中国科学: 化学 2014年 第44卷 第5期

复杂体系中代谢产物的结构鉴定是富有挑战性的问题, 具有高分辨率的质谱系统(如四极杆串联飞行时间质谱仪[12]、傅里叶变换离子回旋共振质谱 仪[13]和Orbitrap等)在此方面有着突出的优势. 准确质量的质谱和串联质谱检测与数据库检索、标准品验证及其他实验结果相结合, 提供了更高水平的代谢 物结构识别和确认能力, 对生物标记物的确定非常重要.

到目前为止, 大部分整体代谢谱(轮廓)分析采用电喷雾电离源. 最近, Shrestha等[14]以电喷雾电离为基础开发了一种新的激光剥离电喷雾电离方法, 在常压下可用质谱原位分析单细胞的代谢谱图.

质谱分析中, 精确质量测定、化合物元素组成、 串联质谱特征离子碎片信息、气相或液相色谱分离保留时间等大量的多元性数据, 不仅可以帮助鉴定代谢物的结构, 而且与化学计量学结合, 构建合理的数学模型, 选用有效的数理统计方法对数学模型进行计算和归类分析, 挖掘有用信息, 对代谢组学分析结果的解释, 在相关疾病生物标记物的发现、阐明代谢物的生物功能、疾病的发病机理等研究中有重要的意义[15].

目前, 基于质谱技术的代谢组学研究已广泛应用于疾病诊断、药物毒性和效果评价、微生物和植物的细胞代谢以及基因功能的阐明等. 作为新的研究思路和手段, 基于质谱技术的代谢组学方法近年来又在中药成分的安全性评价、环境毒理分析、营养基因组学、整合药物代谢和系统毒理学等方面取得了新的突破和进展. 例如, 最近在癌症代谢组学方面的新突破包括发现细胞的快速增殖需要大量的非必需甘氨酸, 对癌症治疗有着清晰直接的影响[16]. 在这项工作中, Jain等[17]首次采用液相色谱-串联质谱方法从60种不同的人体癌细胞株中检测了219种代谢产物.

3 我国的研究成果

近年来, 基于质谱技术的代谢组学研究在中国快速发展, 建立了多个代谢组学技术平台和研究组, 开展了与重大疾病、中药和环境等相关的一系列各具特色的代谢组学研究, 在技术突破和应用方面取得了一定的成果.

许国旺研究组针对代谢组的特点, 采用“分而治之”的策略, 建立完善了一系列基于色-质联用技术的代谢组学分析平台, 其中包括非靶向的代谢组、脂类

的组学分析平台以及针对痕量代谢物的靶向分析平台等, 并在提高代谢组学分析覆盖的化合物种类, 实现高通量、高灵敏度代谢组分析以及发展复杂代谢组数据解析方法, 解决代谢物定量及未知代谢物结构定性等关键问题上开展了一些创新性研究. 通过发展新型同位素标记衍生化液-质联用方法, 实现了24种类固醇激素的快速高灵敏检测[18]; 发展了多维色-质联用技术, 提高了色谱的分离能力[19~21]. 结合代谢组学非靶向分析及靶向分析的特点, 该研究组提出了一种“拟靶向”的分析策略, 以多反应监测方式实现一次进样定量超过500种代谢物, 显著提高了代谢组分析的数据质量[22]，发展了包括色谱峰匹配策略[23]、代谢表型识别以及筛选潜在标志物的新算法等[24~26]. 该研究组将色-质联用和高分辨质谱代谢组学方法应用在疾病诊疗的领域, 如糖尿病及其并发症的相关代谢标志物[27~40], 以及开展了肝癌[41~43]、卵巢癌[44], 肺癌[45]、大肠癌及其他肿瘤[46~49]的代谢组学研究. 同时研究了中医证候[50, 51]、中药配伍以及疗效评价 等[20, 28, 29, 52]中医药相关的代谢组学, 以及不同水稻亚种的代谢特征以及转基因水稻代谢组特征[53, 54]等. 该研究组近年来也注重关键差异代谢物的功能研究, 揭示了代谢组对复杂生物现象的影响[55], 开发了基于脂质代谢动力学的分析策略[56~58], 为功能代谢组研究提供了新的研究思路.

再帕尔课题组研究了恶性肿瘤代谢组学的分析方法和生物标志物的发现. 以快速高分辨液-质联用技术为主要分析手段, 通过构建高效、整合式的高通量分析技术平台, 开展了食管癌[59]、肺癌[60]、乳腺 癌[61]和宫颈癌[62]等恶性肿瘤的代谢组学分析方法及发现小分子生物标志物的研究. 分别建立了“组合式”离子化方式的代谢组学新型分析方法[60]、模式识别与偏相关网络分析相结合的“整合式”数据处理方法[61]、 整体轮廓与靶向代谢组学相结合的分析方法和定量代谢轮廓分析方法[59], 以及尿液代谢组学的前处理及数据分析与校正新方法[63]. 运用这些方法在更可靠、更全面地发现与恶性肿瘤诊断或疗效评价密切相关的潜在小分子标志物方面取得了重要进展. 通过基于动物肿瘤模型的差异代谢物动态行为分析与药物代谢组学相结合的方法研究[64], 发现了与肿瘤发展密切相关的潜在生物标志物以及与药物药效或毒性作用相关的药物敏感性标志物. 研究了血浆中内源性代谢物稳定性以及相关代谢物的变化规律,

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