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  非靶向代谢组学

非靶向代谢组学(即发现代谢组学)主要是将对照组和实验组的代谢组(某一生物体的全部代谢物)进行比对,以找出其代谢物的差异。

我们可针对不同类型的样本采取不同的方法进行非靶向代谢组学分析,可针对生物样本进行分段提取及检测,拓宽了代谢组学的检测范围及灵敏度。

  • 肠道菌群代谢全谱分析
  • 胆汁酸全谱分析
  • 植物代谢组学分析
  • 细胞代谢组学分析
  • 微生物代谢组学分析
  • 医学代谢组学分析
  • 药物代谢组学

肠道菌群是哺乳动物体内重要的代谢“器官”,影响着宿主的整体代谢,宿主代谢受自身基因和肠道菌群基因的双重影响,宿主和菌群之间有着“共代谢”的过程。通过代谢组学方法来研究肠道菌群和宿主之间关联的复杂代谢体系,作为一种相对全面、连续动态并无刺激的分析手段,它可客观地检测肠道微生物的代谢组分及浓度变化,展示肠道菌的代谢状态。

肠道细菌能够参与宿主代谢,与宿主构成共代谢关系。我们对尿液和粪便中的宿主-共生肠道菌代谢物进行检测,苯丙氨酸代谢、脂肪酸代谢、糖代谢、嘌呤嘧啶代谢等。根据物质的化学结构类型进行分类,主要为苯类、吲哚类、碳水化合物类、氨基酸类、脂肪酸等类物质。肠道菌群代谢物的准确测定,在肠道菌群和宿主代谢互作的疾病机制及防控研究中意义重大,是该研究领域创新的基础工具方法。

  精确检测粪便、尿样及血样中肠道菌-宿主共代谢产物,为研究代谢表型动态变化与微生物组成变化的相关性提供了平台和分子机制的研究。通过分析菌群与宿主在代谢水平上的互相作用,挖掘这些代谢物的变化为疾病的发病、转归及预后等机制研究所提供的重要信息。

胆汁酸是一大类胆烷酸的总称,在脂肪代谢中起着重要作用。胆汁酸的生理功能可概括为:影响胆汁分泌、促进肠道对脂类物质的吸收并影响肠道功能。胆汁酸作为消化液的组成部分之一是由肝合成并随胆汁排入肠内,促进对脂类物质的消化和吸收。主要包括胆酸、鹅去氧胆酸、脱氧胆酸、石胆酸、熊去氧胆酸等及其甘氨酸和牛磺酸结合型。肝分泌到胆汁中的胆汁盐是强有力的乳化剂,胆汁流经小肠上部后,胆汁盐乳化脂肪,助其消化吸收。在乳化脂肪小滴的脂肪酸和甘油酯被小肠下部吸收以后,胆汁盐也被重吸收。它们回到肝并被重新使用,因此,胆汁盐总在肝和小肠间循环。肠道中大量的微生物会对这种肝肠循环产生影响。主要的影响菌类有乳酸菌、双歧杆菌、肠杆菌、拟杆菌和梭状芽孢杆菌。这些菌通过影响宿主胆汁酸的种类和含量,进而对诸如膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收,促进脂质吸收,保持肠道屏障功能,信号系统内分泌功能,并能够在一定程度上调节甘油三脂、胆固醇、葡萄糖和能源体内平衡。

我们采用UHPLC-QTOF/MS技术平台可对近七十种胆汁酸绝对定性定量检测,确保多种同分异构体具获得较好的分离,并采用10个具有代表性的同位素胆汁酸作为内标校正,显著提高定性定量检测的准确性。本方法具有优异的灵敏度、精密度、重复性及准确性,可用于探索胆汁酸在各种疾病中的病因学、发病机理中所发挥的作用,挖掘其在疾病诊断、治疗及预后过程中的重要价值。

分析样本类型:主要包括血清、粪便、尿液、组织及肠内容物等等。

样本最低需求量:血样、胆汁等仅需100uL,组织、粪便等50mg即可。

植物代谢组学是对植物的某一组织或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析。它是以组群指标分析为基础,以高通量检测和数据处理为手段,以信息建模与系统整合为目标, 从宏观角度研究生物机体的生化变化,从而监控或者评价基因功能。目前已知植物代谢产物达20万种之多,相比之下,微生物仅有1500 种代谢物,动物也只有5000种代谢物。我公司UPHLC-QTOF-MS以及UHPLC-QQQ-MS平台为解决海量植物代谢产物带来的科学研究困难提供了巨大助力。

作为一个新兴的学科,植物代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思路,对生物体内所有小分子代谢物进行全面的定性定量分析,并寻找代谢物与植物生理变化的相对关系,确定其生理功能的研究方式, 是系统生物学的组成部分。从分析流程上讲可以分为样品制备、样品分析和海量数据处理等三大部分。

植物次生代谢网络研究:代谢组学在植物次生代谢网络研究中的角色相对直接,主要是因为研究者所关心的就是化合物本身(且通常是代谢途径的终产物)含量变化,所以包括后续的数据关联分析等步骤基本无需考虑辅酶因子、生长环境等因素对终产物生成的影响。

拟南芥和番茄等模式植物都已有高质量的全基因组序列信息和非常完备的各类公共资源, 包括cDNA 全长序列、各种形式的突变体和丰富的Microarray 数据信息,这些都为模式植物基因功能鉴定提供了条件。利用代谢组学和转录组学的整合分析在模式植物未知基因(特别是那些缺失或过量表达并不能引起可见表型变化的基因)的功能鉴定中已经有了很多成功报道。在这一过程中最重要的就是关联分析,其原理是“共犯原则”(Guilt-by-association),也就是说参与同一生物过程中的基因(或代谢物)通常是受同一个调控系统控制的;换而言之,同一生物过程中的基因(或代谢物)的变化规律是相似的。如果你所感兴趣的生物途径中某一步基因其功能已被鉴定,通过对不同组学数据的关联分析可以确定参与该生物途径的其他候选基因。候选基因确定后就可以利用反向遗传学或生化手段进行功能验证。

植物主生代谢网络研究:近年,植物代谢组学也开始应用于主要农作物(如水稻、玉米等)的产量、品质性状等育种研究领域。在常规育种过程中,如何精确定量描述农业性状一直是非常头疼的问题,也是影响常规育种准确度的主要原因,许多科研人员也在尝试利用代谢物(或代谢网络)来定量表征产量、品质等农业性状。农作物的产量、品质性状理论上讲主要还是和植物主生代谢途径网络(包括包括光合作用、糖酵解、三羧酸循环、呼吸途径、氨基酸和脂肪酸代谢等)直接相关。相关研究工作已经表明(通常是对一套重组自交系或渐渗系进行群体分析)产量、品质等性状与所含化合物之间不是简单的一一对应的线性关系(这与次生代谢研究截然不同),而且不同的主生代谢物含量本身就属于数量遗传性状———QTL。

玉米是典型的异交作物,表现极端的近交衰退和杂种优势。玉米育种的优势是拥有丰富的遗传资源,但如何将大量的遗传资源加以鉴定、改良和利用,则是一件十分困难的工作(包括人力或财力的因素)。为此,需要建立杂种优势模型,把育种材料作适当的分群,找出材料之间的规律性关系,这样就可以从总体上提高育种工作的效率。 代谢流组学研究:在研究代谢问题的过程中,基因到代谢物以及代谢物到代谢物的调控都是由调控代谢流的方向和速度来实现的。在这里必须提到代谢流学,代谢流组学是指研究特定的生物中所有代谢网络中化合物流向规律的科学。代谢流并不是一个新的概念,早年被应用于大肠杆菌等体系研究提高代谢工程效率。它是用计量矩阵模型表示拟稳态下胞内反应的一种定量分析方法。

另外一种代谢流分析是通过跟踪稳定同位素在代谢网络中的转移并进行相应的模型计算能有效地定量代谢流量及其变化。Szecowka 等利用代谢组学平台分析了拟南芥莲座叶40 种主生代谢物在13CO2(替代CO2)生长条件下的13C 随时间变化的富集情况,建立了莲座叶光合作用的动态代谢流模型。这为研究者加深对光合作用代谢调控的认识,进而通过工程改造提高植物的光合作用效率奠定了坚实基础。

辅酶因子组学研究:如图所示,在代谢网络的各个变量中,辅酶起了非常重要的作用。辅酶是指一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子,与酶较为松散地结合,但对于特定酶的活性发挥却是必要的。有许多维生素(特别是水溶性的B 族维生素)及其衍生物,如核黄素、硫胺素和叶酸,都属于辅酶。

代谢组学主要是对特定条件下或某一时刻细胞内代谢物进行的分析, 因细胞内酶系活跃、代谢转换迅速, 取样和样品制备方法显著影响分析结果的准确性、重复性。因此, 做好样品的前处理是取得可靠分析结果的先决条件。根据研究对象、目的和分析技术的不同, 对样品的前处理要求也不一致, 不存在一种普适性的方法, 样品处理方法大致分为两步: 细胞淬灭和代谢物提取。

淬灭也称为“灭活”, 目的是让细胞内的酶失活, 保证代谢物的轮廓“冻结”。对于胞内代谢物, 由于采样或脱离培养环境后细胞内代谢状态的变化, 造成代谢物种类及含量也随之发生变化, 为了正确反映培养环境中细胞代谢物的真实信息, 需要立即淬灭细胞, 终止胞内反应。理想的淬灭技术应在保持细胞完整性的基础上确保酶迅速失活。淬灭方法包括液氮冷冻法、酸碱灭活法、快速过滤法、低温离心法、细胞刮法、冷甲醇法等。采用低温离心法及细胞刮法淬灭多种贴壁哺乳细胞, 结果发现低温离心可引起细胞内大量代谢物的泄漏, 不适于代谢组学研究, 而细胞刮法较为理想。

研究发现, 淬灭过程会导致泄漏即细胞内代谢物的丢失, 且泄漏的程度与淬灭时间、温度及加入的淬灭试剂量等有关; 随着淬灭剂的加入、淬灭时间减少、离心速度加快, 泄漏程度会减轻。既然代谢物泄漏在所难免, 在进行样品前处理时应尽量将泄漏的影响降到最低, 并注意平行操作, 快速淬灭后, 迅速低温离心收集样品。另外, 由于受细胞种类或分析技术的影响, 不同淬灭方法效果可能存在差异, 在实际应用中应做全面考察, 选择最佳淬灭方法。

代谢物提取一旦代谢反应通过灭活被停止, 代谢产物就需要从细胞中提取出来。根据细胞代谢组学研究层次不同, 提取方法及要求也不同。如在靶标分析中, 需要采用特定的方法有选择性地提取出相应的组分; 而在轮廓分析中, 则需尽可能提取出多种代谢物。目前许多研究者以细胞能量代谢中间产物的量为指标, 对多种提取方法进行了系统考察, 但因各细胞株种类、培养条件、培养基组成及细胞生理条件等不同, 造成代谢物水平差异较大, 至今仍没有统一的标准方法, 实际中应根据化合物及实验目的的不同选择相应的提取方法。一般提取时应遵循以下原则: ①以适当的回收率从细胞中提取最大量的代谢产物; ②代谢物不应该遭遇任何理化修饰, 将降解控制在最小范围内; ③防止代谢物泄漏; ④具有非破坏性。

与植物和动物代谢组学相比,微生物在生长培养基中浓度较低,具有低浓度代谢物难于检测,胞内和胞外代谢物不易分离等特点。微生物代谢组学主要进行胞内代谢物的分析,由于细胞内的酶系活跃、代谢物转换迅速,因此取样和样品制备的方法会显著影响分析结果的准确性和重复性。

灭活过程中如何保持细胞的完整性, 防止胞内代谢物的泄漏, 以正确反映微生物细胞的生理状态, 是微生物代谢组学研究的关键。目前还没有通用的微生物淬灭和代谢物提取的方法,根据不同的微生物特性选择合适的淬灭方法在微生物代谢组学研究中非常重要。

代谢组学(metabonomics/metabolomics)是研究关于生物体被扰动后其代谢产物(内源性代谢物质)种类、数量及其变化规律的科学。代谢组学着重研究的是生物整体、器官或组织的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在和外在因素的影响及随时间变化的规律。作为基因组、转录组和蛋白组的“终端”,能够更直接、更准确地反映生物体的病理生理状态。作为全局系统生物学的基础和系统生物学的一个重要组成部分,代谢组学是以物理学基本原理为基础的分析化学、以数学计算与建模为基础的化学计量学和以生物化学为基础的生命科学等学科交叉的学科。

检测类型样本包括:血清/血浆、肝脏、肾脏、肿瘤、肠道组织、尿液、肠道内容物等

样本体积:液体样本200ul,组织样本200mg。

随着代谢组学的发展,Clayton等于2006年提出了”药物代谢组学”(pharmaco metabonomics)的概念:以代谢组学为平台,通过给药前生物样本的代谢轮廓分析预测给药后的药物反应表型。药物代谢组学同样以整体和动态的观点来认识、解释、进而预测个体对药物治疗的效应,它们的发展将有力推动个性化治疗,尤其是两者与中医学的辨证施治思想相结合,必将促进现代药物治疗水平的提升以及未来医疗模式向系统化转变,极大地促进中医药学科的现代化发展。

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