代謝組學(xué)技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用

許 騰，張 玥，張海麗，辛鳳姣，王 艷，王鳳忠

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100081)

代謝組學(xué)技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用

許 騰，張 玥，張海麗，辛鳳姣，王 艷，王鳳忠

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100081)

代謝組學(xué)可以系統(tǒng)性地研究生物體受到擾動(dòng)或干預(yù)后整體代謝水平的變化。文章概述了代謝組學(xué)技術(shù)的生物樣品采集與制備、分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析、差異代謝物結(jié)構(gòu)鑒定與代謝通路分析等方法與步驟及其在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用，展望了代謝組學(xué)技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以期為下一步的研究提供參考。

營(yíng)養(yǎng)學(xué)；代謝組學(xué)；核磁共振；氣相色譜-質(zhì)譜；液相色譜-質(zhì)譜

生物個(gè)體的各項(xiàng)生命活動(dòng)以交織復(fù)雜的代謝網(wǎng)交互作用和影響，基于代謝組學(xué)的研究能夠反映出機(jī)體受到內(nèi)外環(huán)境改變或擾動(dòng)后相互協(xié)調(diào)的最終結(jié)果，而這個(gè)結(jié)果在代謝水平上得以放大，從而可以將宏觀的個(gè)體表征與機(jī)體內(nèi)在的微觀因素聯(lián)系起來(lái)[1-2]。代謝組學(xué)起步相對(duì)較晚，近年來(lái)，高分辨率、高靈敏度的現(xiàn)代分析儀器和技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了代謝組學(xué)的迅猛發(fā)展，目前，代謝組學(xué)已被廣泛應(yīng)用到微生物學(xué)、動(dòng)植物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、食品科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域[3]。運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)建立起細(xì)胞與生物體小分子代謝產(chǎn)物復(fù)雜體系的研究模式，可以系統(tǒng)地研究食物的營(yíng)養(yǎng)成分與機(jī)體的相互作用[4]，從而預(yù)防和干預(yù)一些慢性疾病和癌癥的發(fā)生與發(fā)展。

代謝組學(xué)是對(duì)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展和延伸，因?yàn)樾》肿哟x物質(zhì)才是生物體生命活動(dòng)的表征和最終結(jié)果[5-8]，或者可以說(shuō)代謝組學(xué)可作為探索機(jī)體內(nèi)部信息機(jī)制的窗口。生物體內(nèi)存在復(fù)雜、龐大的代謝網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著機(jī)體內(nèi)部物質(zhì)、能量的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)等生命活動(dòng)[9-10]，這之中起調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)大部分是廣泛存在于體內(nèi)的小分子代謝物質(zhì)[2]。代謝組學(xué)技術(shù)通過(guò)非靶向的研究可以全景式地觀測(cè)到機(jī)體代謝輪廓的變化，而對(duì)小分子化合物進(jìn)行定量靶向研究[11]，能盡可能多地掌握機(jī)體內(nèi)部代謝化合物的上調(diào)與下調(diào)，及其變化對(duì)疾病、基因及外界環(huán)境因子的影響。

1 代謝組學(xué)研究的步驟與方法

代謝組學(xué)的研究步驟包括生物樣品采集與制備、分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析、差異代謝物結(jié)構(gòu)鑒定與代謝通路分析等幾個(gè)部分[12-13]。

1.1 生物樣品采集與制備

生物樣品的采集與制備是進(jìn)行代謝組學(xué)分析和研究的初始步驟，也在一定程度上決定了能否獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采集的樣本需要有一定的代表性，且應(yīng)盡量避免因樣品本身存在的個(gè)體差異對(duì)后續(xù)的檢測(cè)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時(shí)在研究人類(lèi)或動(dòng)物組織樣品時(shí)，還需要考慮地域、年齡、性別、飲食及先天基因等多種因素的影響[14]。代謝組學(xué)的生物樣品一般為尿液、血液和組織等，組織樣品采集后，為避免代謝物改變，應(yīng)迅速進(jìn)行淬滅、預(yù)處理等操作，血液和尿液等體液樣品不需要猝滅，采集后應(yīng)立即進(jìn)行低溫離心，以除去細(xì)胞。處理后的樣品于-80℃或者液氮中保存，將樣品分裝成若干份，避免重復(fù)的凍結(jié)-解凍循環(huán)[15-16]。生物樣品不同，采集方法不同，其預(yù)處理方法也各異，應(yīng)根據(jù)不同的化合物、不同的分析手段，選擇不同的提取條件和方法，進(jìn)行方法優(yōu)化。代謝產(chǎn)物通常是利用“相似相溶原則”，把不同極性的物質(zhì)分開(kāi)，進(jìn)行下一步分析[17]。在大規(guī)模非靶向代謝組學(xué)研究中，為保證分析數(shù)據(jù)的精密度和準(zhǔn)確度，通常需要制備質(zhì)控(QC)樣品，以監(jiān)測(cè)分析方法的穩(wěn)定性和可靠性。在采集與制備生物樣品過(guò)程中，原則上應(yīng)盡量保證代謝產(chǎn)物信息的完整性。

1.2 分析技術(shù)

代謝組學(xué)的分析手段主要包括以核磁共振(NMR)和色譜-質(zhì)譜(GC/LC-MS)為核心的兩大技術(shù)平臺(tái)[18]。目前，沒(méi)有任何一種技術(shù)能檢測(cè)分析一個(gè)細(xì)胞或者一個(gè)樣品中的全部代謝物，代謝組學(xué)的常用研究方法通常需要結(jié)合多種分析手段，將非靶向和靶向研究結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1.2.1核磁共振技術(shù)—NMR NMR具有非選擇性和高通量的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)待測(cè)化合物進(jìn)行無(wú)偏向、無(wú)創(chuàng)性的分析檢測(cè)，結(jié)構(gòu)解析準(zhǔn)確，不需要繁瑣的前處理過(guò)程[19]。特別是1H NMR，因?qū)瑲浯x物具有廣泛普適性而成為代謝組學(xué)分析的重要工具。NMR的缺點(diǎn)是靈敏度相對(duì)較低[20]，檢測(cè)線性范圍窄，所需樣品量相對(duì)質(zhì)譜而言較多，且儀器的價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用比較昂貴，解決的辦法是提高磁場(chǎng)強(qiáng)度、使用超低溫探頭來(lái)提高靈敏度等[21]。此外，還可以與色譜、質(zhì)譜聯(lián)用，如采用在線HPLC-NMR提高信號(hào)分辨率和對(duì)色譜峰的識(shí)別等[22]。

1.2.2氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)—GC-MS 與代謝組學(xué)的其他分析方法相比，氣相色譜技術(shù)發(fā)展較為成熟，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)廣泛用于多組分混合物中對(duì)未知組分的定性分析，具有高靈敏度、精密度及耐用性的特點(diǎn)[23]，且儀器購(gòu)置價(jià)格較為低廉，其對(duì)應(yīng)的代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)較為完善和穩(wěn)定，是應(yīng)用較為廣泛的一種代謝組學(xué)分析方法[24]。全二維氣相色譜/飛行時(shí)間質(zhì)譜方法(GC×GC-TOF-MS)可以檢測(cè)到更多一維方法無(wú)法分離的色譜峰，具有更高的靈敏度和分辨效果，顯著提高了分析的效率[25]。不足之處是，GC-MS分析樣本準(zhǔn)備工作比較繁瑣，生物樣品普遍需要衍生化處理才能檢測(cè)到足夠的代謝組分信息[26]，且難以充分有效地利用GC-MS得到的全部信息。

1.2.3液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)—LC-MS 相比于NMR靈敏度低、GC-MS樣品處理較復(fù)雜等問(wèn)題，LC-MS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝產(chǎn)物的快速分析與鑒定，獲得精確分子量，其應(yīng)用非常廣泛。與GC-MS相比較而言，LC-MS對(duì)樣本中代謝物信息的保留更加全面[27-28]。LC-MS常用的為電噴霧液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(LC-ESI-MS)，特點(diǎn)是產(chǎn)生高電荷離子，使質(zhì)荷比(m/z)降低到多數(shù)質(zhì)量分析器可以檢測(cè)的范圍，擴(kuò)展了分子量的分析范圍[29-30]。同樣，LC-MS也有缺陷，如在樣品制備過(guò)程中，來(lái)自生物樣本的低分子量代謝產(chǎn)物在有機(jī)溶劑萃取過(guò)程中將不可避免地丟失，目前其對(duì)應(yīng)的代謝物庫(kù)仍然不健全，這給后期對(duì)代謝物的分析造成了一定的困難與挑戰(zhàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用代謝組學(xué)得到大量復(fù)雜、多維的信息后，如何正確分析和解釋代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)，如何利用可視化分析工具揭示其潛在規(guī)律是代謝組學(xué)研究的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)處理主要包括對(duì)原始大數(shù)據(jù)的處理和管理、多元變量標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)計(jì)、代謝網(wǎng)絡(luò)的模型構(gòu)建和回歸擬合、標(biāo)志物和通路鑒定與分析[9]。代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)處理通常是對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、分類(lèi)辨別，主要手段為模式識(shí)別技術(shù)，包括非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法和有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法[17]，進(jìn)而研究機(jī)體受擾動(dòng)后的代謝物變化規(guī)律及機(jī)制。其中，非監(jiān)督方法將非人為干擾得到的分組與樣品原始信息進(jìn)行比較從而找出差異性物質(zhì)，反映數(shù)據(jù)的原始狀態(tài)，獲得的結(jié)果與有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法相比更為客觀，包括聚類(lèi)分析、主成分分析和自組織圖等；有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法是利用數(shù)學(xué)模型對(duì)樣品進(jìn)行辨別和分組，包括辨別式功能分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘法、偏最小二乘法-顯著性分析聯(lián)合法等[31]。近年來(lái)，支持向量機(jī)(SVM)方法表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法的預(yù)測(cè)精度，因此被廣泛應(yīng)用到代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與處理中[8]。通過(guò)對(duì)獲得的多維復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合定量、比較與考察，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的降維和挖掘，識(shí)別出差異性代謝物[32-33]。

1.4 差異代謝物結(jié)構(gòu)鑒定與代謝通路分析

基于GC-MS和LC-MS等技術(shù)得到的代謝物信息可通過(guò)二級(jí)質(zhì)譜確定差異代謝物的分子量和分子式，對(duì)比化合物結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)，得到可能的生物標(biāo)記物及其相關(guān)生物信息[34-35]。基于NMR的代謝組學(xué)，通過(guò)解析代謝物的化學(xué)位移(一般是1H NMR)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和文獻(xiàn)對(duì)照對(duì)差異代謝物進(jìn)行鑒定。識(shí)別機(jī)體中顯著性差異代謝物，確定代謝網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生變化的關(guān)鍵信點(diǎn)及其影響的通路，最終闡明生物系統(tǒng)應(yīng)對(duì)外界或機(jī)體內(nèi)部相應(yīng)刺激的調(diào)控機(jī)制。

2 代謝組學(xué)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用

代謝組學(xué)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用稱為營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)，指在生物體不同的健康狀態(tài)與疾病狀態(tài)下，利用代謝組學(xué)的方法系統(tǒng)性地研究膳食與生物體代謝之間的交互作用及其對(duì)人體健康的影響[36]。目前，我國(guó)正面臨著營(yíng)養(yǎng)缺乏與營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩的雙重問(wèn)題，營(yíng)養(yǎng)相關(guān)的慢性病的患病率逐年上升，如糖尿病、高血壓、肥胖等營(yíng)養(yǎng)代謝病，嚴(yán)重威脅著國(guó)民健康[37]。研究表明，個(gè)性化膳食可使生物體內(nèi)部代謝發(fā)生變化，進(jìn)而影響生物體的健康狀態(tài)。隨著越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)的作用[38]，相關(guān)的研究報(bào)道也逐漸增多，附圖統(tǒng)計(jì)了Pubmed文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中2002—2016年有關(guān)營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)研究的論文，從2010年開(kāi)始，論文數(shù)目呈現(xiàn)指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，這也說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)研究將會(huì)是未來(lái)營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。

附圖 pubmed數(shù)據(jù)庫(kù)營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)相關(guān)論文統(tǒng)計(jì)

代謝組學(xué)為營(yíng)養(yǎng)學(xué)的研究提供了新的方向和平臺(tái)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到多個(gè)營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域中，如食物中生物活性成分作用機(jī)制研究、不同飲食和生理狀態(tài)下機(jī)體代謝差異研究、營(yíng)養(yǎng)素量對(duì)機(jī)體代謝影響的研究、腸道微生物代謝的研究以及營(yíng)養(yǎng)代謝病的研究。

2.1 食物中的生物活性成分對(duì)機(jī)體代謝的影響

食物能夠提供給人體所必需的大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也能提供一些調(diào)節(jié)人體機(jī)能的活性成分，這些活性物質(zhì)在機(jī)體中的代謝調(diào)控機(jī)制也是營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。Solanky等[39]利用動(dòng)物模型對(duì)表兒茶酸的作用進(jìn)行了研究，基于NMR的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，表兒茶酸使SD大鼠內(nèi)源代謝物水平發(fā)生了顯著改變，尤其二甲胺、肌酐、?；撬?、檸檬酸鹽和α-酮戊二酸等，對(duì)差異性代謝物進(jìn)行靶向分析，發(fā)現(xiàn)影響代謝通路的機(jī)制主要是通過(guò)表兒茶酸對(duì)腎臟功能的調(diào)節(jié)，使能量代謝從碳水化合物分解代謝轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅岷桶被岱纸?。Zheng等[40]運(yùn)用NMR代謝組學(xué)與多元統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法研究補(bǔ)充低聚乳果糖對(duì)結(jié)腸炎大鼠氨基酸代謝的影響，通過(guò)血清代謝物的分析發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充低聚乳糖可使模型大鼠體內(nèi)異亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸、檸檬酸、氧化三甲胺、牛磺酸濃度降低，琥珀酸的濃度增加，影響了其全身的氨基酸代謝，將有助于機(jī)體免受氨毒性和氧化損傷。Fu等[41]運(yùn)用代謝組學(xué)方法研究了綠茶多酚對(duì)D-半乳糖誘導(dǎo)衰老大鼠的保護(hù)作用機(jī)制，基于超高效液相色譜-質(zhì)譜分析技術(shù)對(duì)其血漿樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，綠茶多酚可以通過(guò)干預(yù)卵磷脂、氨基酸和磷脂代謝途徑發(fā)揮抗衰老作用。這些研究通過(guò)對(duì)特定的生物活性成分進(jìn)行代謝組學(xué)研究，分析其對(duì)機(jī)體代謝通路造成的影響，闡明了特定活性成分的作用機(jī)制，有利于進(jìn)一步研究與實(shí)施相應(yīng)的干預(yù)策略。

2.2 不同飲食、生理狀態(tài)下機(jī)體代謝差異的研究

代謝組學(xué)全組分的分析方法可以用來(lái)判斷不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成、不同飲食習(xí)慣及生理狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的代謝表征。基于NMR的尿液代謝組學(xué)，Zheng等[42]研究了酪蛋白、乳清蛋白分別對(duì)肥胖青少年飲食干預(yù)的影響，為期12w的干預(yù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，酪蛋白脫脂牛奶干預(yù)后肥胖青少年尿中尿素排泄量顯著增加，而乳清蛋白脫脂牛奶干預(yù)后尿素排泄沒(méi)有顯著影響[42]。Lindsay等[43]通過(guò)代謝組學(xué)方法研究了健康孕婦在妊娠階段代謝的變化，結(jié)果表明，隨著妊娠過(guò)程的進(jìn)展，母體血漿中的幾種必需和非必需氨基酸、長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸、左旋肉堿、乙酰肉堿、磷脂酰膽堿、神經(jīng)鞘磷脂濃度均有明顯下降。Accardi等[44]通過(guò)基于高分辨質(zhì)譜的代謝組學(xué)對(duì)軍事特定人員的營(yíng)養(yǎng)狀況和健康指標(biāo)進(jìn)行分析，獲取軍事特定人群的血清樣本并研究其代謝差異，結(jié)果得到了61種代謝物可以作為生物標(biāo)志物，用來(lái)評(píng)估特定軍隊(duì)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)和健康狀況[44]。

2.3 營(yíng)養(yǎng)素對(duì)機(jī)體代謝影響的研究

食物能夠?yàn)闄C(jī)體提供營(yíng)養(yǎng)與能量，營(yíng)養(yǎng)素缺乏或過(guò)量都會(huì)對(duì)機(jī)體代謝產(chǎn)生一定的影響。Toue等[45]基于代謝組學(xué)技術(shù)利用動(dòng)物模型研究攝入過(guò)量的蛋氨酸對(duì)代謝的影響，發(fā)現(xiàn)蛋氨酸攝入過(guò)多會(huì)導(dǎo)致大鼠腎上腺和睪丸的白細(xì)胞計(jì)數(shù)減少、胸腺萎縮、溶血性貧血等癥狀。早期的研究結(jié)果揭示高半胱氨酸是監(jiān)控蛋氨酸是否過(guò)量的良好標(biāo)記物[46]。Kowalski等[47]運(yùn)用代謝組學(xué)研究高脂肪日糧對(duì)小鼠骨骼肌葡萄糖代謝通路的影響，結(jié)果表明，過(guò)量的脂肪飲食可通過(guò)改變?nèi)人嵫h(huán)導(dǎo)致肌肉葡萄糖代謝的缺陷。Matsuzaki等[48]通過(guò)血漿代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，尿素和α-酮異已酸可能是氨基酸過(guò)量攝入時(shí)的標(biāo)志物。以上研究表明，代謝組學(xué)在監(jiān)控機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)素代謝方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，可以為營(yíng)養(yǎng)素的適量、安全攝入提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

2.4 腸道微生物代謝的研究

食物被人體攝入后，進(jìn)入腸道首先會(huì)經(jīng)過(guò)腸道微生物的作用。食物影響腸道微生物環(huán)境，而腸道微生物的狀態(tài)也會(huì)影響機(jī)體對(duì)食物成分的吸收與代謝[49-50]。Zheng等[51]研究了補(bǔ)充色氨酸對(duì)大鼠代謝的影響，基于代謝組學(xué)方法通過(guò)對(duì)大鼠肝組織、血清和糞便樣品的分析，發(fā)現(xiàn)色氨酸補(bǔ)充促進(jìn)了大鼠體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成，降低糞便中的三甲胺等含胺類(lèi)物質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)腸道微生物代謝，降低大鼠體重。Takis等[35]基于NMR代謝組學(xué)研究白茶對(duì)人體尿液代謝譜的影響，發(fā)現(xiàn)高劑量攝入白茶對(duì)人體可能存在一定的危害，但是適量飲用白茶會(huì)提高機(jī)體腸道微生物菌群代謝物的濃度，如茶多酚、黃酮等具有高抗氧化能力的腸道菌群代謝物，引起代謝途徑中馬尿酸和檸檬酸上調(diào)、肌酐下降，增強(qiáng)機(jī)體腎功能。這些研究表明，腸道微生物代謝與人體代謝有著交互的作用和影響，代謝組學(xué)在腸道微生物相關(guān)研究的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)代謝組學(xué)的研究，可以深入了解機(jī)體代謝與微生物相互作用后的代謝變化。

2.5 營(yíng)養(yǎng)代謝病的研究

營(yíng)養(yǎng)代謝病是由于營(yíng)養(yǎng)素如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物在體內(nèi)的代謝失衡，使得體內(nèi)一個(gè)或多個(gè)代謝過(guò)程異常改變導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境紊亂而引起的疾病，如糖尿病、高血壓、肥胖、脂質(zhì)代謝病等，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康，其發(fā)病機(jī)制及防治措施研究成為近幾年醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[52-53]。Onuh等[54]研究了雞皮蛋白水解肽飲食喂養(yǎng)原發(fā)性高血壓大鼠的尿液和血漿代謝組學(xué)，分析鑒定出多種可能參與血壓調(diào)節(jié)的生物標(biāo)記物，且驗(yàn)證了代謝物變化為通過(guò)精氨酸代謝途徑產(chǎn)生NO，從而達(dá)到血管舒張作用。Llorach等[55]通過(guò)HPLC-TOF-MS的代謝組學(xué)研究了20名有心血管疾病的志愿者在食用可可之后的代謝輪廓，揭示了可可與高血壓、心血管疾病之間的關(guān)系，表明適量范圍內(nèi)食用可可，對(duì)心腦血管疾病有著積極的作用和影響。Men等[56]通過(guò)UHPLC-QTOF-MS代謝組學(xué)，從大鼠尿樣中成功鑒定了20個(gè)與肥胖相關(guān)的標(biāo)志代謝物。此外，F(xiàn)iles等[57]采用代謝組學(xué)方法，揭示了老年急性肺損傷小鼠代謝譜與長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝相關(guān)。Gang等[58]發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)代謝和前列腺癌變有著密切的關(guān)系，研究表明，P300是調(diào)節(jié)脂肪酸合酶表達(dá)、脂質(zhì)積累和前列腺癌細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[58]。以上研究表明，借助代謝組學(xué)能有效地闡明營(yíng)養(yǎng)代謝病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為營(yíng)養(yǎng)代謝病的預(yù)防和治療奠定理論基礎(chǔ)。

3 代謝組學(xué)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的挑戰(zhàn)和展望

綜上所述，代謝組學(xué)的研究方法從整體的角度評(píng)估不同的飲食、營(yíng)養(yǎng)素、食物活性成分等對(duì)機(jī)體代謝的影響，探索生物體內(nèi)代謝通路的改變，為營(yíng)養(yǎng)學(xué)相關(guān)研究帶來(lái)新的突破。近年來(lái)，隨著分析儀器的發(fā)展與升級(jí)，NMR、MS等儀器分析能力的日益增強(qiáng)，代謝組學(xué)分析技術(shù)結(jié)合多維統(tǒng)計(jì)分析的方法在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的作用日益凸顯。當(dāng)然，代謝組學(xué)分析技術(shù)也存在一些難題，如質(zhì)譜和核磁數(shù)據(jù)解析必須依靠專業(yè)知識(shí)和技能，歸納出有用的信息，而且得到分析結(jié)果尚需得到進(jìn)一步確認(rèn)等。在未來(lái)的研究中，代謝組學(xué)方法將會(huì)更加完善和便捷，能更有效地應(yīng)用于機(jī)制研究、營(yíng)養(yǎng)干預(yù)及診斷中。同樣，基于代謝組學(xué)的特點(diǎn)，對(duì)具有不同代謝表型的個(gè)體進(jìn)行個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)指導(dǎo)，可能成為今后營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)的重要研究方向?！?/p>

[1]Nicholson J K，Lindon J C.Systems biology：metabonomics [J].Nature，2008，455(7216)：1054-1056.

[2]許國(guó)旺，路鑫，楊勝利.代謝組學(xué)研究進(jìn)展 [J].中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，29(6)：701-711.

[3]Patti G J，Yanes O，Siuzdak G.Innovation：metabolomics：the apogee of the omics trilogy [J].Nature Reviews Molecular Cell Biology，2012，13(4)：263-269.

[4]中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).2014—2015營(yíng)養(yǎng)學(xué)學(xué)科發(fā)展報(bào)告 [M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

[5]劉莉揚(yáng)，崔鴻飛，田埂.高通量測(cè)序技術(shù)在宏基因組學(xué)中的應(yīng)用 [J].中國(guó)醫(yī)藥生物技術(shù)，2013，8(3)：196-200.

[6]王堯龍，黃璐琦，袁媛，等.藥用植物轉(zhuǎn)錄組研究進(jìn)展 [J].中國(guó)中藥雜志，2015，40(11)：2055-2061.

[7]趙靜，王宏偉，田二杰，等.蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用 [J].動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2015(1)：116-120.

[8]周秋香，余曉斌，涂國(guó)全，等.代謝組學(xué)研究進(jìn)展及其應(yīng)用 [J].生物技術(shù)通報(bào)，2013(1)：49-55.

[9]張雙慶，黃振武.營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用 [J].衛(wèi)生研究，2013，42(6)：1041-1046.

[10]Bagchi D，Lau F，Bagchi M.Genomics，proteomics，and metabolomics in nutraceuticals and functional foods [J].International Plant & Animal Genome Conference XX，2010：185-217.

[11]?zdemir V，Kolker E.Precision Nutrition 4.0：A big data and ethics foresight analysis-convergence of agrigenomics，nutrigenomics，nutriproteomics，and nutrimetabolomics [J].Omics A Journal of Integrative Biology，2016，20(2)：69-75.

[12]Brennan L.Metabolomics in nutrition research：current status and perspectives [J].Biochemical Society Transactions，2013，41(2)：670-673.

[13]Brennan L.Metabolomics in nutrition research-a powerful window into nutritional metabolism [J].Essays in Biochemistry，2016，60(5)：451-458.

[14]Daley M，Dekaban G，Bartha R，et al.Metabolomics profiling of concussion in adolescent male hockey players：a novel diagnostic method [J].Metabolomics，2016，12(12)：185-193.

[15]Yin P，Zhou L，Zhao X，et al.Sample collection and preparation of biofluids and extracts for liquid chromatography-mass spectrometry [J].Methods in Molecular Biology，2015，1277：51-59.

[16]Yin P，Lehmann R，Xu G.Effects of pre-analytical processes on blood samples used in metabolomics studies [J].Analytical & Bioanalytical Chemistry，2015，407(17)：4879-4892.

[17]李寧，范雪梅，王義明，等.代謝組學(xué)及其分析技術(shù)的研究進(jìn)展 [J].中南藥學(xué)，2014(7)：668-673.

[18]劉思潔，吳永寧，方赤光.代謝組學(xué)技術(shù)在食品安全中的應(yīng)用 [J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)，2014(4)：1081-1086..

[19]Clendinen C S，Pasquel C，Ajredini R，et al.13C NMR metabolomics：INADEQUATE network analysis [J].Analytical Chemistry，2015，87(11)：5698-5706.

[20]Savorani F，Rasmussen M A，Mikkelsen M S，et al.A primer to nutritional metabolomics by NMR spectroscopy and chemometrics [J].Food Research International，2013，54(1)：1131-1145.

[21]Gil A M，de Pinho P G，Monteiro M S，et al.NMR metabolomics of renal cancer：an overview [J].Bioanalysis，2015，7(18)：2361-2374.

[22]Urban S.Applications in natural product chemical profiling and identification using HPLC-NMR and HPLC-MS methodologies [J].Planta Medica，2016，81：S1-S381.

[23]趙珊，王鵬程，馮健，等.代謝組學(xué)技術(shù)及其在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用 [J].中草藥，2015，46(5)：756-765.

[24]Guo L，Tan S F，Li X，et al.Fast automated dual-syringe based dispersive liquid-liquid microextraction coupled with gas chromatography-mass spectrometry for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in environmental water samples [J].Journal of Chromatography A，2016，1438：1-9.

[25]Santos A L D，Polidoro A D S，Schneider J K，et al.Comprehensive two-dimensional gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC × GC/TOFMS)for the analysis of volatile compounds inPiperregnellii(Miq.)C.DC.essential oils [J].Microchemical Journal，2015，118：242-251.

[26]Fiehn O.Metabolomics by gas chromatography-mass spectrometry：combined targeted and untargeted profiling [J].Curr Protoc Mol Biol，2015，114：30.4.1-30.4.32.

[27]De V A，Venter P，Pasch H.Recent advances and trends in the liquid-chromatography-mass spectrometry analysis of flavonoids [J].Journal of Chromatography A，2016，1430：16-78.

[28]Metz T O，Zhang Q，Page J S，et al.The future of liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)in metabolic profiling and metabolomic studies for biomarker discovery [J].Biomarkers in Medicine，2007，1(1)：159-185.

[29]Guida R D，Engel J，Allwood J W，et al.Non-targeted UHPLC-MS metabolomic data processing methods：a comparative investigation of normalisation，missing value imputation，transformation and scaling [J].Metabolomics，2016，12(5)：93-104.

[30]Johnson C H，Patterson A D，Krausz K W，et al.Radiation metabolomics.4.UPLC-ESI-QTOFMS-Based metabolomics for urinary biomarker discovery in gamma-irradiated rats [J].Radiation Research，2011，175(4)：473-484.

[31]Sheng R，Hinzman A A，Kang E L，et al.Computational and statistical analysis of metabolomics data [J].Metabolomics，2015，11(6)：1-22.

[32]Uarrota V G，Moresco R，Coelho B，et al.Metabolomics combined with chemometric tools (PCA，HCA，PLS-DA and SVM)for screening cassava (Manihot esculenta Crantz)roots during postharvest physiological deterioration [J].Food Chemistry，2014，161(6)：67-78.

[33]柯朝甫，張濤，武曉巖，等.代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 [J].中國(guó)衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)，2014，31(2)：357-359.

[34]Feng L，Wu H W，Song G Q，et al.Chronical sleep interruption-induced cognitive decline assessed by a metabolomics method [J].Behavioural Brain Research，2016，302：60-68.

[35]Takis P G，Oraiopoulou M E，Konidaris C，et al.(1)H-NMR based metabolomics study for the detection of the human urine metabolic profile effects ofOriganumdictamnustea ingestion [J].Food & Function，2016，7(9)：4104-4115.

[36]孫長(zhǎng)顥，李穎，劉麗燕，等.營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)研究進(jìn)展 [C].中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究發(fā)展報(bào)告研討會(huì)，2014.

[37]楊月欣，王竹，糜漫天.食物營(yíng)養(yǎng)和保健食品研究進(jìn)展 [J].營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2015，37(2)：128-130.

[38]Brennan L.Use of metabotyping for optimal nutrition [J].Current Opinion in Biotechnology，2017，44：35-38.

[39]Solanky K S，Bailey N J C，Holmes E，et al.NMR-based metabonomic studies on the biochemical effects of epicatechin in the rat [J].Journal of Agricultural & Food Chemistry，2003，51(14)：4139-4145.

[40]Zheng R，Z，Lv Y，F(xiàn)u X，et al.Metabolomic analysis of amino acid metabolism in colitic rats supplemented with lactosucrose [J].Amino Acids，2013，45(4)：877-887.

[41]Fu C W，Wang T J，Wang Y，et al.Metabonomics study of the protective effects of green tea polyphenols on aging rats induced by D-galactose [J].Journal of Pharmaceutical & Biomedical Analysis，2011，55(5)：1067-1074.

[42]Zheng H，Yde C C，Dalsgaard T K，et al.Nuclear magnetic resonance-based metabolomics reveals that dairy protein fractions affect urinary urea excretion differently in overweight adolescents [J].European Food Research & Technology，2015，240(3)：489-497.

[43]Lindsay K L，Christian H，Olaf U，et al.Longitudinal metabolomic profiling of amino acids and lipids across healthy pregnancy [J].Plos One，2015，10(12)：1-19.

[44]Accardi C J，Walker D I，Uppal K，et al.High-resolution metabolomics for nutrition and health assessment of armed forces personnel [J].Journal of Occupational & Environmental Medicine，2016，58(S8)：S80-S88.

[45]Toue S，Kodama R，Amao M，et al.Screening of toxicity biomarkers for methionine excess in rats [J].Journal of Nutrition，2006，136(6)：1716S-1721S.

[46]Chin K，Toue S，Kawamata Y，et al.A 4-week toxicity study of methionine in male rats [J].International Journal of Toxicology，2015，34(3)：233-241.

[47]Kowalski G M，Souza D P D，Burch M L，et al.Application of dynamic metabolomics to examine invivo，skeletal muscle glucose metabolism in the chronically high-fat fed mouse [J].Biochemical & Biophysical Research Communications，2015，462(1)：27-32.

[48]Matsuzaki K，Kato H，Sakai R，et al.Transcriptomics and metabolomics of dietary leucine excess [J].Journal of Nutrition，2005，135(6 Suppl)：1571S-1575S.

[49]Ursell L K，Haiser H J，Treuren W V，et al.The Intestinal metabolome-an intersection between microbiota and host [J].Gastroenterology，2014，146(6)：1470-1476.

[50]David L A，Maurice C F，Carmody R N.Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome [J].Nature，2014，505(7484)：559-563.

[51]Zheng R，Yang YH，Wen Y M，et al.Metabolomic analysis of amino acid and fat metabolism in rats with L-tryptophan supplementation [J].Amino Acids，2014，46(12)：2681-2691.

[52]何慶華，任萍萍，王玉蘭.代謝組學(xué)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用 [J].食品科學(xué)，2011，32(5)：317-320.

[53]Ojeda P，Bobe A，Dolan K，et al.Nutritional modulation of gut microbiota-the impact on metabolic disease pathophysiology [J].Journal of Nutritional Biochemistry，2016，28：191-200.

[54]Onuh J O，Girgih A T，Nwachukwu I，et al.A metabolomics approach for investigating urinary and plasma changes in spontaneously hypertensive rats (SHR)fed with chicken skin protein hydrolysates diets [J].Journal of Functional Foods，2016，22：20-33.

[55]Llorach R，Urpi-Sarda M，Tulipani S，et al.Metabolomic fingerprint in patients at high risk of cardiovascular disease by cocoa intervention [J].Molecular Nutrition & Food Research，2013，57(6)：962-973.

[56]Men L H，Pi Z F，Zhou Y，et al.Urine metabolomics of high-fat diet induced obesity using UHPLC-Q-TOF-MS [J].Journal of Pharmaceutical & Biomedical Analysis，2017，132：258-266.

[57]Files D C，Ilaiwy A，Parry T L，et al.Lung injury-induced skeletal muscle wasting in aged mice is linked to alterations in long chain fatty acid metabolism [J].Metabolomics，2016，12(8)：134-149.

[58]Gang X，Yang Y，Jian Z，et al.P300 acetyltransferase regulates fatty acid synthase expression，lipid metabolism and prostate cancer growth [J].Oncotarget，2016，7(12)：15135-15149.

Applications of Metabonomics in Nutriology Research

XU Teng，ZHANG Yue，ZHANG Hai-li，XIN Feng-jiao，WANG Yan，WANG Feng-zhong

(Institute of Agro-products processing Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China)

Metabonomics mainly investigates the quantitative detection of endogenous metabolites of biological system that is stimulated or disturbed，so as to study the dynamic metabolism changes induced by both internal and external factors.This review not only summarized the experimental methods and steps of metabonomics which included biological sample preparation，detection and analysis，data processing，differential metabolites identification and metabolic pathways analysis，but also summed up the application of metabonomics in nutriology research.In addition，the prospect and challenge of metabonomics technology in nutriology research were discussed，presented with a desire to be helpful for further study.

nutriology；metabonomics；NMR；GC-MS；LC-MS

農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016-X31)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程(項(xiàng)目編號(hào)：125161015000150013)；北京市糧經(jīng)作物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào)：BAIC09-2017)；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管(風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：GJFP2017011)；西藏自治區(qū)科技重大專項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：Z2016B01N04)。

許 騰(1992— )，女，碩士研究生，研究方向：營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)。

王鳳忠(1972— )，男，博士，研究員，研究方向：功能食品與生物活性物質(zhì)；王 艷(1985— )，女，博士，助理研究員，研究方向：功能食品與生物活性物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)代謝組學(xué)。

(責(zé)任編輯 李婷婷)