泛 】。应用最广泛、最有效的代谢组学研究技术是气相色谱一质谱(GC—MS) ” “ 和液
相色谱一质谱(LC—MS)1121 0前者适宜分析小分子、热稳定、易挥发、能气化的化合物；
而后者能分析更高极性、更高相对分子质量及热稳定性差的化合物。而且，大多数情况下不
需要对非挥发性代谢物进行化学衍生化处理。
1．2 数据分析平台通过上述分析技术手段可产生海量的元数据，需要借助于生物信息
学平台对所得的数据进行解释分析。一般常采用无监督的主成分分析(PCA)1131、非线性映
射(NLM)[14l、簇类分析(HCA)1151等和有监督的偏最小二乘法一判别分析(PLS—
DA)1161 人工神经元网络(ANN)117[分析等数据分析方法。然而近年来支持向量机(sVM)” -
方法已逐渐应用于代谢组学后期数据的判别分析中， 其预测精度明显优于传统的PLS—DA
方法。
2 代谢组学在动物医学上的应用
2．1 疾病诊断新陈代谢是生命的基本特征
机体发生病理变化必然会导致代谢产物也发生某种相应的变化。对代谢产物的变化进行
数据采集、分析，寻找疾病的生物标记物，有助于临床对疾病的诊断与分型” 。对这些由
疾病引起的代谢产物的变化进行分析，即代谢组学分析，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，有助于发现疾病的生物标记物及辅助诊断疾病。
Mayr等· 叫联合应用蛋白质组学和代谢组学技术研究小鼠动脉平滑肌，通过两种技术
手段将细胞蛋白质变化和其功能改变联系起来，多角度地揭示了动脉粥样硬化的形成机制。
赵剑宇等【 研究关木通染毒后大鼠尿液的代谢表型改变及其与组织病理和尿液、血浆生化
指标的相关性。结果试验综述发现大鼠肾脏出现不同程度的炎症坏死，尿样中氧化三甲胺、
枸橼酸、牛磺酸、肌酐、甜菜碱等代谢物均有不同程度的下降，而醋酸、丙氨酸则显著上升。
PCA表明，给药组与对照组的代谢谱有明显差异，可以被区分。而造成组间差异的主要影
响因素是醋酸和氧化三甲胺的变化，这些代谢物的变化说明动物尿液代谢组学分析能够较好
地反映关木通的肾毒性特征。随着现代分析手段和计算机技术的迅速发展，代谢组学必将在
动物疾病诊断领域发挥更大的作用。除在疾病诊断中发挥作用外，代谢组学技术也已经被用
于机体健康状况的评价，特别是营养水平对健康的影响 。
2．2 药物的毒性评价Nicholson研究小组利用基于NMR的代谢组学技术在药物的毒性
评价方面做了大量颇具成效的工作。其工作涵盖分析平台的建立、方法的重现性、基因改变
及相应代谢响应的特性研究、相应化学计量学方法等。Nicholson教授等[23／最早将NMR
与模式识别技术结合检测代谢表型中的动态变化，并应用于药物毒理标示物的研究。
Kleno等24嗵过大鼠肝给药，使用’H—NMR技术测定给药后48 h内内源性代谢物的
变化，得出单剂量的肼引起的变化与糖代i身十和脂代谢密切相关的结论并找出了生物标记
物，从而研究了肼毒性与糖代谢和脂代谢的关系。Elaine Holmes等I l研究了以NMR为基
础的代谢组学技术在神经毒性研究中的应用，通过高分辨率的NMR技术对血浆、脑脊液和
尿液产生的可解释的代谢指纹分析，发现与病理状态存在潜在的关系。这项技术已成功地应
用于神经退行性疾病的临床研究，如亨廷顿氏病、肌肉萎缩症和小脑性共济失调。这种技术
的扩展，魔角旋转 H—NMR光谱，可用f产生代谢信息。Mortishire—smith等 。研究脂肪
酸代谢与毒性关系：给大鼠服用肝毒性化合物并用多元统计分析处理尿液NMR数据，分辨
给药组和空白组代谢物组的区别，并进一步确定这种区别来源于三羧酸循环中问体的损耗及
尿液中链状二羧酸的出现。Holmes等I ‘以肼作为肝毒性模型药物， 以氯化汞作为肾毒性
模型药物，采用SD和Wistar两种品系大鼠为试验动物，用代谢组学方法同时比较种系间代
谢物组差异和毒性对代谢物模式的影响，通过大鼠尿液代谢物组数据的前3个主要成分对各
组大鼠进行分类，98％的测试样本得到了正确的分类。Robertson等 。l采用四氯化碳和 一
萘基异硫氰酸盐作为肝毒性建模药物，2一溴乙胺和4一氨基酚作为肾毒性药物进行了类似
研究，用PCA处理结果表明代谢物组方法可以方便地区分毒性的发生和逆转。通过代谢组
学进行毒价评价可以帮助人们更好地了解生物系统对环境和遗传因素变化的反应。从而对动
物的健康做出正确评价，有助于动物医学事业的发展。
2．3 在兽药检测中的研究应用 随着兽药在畜牧生产中的广泛应用以及人们对肉、奶、
蛋安全的要求，对兽药的分析技术的需求也更加迫切并取得较大的发展。雷红涛等 剀用甲
硝唑与琥珀酸酐反应， 合成半抗原甲硝唑半琥珀酸酯， 用H—NMR等方法进行鉴定。结果
成功合成全抗原，为进一步制备甲硝唑抗体从而治疗鸡、火鸡组织滴虫病、牛毛滴虫等病奠
定了基础。彭莉等r3o~N用气相色谱法测定牛奶中的氯霉素残留，结果表明，回收率、批
间变异系数、检测限和定量限均达到了欧盟的规定要求，适合牛奶中氯霉素的残留分析。田
苗等 u利用GC—MS检测技术，建立了猪组织(肉组织、肝脏和肾脏)中1O种B一兴奋剂类
兽药残留量的检测方法，结果显示，l0种B一兴奋剂类兽药的检出限、回收率和精密度等
技术指标能满足国内外对B一兴奋剂类兽药残留量的检测要求。孙雷等建立了猪肉组织中7
种氟喹诺酮类药物残留检测的高效液相色谱一串联质谱方法，分析结果表明，该方法特异性
强、回收率高、变异系数小、检测限和定量限低。
通过代谢组学研究可以在兽药的新药遴选、药物毒性评价、不良反应监测方面提供一定
的向导性，对动物的健康起到了举足轻重的作用。
3 结论
代谢组学技术可以应用于生命系统的多项研究中，尤其在诊断动物疾病中的应用对人类
社会的发展起到了不可或缺的作用。但在广泛应用的同时也存在很多问题，如分析技术有限，
不能应用于全部代谢物，仪器昂贵对操作技术要求较高， 尚无有效的数据分析手段将所得
到的全部信息进行分析和解释，数据库很不完善。另J,f-~H何把代谢组学数据和转录组学、
蛋白质组学、遗传学、酶学、代谢途径和表现型分析的数据整合在一起，并给出生物学功能
的解释将是最大的挑战。
4 展望
代谢组学是系统生物学的重要组成部分，随着现代科学技术的迅猛发展，代谢组学的各
种优点已被很多学者所认识，以代谢组学技术为手段的研究项目将越来越多，代谢组学研究
必将在揭示基因功能的功能基因组学研究中发挥更大的作用：它能帮助人们更加深入地了解
生物体中各种复杂的相互作用、生物系统对环境和基因变化的响应。虽然，代谢组学未来的
研究存在非常严峻的挑战，但智慧的人类一定会进一步发展和完善，将代谢组学与基因组学、
蛋白组学综合利用，必定会为动物医学的迅猛发展提供更好的技术支持。