最近幾十年，各種組學(xué)的研究已經(jīng)被生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用，并為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。組學(xué)的研究包括了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)?；蚪M學(xué)的研究目標(biāo)是生物體的基因，它研究了細(xì)胞的可能潛在作用，但其結(jié)果是一幅靜止的圖片，到底最后是否發(fā)生了什么或者是怎樣發(fā)生的，都不是很清楚。后來轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究，對于將來可能會發(fā)生的作用以及發(fā)生的機(jī)理做了一些研究。但最終生物體已經(jīng)發(fā)生了什么作用，則需要從代謝組學(xué)來進(jìn)行研究。代謝組學(xué)研究的對象是整個生命活動鏈的最終端，因此能夠更靈敏、更有效地反映出生物體內(nèi)所發(fā)生的生理、病理的各種變化，而且其分析樣本易得、分析成本較低，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著很好的發(fā)展與應(yīng)用前景。

    一、代謝組學(xué)概述

    代謝組學(xué)主要是效仿基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究思想，對生物體內(nèi)所有代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，并尋找代謝產(chǎn)物與生理病理變化相對關(guān)系的一種研究，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分。代謝組學(xué)的研究可以追溯至上世紀(jì)80年代，Van De Greef研究小組和Nicholson研究小組分別利用質(zhì)譜技術(shù)（MS）和核磁共振（NMR）技術(shù)分析了尿液。1999年，Nicholson提出了代謝組學(xué)的概念。

    代謝組學(xué)研究的是一個細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝組分的集合，尤其是小分子物質(zhì)，一般分子質(zhì)量為1,000以下的小分子。代謝組學(xué)系統(tǒng)研究了新陳代謝的動態(tài)過程中代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律揭示了機(jī)體生命活動的代謝本質(zhì)。

    二、代謝組學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    在當(dāng)前的國際舞臺上，代謝組學(xué)研究非常活躍。美國、英國、加拿大、德國、荷蘭、比利時、日本以及韓國等國家的許多大學(xué)和公司都開展了代謝組學(xué)的研究工作，其中有些小組已經(jīng)開始將代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)整合在一起來進(jìn)行研究。SpringerLink出版社出版了名為Metabolomics的新雜志。代謝組學(xué)的研究工作小組分別在2004、2005和2007年制定了代謝組學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。2007年1月，人類代謝組學(xué)計劃完成了人類代謝組的第一張草圖，包含了2500種代謝產(chǎn)物、1200中藥物和3500種食物成分。

    在我們國內(nèi)，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國科學(xué)院、中國林業(yè)科學(xué)院以及北京植物所等科研單位也已開展了代謝組學(xué)的研究工作。上海長征醫(yī)院腎內(nèi)科也已經(jīng)在腎臟病領(lǐng)域開展了多項代謝組學(xué)的研究工作。

    三、代謝組學(xué)的研究技術(shù)

    代謝組學(xué)的研究首先要解決的一個問題是：什么是代謝產(chǎn)物？代謝產(chǎn)物簡單的說就是生物體內(nèi)任何可以檢測得到的有機(jī)分子，分子量一般小于1000Da。代謝產(chǎn)物包括了各種糖、脂類、多肽、氨基酸、核苷等，同時也包括了酮體、醛類、胺類、有機(jī)酸、生物堿等，當(dāng)然也包括各種藥物和毒物。

    代謝產(chǎn)物所研究對象的是單個細(xì)胞、組織或器官中所有的小分子成分及其波動規(guī)律，對生物體液和組織可以進(jìn)行系統(tǒng)的測量和分析，并研究完整的生物體中代謝產(chǎn)物隨時間改變的情況，以了解生物體的病理生理過程，確定生物標(biāo)志物。先進(jìn)的分析檢測技術(shù)結(jié)合模式識別和專家系統(tǒng)等計算分析方法是代謝組學(xué)研究的基本方法。

    代謝組學(xué)研究的一般過程包括：
    （1）前期的樣品采集；
    （2）樣品的處理；
    （3）代謝產(chǎn)物檢測、鑒定和數(shù)據(jù)獲得；
    （4）后期的數(shù)據(jù)分析和模型建立。

    樣品采集、制備方法根據(jù)不同的分析方法，采取不同的樣品制備方法，但需要遵循同性質(zhì)樣品和條件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，切實保證眾多樣本的一致性。樣品的處理，即代謝產(chǎn)物的分離，包括了SPE、LLE和ASE等方法，其關(guān)鍵問題是防止樣品的變質(zhì)和污染。常用的檢測與鑒定方法包括質(zhì)譜分析（MS）、核磁共振（NMR）以及聯(lián)合分析平臺，如氣相色譜/MS、液相色譜/MS、毛細(xì)管電泳/MS以及液相色譜/NMR等，各種方法優(yōu)勢互補(bǔ)，需要按照不同要求采用不同的分析方法。數(shù)據(jù)獲得后要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型建立，需要利用生物學(xué)和化學(xué)知識（生物信息學(xué)、化學(xué)信息學(xué)），并應(yīng)用一定的分析方法（化學(xué)計量學(xué)、計算生物學(xué)）來對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析研究。

    四、代謝組學(xué)的應(yīng)用

    代謝組學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)的研究中已廣泛應(yīng)用。如監(jiān)測基因和環(huán)境的相互作用，也可以監(jiān)測基因突變的后果。在植物的選擇中也有很多應(yīng)用，可以利用代謝產(chǎn)物的識別來進(jìn)行優(yōu)質(zhì)品種的選擇。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還能確定一些未知基因的功能，通過監(jiān)測或測量代謝產(chǎn)物的量來了解人體的病理生理過程，也可以把代謝產(chǎn)物作為疾病或追蹤毒物、藥物的生物標(biāo)記。

    1、生物學(xué)研究領(lǐng)域

    代謝組是基因型與表型之間的橋梁，代謝組學(xué)將代謝產(chǎn)物和基因關(guān)聯(lián)起來，從而實現(xiàn)基因功能的鑒定。通過將代謝組學(xué)方法和基因組學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，以檢測代謝產(chǎn)物的變化，可以成功推斷相關(guān)基因的功能。

    2、農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域

    代謝組學(xué)技術(shù)通過促進(jìn)植物基因功能組學(xué)的研究工作，可以加快農(nóng)作物的品質(zhì)改良進(jìn)程，從而加快得到優(yōu)良的品種。代謝組學(xué)研究還可以通過對轉(zhuǎn)基因和野生型生物代謝產(chǎn)物差異的比較，來對轉(zhuǎn)基因生物及其食品進(jìn)行安全性評估。

    3、醫(yī)藥領(lǐng)域

    人體中各種體液成分的變化反映了人體生理過程，也可反應(yīng)代謝損害或毒物引起的細(xì)胞功能異常。應(yīng)用代謝組學(xué)的研究方法可檢測血漿、尿液、膽汁等人體體液中具有特殊意義的異常微量物質(zhì)成分，也可以對所有代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，從而對新化合物進(jìn)行篩選，為新藥臨床前安全性評價提供可靠的技術(shù)支持與保障。因此，早期的代謝組學(xué)研究在毒物藥物學(xué)和新藥篩選方面有較多的應(yīng)用。美國食品與藥品管理局（FDA）已經(jīng)接受代謝組學(xué)的研究結(jié)果作為新藥申報和注冊的重要參考指標(biāo)。

    在疾病的診斷方面，尤其是一些先天性疾病，也已開始應(yīng)用代謝組學(xué)來進(jìn)行診斷。如應(yīng)用NMR技術(shù)來分析患者尿液中尿黑酸的量，可以用來篩查尿黑酸病。對于早期無癥狀的腫瘤，可應(yīng)用高敏感性的代謝組學(xué)綜合檢測手段來進(jìn)行診斷。另外，冠心病的發(fā)病率逐年上升，常規(guī)的X線血管造影方法確診率高，但存在創(chuàng)傷、副作用多以及花費高的情況。有學(xué)者通過NMR技術(shù)來分析血清樣本，建立相應(yīng)的模型，通過此模型對可疑冠心病患者進(jìn)行高靈敏性和高特異性的診斷，還可以判斷冠心病的嚴(yán)重程度和累及血管的數(shù)目。NMR技術(shù)還正在應(yīng)用于其他疾病，如糖尿病的診斷和預(yù)后判斷，各種關(guān)節(jié)炎（骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎）的鑒別診斷等。

    4、在腎臟疾病研究中的應(yīng)用

    代謝組學(xué)研究在腎臟病領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多。腎臟疾病有其特點，相對來說人體的尿液標(biāo)本很容易采集，且能很好的反應(yīng)腎臟方面的問題，所以代謝組學(xué)研究在腎臟病領(lǐng)域的應(yīng)用近年來越來越多。文獻(xiàn)檢索結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在最初的幾年，代謝組學(xué)在腎臟病領(lǐng)域的文章發(fā)表較少，但近年來關(guān)于腎臟疾病代謝組學(xué)的研究越來越多，發(fā)表的文章也呈明顯上升趨勢。

    代謝組學(xué)研究已涉及了腎臟病領(lǐng)域的很多方面，包括腎毒性藥物的監(jiān)測分析、腎臟疾病生物標(biāo)記物的檢測、急性腎缺血、糖尿病腎病、腎小球腎炎、慢性腎衰竭、多囊腎病以及腎移植排斥反應(yīng)的監(jiān)測、預(yù)后判斷等。

    五、代謝組學(xué)存在的問題和展望

    代謝組學(xué)的研究需要先進(jìn)的儀器、技術(shù)和各種分析方法，同時也獲得了大量的數(shù)據(jù)。目前存在的問題主要是用非常先進(jìn)的技術(shù)和分析方法，也不能全面的描述代謝組，且無法獲得成千上萬的代謝產(chǎn)物并進(jìn)行分析，所以只有通過有選擇性的提取某些化合物、并結(jié)合各種分析技術(shù)來進(jìn)行分析，從而解決這個問題。

    另外，由于化學(xué)物質(zhì)的復(fù)雜性導(dǎo)致了代謝產(chǎn)物的差異，給檢測和鑒定分析帶來了不確定因素。不同的質(zhì)譜分析技術(shù)，得到的數(shù)據(jù)也各有不同，如何通過不同的方法學(xué)來對所有的數(shù)據(jù)整合起來進(jìn)行分析，從而達(dá)到正確解釋代謝組研究所得到的數(shù)據(jù)，這也是一個問題。生物體非常復(fù)雜，代謝組學(xué)的研究結(jié)果也只是其中一個方面，還需要和基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及蛋白質(zhì)組學(xué)的研究結(jié)合起來，從而給生物學(xué)作用一個更好的解釋。

    代謝組學(xué)的研究還處在初生階段，如果能了解代謝產(chǎn)物的5%～10%，就已經(jīng)很幸運了。我們相信隨著代謝組學(xué)技術(shù)和方法的不斷完善和優(yōu)化，這種研究方法必將使人類對生物體的了解更加清晰、更加深刻，也必將成為人類更高效、更準(zhǔn)確診斷疾病的一種有力手段。