代謝組學(xué)在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李玫毅

（鄭州市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南鄭州 450000）

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)出現(xiàn)的新興“組學(xué)”。代謝組學(xué)是細(xì)胞在特定生理時(shí)期內(nèi)所有小分子量（通常是指分子量小于1ku）代謝產(chǎn)物的總和，是全面認(rèn)識(shí)一個(gè)生物系統(tǒng)不可或缺的一部分。如果說基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的是可能發(fā)生的生物學(xué)事件，那么代謝組學(xué)研究的是已經(jīng)發(fā)生了的生物學(xué)事件。雖是后起之秀，卻蘊(yùn)含著巨大潛力。

就研究對(duì)象和目的而言，代謝組學(xué)可分為4個(gè)層次：第一個(gè)層次為代謝物靶標(biāo)分析，是針對(duì)一個(gè)靶蛋白的底物和/或產(chǎn)物進(jìn)行定量分析；第二個(gè)層次為代謝輪廓分析，對(duì)特定代謝過程中結(jié)構(gòu)或性質(zhì)相關(guān)的預(yù)設(shè)代謝物系列進(jìn)行定量測(cè)定；第三個(gè)層次是代謝指紋，定性或半定量對(duì)細(xì)胞內(nèi)外全部代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析；第四個(gè)層次為代謝組分析，定量分析一個(gè)生物系統(tǒng)全部代謝物，其目前還難以實(shí)現(xiàn)。就研究方法而言，代謝組學(xué)可分為兩部分，主要包括靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)是針對(duì)一定生理狀態(tài)下的全代謝組學(xué)，優(yōu)勢(shì)是具有全面性。而靶向代謝組學(xué)則是針對(duì)具體代謝物，以標(biāo)準(zhǔn)品為參照，進(jìn)行相對(duì)或絕對(duì)的定量分析，優(yōu)點(diǎn)是具有更好的準(zhǔn)確度和靈敏度。

代謝組學(xué)的技術(shù)程序一般包括以下幾個(gè)流程：樣品的采集、生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理、樣品的配制與檢測(cè)、數(shù)據(jù)的分析等步驟。代謝組學(xué)最常用的主要技術(shù)有液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)（LC-MS），氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)和核磁共振技術(shù)（NMR）。各種技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可結(jié)合研究目的和研究對(duì)象選擇不同的分析技術(shù)。

2 代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用

針對(duì)動(dòng)物機(jī)體疾病狀態(tài)下某些代謝產(chǎn)物的變化，通過獸藥調(diào)節(jié)代謝途徑，使動(dòng)物體由病理狀態(tài)恢復(fù)到生理健康狀態(tài)，減少或消除病理反應(yīng)。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。Shen Y等通過體內(nèi)藥物代謝實(shí)驗(yàn)運(yùn)用基于LC-MS的代謝組學(xué)的方法，闡釋了獸藥阿司匹林丁香酚酯是在比格犬體內(nèi)和肝微粒體內(nèi)是如何代謝的。Liu Y T運(yùn)用代謝組學(xué)的方法研究了中藥方劑心可舒對(duì)家兔動(dòng)脈粥樣硬化疾病模型的治療效果。結(jié)果表明，與動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的20個(gè)潛在生物標(biāo)記物均受到心可舒作用的顯著影響。這些研究結(jié)果通過對(duì)代謝產(chǎn)物或代謝途徑的分析，探究了藥物的作用機(jī)制，為藥物的研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，提供了思路。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用雖然目前在實(shí)際中還未得到充分應(yīng)用，但在藥代動(dòng)力學(xué)，藥效動(dòng)力學(xué)和動(dòng)物疾病模型等方面均有很大的應(yīng)用空間。

3 代謝組學(xué)在動(dòng)物疾病診斷中的應(yīng)用

機(jī)體發(fā)病的過程是機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)被破壞的過程。任何疾病的發(fā)生和發(fā)展都會(huì)使機(jī)體的代謝發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致體液中代謝物質(zhì)隨之而變。將機(jī)體生理與病理狀態(tài)下的代謝組分進(jìn)行分析比較，有助于理解疾病的發(fā)病原因和過程，從而找到與疾病發(fā)生相關(guān)的標(biāo)記物，不僅可以用來進(jìn)行疾病診斷，更有助于完善疾病的預(yù)防和治療方法。Zhao Y Y等通過對(duì)大鼠慢性腎衰竭疾病模型中尿液代謝產(chǎn)物的研究，找到了尿液中12個(gè)潛在的生物標(biāo)記物。目前，代謝組學(xué)在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)代謝病方面的應(yīng)用已有所進(jìn)展。Bertram H C 等利用基于NMR的代謝組學(xué)的方法探究?jī)煞N不同的飼料對(duì)高膽固醇血癥豬內(nèi)源性生化效應(yīng)的影響，這兩種不同飼料的主要成分分別為黑麥和小麥，結(jié)果表明高膽固醇血癥豬食用以黑麥為主的飼料后，血漿中堿的含量有所增加，并找到了評(píng)價(jià)血漿堿含量的生物標(biāo)記物。施壽榮主要通過代謝組學(xué)，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法，發(fā)現(xiàn)了腹水綜合征肉雞的脂類代謝物質(zhì)發(fā)生了異常變化并找到了低溫誘導(dǎo)其癥狀的潛在生物標(biāo)記物。揭示了早期肉雞早期腹水綜合征的發(fā)病機(jī)制，從而為本病的防治提供了科學(xué)依據(jù)。另外，代謝組學(xué)在奶牛疾病的研究中也取得了一定的研究進(jìn)展。Hailemariam D運(yùn)用基于LC-MS 的代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)圍產(chǎn)期奶牛前后期的代謝產(chǎn)物分別進(jìn)行分析對(duì)比，找到了預(yù)防奶牛圍產(chǎn)期疾病的標(biāo)記物。Saleem F等通過代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了在泌乳早期飼喂高谷物日糧容易導(dǎo)致奶牛體內(nèi)產(chǎn)生大量炎性因子及氨基酸代謝紊亂。除此之外，代謝組學(xué)在奶牛酮病，脂肪肝的代謝標(biāo)記物分析及發(fā)病機(jī)制探討中均有研究，這些研究成果均為疾病的防治奠定了理論基礎(chǔ)。

4 代謝組學(xué)在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究中的應(yīng)用

4.1 代謝組學(xué)在研究營(yíng)養(yǎng)素與動(dòng)物體的相互關(guān)系中的應(yīng)用

代謝組學(xué)在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的研究主要是對(duì)動(dòng)物模型的研究。通過研究不同營(yíng)養(yǎng)素致使動(dòng)物機(jī)體內(nèi)代謝產(chǎn)物的變化及對(duì)動(dòng)物生理機(jī)能的影響，以此為依據(jù)，從而調(diào)整營(yíng)養(yǎng)供給以使動(dòng)物達(dá)到最佳身體狀況。

4.2 代謝組學(xué)在研究飼料與動(dòng)物體的相互關(guān)系中的應(yīng)用

動(dòng)物飼料所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是動(dòng)物進(jìn)行正常代謝，生長(zhǎng)發(fā)育和維持健康必不可少的條件。其潛在的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健效果有很大的研究空間。代謝組學(xué)在研究飼料對(duì)動(dòng)物體機(jī)能影響方面的作用日益突出。何慶華通過在肥育豬飼料中添加精氨酸，利用代謝組學(xué)方法證明了精氨酸對(duì)能量物質(zhì)代謝有著重要影響。王小雪利用代謝組學(xué)的方法證實(shí)了蛋白質(zhì)含量不同的貓糧對(duì)貓機(jī)體造成的影響。這些研究結(jié)果都為動(dòng)物最佳飼料配方的研發(fā)提供了基本依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3 代謝組學(xué)在研究動(dòng)物消化道菌群與宿主相互關(guān)系中的應(yīng)用

動(dòng)物腸道微生物群落是宿主與微生物長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化過程中相互選擇和適應(yīng)的結(jié)果。這些微生物通過與宿主之間進(jìn)行活躍的代謝，一方面吸收動(dòng)物機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，另一方面又可以促進(jìn)機(jī)體健康，抵御疾病。Nicholson等運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)研究了宿主與腸道微生物的代謝產(chǎn)物，通過比較代謝產(chǎn)物的異同，揭示了腸道微生物是如何參與宿主的代謝的以及對(duì)宿主的影響。

5 代謝組學(xué)在動(dòng)物性食品安全中的應(yīng)用

目前我國(guó)動(dòng)物源性食品正向著綠色安全的方向發(fā)展，獸藥殘留是動(dòng)物食品安全中廣泛關(guān)注的問題。運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)，對(duì)動(dòng)物體內(nèi)相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)，可為準(zhǔn)確判斷獸藥殘留的檢測(cè)提供技術(shù)支撐。Courant等運(yùn)用基于液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的代謝組學(xué)方法，找到了β2-受體激動(dòng)劑在小牛尿液中的兩個(gè)潛在生物標(biāo)志物，Regal等運(yùn)用基于液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的代謝組學(xué)方法找到了雌二醇或孕酮在牛血清中的潛在生物標(biāo)記物。由此可見，通過發(fā)現(xiàn)違禁添加的獸藥在動(dòng)物體內(nèi)代謝后的相關(guān)潛在標(biāo)記物，可作為指示物建立一個(gè)預(yù)警監(jiān)督的平臺(tái)。

6 代謝組學(xué)存在的問題以及對(duì)未來的展望

作為組學(xué)家族最年輕的成員，代謝組學(xué)發(fā)展勢(shì)頭正勁。但要想在獸醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，還有一些瓶頸需要打破。

首先，目前的檢測(cè)技術(shù)還不能完全滿足對(duì)代謝物進(jìn)行全面的檢測(cè)和分析，代謝組學(xué)最常用的分析技術(shù)平臺(tái)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。主要包括：目標(biāo)樣品具有復(fù)雜性、生物體的個(gè)體差異性和儀器的不穩(wěn)定性。根據(jù)研究對(duì)象和研究目的的不同，這都要求從多個(gè)層次構(gòu)建不同的分析技術(shù)平臺(tái)，以滿足分辨率的要求，提高方法的靈敏度和通量。

其次，代謝組學(xué)分析技術(shù)所使用的儀器造價(jià)昂貴，只能在實(shí)驗(yàn)條件好的實(shí)驗(yàn)室或科研院所進(jìn)行，這將有礙于在獸醫(yī)學(xué)中的推廣應(yīng)用。

除此之外還存在諸如：試驗(yàn)方法的選擇和優(yōu)化；試驗(yàn)操作程序的標(biāo)準(zhǔn)化；對(duì)后期龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析；與其他學(xué)科更好的交叉和配合等問題。

隨著對(duì)代謝組學(xué)技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入和研究方法的不斷優(yōu)化以及與其他組學(xué)技術(shù)的聯(lián)用，諸多問題正在不斷得到解決。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)、動(dòng)物疾病診斷、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究、動(dòng)物性食品安全中的應(yīng)用必將越來越廣泛，其在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也必將拓寬獸醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域和方法。