代谢组学及其在药物安全评价中的应用进展

阐述了代谢组学的概念、研究方法及其在药物毒理学和代谢研究中的应用,并对代谢组学技术在兽药安全评价中的应用前景以及在未来发展中面临的挑战进行了探讨。代谢组学是系统生物学的重要组成部分,已广泛应用于药物安全评价研究中。     

基于GC-MS技术的蹄叶炎奶牛血浆代谢谱分析

【目的】利用气相色谱/质谱联用技术(gas chromatograph tandem mass spectrometer technology,GC-MS)对奶牛血浆进行代谢组学分析,以明确奶牛发生蹄叶炎时血浆中代谢物的变化,进一步揭示其发病机制。【方法】根据蹄叶炎奶牛的临床症状和活动量情况,选取蹄叶炎患病组S和健康对照组C奶牛各10头,采集血浆样品,经衍生化处理后,利用GC-MS方法对两组奶牛的血浆进行全部代谢物检测。用SIMCA-P 11.5软件进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和偏最小二乘法分析(supervised partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA),对蹄叶炎组奶牛和健康组奶牛检测数据进行模式识别分析,筛选差异代谢物,并利用生物信息学方法进行代谢通路富集分析。为进一步验证代谢组学的试验结果,检测了与差异代谢通路相关的脂质代谢指标和抗氧化能力指标。【结果】利用GC-MS方法,在奶牛血浆中共检测到242种代谢物,通过多元统计分析结合t-检验筛选出37种差异代谢物(VIP1,P0.05),其中在蹄叶炎奶牛血浆中3种物质含量上调(FC1),分别是氨基氧乙酸、油酸、乳糖,34种物质含量下调(FC1),包括脂肪酸、氨基酸等。经代谢通路富集分析,发现变化显著(P0.05)的代谢通路包括脂肪酸生物合成通路,甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢通路,不饱和脂肪酸生物合成通路,嘌呤代谢通路,甲烷代谢通路,苯丙氨酸代谢通路和氰基氨基酸代谢通路。在验证试验中,发现两组奶牛血浆中脂质代谢相关指标差异显著,且蹄叶炎患病牛血浆抗氧化能力显著低于健康牛,与代谢组学结果一致。【结论】利用GC-MS技术分析了蹄叶炎患病牛与健康奶牛血浆代谢谱的变化,发现两组间代谢物存在显著差异,并筛选出了37种差异代谢物,而这些差异分子可能成为奶牛蹄叶炎早期诊断或群体监测的潜在生物标记物。本结果全面揭示了奶牛蹄叶炎发生后血浆代谢物的代谢规律,为进一步阐明其发病机制提供理论依据。     

奶牛临床和亚临床酮病的血浆代谢组学研究

【目的】基于代谢组学的气相色谱(GC)/质谱(MS)联用技术分析临床酮病、亚临床酮病和健康的奶牛血浆代谢谱,观察奶牛体内代谢产物的变化,寻找内源性代谢分子标记物,用于发现奶牛临床和亚临床酮病的早期诊断及病情进展的特征生物标志物,并阐明该病发病机制。【方法】收集临床酮病奶牛血样24例,亚临床酮病奶牛33例,健康对照组奶牛23例,静脉采集试验奶牛血液,分离血浆,检测其β-羟丁酸、血糖等生化指标。将血浆样品预处理后,运用GC/MS联用技术检测各组奶牛血浆代谢产物,利用质谱数据库对其进行鉴定。采用主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘判别分析法（partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）等多元统计方法对临床酮病组、亚临床酮病组和健康对照组奶牛检测数据进行模式识别分析。通过PLS-DA方法建立疾病诊断模型后,筛选潜在的疾病生物标记物。【结果】 以80例奶牛血浆样品为分析对象,研究建立了内源性代谢物谱的GC/MS分析方法,并利用NIST（2008）商业质谱数据库对检测到的代谢物进行快速鉴定,共检测出267个变量。将代谢组数据导入SIMCA-P软件进行主成分分析和偏最小二乘法判别分析,代谢组数据可将患病组与健康组分别聚类区分,并且寻找到组间种类无差别代谢物为40种。结果显示与对照组相比,临床和亚临床酮病的差异代谢物均为32个,临床酮病与亚临床酮病组相比有13个差异代谢物。通过查找KEGG数据库,对代谢物进行分析,这些代谢物主要与氨基酸代谢、脂肪代谢和碳水化合物代谢等能量代谢途径相关。【结论】基于代谢组学的GC/MS技术对酮病奶牛血浆进行检测,并结合多元统计分析,共在临床、亚临床酮病和健康组之间发现40种代谢物（主要为脂肪酸,氨基酸和碳水化合物等物质）。证明奶牛血浆样品的GC/MS代谢谱可以有效地对临床酮病组、亚临床酮病组与健康对照组进行区分。该结果也进一步证明了利用代谢组学技术,在一定程度上可以揭示奶牛临床和亚临床酮病的发生和发展变化,而这些对组间分类有贡献的差异代谢物可能是奶牛酮病诊断的潜在代谢标记物和客观指标。通过研究可以发现奶牛临床和亚临床酮病的发生和发展过程中,其血浆内的部分代谢物的代谢模式和代谢途径发生了改变。此外,新的潜在的代谢物也为奶牛酮病的诊断和预防提供了一定的新思路。     

基于肝脂和1H-NMR技术的草鱼肝胰脏及血清代谢组学分析

为了探讨草鱼肝胰脏脂质过量蓄积的生化基础和促进草鱼的健康养殖,采用1H-NMR分析技术对肝脂含量分别为3 %~4 %和14 %~16 %的两组草鱼的肝胰脏和血清进行了代谢组学分析。结果表明,从草鱼肝胰脏和血清中分别检测到了58种和47种代谢物。葡萄糖、别嘌呤二醇、牛磺酸、乳酸、谷氨酸、肌酸、丙氨酸、sn-甘油-3-磷酸胆碱、甘氨酸、石碳酸、次黄嘌呤、乙酸、赖氨酸、亮氨酸、缬氨酸为两组草鱼肝胰脏主要差异代谢物;其中,肝脂含量为14 %~16 %的草鱼肝胰脏中葡萄糖和别嘌呤二醇的含量明显高于肝脂含量为3 %~4 %的草鱼组,但乳酸和多种氨基酸含量则低于肝脂含量为3 %~4 %的草鱼组。乳酸、葡萄糖、肌酸、柠檬酸、亮氨酸、丙酮酸、缬氨酸、脯氨酸、鸟嘌呤核苷、异亮氨酸、谷氨酸、sn-甘油-3-磷酸胆碱、丙氨酸、赖氨酸、甘氨酸为两组草鱼血清主要差异代谢物;其中肝脂含量为14 %~16 %的草鱼血清中葡萄糖、柠檬酸、脯氨酸、谷氨酸、sn-甘油-3-磷酸胆碱、精氨酸以及甘氨酸7种代谢物含量高于肝脂含量为3 %~4 %的草鱼组,血清乳酸等含量则明显低于肝脂含量为3 %~4 %的草鱼组。肝脂含量为14 %~16 %的草鱼组其体内糖的有氧氧化和糖酵解途径均受到了明显的抑制,同时存在氨基酸代谢异常,这应该是导致草鱼肝胰脏脂质过量蓄积的重要原因之一。     

蛋鸡日粮含苏丹红Ⅳ的鸡蛋内源性代谢物差异性研究

采用高分辨Agilent 6530 液相色谱-四极杆/飞行时间质谱联用技术,对喂食日粮中含苏丹红Ⅳ(0、100、150、200 mg/kg)的海兰褐蛋鸡的鸡蛋进行代谢组学研究,即对喂养28 d后的鸡蛋样品分别在电喷雾离子源(electrospray ionization,ESI)正、负离子模式下进行检测,并通过相关代谢组学统计分析软件(mass profiler professional,MPP)对采集到的谱图进行主成分分析,从而获得蛋鸡食用苏丹红Ⅳ后鸡蛋中的代谢物信息。结果表明,该液质联用技术可将空白对照组与喂食苏丹红Ⅳ组进行明显的区分,并可借助数据库中23000种代谢物信息对发生显著变化(P<0.05, 倍数变化≥2)的差异性代谢物组分进行初步的鉴定。研究结果为深入进行苏丹红Ⅳ的代谢组学研究提供了依据。     

核桃内种皮苦涩味品质代谢组学分析

【目的】研究基于代谢组学技术的核桃内种皮苦涩味形成机理,为相关研究和苦涩味改良提供参考。【方法】以极具苦涩味内种皮和无苦涩味内种皮的核桃无性系为材料,利用超高效液相色谱和串联质谱（UPLC-MS/MS）技术,从其内种皮提取物质,通过自建数据库MVDB和代谢信息公共数据库对2种核桃无性系内种皮苦涩味的差异代谢物进行主成分分析、正交偏最小二乘判别分析、样本重复相关性评估和聚类等分析,再通过KEGG数据库注释差异代谢物参与的代谢途径,从中筛选出差异显著代谢物以及苦涩味标志物。【结果】从2种核桃内种皮中共检测到12大类263种差异代谢物,其中147种显著上调,116种显著下调,包括61种酚酸类、55种黄酮、43种脂质、20种其他类、19种鞣质、16种氨基酸及其衍生物、13种核苷酸及其衍生物、12种有机酸、11种生物碱、8种萜类、3种木脂素和香豆素及2种醌类,共注释到66条代谢途径,富集代谢物多且显著的前6条通路分别是类黄酮代谢、甘油酯代谢、糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定生物合成、抗坏血酸和aldarate代谢、苯丙烷类代谢、戊糖和葡萄糖醛酸的相互转化。自行构建了柚皮素代谢途径,并筛选出4个（柚皮素、圣草酚、圣草酚7-O-葡糖苷、矢车菊素3-O-葡萄糖苷）含量显著上调的代谢物,可将其作为核桃内种皮苦涩味形成的标志物。【结论】发现了2种无性系核桃内种皮代谢物差异以及苦涩味标志物。     

基于1H NMR技术的奶牛I型和II型酮病血浆代谢谱分析

【目的】运用代谢组学中¹H NMR技术方法筛选出Ⅰ型酮病、Ⅱ型酮病与健康对照组之间血浆差异性代谢物。【方法】选取产后7—28 d,平均胎次为2—3胎的实验奶牛50头。根据血糖（Glc）、β-羟丁酸（BHBA）和游离脂肪酸（NEFA）的含量与临床发病特点分为Ⅰ型酮病、Ⅱ型酮病与健康对照组,其中Ⅰ型酮病20头,Ⅱ型酮病为20头,健康对照组为10头。当患病牛血中BHBA＞1.20 mmol·L^-1,Glc＜2.50 mmol·L^-1,NEFA＞0.50 mmol·L^-1时,被认为患I型酮病;当患病牛血浆中BHBA＞1.20 mmol·L^-1,Glc＞2.80 mmol·L^-1, NEFA＞0.50 mmol·L^-1时,被认为患II型酮病;当奶牛血中BHBA＜1.00 mmol·L^-1,Glc＞3.75 mmol·L^-1,NEFA＜0.40 mmol·L^-1时,被认为健康对照组。运用代谢组学中¹H NMR技术对实验奶牛的血浆代谢物分析,获得相应的代谢图谱,并结合多元统计分析中的主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）的模式判别,从而寻找潜在的生物标记物。【结果】通过¹H NMR分析,Ⅰ型酮病、Ⅱ型酮病与健康对照的代谢图谱差异明显,3组代谢产物各自聚集,分散区域显著。Ⅱ型酮病与健康对照比较,获得7种血浆差异代谢物,主要为丙氨酸、赖氨酸、β-羟丁酸、丙酮、乳酸等,其中血浆中β-羟丁酸、丙酮、乳酸浓度升高;丙氨酸、赖氨酸、酪氨酸、肌酸浓度呈现下降。Ⅰ型酮病与健康对照组比较,获得19种血浆差异代谢物,主要为酪氨酸、苯丙氨酸、肌酸、β-羟丁酸、丙酮等,其中β-羟丁酸、丙酮浓度升高;酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、丙氨酸、肌酸、肌醇、β-葡萄糖、谷氨酰胺、谷氨酸、柠檬酸、α-葡萄糖、甲酸、甘氨酸、O-乙酰葡萄糖胺、磷酸胆碱浓度呈现下降。Ⅰ型酮病与Ⅱ型酮病比较,获得24种血浆差异代谢物,主要为柠檬酸、组氨酸、β-葡萄糖、异亮氨酸、极低密度脂蛋白/低密度脂蛋白等,其中β-羟丁酸、低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白、异亮氨酸、缬氨酸、丙酮、亮氨酸、乙酸浓度升高;柠檬酸、酪氨酸、组氨酸、肌醇、谷氨酰胺、β-葡萄糖、苯丙氨酸、谷氨酸、α-葡萄糖、赖氨酸、甲酸、甘氨酸、磷酸胆碱、丙氨酸、O-乙酰葡萄糖胺浓度呈现下降。【结论】¹H NMR技术与多元统计分析的有效结合能够有效的筛选出Ⅰ型酮病、Ⅱ型酮病与健康对照组之间血浆差异性代谢物,为进一步探究奶牛Ⅰ型酮病、Ⅱ型酮病的发病机理和诊断与防治提供了新的方向。     

Non‐targeted analyses of animal plasma: betaine and choline represent the nutritional and metabolic status

Simple liquid chromatography–mass spectrometry (LC‐MS) was applied to non‐targeted metabolic analyses to discover new metabolic markers in animal plasma. Principle component analysis (PCA) and partial least squares–discriminate analysis (PLS‐DA) were used to analyse LC‐MS multivariate data. PCA clearly generated two separate clusters for artificially induced diabetic mice and healthy control mice. PLS‐DA of time‐course changes in plasma metabolites of chicks after feeding generated three clusters (pre‐ and immediately after feeding, 0.5–3 h after feeding and 4 h after feeding). Two separate clusters were also generated for plasma metabolites of pregnant Angus heifers with differing live‐weight change profiles (gaining or losing). The accompanying PLS‐DA loading plot detailed the metabolites that contribute the most to the cluster separation. In each case, the same highly hydrophilic metabolite was strongly correlated to the group separation. The metabolite was identified as betaine by LC‐MS/MS. This result indicates that betaine and its metabolic precursor, choline, may be useful biomarkers to evaluate the nutritional and metabolic status of animals.     

性别对杜陆猪肉品质及风味影响的代谢组学分析

试验旨在了解不同性别杜陆猪不同组织的代谢差异及这些代谢差异对肉品质和风味产生的影响，为性别因素对猪肉品质和风味研究方面的影响提供基础代谢依据。试验选取16头（公母各半）8月龄、体重相近的杜陆猪，采用气相色谱质谱联用技术（GC/MS）对公猪和母猪血液、肝脏、背最长肌组织代谢物进行非靶向代谢检测，并运用代谢组学分析技术进行代谢模式差异分析、差异代谢物筛选和差异代谢物代谢通路富集分析。结果表明，性别对杜陆猪血液、肝脏、背最长肌组织总体代谢模式有一定的影响；性别差异引起的血液和肝脏差异代谢物数量较多，背最长肌最少。公猪血液多数脂类差异代谢物浓度显著高于母猪（P<0.05），而肝脏则相反（P<0.05）。公猪血液和肝脏糖类差异代谢物浓度多数显著高于母猪（P<0.05），其中公猪血液2-十八烯酸单甘油酯、二十二酸、胆固酮、二氢胆固醇的含量均为母猪的1.5倍以上；公猪肝脏β-龙胆二糖的含量是母猪的29倍，L-犬尿氨酸的含量是母猪的11倍，L-酪氨酸的含量是母猪的3倍。杜陆公猪肝脏硫辛酸含量显著低于母猪（P<0.05），是母猪的50%。杜陆公猪、母猪血液和肝脏激素类、脂类、糖类、氨基酸类代谢通路均差异显著（P<0.05）。以上结果表明：杜陆猪血液、肝脏、背最长肌组织代谢物性别效应不同；杜陆猪血液和肝脏激素类、脂类、糖类、氨基酸类代谢通路均存在性别效应，但性别效应微弱。杜陆公猪血液、肝脏和背最长肌较高水平的脂类和糖类代谢物使其肉质和风味比母猪稍好。