圖 1. 來源于體液和細(xì)胞的代謝物^[2]

一般來說，代謝組學(xué)是對(duì)體液、細(xì)胞和組織中的代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，通常被用作生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的工具^[3]。近些年來，代謝組學(xué)的技術(shù)在不斷進(jìn)步，質(zhì)譜 (MS)、核磁共振 (NMR) 以及它們與色譜的結(jié)合已廣泛應(yīng)用于代謝物的分離和檢測(cè)。

表面增強(qiáng)拉曼光譜 (SERS) 是一種超靈敏和高度特異的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，得益于拉曼光譜的分子“指紋”和等離子體納米材料的巨大信號(hào)增強(qiáng) (低至單分子水平) 。拉曼光譜作為光與樣品相互作用時(shí)發(fā)射的非彈性部分，顯示出指紋特征和窄帶寬的高度特異性。它可以揭示分子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和過渡信息，換言之，可以反應(yīng)分子的結(jié)構(gòu)信息。在一些特殊的材料表面，分子的拉曼散射光譜強(qiáng)度能得到非常顯著的增強(qiáng)。這種散射光譜的增強(qiáng)使人們可以更加容易的利用拉曼光譜進(jìn)行樣品的分析。作為一種新興的代謝產(chǎn)物檢測(cè)方法，SERS 已通過標(biāo)準(zhǔn)化的底物制備和檢測(cè)程序開發(fā) (圖 2)^[2]。

圖 2. 表面增強(qiáng)拉曼光譜 (SERS) 對(duì)代謝物的檢測(cè)流程[2]

 

質(zhì)譜 (MS) 是一種測(cè)量離子質(zhì)荷比的分析方法。質(zhì)譜的基本原理是電離樣品中的每一種成分，以產(chǎn)生具有不同電荷質(zhì)量比的帶電離子，然后離子束進(jìn)入質(zhì)量分析儀進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。MS 被廣泛應(yīng)用于通過直接注射或色譜分離來分析生物樣品。質(zhì)量準(zhǔn)確度的最新改進(jìn)極大地拓寬了 MS 能夠以更高精度分析的代謝物范圍。通過具有高靈敏度和高分辨率的 MS 可以實(shí)現(xiàn)各種代謝產(chǎn)物的定量，以獲得代謝信息^[2]。例如，通過基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜 (LDIMS) 檢測(cè)尿液中的代謝物，以確定腎臟疾病亞型特征^[4]。同樣，在 LDIMS 的幫助下，通過血清代謝物檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了早期肺腺癌的診斷^[5]。
核磁共振 (NMR) 檢測(cè)代謝產(chǎn)物是基于不同核自旋運(yùn)動(dòng)的差異。在強(qiáng)磁場(chǎng)中，某些元素的原子核和電子能量本身所具有的磁性，被分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上量子化的能級(jí)。吸收適當(dāng)頻率的電磁輻射，可在所產(chǎn)生的磁誘導(dǎo)能級(jí)之間發(fā)生躍遷，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振譜，可用于測(cè)定分子中某些原子的數(shù)目、類型和相對(duì)位置，從而能夠分析代謝物的結(jié)構(gòu)。核磁共振能夠獲得整個(gè)代謝的信息，被認(rèn)為是體液分析中最成功的分析技術(shù)之一。然而，受限于相對(duì)較低的靈敏度，NMR 僅適用于足夠濃度的代謝物^[2]。
3 種檢測(cè)方法的比較如下：

表 1. MS, NMR 和 SERS 對(duì)代謝物檢測(cè)的比較^[6]

疾病會(huì)使體內(nèi)的生理過程發(fā)生變化，進(jìn)而引起體內(nèi)代謝物的改變。對(duì)機(jī)體的代謝物進(jìn)行定性和定量分析，可以找到疾病的標(biāo)記物，進(jìn)而可能用于疾病的診斷，對(duì)于早期診斷疾病具有重要意義。

早期癌癥檢測(cè)大大增加了成功治療的機(jī)會(huì)，但對(duì)包括肺腺癌 (LA) 在內(nèi)的一些腫瘤的可用診斷方法有限。對(duì)于大規(guī)模臨床應(yīng)用而言，理想的 LA 早期診斷必須解決快速檢測(cè)、低侵襲性和高度的可操作性。有研究者通過優(yōu)化的鐵粒子輔助激光解吸/電離質(zhì)譜 (LDI-MS) 方法對(duì)早期肺癌患者 (n=200)、健康對(duì)照 (n=200)、其它肺癌 (n=36) 以及肺良性疾病 (n=45) 的 481 份人血清樣本進(jìn)行代謝組學(xué)分析，然后通過儀器模擬算法，確定了一個(gè)由七種代謝產(chǎn)物和相關(guān)途徑組成的生物標(biāo)志物組，以區(qū)分早期 LA 和對(duì)照組 (p<0.05)，對(duì)于早期診斷 LA 有重要意義^[5]。

圖 3. 對(duì)血液的代謝組學(xué)分析^[5]

此外還有，美國康奈爾大學(xué)營養(yǎng)科學(xué)部 Patrick J. Stover 教授設(shè)計(jì)了一項(xiàng)針對(duì)大學(xué)新生的為期 9 個(gè)月的前瞻性研究 (n=264) 來探索年輕人代謝組與突發(fā)性肥胖增加的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)戊糖磷酸途徑代謝產(chǎn)物赤蘚糖醇，可能是當(dāng)代大學(xué)生腹型肥胖的潛在生物標(biāo)記物^[7]。

除了應(yīng)用于疾病診斷，內(nèi)源性代謝物本身在體內(nèi)還發(fā)揮著重要作用。許多疾病與內(nèi)源性代謝物的改變有關(guān)，可以從內(nèi)源性代謝物著手研究尋找治療疾病的藥物，為新藥研究提供新的方法。

在癌癥治療方面，內(nèi)源性代謝物也可提供新的思路。有研究表明，細(xì)胞中正常產(chǎn)生的許多代謝產(chǎn)物可能具有高度毒性，如含有反應(yīng)性基團(tuán)的代謝產(chǎn)物 (如 methylglyoxal, 4-hydroxynonenal, and glutaconyl-CoA) 或充當(dāng)與其他代謝產(chǎn)物競(jìng)爭(zhēng)類似物的代謝產(chǎn)物 (如deoxyuridine triphosphate and l-2-hydroxyglutarate)。如果代謝途徑含有有毒的中間體，那么我們可以通過靶向下游酶來誘導(dǎo)有毒中間體的積聚并毒害癌細(xì)胞^[8]。

 

圖 4. 根據(jù)作用機(jī)制的不同的毒性代謝物分類 (a. 反應(yīng)集團(tuán)；b. 毒性類似物；c. 興奮毒性)^[8]

 

綜上所述，內(nèi)源性代謝物除了在體內(nèi)作為功能小分子存在外，還在疾病診斷和疾病治療方面發(fā)揮著越來越多的作用，相信內(nèi)源性代謝物在不久的將來還可應(yīng)用于更多的領(lǐng)域 (比如中醫(yī)藥現(xiàn)代化領(lǐng)域等)，將發(fā)揮更多更廣的作用。

 

相關(guān)產(chǎn)品

2-Deoxy-D-glucose 葡萄糖類似物，為葡萄糖代謝抑制劑，通過作用于己糖激酶來抑制糖酵解。

ATP 體內(nèi)能量儲(chǔ)存和代謝的重要物質(zhì)，為代謝提供能量，同時(shí)在細(xì)胞中作為輔酶發(fā)揮作用，是免疫和炎癥中重要的內(nèi)源性信號(hào)分子。

Retinoic acid 維生素 A 的代謝產(chǎn)物，在細(xì)胞生長，分化和器官發(fā)生中起重要作用。

Nicotina‍mide 是維生素 B3 或煙酸的一種形式，可抑制 SIRT2 的體外活性。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

參考文獻(xiàn)

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[3] Johnson CH, Ivanisevic J, Siuzdak G. Metabolomics: beyond biomarkers and towards mechanisms. Nat Rev Mol Cell Biol. 2016;17(7):451-459.
[4] Yang J, Wang R, Huang L, et al. Urine Metabolic Fingerprints Encode Subtypes of Kidney Diseases. Angew Chem Int Ed Engl. 2020;59(4):1703-1710.
[5] Huang L, Wang L, Hu X, et al. Machine learning of serum metabolic patterns encodes early-stage lung adenocarcinoma. Nat Commun. 2020;11(1):3556.
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