代謝組學(xué)技術(shù)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

耿檸波，張海軍,#，王菲迪,2，任曉倩,2，張保琴，陳吉平,*

1.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116023

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

代謝組學(xué)技術(shù)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

耿檸波1，張海軍1,#，王菲迪1,2，任曉倩1,2，張保琴1，陳吉平1,*

1.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116023

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的一部分，通過(guò)考察機(jī)體受刺激后體液或組織中內(nèi)源性代謝物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并結(jié)合生物信息統(tǒng)計(jì)方法，可系統(tǒng)全面地揭示內(nèi)因和外因作用于機(jī)體的毒性效應(yīng)和機(jī)制。代謝組學(xué)技術(shù)具有快速、靈敏度高、選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸在低劑量環(huán)境污染物長(zhǎng)期暴露的毒性效應(yīng)評(píng)估方面發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)。本文綜述了代謝組學(xué)技術(shù)的主要研究手段，在毒理學(xué)研究中的發(fā)展歷程和優(yōu)點(diǎn)，以及在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用及前景展望。重點(diǎn)討論了代謝組學(xué)技術(shù)在重金屬和持久性有機(jī)污染物(POPs)毒性評(píng)估以及環(huán)境脅迫耐受性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

代謝組學(xué)；環(huán)境毒理學(xué)；NMR；LC/GC-MS；環(huán)境脅迫

耿檸波,張海軍,王菲迪,等.代謝組學(xué)技術(shù)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016,11(3):26-35

Geng N B,Zhang H J,Wang F D,et al.A review on the application of metabonomic approaches in environmental toxicology[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2016,11(3):26-35(in Chinese)

環(huán)境毒理學(xué)是利用毒理學(xué)方法，研究環(huán)境污染物對(duì)人體健康的影響及其機(jī)理的學(xué)科，是毒理學(xué)的一個(gè)重要分支。其主要任務(wù)是研究環(huán)境污染物對(duì)機(jī)體可能產(chǎn)生的生物效應(yīng)，作用機(jī)理及早期損害的檢測(cè)指標(biāo)。環(huán)境污染物對(duì)機(jī)體的作用一般具有接觸劑量較小；長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)反復(fù)接觸甚至終生接觸；多種環(huán)境污染物同時(shí)作用于機(jī)體；接觸的人群易感性差異大等特點(diǎn)，因此外源化合物的低水平長(zhǎng)期慢性接觸，將是新世紀(jì)中各種環(huán)境污染物對(duì)人體影響的基本方式[1]。傳統(tǒng)的毒性測(cè)試具有通量低、周期長(zhǎng)、敏感度低和資源耗費(fèi)等特點(diǎn)，顯然不能滿(mǎn)足對(duì)這些環(huán)境污染物進(jìn)行毒性測(cè)試的需求。近年來(lái)，隨著毒理學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，在毒物的安全性評(píng)價(jià)方法上，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的整體動(dòng)物試驗(yàn)到快速、靈敏、高效的替代試驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。美國(guó)科學(xué)院發(fā)布的一個(gè)報(bào)告“21世紀(jì)毒理學(xué)測(cè)試新方法”指出應(yīng)將新的毒理學(xué)評(píng)價(jià)方法納入未來(lái)的毒性測(cè)試系統(tǒng)中去，用毒性通路的理念從系統(tǒng)生物學(xué)方向來(lái)闡述毒物的毒性作用[2]?；蚪M學(xué)，蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，其高通量篩選特征使其在毒物的毒性作用效應(yīng)和機(jī)制研究上具備很大的優(yōu)勢(shì)[3]。

代謝組學(xué)是研究生物體內(nèi)源性代謝物的整體及其隨內(nèi)因和外因變化的科學(xué)。代謝物的變化可靈敏地指示和確證外來(lái)干擾物在組織和器官水平的毒性效應(yīng)，某種特定代謝物的蓄積可能標(biāo)志著某通路的缺陷或某信號(hào)響應(yīng)的激活，而代謝物的動(dòng)態(tài)變化可以作為毒性損傷的標(biāo)志物，因此將其用于污染物的毒性評(píng)價(jià)在技術(shù)上是可行的[4]。代謝組學(xué)之所以能在毒理學(xué)研究中發(fā)揮巨大作用，是基于反映毒性作用的信息能夠在生物體的代謝過(guò)程中全面地表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)毒物與細(xì)胞或者組織相互作用時(shí)，會(huì)引起生物體內(nèi)關(guān)鍵代謝過(guò)程中內(nèi)源性物質(zhì)比例、濃度的變化并通過(guò)體液組成的變化反映出來(lái)。生物體液的譜圖中所檢測(cè)到的是成百上千種指示不同代謝路徑的化合物，這些代謝層面的生物信息能夠很好地表征環(huán)境因素的毒性通路和毒性作用機(jī)制。代謝組學(xué)技術(shù)為生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)提供了新的思路和平臺(tái)，在毒性作用機(jī)制研究上具有很大的優(yōu)勢(shì)，其全景式高通量篩選特征必將為生物化學(xué)測(cè)量提供綜合視角，在21世紀(jì)毒理學(xué)測(cè)試中發(fā)揮重要作用。

1 代謝組學(xué)的主要研究手段和在毒理學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)

1.1 代謝組學(xué)研究的基本方法

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白組學(xué)新發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。Fiehn等[5]按照研究目的不同將代謝組學(xué)分為4類(lèi)：代謝物靶標(biāo)分析(Metabolite Target Analysis)，代謝物輪廓分析(Metabolite Profiling Analysis)，代謝指紋分析(Metabolite Fingerprinting Analysis)和代謝組學(xué)(Metabonomics)分析，在后來(lái)的研究中又引申出了生物標(biāo)志物分析(Biomarker Analysis)[6]。先進(jìn)的分析檢測(cè)技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算分析方法是代謝組學(xué)研究依靠的基本方法。

代謝組學(xué)研究依賴(lài)于各種高通量的技術(shù)平臺(tái)，常用的有核磁共振(NMR)、質(zhì)譜(LC-MS/GC-MS)、生物芯片等。20世紀(jì)70年代，代謝組學(xué)分析通常采用核磁共振技術(shù)。盡管NMR技術(shù)存在靈敏度較低，檢測(cè)成本較高等不足，但由于其具有可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品的特征和迅速、準(zhǔn)確、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，在最初的代謝組學(xué)研究中得到了應(yīng)用。與NMR相比，LC-MS/MS對(duì)樣本制備要求不高，且具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、可以檢測(cè)樣本中濃度相差較大的代謝物等特點(diǎn)，而且將廣泛適用、分離能力強(qiáng)的LC和靈敏度高、準(zhǔn)確性好的MS結(jié)合，即可以定量又可以定性，成為代謝組學(xué)研究中應(yīng)用越來(lái)越多的技術(shù)平臺(tái)。作為一項(xiàng)成熟的分析技術(shù)，GC-MS的分析靈敏度高，非常適合于揮發(fā)性物質(zhì)的代謝組學(xué)研究，而且GC-MS的最大優(yōu)勢(shì)在于化合物結(jié)構(gòu)鑒定可比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)。對(duì)極性強(qiáng)、揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性差的物質(zhì)可通過(guò)硅烷化、甲基化和?；妊苌椒ǜ纳破鋼]發(fā)性、峰形、分離度以及靈敏度，在代謝組學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。

1.2 代謝組學(xué)在毒理學(xué)研究中的發(fā)展歷程

代謝組學(xué)最初是由英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Jeremy Nicholson教授提出的，到目前為止，代謝組學(xué)在毒理學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的是用于藥物毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)[7-8]。由于代謝組學(xué)研究方法可以無(wú)損地監(jiān)測(cè)機(jī)體生理狀態(tài)，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)藥物毒性效應(yīng)，在藥物毒性效應(yīng)評(píng)估中發(fā)揮了巨大作用。該領(lǐng)域影響最大的工作是由Nicholson團(tuán)隊(duì)所領(lǐng)導(dǎo)的COMET(Consortium for Metabonomic Toxicology)項(xiàng)目[9]，該項(xiàng)目由英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和5家制藥公司共同完成，用80種已知毒性藥物暴露后大鼠尿液的1H-NMR譜，構(gòu)建了肝毒性、腎毒性和其他毒性預(yù)測(cè)分類(lèi)的專(zhuān)家系統(tǒng)(A Modeling System for Toxicity Prediction)。并用該系統(tǒng)對(duì)近70種藥物的肝或腎毒性進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)肝、腎毒性的預(yù)測(cè)敏感性分別為67%和41%，而對(duì)肝、腎毒性的特異性則分別為77%和100%?？傮w而言，該項(xiàng)目建立了一個(gè)預(yù)測(cè)臨床前候選藥物肝、腎毒性的專(zhuān)家系統(tǒng)，能夠在藥物毒性快速篩選中發(fā)揮功效。

其他研究人員也應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)在藥物毒性評(píng)估方面做了一系列相關(guān)研究。West等(2010)[10]以胚胎干細(xì)胞為模式細(xì)胞，對(duì)致畸和非致畸類(lèi)的18種化合物進(jìn)行代謝組學(xué)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明致畸類(lèi)化合物干擾了尿素循環(huán)中精氨酸，天冬氨酸和二甲基精氨酸水平，以及三羧酸循環(huán)中蘋(píng)果酸、琥珀酸和異亮氨酸的含量。精氨酸與二甲基精氨酸倍率變化的比值可以成功地區(qū)分強(qiáng)致畸類(lèi)與非致畸類(lèi)藥物，小的倍率變化比值(0.91.1)與致畸類(lèi)藥物有很好的相關(guān)性。用這一規(guī)律對(duì)8種致畸和非致畸類(lèi)化合物進(jìn)行篩查，準(zhǔn)確度在88%，表明代謝組學(xué)方法應(yīng)用于化合物毒理評(píng)估具有可行性。Coen等(2003)[11]利用高分辨核磁共振技術(shù)研究了乙酰氨基酚對(duì)大鼠的肝毒性作用。結(jié)果表明，高劑量的乙酰氨基酚會(huì)增加線粒體甘油三酯和單不飽和脂肪酸的水平，降低多不飽和脂肪酸含量，使線粒體由于過(guò)氧化物酶體增殖而發(fā)生功能性障礙；還通過(guò)影響線粒體內(nèi)脂肪酸的β-氧化造成肝損傷；還觀測(cè)到肝組織磷脂損耗，葡萄糖和糖原水平降低，而乳酸，丙氨酸和其他氨基酸水平升高等現(xiàn)象。

代謝組學(xué)首次應(yīng)用于環(huán)境毒理學(xué)研究起始于Nicholson等[12]采用NMR技術(shù)對(duì)HgCl2暴露后大鼠血液和尿液的代謝物變化進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)尿液中肌酸酐和檸檬酸含量降低，而葡萄糖、甘氨酸、丙氨酸、α-酮戊二酸、琥珀酸和乙酸含量升高；血液中乳酸和肌酸酐升高。從代謝物變化得到的結(jié)論與組織病理學(xué)觀察和尿液中酶活性測(cè)定結(jié)果一致，同步指示了HgCl2對(duì)大鼠的腎損傷作用。自此代謝組學(xué)技術(shù)逐漸在重金屬的毒性效應(yīng)評(píng)估方面有了廣泛發(fā)展，以英國(guó)劍橋大學(xué)的Griffin教授為代表的研究團(tuán)隊(duì)相繼做了一系列重金屬毒性效應(yīng)的代謝組學(xué)研究。另一方面，從藥物毒性效應(yīng)的代謝組學(xué)評(píng)價(jià)逐漸發(fā)展起來(lái)的環(huán)境有機(jī)污染物毒性評(píng)估近年來(lái)也得到了發(fā)展，尤其是針對(duì)持久性有機(jī)物污染物(POPs)的毒性評(píng)估，采用代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究具有很大優(yōu)勢(shì)。1.3 代謝組學(xué)應(yīng)用于環(huán)境毒理學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)

代謝組學(xué)是基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的下游學(xué)科，代謝物的變化是機(jī)體對(duì)環(huán)境因素影響的最終應(yīng)答，由于機(jī)體代謝物的變化可靈敏地指示和確證外來(lái)干擾在組織和器官水平的毒性效應(yīng)、以及毒性作用靶位點(diǎn)，因此借助代謝組學(xué)技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境污染物暴露帶來(lái)的毒性效應(yīng)，并進(jìn)而推斷其毒性作用的分子機(jī)制具有快速、靈敏度高、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別是在低劑量或環(huán)境劑量污染物的毒性效應(yīng)評(píng)估方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)物質(zhì)的毒性效應(yīng)評(píng)估具有快速和高靈敏度的特征。Robertson等(2000)[13]基于核磁共振技術(shù)研究了2種肝毒性物質(zhì)(四氯化碳和α-萘異硫氰酸)和2種腎毒性物質(zhì)(2-溴乙胺和對(duì)氨基苯酚)對(duì)Wistar大鼠尿液代謝物組成的影響，與經(jīng)典的毒理學(xué)研究方法如臨床化學(xué)和顯微鏡觀察相比，代謝組學(xué)技術(shù)可以快速靈敏地對(duì)毒性物質(zhì)進(jìn)行篩查，即使在小劑量暴露水平下，肝毒性和腎毒性物質(zhì)對(duì)大鼠尿液代謝譜也有明顯影響。以肝臟膽管毒物α-萘基異硫氰酸酯為例，代謝組學(xué)研究顯示：4只低劑量(10 mg·kg-1體重(bw))處理的動(dòng)物在24 h內(nèi)都表現(xiàn)出明顯的代謝紊亂，組織病理學(xué)只有2只動(dòng)物(4 d后)表現(xiàn)出變化，臨床化學(xué)的方法(血液中膽紅素含量)卻沒(méi)有任何變化。中科院水生所研究人員用代謝組學(xué)方法評(píng)價(jià)了微囊藻毒素對(duì)肝臟的毒性作用[14]，發(fā)現(xiàn)低劑量給藥時(shí)大鼠肝臟在組織學(xué)上沒(méi)有明顯變化，但從代謝層面上已經(jīng)能引起肝臟的代謝異常：其酪氨酸合成與分解代謝明顯受到抑制，3條膽堿相關(guān)代謝途徑被截?cái)啵入赘孰南脑黾?，核苷酸的合成紊亂。

代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染物的毒性篩查和評(píng)估具有較好的選擇性。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員[15]在對(duì)硫代乙酰胺的腎毒性研究中發(fā)現(xiàn)：代謝組學(xué)方法能夠明確地將腎乳頭毒性和近端腎小管毒性區(qū)分。用尿液代謝組學(xué)方法能夠?qū)⒏螌?shí)質(zhì)毒性和膽管毒性明顯區(qū)分。Bundy等[16]對(duì)3種愛(ài)勝蚓屬Eisenia fetida、Eisenia andrei和Eisenia veneta進(jìn)行了代謝表型的研究，發(fā)現(xiàn)3種蚯蚓組織提取物的代謝表型極為保守，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化；但3種不同愛(ài)勝蚓屬體腔液代謝物譜有明顯的不同。此研究結(jié)果表明，在形態(tài)學(xué)上很難分辨的蚓屬在相同的生態(tài)環(huán)境中可以用代謝組學(xué)的方法明確區(qū)分。

代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于于亞慢性毒性或低毒性環(huán)境污染物的毒性評(píng)價(jià)具有很大的優(yōu)勢(shì)，是環(huán)境低劑量污染物和復(fù)合污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效手段。Spann等[17]研究了環(huán)境劑量Zn(350 mg·kg-1干重(dw))和Cd(1.5 mg·kg-1dw)對(duì)河蜆(Corbicula fluminea)的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)環(huán)境劑量Zn不改變河蜆的代謝，而Cd只影響小河蜆的代謝，表現(xiàn)在氨基酸代謝和能量代謝的改變。Geng等[18]采用基于LC/MS/ MS的代謝組學(xué)靶標(biāo)分析對(duì)環(huán)境劑量(<100 μg·L-1)短鏈氯化石蠟(SCCPs)的短期暴露對(duì)HepG2細(xì)胞的代謝干擾進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)SCCPs暴露促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)不飽和脂肪酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸的β氧化，使糖酵解和氨基酸代謝紊亂，谷氨酰胺代謝和尿素循環(huán)上調(diào)，并通過(guò)改變細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)影響了細(xì)胞的增殖活性。代謝組學(xué)技術(shù)在污染物聯(lián)合毒性方面也有相關(guān)研究，O’Kane等(2013)[19]用低劑量PCB和2,3,7, 8-TCDD(0.1 μg·kg-1TEQ)污染的食物對(duì)SD大鼠(Sprague Dawley rat)進(jìn)行暴露，并對(duì)血液小分子代謝物進(jìn)行UPLC-Q-TOF-MS分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PCB和2, 3,7,8-TCDD即使在小劑量暴露下亦會(huì)引起大鼠代謝產(chǎn)物的顯著性變化。對(duì)于組成復(fù)雜的復(fù)合污染物，采用代謝組學(xué)進(jìn)行毒性評(píng)估能夠提供指示毒性效應(yīng)的綜合指標(biāo)。Huang等[20]采用代謝組學(xué)方法對(duì)組成復(fù)雜的大氣細(xì)粒子PM2.5進(jìn)行體外暴露，并對(duì)模式細(xì)胞肺上皮細(xì)胞(A549)的代謝變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露影響了A549細(xì)胞的三羧酸循環(huán)、氨基酸代謝和谷胱甘肽代謝。Chen等[21]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)對(duì)大鼠進(jìn)行PM2.5暴露發(fā)現(xiàn)低劑量PM2.5暴露能夠引起與氧化損傷相關(guān)的不飽和磷脂酰膽堿含量降低，與炎癥相關(guān)的溶血磷脂酰膽堿(LPC)顯著減少。

2 代謝組學(xué)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

2.1 代謝組學(xué)技術(shù)在重金屬毒性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

代謝組學(xué)技術(shù)最早用于環(huán)境污染物的毒性評(píng)價(jià)是從無(wú)機(jī)金屬元素開(kāi)始的，Gibb等[22]通過(guò)檢測(cè)英國(guó)的一些常見(jiàn)無(wú)脊椎物種如蚯蚓、土鱉蟲(chóng)、千足蟲(chóng)等組織提取物的變化來(lái)指示環(huán)境污染情況。如基于核磁共振波譜的代謝組學(xué)方法以蚯蚓為模式生物進(jìn)行Cu和Zn的毒理學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)組氨酸含量與Cu暴露濃度呈正相關(guān)關(guān)系，可以作為Cu污染的指示性生物標(biāo)志物，該研究還發(fā)現(xiàn)Zn是引起7個(gè)不同地區(qū)的蚯蚓代謝譜之間差別的主要污染物。Jamers等[23]基于NMR研究了Cu對(duì)微藻(Chlamydomonas reinhardtii)的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cu的濃度達(dá)到17 nmol· L-1時(shí)，微藻體內(nèi)谷胱甘肽水平下調(diào)。Bundy等[24]研究發(fā)現(xiàn)在無(wú)可見(jiàn)毒性效應(yīng)水平(NOAEL)和最低可見(jiàn)毒性效應(yīng)水平(LOAEL)下Cu暴露即可對(duì)蚯蚓的能量代謝產(chǎn)生干擾。Ritter等[25]同時(shí)從基因和代謝的角度研究了Cu脅迫后褐藻(E.siliculosus)的生物化學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)E.siliculosus自身光合作用改變，小分子代謝物中氧脂素代謝上調(diào)，芳香類(lèi)氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)和支鏈氨基酸(纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸)的增加意味著蛋白質(zhì)分解代謝的增加；游離脂肪酸(FFA)尤其是FFAC18:3和FFAC20:4的顯著增加表明ROS參與的脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程增加。從基因分析的結(jié)果可以看出，ROS解毒系統(tǒng)和肌醇信號(hào)通路被激活。

另外，英國(guó)劍橋大學(xué)的Griffin教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在重金屬毒性效應(yīng)的代謝組學(xué)評(píng)價(jià)方面做了一系列的研究工作。Griffin等(2000)[26]觀察到低劑量CdCl2暴露(腎臟濃度為8.4 μg·g-1dw)引起沙鼠的生物化學(xué)變化包括脂類(lèi)和谷氨酸代謝。在另一篇文章中，Griffin等(2001)[27]基于NMR研究了CdCl2暴露對(duì)SD(Sprague Dawley)大鼠尿樣的代謝干擾，發(fā)現(xiàn)甘油三酯水平發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)19 d的暴露，低劑量組和高劑量組(8 mg·kg-1和40 mg·kg-1食物)大鼠均出現(xiàn)肌酸尿和檸檬酸結(jié)合物增加的現(xiàn)象。94 d暴露后血液Ca2+/Mg2+降低，另外還發(fā)現(xiàn)Cd暴露會(huì)引起腎臟細(xì)胞出現(xiàn)酸中毒。Jones等(2007)[28]在研究嚙齒類(lèi)動(dòng)物對(duì)Cd暴露的代謝響應(yīng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。Griffin等(2001)[29]基于NMR研究了As2O3(28 mg·kg-1食物)對(duì)沙鼠的毒性作用，發(fā)現(xiàn)該劑量As2O3暴露能夠引起腎組織損傷和脂質(zhì)代謝異常。Wu等[30]基于NMR的代謝組學(xué)方法研究了不同鹽度下As暴露對(duì)菲律賓蛤仔(Ruditapes philippinarum)的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在高鹽度下(31.1 μg·L-1)As暴露降低了蛤仔體內(nèi)氨基酸(如谷氨酸、β-丙氨酸等)的含量，同時(shí)增加甜菜堿和延胡索酸的含量；在中等鹽度下(23.3 μg·L-1)，As導(dǎo)致的代謝變化包括蘇氨酸、組氨酸、ATP和延胡索酸的降低；而低鹽度下(15.6 μg·L-1)，只有ATP含量增加，琥珀酸減少。表明低鹽度條件下As暴露改變能量代謝，而中高鹽度條件下除了能量代謝變化，滲透壓也發(fā)生改變。Holmes等(2000)[31]采用基于HMR的代謝組學(xué)技術(shù)尋找肝毒性(聯(lián)肼)和腎毒性物質(zhì)(HgCl2)對(duì)大鼠毒性作用的標(biāo)志物，尿樣中?；撬?、α-丙氨酸、肌酸和2-氨基己二酸水平的升高可以作為聯(lián)肼肝毒性的標(biāo)志，而尿樣中氨基酸、有機(jī)酸和葡萄糖水平升高，同時(shí)檸檬酸、琥珀酸、馬尿酸和2-氧戊二酸的降低可以作為HgCl2腎損傷的標(biāo)識(shí)。

Sun等(2010)[32]利用GC-TOF-MS技術(shù)系統(tǒng)研究了鎘脅迫對(duì)擬南芥小分子代謝物的影響，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫可以引發(fā)一系列誘導(dǎo)反應(yīng)，β-丙氨酸、脯氨酸、腐胺、4-氨基丁酸、蔗糖、肌醇半乳糖苷、棉子糖、a-生育醇、菜油甾醇、β-谷甾醇和異黃酮等化合物均有顯著升高，并首次發(fā)現(xiàn)鎘脅迫顯著影響擬南芥中肌醇半乳糖苷和棉子糖的含量。Lenz等[33]同時(shí)用NMR和HPLC-TOF/MS對(duì)HgCl2暴露后大鼠尿液中代謝物的變化進(jìn)行研究，在暴露后的時(shí)間序列變化中NMR和HPLC-TOF/MS分析均發(fā)現(xiàn)HgCl2暴露對(duì)大鼠的顯著干擾發(fā)生在暴露后第3天，NMR和HPLC-TOF/MS鑒定出的代謝物有所不同，二者在代謝組學(xué)研究中可以相互補(bǔ)充。Dudka等[34]采集了健康人群和長(zhǎng)期暴露于重金屬As、Cd和Pb的職業(yè)工人尿液，并基于NMR對(duì)其小分子代謝物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)As、Cd和Pb的聯(lián)合暴露顯著改變了人體的能量代謝，另外，以極低密度脂蛋白和低密度脂蛋白為代表的脂類(lèi)物質(zhì)和氨基酸類(lèi)物質(zhì)也發(fā)生顯著變化。Bundy等[35]研究了在不同程度金屬污染的環(huán)境中一種蚯蚓種屬(Lumbricus rubellus)的代謝物變化，發(fā)現(xiàn)蚯蚓體內(nèi)麥芽糖含量的升高可作為指示金屬污染的潛在生物標(biāo)志物。Wu等[36]用代謝組學(xué)方法對(duì)稀土Ce(NO3)3的急性毒性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Ce(NO3)3使大鼠脂肪酸β氧化功能受到抑制，表現(xiàn)為大鼠尿液中一系列小分子代謝物出現(xiàn)劑量依賴(lài)性減少，血清中的丙酮、乙酰乙酸、乳酸鹽和肌酸酐升高。Zhu等[37]基于NMR分析了健康人群和接觸高硒環(huán)境的人群尿液代謝譜的變化，發(fā)現(xiàn)過(guò)度硒接觸會(huì)引起尿液中甲酸、乙酸、乳酸、馬尿酸和丙氨酸含量的升高，同時(shí)檸檬酸、肌酸和氧化三甲胺的含量降低，這些顯著變化的代謝物與腎臟和肝臟病變有關(guān)。

2.2 代謝組學(xué)技術(shù)在有機(jī)化合物毒性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

近年來(lái)，也有報(bào)道用代謝組學(xué)技術(shù)研究有機(jī)化合物的毒性效應(yīng)。Vulimiri等(2011)[38]認(rèn)為代謝組學(xué)方法在外源性物質(zhì)的毒性作用方式研究方面具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。并以四氯化碳為例詳細(xì)闡述了其毒性作用機(jī)制為CCl4被細(xì)胞色素P450酶代謝形成的·CCl3自由基，與氧結(jié)合形成的自由基·O-O-CCl3能夠氧化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或者細(xì)胞膜的多不飽和脂肪酸，并開(kāi)啟一個(gè)脂質(zhì)過(guò)氧化的自催化過(guò)程，形成更多的自由基帶來(lái)細(xì)胞膜損傷。Garrod等[39]用代謝組學(xué)的方法研究了2-溴乙胺的肝毒性和腎毒性，暴露后6 h和12 h均發(fā)現(xiàn)腎乳頭滲透因子如甘油磷酰膽堿、甜菜堿和肌醇降低，伴隨肌酸含量升高。暴露后4 h和6 h，發(fā)現(xiàn)各個(gè)組織戊二酸水平增加。這一結(jié)果表明線粒體脂酰輔酶脫氫酶被抑制導(dǎo)致線粒體功能紊亂。暴露后6 h，腎皮質(zhì)氧化三甲胺水平增加，肝組織代謝物譜的變化表現(xiàn)在甘油三脂、賴(lài)氨酸和亮氨酸增加。Waters等[40]對(duì)α-萘基異硫氰酸酯(ANIT)對(duì)雌性HW大鼠(Han-Wistar Rat)的毒性作用進(jìn)行了代謝組學(xué)評(píng)價(jià)，綜合分析了肝臟、血液和尿液的小分子代謝物，發(fā)現(xiàn)ANIT導(dǎo)致的代謝紊亂包括與脂沉積癥相關(guān)的高血脂、高血糖和尿糖；肝臟膽汁酸增加，?；撬岷图∷岬哪蛞号判沽吭黾?；另外，血液尿酮增加，通過(guò)尿液排泄的三羧酸循環(huán)中間體如琥珀酸、2-氧戊二酸和檸檬酸降低表明能量代謝發(fā)生改變。Garrod等[41]研究了單劑量聯(lián)肼暴露(90 mg·kg-1bw)對(duì)SD大鼠的毒性作用，24 h后，測(cè)得肝組織中甘油三酯、β-丙氨酸含量顯著增加，同時(shí)肝糖原、葡萄糖、膽堿、?；撬岷脱趸装匪浇档?。

持久性有機(jī)污染物(POPs)具有亞慢性毒性，采用代謝組學(xué)對(duì)其毒性效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其毒性作用機(jī)制。Jones等(2008)[42]用代謝組學(xué)方法研究了蚯蚓(L.rubellus)對(duì)多環(huán)芳烴(芘)暴露的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)暴露劑量在40 mg·kg-1時(shí)蚯蚓體內(nèi)乳酸和飽和脂肪酸水平下降，氨基酸水平升高，表明葡萄糖代謝和三羧酸循環(huán)受到干擾，脂肪酸代謝增加。Whitfield ?slund等[43]將蚯蚓(Eisenia fetida)暴露于亞致死劑量的多氯聯(lián)苯，發(fā)現(xiàn)高劑量組蚯蚓的代謝譜中ATP和多種氨基酸含量顯著升高，葡萄糖和麥芽糖顯著降低，蚯蚓的能量代謝和細(xì)胞膜滲透功能發(fā)生改變。Zhang等(2012)[44]基于LC-MS/MS研究了2,3,7,8-TCDD短期暴露對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)小分子代謝物的影響，發(fā)現(xiàn)TCDD使HepG2細(xì)胞內(nèi)脯氨酸和谷氨酸的合成能力下降，另外TCDD可刺激HepG2細(xì)胞對(duì)纈氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸與異亮氨酸的吸收。Ji等(2013)[45]研究了蚯蚓(Eisenia fetida)對(duì)PBDE的代謝干擾，發(fā)現(xiàn)BDE47主要干擾能量代謝，引起滲透壓改變。代謝干擾的標(biāo)志物有甜菜堿、甘氨酸、2-己基-5-乙基-3-呋喃硫酸鈉。Lankadurai等(2012)[46]研究了蚯蚓(Eisenia fetida)對(duì)PFOA和PFOS的代謝干擾，PFOA暴露濃度為6.25到50 μg·cm-2，PFOS暴露濃度為3.125到25 μg·cm-2。發(fā)現(xiàn)亮氨酸、精氨酸、谷氨酸、麥芽糖和ATP是PFOA和PFOS暴露的潛在指示物。PFOA和PFOS暴露還會(huì)損傷線粒體內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，從而增加脂肪酸氧化，干擾ATP合成。Zeng等(2013)[47]研究了BPA(1、10和100 μg·kg-1bw)對(duì)SD大鼠尿液代謝物的干擾，42種代謝物發(fā)生顯著變化，受到影響的代謝通路包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成，谷氨酰胺和谷氨酸代謝等。神經(jīng)遞質(zhì)以及與神經(jīng)傳遞相關(guān)代謝物的改變表明小劑量BPA的毒性作用在于干擾神經(jīng)系統(tǒng)。陳蓉等[48]基于LC-MS研究了多氯聯(lián)苯(PCBs)和二噁英(2,3,7,8-TCDD)及其聯(lián)合染毒對(duì)大鼠的代謝影響，暴露劑量為T(mén)CDD(10 μg·kg-1bw)、PCBs(10 mg·kg-1bw)及其混合溶液(10 μg·kg-1bw TCDD和10 mg·kg-1bw PCB)，其毒性大小為：聯(lián)合染毒>TCDD>PCBs，PCBs和TCDD能導(dǎo)致免疫系統(tǒng)、肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)障礙、干擾脂代謝。

2.3 代謝組學(xué)技術(shù)在環(huán)境脅迫耐受性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

環(huán)境脅迫如溫度劇烈變化、缺氧、干旱、饑餓等因素均可引起機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)，目前研究人員已經(jīng)以不同植物(擬南芥、藻類(lèi)、狗牙根、復(fù)原草、豆科植物、云杉)和動(dòng)物(麻蠅、果蠅、魚(yú)類(lèi)、蚯蚓和人體)為模式生物開(kāi)展了一系列代謝組學(xué)研究。發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些環(huán)境脅迫所導(dǎo)致的生物體變化。Vaclavik等[49]基于LC-MS和DART-MS研究了擬南芥的低溫耐受性，發(fā)現(xiàn)3-丁烯基硫甙為冷敏感性物質(zhì)，而黃酮甙類(lèi)物質(zhì)(flavon-3-ol glycosides)為冷耐受性物質(zhì)。Nair等[50]基于代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)添加LPC后能夠增加擬南芥細(xì)胞液中水溶性糖、糖醇、有機(jī)酸以及脂肪酸的含量來(lái)對(duì)抗寒冷，轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)的變化也證明了這個(gè)規(guī)律。Shi等[51]利用代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)對(duì)CaCl2在狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers.)應(yīng)對(duì)寒冷環(huán)境中的作用做了研究，發(fā)現(xiàn)CaCl2能夠通過(guò)激活抗氧化劑，調(diào)整相關(guān)差異表達(dá)蛋白和代謝穩(wěn)態(tài)來(lái)應(yīng)對(duì)寒冷。具體表現(xiàn)在CaCl2處理后狗牙根體內(nèi)由寒冷導(dǎo)致的活性氧(ROS)和細(xì)胞損傷減輕；與氧化還原反應(yīng)、三羧酸循環(huán)、糖酵解、光合作用、氧化磷酸戊糖途徑和氨基酸代謝相關(guān)的51個(gè)蛋白上調(diào)；42個(gè)小分子代謝物包括氨基酸、有機(jī)酸、糖和糖醇發(fā)生顯著變化。Angelcheva等[52]采用GC-MS研究了西伯利亞云杉在適應(yīng)寒冷不同階段的代謝變化，正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)表明不同適應(yīng)期(預(yù)適應(yīng)期、適應(yīng)前期、適應(yīng)后期和完全適應(yīng)期)云杉針葉的代謝物譜能夠完全分離，糖類(lèi)和脂類(lèi)代謝物變化最為明顯，包括棉子糖中低聚糖的合成和積累增加，糖酸和糖醇以及雙半乳糖甘油增加，長(zhǎng)鏈單不飽和、多不飽和脂肪酸在適應(yīng)過(guò)程中也逐步增加。

Zhang等(2011)[53]利用GC-TOF-MS結(jié)合LCMS/MS研究了硫缺乏對(duì)擬南芥代謝輪廓的影響，共鑒定出90個(gè)代謝物，其中有31個(gè)代謝物對(duì)硫缺乏表現(xiàn)出特征響應(yīng)，含量呈現(xiàn)明顯增加，而鳥(niǎo)氨酸和果糖含量顯著降低。Ren等[54]通過(guò)基因敲除探討了Slr1909在集胞藍(lán)藻(PCC6803)對(duì)酸容忍性調(diào)節(jié)中的作用，蛋白組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)Slr1909缺失的藍(lán)藻中有24種蛋白顯著上調(diào)，10種蛋白顯著下調(diào)，代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)單糖和脂肪酸是區(qū)分Slr1909缺失藍(lán)藻和正常藍(lán)藻對(duì)酸容忍度不同的關(guān)鍵代謝物。Yobi等[55]基于GC-MS和LC-MS研究了復(fù)原草的耐干旱機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在干旱狀態(tài)下富氮氨基酸和γ-谷?；被帷⒐习彼?、核苷酸分解代謝產(chǎn)物如尿囊素含量的增加能夠在水合過(guò)程和活性氧去除過(guò)程中發(fā)揮重要作用；另外，紫外保護(hù)化合物如3-(3-羥苯基)丙酸酯、芹黃素和4,5,7-三羥黃烷酮豐度增加，而除磷酸膽堿之外的大多數(shù)脂類(lèi)化合物含量減少有助于細(xì)胞膜的水合穩(wěn)定。總體而言，高豐度糖、滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化劑、遮光劑共同促進(jìn)了復(fù)原草的耐脫水性。Nguyen等[56]用基因敲除法研究了MtP5CS3基因在豆科植物蒺藜苜蓿的高耐性中發(fā)揮的作用，代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸、糖類(lèi)、多元醇等物質(zhì)在蒺藜苜蓿根部的大量富集以及另外一些氨基酸在干旱和高鹽脅迫下含量的降低增加了MtP5CS3基因突變種蒺藜苜蓿的高耐性，但是這些代謝改變彌補(bǔ)不了MtP5CS3基因缺失帶來(lái)的脯氨酸缺乏故而使蒺藜苜蓿耐受性減弱。

Teets等[57]采用基因組學(xué)和代謝組學(xué)研究了麻蠅耐寒的分子生物學(xué)機(jī)制，細(xì)胞分子支架重組(相關(guān)基因上調(diào))和細(xì)胞信號(hào)通路協(xié)調(diào)(相關(guān)代謝改變)是麻蠅應(yīng)對(duì)寒冷損傷的主要機(jī)制。Coquin等[58]通過(guò)對(duì)果蠅的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：隨著年齡增加，果蠅對(duì)低氧忍受能力降低主要是ATP產(chǎn)生降低，這與線粒體呼吸作用的減弱和對(duì)伴隨乙酸生成的能量代謝途徑的過(guò)分依賴(lài)有關(guān)。Feala等[59]在代謝組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)在低氧條件下果蠅體內(nèi)乳酸、丙氨酸和乙酸含量增加。Viant等[60]基于NMR研究了虹鱒魚(yú)(Oncorhynchus mykiss)在熱應(yīng)激下的代謝反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激蛋白hsp72和hsp89的表達(dá)增加與能量代謝物質(zhì)如磷酸肌酸、三磷酸腺苷和糖原含量的降低呈正相關(guān)關(guān)系。Warne等[61]對(duì)2種蚯蚓(Eisenia veneta和Lumbricus terrestris)應(yīng)對(duì)饑餓脅迫的代謝變化進(jìn)行了研究，E.veneta在饑餓脅迫5 d內(nèi)代謝物變化很小，但是第6、7天出現(xiàn)代謝物顯著變化：包括谷氨酸、檸檬酸、天冬氨酸、異亮氨酸含量的增加以及賴(lài)氨酸、纈氨酸和蘇氨酸含量的降低；而L.terrestris在短期饑餓脅迫期間小分子代謝物沒(méi)有顯著變化，L. terrestris的這一特征更適用于土壤的毒理學(xué)研究。Spegel等[62]對(duì)口服葡萄糖耐量試驗(yàn)后2 h內(nèi)人體血漿的代謝譜變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)脂肪酸和氨基酸含量均顯著降低，但是由于影響氨基酸變化的生物學(xué)因素很多，故脂肪酸被認(rèn)為代謝調(diào)整的指示物。

3 展望

近年來(lái)，代謝組學(xué)依賴(lài)高通量、高分辨率的分析技術(shù)與完整的生物信息學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，在環(huán)境毒理學(xué)研究中得到了快速發(fā)展，為人們更加清楚地認(rèn)識(shí)機(jī)體應(yīng)對(duì)環(huán)境因素變化的機(jī)理提供了一種新的有效的手段。但到目前為止代謝組學(xué)應(yīng)用于環(huán)境毒理學(xué)尚存在以下不足：

(1)先進(jìn)的代謝組學(xué)分析技術(shù)多掌握在分析化學(xué)家手中，而代謝物變化所指示的生物學(xué)意義卻更為生物學(xué)家所熟知，這在一定程度上限制了代謝組學(xué)在環(huán)境毒理學(xué)研究中的應(yīng)用，所以代謝組學(xué)生物信息學(xué)這一交叉學(xué)科的發(fā)展，能夠?yàn)榇x組學(xué)在各個(gè)學(xué)科中的應(yīng)用提供更廣闊的空間。

(2)代謝組學(xué)在環(huán)境毒理學(xué)中的應(yīng)用還缺乏規(guī)范性的指導(dǎo)方針。目前還未建立環(huán)境污染物低劑量長(zhǎng)期暴露和不同靶器官毒性物質(zhì)毒性效應(yīng)評(píng)估的試驗(yàn)規(guī)范：包括模式生物選擇(體內(nèi)和體外)、暴露方式確定(暴露劑量和暴露時(shí)間)、高通量代謝組學(xué)方法建立和代謝產(chǎn)物鑒定、以及針對(duì)不同模式生物代謝變化的系統(tǒng)生物學(xué)解析。這一系統(tǒng)工作尚需長(zhǎng)期的研究和探索。

(3)代謝組學(xué)研究需要與傳統(tǒng)毒理學(xué)方法相結(jié)合，借助傳統(tǒng)毒理學(xué)的毒性終點(diǎn)有助于尋找污染物暴露的生物標(biāo)志物，建立針對(duì)不同種類(lèi)毒性物質(zhì)的代謝物靶標(biāo)分析方法和生物標(biāo)志物指示體系。另外，代謝組學(xué)與基因組學(xué)和蛋白組學(xué)相結(jié)合，將會(huì)成為一種有力的工具，其高通量篩選特征必將為毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供綜合視角，成為毒理學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（References）：

[1] Krewski D,Acosta D Jr,Andersen M,et al.Toxicity testing in the 21st century:A vision and a strategy[J].Journal of Toxicology and Environmental Health Part B,Critical Reviews,2010,13(2-4):51-138

[2] Schmidt C W.TOX21 new dimensions of toxicity testing [J].Environmental Health Perspectives,2009,117(8): A348-A353

[3] Andersen M E,Krewski D.Toxicity testing in the 21st century:Bringing the vision to life[J].Toxicological Sciences:An Official Journal of the Society of Toxicology, 2009,107(2):324-330

[4] Griffin J L.The potential of metabonomics in drug safety and toxicology[J].Drug Discovery Today:Technologies, 2004,1(3):285-293

[5] Fiehn O,Kopka J,Dormann P,et al.Metabolite profiling for plant functional genomics[J].Nature Biotechnology, 2000,18(11):1157-1161

[6] 張緒得,劉海靈,陶蓓蓓,等.液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)平臺(tái)在臨床代謝組學(xué)研究中的應(yīng)用[J].分子診斷與治療雜志,2012(6):425-427 Zhang X D,Liu H L,Tao B B,et al.Application of liquid chromatography-tandem mass spectrometry technology platform in clinical metabonomics[J].Journal of Molecular Diagnosis and Therapy,2012(6):425-427(in Chinese)

[7] Nicholson J K,Connelly J,Lindon J C,et al.Metabonomics:A platform for studying drug toxicity and gene function[J].Nature Reviews Drug Discovery,2002,1(2): 153-161

[8] Nicholson J,Keun H,Ebbels T.COMET and the challenge of drug safety screening[J].Journal of Proteome Research,2007,6(11):4098-4099

[9] Ebbels T M D,Keun H C,Beckonert O P,et al.Prediction and classification of drug toxicity using probabilistic modeling of temporal metabolic data:The consortium on metabonomic toxicology screening approach[J].Journalof Proteome Research,2007,6(11):4407-4422

[10] West P R,Weir A M,Smith A M,et al.Predicting human developmental toxicity of pharmaceuticals using human embryonic stem cells and metabolomics[J].Toxicology and Applied Pharmacology,2010,247(1):18-27

[11] Coen M,Lenz E M,Nicholson J K,et al.An integrated metabonomic investigation of acetaminophen toxicity in the mouse using NMR spectroscopy[J].Chemical Research in Toxicology,2003,16(3):295-303

[12] Nicholson J K,Timbrell J A,Sadler P J.Proton NMR spectra of urine as indicators of renal damage.Mercuryinduced nephrotoxicity in rats[J].Molecular Pharmacology,1985,27(6):644-651

[13] Robertson D G,Reily M D,Sigler R E,et al.Metabonomics:Evaluation of nuclear magnetic resonance(NMR) and pattern recognition technology for rapid in vivo screening of liver and kidney toxicants[J].Toxicological Sciences:An Official Journal of the Society of Toxicology,2000,57(2):326-337

[14] He J,Chen J,Wu L Y,et al.Metabolic response to oral microcystin-LR exposure in the rat by NMR-based metabonomic study[J].Journal of Proteome Research,2012, 11(12):5934-5946

[15] Waters N J,Waterfield C J,Farrant R D,et al.Metabonomic deconvolution of embedded toxicity:Application to thioacetamide hepato-and nephrotoxicity[J].Chemical Research inToxicology,2005,18(4):639-654

[16] Bundy J G,Spurgeon D J,Svendsen C,et al.Earthworm species of the genusEiseniacan be phenotypically differentiated by metabolic profiling[J].FEBS Letters,2002, 521(1):115-120

[17] Spann N,Aldridge D C,Griffin J L,et al.Size-dependent effects of low level cadmium and zinc exposure on the metabolome of the Asian clam,Corbicula fluminea[J].A-quatic Toxicology,2011,105(3-4):589-599

[18] Geng N B,Zhang H J,Zhang B Q,et al.Effects of shortchain chlorinated paraffins exposure on the viability and metabolism of human hepatoma HepG2 cells[J].Environmental Science&Technology,2015,49(5):3076-3083

[19] O'Kane A A,Chevglier O P,Graham S F,et al.Metabolomic profiling of in vivo plasma responses to dioxin-associated dietary contaminant exposure in rats:Implications for identification of sources of animal and human exposure[J].Environmental Science&Technology,2013,47 (10):5409-5418

[20] Huang Q Y,Zhang J,Luo L Z,et al.Metabolomics reveals disturbed metabolic pathways in human lung epithelial cells exposed to airborne fine particulate matter[J]. Toxicology Research,2015,4(4):939-947

[21] Chen W L,Lin C Y,Yan Y H,et al.Alterations in rat pulmonary phosphatidylcholines after chronic exposure to ambient fine particulate matter[J].Molecular Biosystems, 2014,10(12):3163-3169

[22] Gibb J O T,Svendsen C,Weeks J M,et al.1H NMR spectroscopic investigations of tissue metabolite biomarker response to Cu II exposure in terrestrial invertebrates: Identification of free histidine as a novel biomarker of exposure to copper in earthworms[J].Biomarkers,1997,2 (5):295-302

[23] Jamers A,Blust R,De Coen W,et al.Copper toxicity in the microalgaChlamydomonas reinhardtii:An integrated approach[J].Biometals:An International Journal on the Role of Metal Ions in Biology,Biochemistry,and Medicine,2013,26(5):731-740

[24] Bundy J G,Sidhu J K,Rana F,et al.‘Systems toxicology’approach identifies coordinated metabolic responses to copper in a terrestrial non-model invertebrate,the earthwormLumbricus rubellus[J].BMC Biology,2008,6(1): 25

[25] Ritter A,Dittami S M,Goulitquer S,et al.Transcriptomic and metabolomic analysis of copper stress acclimation in Ectocarpus siliculosushighlights signaling and tolerance mechanisms in brown algae[J].BMC Plant Biology, 2014,14:116

[26] Griffin J L,Walker L A,Troke J,et al.The initial pathogenesis of cadmium induced renal toxicity[J].FEBS Letters,2000,478(1-2):147-150

[27] Griffin J L,Walker L A,Shore R F,et al.Metabolic profiling of chronic cadmium exposure in the rat[J].Chemical Research in Toxicology,2001,14(10):1428-1434

[28] Jones O A,Walker L A,Nicholson J K,et al.Cellular acidosis in rodents exposed to cadmium is caused by adaptation of the tissue rather than an early effect of toxicity [J].Comparative Biochemistry and Physiology Part D, Genomics&Proteomics,2007,2(4):316-321

[29] Griffin J L,Walker L,Shore R F,et al.High-resolution magic angle spinning1H-NMR spectroscopy studies on the renal biochemistry in the bank vole(Clethrionomys glareolus)and the effects of arsenic(As3+)toxicity[M]// Xenobiotica;the Fate of Foreign Compounds in Biological Systems.Taylor&Francis,2001,31(6):377-385

[30] Wu H F,Zhang X Y,Wang Q,et al.A metabolomic investigation on arsenic-induced toxicological effects in the clam Ruditapes philippinarumunder different salinities[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2013,90:1-6

[31] Holmes E,Nicholls A W,Lindon J C,et al.Chemometricmodels for toxicity classification based on NMR spectra of biofluids[J].Chemical Research in Toxicology,2000, 13(6):471-478

[32] Sun X M,Zhang J X,Zhang H J,et al.The responses of Arabidopsis thalianato cadmium exposure explored via metabolite profiling[J].Chemosphere,2010,78(7):840-845

[33] Lenz E M,Bright J,Knight R,et al.A metabonomic investigation of the biochemical effects of mercuric chloride in the rat using1H NMR and HPLC-TOF/MS:Time dependent changes in the urinary profile of endogenous metabolites as a result of nephrotoxicity[J].Analyst,2004, 129(6):535-541

[34] Dudka I,Kossowska B,Senhadri H,et al.Metabonomic analysis of serum of workers occupationally exposed to arsenic,cadmium and lead for biomarker research:A preliminary study[J].Environment International,2014,68: 71-81

[35] Bundy J G,Spurgeon D J,Svendsen C,et al.Environmental metabonomics:Applying combination biomarker analysis in earthworms at a metal contaminated site[J]. Ecotoxicology,2004,13(8):797-806

[36] Wu H F,Zhang X Y,Liao P Q,et al.NMR spectroscopicbased metabonomic investigation on the acute biochemical effects induced by Ce(NO3)3in rats[J].Journal of Inorganic Biochemistry,2005,99(11):2151-2160

[37] Zhu Y S,Xu H B,Huang K X,et al.A study on human urine in a high-selenium area of China by1H-NMR spectroscopy[J].Biological Trace Element Research,2002,89 (2):155-163

[38] Vulimiri S V,Berger A,Sonawane B.The potential of metabolomic approaches for investigating mode(s)of action of xenobiotics:Case study with carbon tetrachloride [J].Mutation Research,2011,722(2):147-153

[39] Garrod S,Humpher E,Connor S C,et al.High-resolution1H NMR and magic angle spinning NMR spectroscopic investigation of the biochemical effects of 2-bromoethanamine in intact renal and hepatic tissue[J].Magnetic Resonance in Medicine,2001,45(5):781-790

[40] Waters N J,Holmes E,Williams A,et al.NMR and pattern recognition studies on the time-related metabolic effects of α-naphthylisothiocyanate on liver,urine,and plasma in the rat:An integrative metabonomic approach [J].Chemical Research in Toxicology,2001,14(10): 1401-1412

[41] Garrod S,Bollard M E,Nicholls A W,et al.Integrated metabonomic analysis of the multiorgan effects of hydrazine toxicity in the rat[J].Chemical Research in Toxicology,2005,18(2):115-122

[42] Jones O A,Spurgeon D J,Svendsen C,et al.A metabolomics based approach to assessing the toxicity of the polyaromatic hydrocarbon pyrene to the earthwormLumbricus rubellus[J].Chemosphere,2008,71(3):601-609

[43] Whitfield ?slund M L,Simpson A J,Simpson M J.1H NMR metabolomics of earthworm responses to polychlorinated biphenyl(PCB)exposure in soil[J].Ecotoxicology,2011,20(4):836-846

[44] 張保琴,張海軍,楊常青,等.2,3,7,8-TCDD的短期暴對(duì)HepG2肝癌細(xì)胞內(nèi)小分子代謝產(chǎn)物的影響[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2012,7(3):293-298 Zhang B Q,Zhang H J,Yang C Q,et al.Effects of shortterm exposure to 2,3,7,8-TCDD on low-molecular metabolites in HepG2 cells[J].Asian Journal of Ecotoxicology, 2012,7(3):293-298(in Chinese)

[45] Ji C L,Wu H F,Wei L,et al.Proteomic and metabolomic analysis of earthwormEisenia fetidaexposed to different concentrations of 2,2',4,4'-tetrabromodiphenyl ether[J]. Journal of Proteomics,2013,91:405-416

[46] Lankadurai B P,Simpson A J,Simpson M J.1H NMR metabolomics ofEisenia fetidaresponses after sub-lethal exposure to perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonate[J].Environmental Chemistry,2012,9(6):502-511

[47] Zeng J,Kuang H,Hu C X,et al.Effect of bisphenol A on rat metabolic profiling studied by using capillary electrophoresis time-of-flight mass spectrometry[J].Environmental Science&Technology,2013,47(13):7457-7465

[48] 陳蓉,王以美,汪江山,等.液質(zhì)聯(lián)用代謝組學(xué)研究多氯聯(lián)苯和二噁英對(duì)大鼠毒性作用[J].環(huán)境化學(xué),2013 (7):1226-1235 Chen R,Wang Y M,Wang J S,et al.Study on the toxicity of polychlorinated biphenyls and dioxin on rats by liquid chromatography-mass spectrometry based metabonomics[J].Environmental Chemistry,2013(7):1226-1235 (in Chinese)

[49] Vaclavik L,Mishra A,Mishra K B,et al.Mass spectrometry-based metabolomic fingerprinting for screening cold tolerance inArabidopsis thalianaaccessions[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry,2013,405(8):2671-2683

[50] Nair P,Kandasamy S,Zhang J Z,et al.Transcriptional and metabolomic analysis ofAscophyllum nodosummediated freezing tolerance inArabidopsis thaliana[J].BMC Genomics,2012,13(1):643

[51] Shi H T,Ye T T,Zhong B,et al.Comparative proteomic and metabolomic analyses reveal mechanisms of improved cold stress tolerance in bermudagrass(Cynodondactylon(L.)Pers.)by exogenous calcium[J].Journal of Integrative Plant Biology,2014,56(11):1064-1079

[52] Angelcheva L,Mishra Y,Antti H,et al.Metabolomic analysis of extreme freezing tolerance in Siberian spruce (Picea obovata)[J].New Phytologist,2014,204(3):545-555

[53] Zhang J X,Sun X M,Zhang Z P,et al.Metabolite profiling ofArabidopsisseedlings in response to exogenous sinalbin and sulfur deficiency[J].Phytochemistry,2011,72: 1767-1778

[54] Ren Q,Shi M L,Chen L,et al.Integrated proteomic and metabolomic characterization of a novel two-component response regulator Slr1909 involved in acid tolerance in Synechocystissp PCC 6803[J].Journal of Proteomics, 2014,109:76-89

[55] Yobi A,Wone B W M,Xu W X,et al.Metabolomic profiling inSelaginella lepidophyllaat various hydration states provides new insights into the mechanistic basis of desiccation tolerance[J].Molecular Plant,2013,6(2): 369-385

[56] Nguyen M L,Kim G B,Hyun S H,et al.Physiological and metabolomic analysis of a knockout mutant suggests a critical role of MtP5CS3 gene in osmotic stress tolerance ofMedicago truncatula[J].Euphytica,2013,193(1): 101-120

[57] Teets N M,Peyton J T,Ragland G J,et al.Combined transcriptomic and metabolomic approach uncovers molecular mechanisms of cold tolerance in a temperate flesh fly[J].Physiological Genomics,2012,44(15):764-777

[58] Coquin L,Feala J D,McCulloch A D,et al.Metabolomic and flux-balance analysis of age-related decline of hypoxia tolerance inDrosophilamuscle tissue[J].Molecular Systems Biology,2008,4(1):233

[59] Feala J D,Coquin L,McCulloch A D,et al.Flexibility in energy metabolism supports hypoxia tolerance inDrosophilaflight muscle:Metabolomic and computational systems analysis[J].Molecular Systems Biology,2007,3 (1):99

[60] Viant M,Werner I,Rosenblum E,et al.Correlation between heat-shock protein induction and reduced metabolic condition injuvenilesteelheadtrout(Oncorhynchus mykiss)chronically exposed to elevated temperature[J]. Fish Physiology and Biochemistry,2003,29(2):159-171

[61] Warne M A,Lenz E M,Osborn D,et al.Comparative biochemistry and short-term starvation effects on the earthwormsEisenia venetaandLumbricus terrestrisstudied by1H NMR spectroscopy and pattern recognition[J].Soil Biology and Biochemistry,2001,33(9):1171-1180

[62] Spegel P,Danielsson A P H,Bacos K,et al.Metabolomic analysis of a human oral glucose tolerance test reveals fatty acids as reliable indicators of regulated metabolism[J]. Metabolomics,2010,6(1):56-66◆

A Review on the Application of Metabonomic Approaches in Environmental Toxicology

Geng Ningbo1,Zhang Haijun1,#,Wang Feidi1,2,Ren Xiaoqian1,2,Zhang Baoqin1,Chen Jiping1,*

1.Key Laboratory of Separation Science for Analytical Chemistry,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023,China
2.Graduate School of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China

18 January 2016 accepted 18 February 2016

Metabolomics is an important aspect of systems biology.It concerns with the dynamic changes of endogenous metabolites in body fluids or tissues of organism affected by internal and external factors.Bioinformatic tools are then employed to bring insights into the pathophysiological processes and toxicological mechanisms. Metabolomics is a fast and high-throughput method with the characteristics of high sensitivity and selectivity,and so it plays an increasing advantage in the toxicity assessment of low-dose environment pollutants.In this review, the analytical methods,development history and advantage of metabolomics on toxicology research,as well as its application and perspective in environmental toxicology were introduced.This review mainly focused on the application of metabolomics approach in the risk assessment of heavy metals and persistent organic pollutants(POPs),and the metabolomic responses of orgnisms to environmental stress.

metabonomics;environmental toxicology;NMR;LC/GC-MS;environmental stress

2016-01-18 錄用日期：2016-02-18

1673-5897（2016）3-026-10

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20160118001

簡(jiǎn)介：陳吉平(1964-)，男，分析化學(xué)博士，研究員，主要從事環(huán)境分析化學(xué)與環(huán)境健康相關(guān)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。

張海軍(1974-)，男，生態(tài)學(xué)博士，研究員，主要從事環(huán)境化學(xué)與環(huán)境毒理學(xué)相關(guān)的研究工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇。

國(guó)家自然科學(xué)基金委聯(lián)合重大研究計(jì)劃(91543201)；國(guó)家自然科學(xué)基金(21277141，21337002)

耿檸波(1985-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理學(xué)，E-mail:gengningbo@dicp.ac.cn

*通訊作者（Corresponding author），E-mail:chenjp@dicp.ac.cn；

#共同通訊作者(Co-corresponding author)，E-mail:hjzhang@dicp.ac.cn；