代谢组学数据分析方法及在糖尿病研究中的应用

对NMR波谱数据的统计分析是基于NMR代谢组学研究的关键问题之一. 鉴于NMR波谱信号可以近似为样品中各种成分谱信号的线性叠加,本文将非负矩阵分解(NMF)方法引入基于NMR代谢组学的数据处理中,并与代谢组学中常用的统计方法--主成分分析(PCA)进行比较. 通过NMF和PCA两种方法对健康志愿者与2型糖尿患者血液和尿液的NMR谱图的统计分析,对所获取的特征代谢物进行比较和验证,并探讨了PCA方法可能存在的不足之处及其原因;阐明了NMF方法是基于NMR的代谢组学研究中较理想的数据分析方法. 最后,讨论了基于NMR代谢组学在糖尿病研究中的前景.     

昆明小鼠常见体液与组织代谢组NMR分析

昆明小鼠是我国特有且广泛使用的模式动物. 利用核磁共振(NMR)技术对昆明小鼠血液、尿液和肝脏等组织中的代谢物进行了较为系统的研究. 通过对昆明小鼠体液和组织中代表性的¹H NMR谱图,并结合COSY(Correlation Spectroscopy),TOCSY(Total Correlation Spectroscopy),J-Res(J-Resolved Spectroscopy),HSQC(Heteronuclear Single Quantum Coherence),HMBC(Heteronuclear Multiple Bond Coherence)等2D NMR谱图进行分析,共解析出82种小分子代谢物,其中尿液中约有46种,血样中约有32种,肝脏提取物中约有43种,肾脏皮质提取物中约有39种,部分代谢物在不同样品均存在. 这为进一步利用昆明小鼠为动物模型的研究提供了基础信息.     

稀土长期毒性对大鼠体液的1H NMR研究

采用现代核磁共振技术,通过分析灌胃给药0.2,2.0,10,20mg/kg剂量的La(NO₃)₃6个月后大鼠血清中某些内源性化合物的变化研究了稀土化合物在动物体内的作用情况及长期毒性,同时对各剂量组三个月后大鼠尿液的¹H NMR谱图进行了分析,并通过血液中一些重要生化指标的测定对结果进行了验证.体液中氨基酸、乳酸、N-氧三甲胺、3羟丁酸、葡萄糖、尿素、柠檬酸等重要内源化合物的核磁共振谱峰发生了明显的变化,意味着动物体内的代谢出现异常.结果表明高剂量稀土的引入可能使动物肾脏和肝脏均受到损害,且受损程度随稀土剂量的增高而渐趋严重。     

哺乳动物尿液中钙镁离子浓度的1H NMR测定方法

哺乳动物体液中的钙镁离子浓度能够反映体内营养代谢的平衡与一些疾病的发生发展. 尿液中钙镁离子浓度的准确测量需要不受基质影响的便捷新方法. 该文使用过量乙二胺四乙酸(EDTA)为探针并通过¹H NMR方法测定钙镁离子与EDTA络合物的含量,建立了一种快速原位的尿液钙镁离子浓度测量方法. 将此方法分别用于人、大鼠及小鼠的尿液测定,发现3类哺乳动物的尿液钙镁离子浓度存在显著的物种依赖性和较大的相同物种个体间差异. 上述为生物体液中钙镁离子浓度的快速定量测量提供了便捷方法,也提供了3类哺乳动物尿液钙镁离子浓度的基础数据.     

构建GC-MS平台分析尿石症特异性血清氨基酸代谢谱

尿石症具有高发病率和高复发率的特点,目前临床常用的生化指标尚不能有效预测和全面评估尿石症。本研究优化了血清样本前处理和衍生化方法,利用高灵敏度气相色谱-质谱联用技术,结合有效的数据分析手段,建立了适用于血清样本的氨基酸代谢谱检测平台,共筛查出六种与尿石症潜在相关的特异性氨基酸,有望从体内氨基酸代谢变化的角度监测尿石症的发生发展,为疾病的早期诊断提供可靠的实验依据。同时,为探索氨基酸代谢谱方法在临床其他疾病中的应用提供新思路,延伸代谢组学的研究领域。     

乙酰甲喹影响猪尿液代谢组的 NMR研究

乙酰甲喹是喹噁啉类广谱抗菌药,在我国畜禽养殖业中有广泛的应用.乙酰甲喹的毒性以及毒性机制被越来越多的报道,然而,乙酰甲喹对动物内源性代谢的影响仍不清楚.该研究利用基于核磁共振(NMR)的代谢组学方法并结合多变量数据分析方法研究了乙酰甲喹一次性急性给药(10 mg/kg.bw)对猪尿液代谢组的影响.结果发现,乙酰甲喹给药后,尿液中肌酸、马尿酸和对甲酚葡萄糖醛酸浓度显著降低,而对甲基苯酚和苯甲酸的浓度在给药后显著升高.乙酰甲喹对猪尿液代谢组的影响在给药144 h后未见恢复.研究结果显示,剂量为10 mg/kg.bw乙酰甲喹给药主要影响了猪体内肠道菌群微生态.上述研究为乙酰甲喹对生物体内源性代谢的影响提供了基础数据,并为乙酰甲喹的安全用药提供了数据参考.     

共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵制沼气的影响

碱水解法以其方便高效成为稻秸发酵制沼气中广泛采用的化学预处理方法,但是碱水解对于稻秸细胞壁中高聚物成分及其空间致密交联结构的作用机理有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱和透射电镜研究了NaOH碱处理对稻秸厌氧发酵产沼气的影响。首先对未处理稻秸和碱处理稻秸进行微米级空间分辨率的拉曼光谱面扫描,然后对这两类样本进行主成分分析,发现累计贡献率达99%的前两个主成分空间中两类样本分别呈射线状分布,两类样本分界线清楚表明碱处理导致稻叶组织的拉曼光谱响应特性发生了明显变化;进一步分析前两个主成分的载荷图,发现拉曼峰1 739,1 508和1 094 cm-1是影响主成分的重要谱带,而这三个拉曼峰分别归属于半纤维素、木质素和纤维素的拉曼散射效应;结合半纤维素、木质素和纤维素的拉曼特征峰和显微图像信息实现了组织细胞中三种成分的化学成像分析,发现碱处理破坏了稻叶组织中上述三种成分的致密空间结构,并使它们的含量明显减少,尤其是木质素。由此得出结论：共聚焦显微拉曼光谱可实现稻叶组织细胞中半纤维素、木质素和纤维素的无损检测,结合显微空间信息可实现稻秸中三种成分的化学成像分析,该研究有助揭示碱处理促进秸秆厌氧发酵产沼气的作用机理。     

硫前列酮影响小鼠代谢的NMR研究

前列腺素E2（PGE2）作为一种体内广泛分布的活性物质,通过与其特异性受体EP1,EP2,EP3和EP4结合实现信号跨膜转导,参与许多重要的生理病理过程. 硫前列酮作为PGE2的类似物,通过激活EP1和EP3受体发挥其生理作用,但相关的代谢基础还不甚清楚. 该研究运用基于核磁共振（NMR）技术的代谢组学方法研究了EP1和EP3受体激活剂硫前列酮对小鼠血清和肝脏代谢组的影响. 结果表明,中高剂量硫前列酮处理32天会导致小鼠肝脏代谢组中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、二磷酸尿苷、磷酸腺苷和胆汁酸的明显增加,同时肝糖原、葡萄糖、苯丙氨酸、酪氨酸、尿苷、肌苷、烟碱酸和氧化型谷胱甘肽明显减少. 恢复3周后,高剂量硫前列酮处理小鼠会导致肝脏代谢组中的胆碱水平比对照组高. 这些结果表明EP1和EP3受体激活剂硫前列酮会对小鼠肝脏的糖、核酸和氨基酸等代谢产生影响. 同时,未发现硫前列酮对血清代谢组产生明显影响,这可能与血液循环系统维持机体内环境相对稳定有关. 以上研究结果为认识PGE2- EP1/3信号通路在代谢中的作用提供了基础数据.     

生物样品维生素PP及其代谢产物分析方法的研究进展

维生素PP在维持细胞正常生命活动中起着很重要的作用.血浆以及尿液维生素PP及具代谢产物的浓度水平可用于疾病的早期诊断,如糖尿病、肥胖以及帕金森等病症.准确测定人体生物样品中维生素PP及其代谢产物浓度的变化,在疾病早期诊断和治疗中具有重要的意义.综述了生物样品中维生素PP及其代谢产物的分析方法,如高效液相色谱法、毛细管电...     

大鼠尿液中N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷的NMR分析

N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷是尿液代谢组的两种重要组成成分,但是其核磁共振信号的归属仍不完善.该文采用多种2D NMR谱(1H-1H COSY,1H-1H TOCSY,1H-1H J-RES,1H-13C HSQC和1H-13C HMBC)对尿液中N-氧化烟酰胺和伪尿嘧啶核苷的结构进行了确定,并对其1H和13C的化学位移进行了归属.     

Gd-DTPA-induced dynamic metabonomic changes in rat biofluids

ObjectivesThe purposes of this study were (1) to detect the dynamic metabonomic changes induced by gadopentetate dimeglumine (Gd-DTPA) and (2) to investigate the potential metabolic disturbances associated with the pathogenesis of nephrogenic systemic fibrosis (NSF) at the early stage.MethodsA nuclear magnetic resonance (NMR)-based metabolomics approach was used to investigate the urinary and serum metabolic changes induced by a single tail vein injection of Gd-DTPA (dosed at 2 and 5 mmol/kg body weight) in rats. Urine and serum samples were collected on days 1, 2 and 7 after dosing.ResultsMetabolic responses of rats to Gd-DTPA administration were systematic involving changes in lipid metabolism, glucose metabolism, TCA cycle, amino acid metabolism and gut microbiota functions. Urinary and serum metabonomic recovery could be observed in both the 2 and 5 mmol/kg body weight group, but the metabolic effects of high-dosed (5 mmol/kg body weight) Gd-DTPA lasted longer. It is worth noting that hyperlipidemia was observed after Gd-DTPA injection, and nicotinate might play a role in the subsequent self-recovery of lipid metabolism. The disturbance of tyrosine, glutamate and gut microbiota metabolism might associate with the progression of NSF.ConclusionThese findings offered essential information about the metabolic changes induced by Gd-DTPA, and could be potentially important for investigating the pathogenesis of NSF at the early stage. Moreover, the recovery of rats administrated with Gd-DTPA may have implications in the treatment of early stage NSF.     

JAK/STAT通路抑制剂对C57BL/6小鼠血清代谢组影响的1H NMR研究

JAK/STAT通路抑制剂已被应用于多种疾病的临床试验,但其全身性用药对机体组织细胞功能活性的影响目前尚不明确.本研究运用基于核磁共振氢谱（¹H NMR）的代谢组学方法分析了JAK/STAT通路抑制剂WP1066（20 mg/kg.bw,2天一次,持续2周）对C57BL/6小鼠血清代谢组的影响.首先采用¹H NMR技术检测了WP1066处理组和对照组小鼠血清的代谢物,然后对所得的图谱数据进行了主成分分析（PCA）以及正交偏最小二乘法分析（OPLS）.研究结果表明,抑制JAK/STAT通路可明显下调小鼠血清中的N-甲基烟酰胺（N-methylnicotinamide）水平,而上调顺乌头酸（cis-aconitate）、草酰乙酸（oxaloacetate）和乙酰胺（acetamide）水平,这些代谢物改变均与能量代谢密切相关.该结果提示代谢失衡相关指标可能作为JAK/STAT通路抑制剂治疗的临床监测参考指标.     

NMR-based metabonomic analysis of MnO-embedded iron oxide nanoparticles as potential dual-modal contrast agents

MnO-embedded iron oxide nanoparticles (MnIO-NPs) can be treated as potential dual-modal contrast agents. However, their overall bio-effects and potential toxicity remain unknown. In this study, the metabolic effects of MnIO-NPs (dosed at 1 and 5 mg Fe/kg) on Sprague–Dawley rats were investigated using metabonomic analysis, histopathological examination, and conventional biochemical analysis. The histological changes included a focal inflammation in the liver at high-dose and a slightly enlarged area of splenic white pulp after 48 h post-dose. Blood biochemical analysis showed that albumin, globulins, aspartate aminotransferase, lactate dehydrogenase, blood urea nitrogen, and glucose changed distinctly compared to the control. The metabonomic analysis of body fluids (serum and urine) and tissues (liver, kidney, and spleen) indicated that MnIO-NPs induced metabolic perturbation in rats including energy, nucleotides, amino acids and phospholipid metabolisms. Besides, the variations of supportive nutrients: valine, leucine, isoleucine, nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate), and nicotinamide, and the conjugation substrates: glycine, taurine, glutamine, glutathione, and methyl donors (formate, sarcosine, dimethylglycine, choline, and betaine) were involved in detoxification reaction of MnIO-NPs. The obtained information would provide identifiable ground for the candidate selection and optimization.

     

感染减毒鼠伤寒沙门氏菌对小鼠粪样代谢组的影响——WIPM和Bruker 500 MHz核磁共振波谱仪检测结果的比较

鼠伤寒沙门氏菌属于胞内侵袭性兼性厌氧菌,减毒后的鼠伤寒沙门氏菌安全性大大提高,已被广泛用于病毒、细菌及寄生虫疫苗的研制.但是目前还没有研究利用代谢组学方法来分析减毒鼠伤寒沙门氏菌感染对宿主和肠道菌群相互作用的影响.同时中国科学院武汉物理与数学研究所自主研发的WIPM 500 MHz核磁共振(NMR)波谱仪已经研制成功,但是该谱仪是否可以用于代谢组学研究尚未经过考证.本研究同时使用WIPM和Bruker500 MHz核磁共振波谱仪对同一批减毒鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠的粪样进行检测,并结合多变量数据分析方法来研究减毒鼠伤寒沙门氏菌感染对小鼠粪样代谢组的影响.研究结果表明,WIPM NMR波谱仪检测数据的分析结果与Bruker NMR波谱仪的实验结果具有高度的一致性,表明WIPM谱仪可以用于代谢组学研究.研究发现减毒鼠伤寒沙门氏菌感染能够引起小鼠粪样代谢物中多种氨基酸和尿嘧啶含量的上升,并伴有胆汁酸、乳酸和丙酸含量的下降.以上代谢物含量的改变表明,减毒鼠伤寒沙门氏菌感染使小鼠肠道微生物的代谢功能发生了紊乱.     

NMR-based metabonomic analyses of the effects of ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxide (USPIO) on macrophage metabolism

The metabonomic changes in murine RAW264.7 macrophage-like cell line induced by ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxides (USPIO) have been investigated, by analyzing both the cells and culture media, using high-resolution NMR in conjunction with multivariate statistical methods. Upon treatment with USPIO, macrophage cells showed a significant decrease in the levels of triglycerides, essential amino acids such as valine, isoleucine, and choline metabolites together with an increase of glycerophospholipids, tyrosine, phenylalanine, lysine, glycine, and glutamate. Such cellular responses to USPIO were also detectable in compositional changes of cell media, showing an obvious depletion of the primary nutrition molecules, such as glucose and amino acids and the production of end-products of glycolysis, such as pyruvate, acetate, and lactate and intermediates of TCA cycle such as succinate and citrate. At 48 h treatment, there was a differential response to incubation with USPIO in both cell metabonome and medium components, indicating that USPIO are phagocytosed and released by macrophages. Furthermore, information on cell membrane modification can be derived from the changes in choline-like metabolites. These results not only suggest that NMR-based metabonomic methods have sufficient sensitivity to identify the metabolic consequences of murine RAW264.7 macrophage-like cell line response to USPIO in vitro, but also provide useful information on the effects of USPIO on cellular metabolism.     

大鼠粪样中几种糖类物质的结构确定

粪样代谢组能够反映宿主和肠道菌群相互作用的共代谢信息,然而粪样中糖类物质的归属信息迄今仍不完善. 该研究使用1D NMR技术检测到大鼠粪样中木糖、阿拉伯糖、半乳糖等单糖以及由阿拉伯糖和木糖组成的寡聚糖. 在使用固相萃取（SPE）方法进行分离富集的基础上,结合使用2D NMR实验技术（¹H-¹H COSY,¹H-¹H TOCSY,¹H-¹³C HSQC,¹H-¹³C HMBC以及DOSY）确定了这些糖类物质的结构,并对其1H NMR和¹³C NMR谱峰进行了归属.     

肝肿瘤细胞HepG2代谢指纹及代谢足迹的NMR分析

细胞代谢特征的分析是认识细胞生物化学过程物质基础的一个关键点. 该文使用培养72 h的肝肿瘤细胞HepG2为模型,使用一维与二维核磁共振谱学分析方法, 分析了该细胞本身及其培养液中代谢物的组成,确定了50余种覆盖三羧酸循环、糖酵解、氨基酸合成、脂肪酸与胞膜代谢、嘌呤与嘧啶代谢等多个代谢途径的代谢物,发现细胞本身与培养基中代谢物组成能够分别提供“细胞代谢指纹”与“细胞代谢足迹”等互补性信息. 同时发现此方法可用于研究植物次生代谢物槲皮素对肝肿瘤细胞HepG2代谢的影响. 结果表明,核磁共振波谱技术是分析细胞代谢组特征和研究药物对细胞代谢影响规律的有效手段.     

代谢组NMR分析与药物毒理研究

代谢组学是定量研究生物体内源性代谢物整体及其变化规律的科学,是系统生物学的一个重要组成部分. 通过代谢组分析,可以较为全面地认识给定生物系统受内因或外因的影响后其生物化学过程变化的规律. 目前,代谢组分析检测技术主要包括核磁共振波谱技术及色谱-质谱联用技术. 代谢组数据分析和挖掘技术主要包括非监督与监督的多变量分析模式识别方法. 目前已被广泛应用于病理生理、基因功能、药物毒理和环境毒理等领域. 该文简要综述了代谢组NMR分析中的实验设计、NMR谱的获取、模式识别技术和代谢组学在药物毒理评价中的应用. 