代谢组学的生物分析策略

代谢组学生物分析内容主要包括样品收集、样品处理和测试分析。

小分子代谢物的结构种类繁多、理化性质差异巨大、含量极微且动态范围极宽、时空分布差异明显、相互作用方式复杂。

样品处理方案是代谢组学实验设计中的重要内容。首先需要对所收集样品的剩余代谢活性进行快速灭活。代谢灭活的方法很多，但基本原理大都是通过改变样品的温度或pH来实现。其次，整个样品处理和测试分析过程应尽可能保留和体现样品中完整的代谢物组分信息，而且需要规范化并记录，如样品来源、采样环境、处理过程、提取方法、样品基质(如pH、离子强度等)以及仪器参数等。

样品制备可采用连续步骤和同时操作两种方式，但过多的环节降低了过程精度和处理效率，因此Schaub等建立的综合样程序，集样品快速转移、灭活和定量化提取于一体，有效提高了整个处理过程的回收率、准确性和重复性。结果分析的变异性来源于生物样品的内在差异和检测方法的系统误差，生物性变异往往大于方法性变异。

无论定性、定量还是动态追踪，目前尚无完善的代谢物扩增技术和分析平台，当前代谢组学分析的两种检测手段是磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)和质谱(mass spectromeery，MS)技术。

NMR具备快速、动态、非偏向、非破坏、多参数检测以及无需样品前处理等优点，目前新发展的高分辨魔角旋转、活体磁共振波谱和磁共振成像(MRI)等技术能够无创、整体、快速地获得机体某一指定活体部位的NMR谱，直接鉴别和解析其中的化学成分。同时，NMR也有灵敏度低、检测动态范围窄等缺点。

MS技术的优势在于具有很高的灵敏度和专属性，可以实现对多个化合物的同时快速分析与鉴定。随着质谱及其联用技术的发展，新一代MS也开始在代谢组学研究和代谢通量分析中倍受青睐。相关的MS技术进展主要有：①超高效液相色谱/高分辨飞行时间质谱技术(ultra performance liquid chromatograpty time of flight-MS，UPLC/TOF-MS)：Waters公司率先采用先进的UPLC/TOF-MS分析技术以及联机的Micromass Marker Lynx自动化数据处理软件，为代谢组学研究提供了从样品分析到数据分析全过程的整体解决方案。②傅里叶变换离子回旋共振技术。③直接输注大气压电离化质谱技术。④基于多孔硅表面的解吸离子化技术。此外越来越多的基于化学衍生和电荷修饰的LC/MS方法则是另一种新的解决思路。

由于现有的分析技术都有各自的优缺点和适用范围，代谢组学综合分析的现实策略是进行技术联用和方法整合，目前的整体化策略主要包括：①分析技术联用：通过包括色谱(GC、LC)或毛细管电泳(CE)在内的多维分离技术，以及不同测定技术的联用达到分析平台的优势互补；此外，采用二维核磁可减弱复杂生物样品中大分子的信号干扰，提高对小分子物质的检测能力。②代谢组分析数据合并：通过数学统计方法对不同代谢组学数据进行整合，如LC/ MS数据和GC/MS数据的融合，NMR与UPLC-MS数据的合并等，或对机体中不同来源的生物样品(尿样、血样、组织样等)进行代谢组学分析、数据比较和综合评价。