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.      

运动员与体力劳动者代谢组学判别模型的建立

不同职业的人群健康状态不同,需要不同的健康管理方法,根据各类人群的体质特征建立健康状态的评估方法有助于开展个性化的健康指导.招募运动员(Athlete,n=31)和体力劳动者(Labour,n=42)共73人,分别收集两组志愿者的晨尿.运用一维核磁共振(1D NMR)技术检测尿液中的代谢产物.建立主成分(PCA)及正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)模型筛选2类人群间的差异代谢标志物.通过可接收操作特征曲线(ROC)评价代谢标志物的假阳性特征,t-test检验代谢标志物的显著性.利用代谢标志物建立两类人群的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)预测模型.模型的有效性通过内部交叉、置换检验和外部预测检验确认.结果显示2类人群之间差异的代谢物有24个,通过其中20个代谢标志物建立的预测模型最优(曲线下面积AUC=0.998).内部交叉验证的误判率(FDR)分别为3.2%和0.内部置换检验的p=3.34×10~(–5).外部预测检验误判率为0.这为不同职业人群健康预测模型的建立提供了思路.     

基于 1H NMR谱的给药赭石大鼠血清代谢组学研究

基于¹H NMR 的代谢组学方法对灌胃给药赭石的成年 Wistar 大鼠血清进行分析,运用主成分分析模式识别方法对所得数据进行处理,并对给药大鼠血清进行生化指标检测．研究结果表明,大鼠体内β-羟异丁酸、乙酸、丙酮、胆碱、甘油磷脂酰胆碱、葡萄糖、乳酸、低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白和脂质等内源性代谢物浓度发生明显变化,可作为赭石的特征代谢物． 2 g/kg 和 5 g/kg 体重剂量赭石使大鼠机体产生大量活性氧化物(ROS),造成过氧化损伤,导致能量代谢和糖代谢紊乱,糖酵解反应增强,并且对肝功能造成了影响．
     

电离辐射对小鼠肾脏影响的代谢组学研究

电离辐射对生物体影响是目前生物医学领域研究的热点之一.本文利用基于核磁共振氢谱（¹H NMR）的代谢组学技术研究来自暴露于不同的电离辐射的C57BL/6J小鼠的肾脏的水溶性萃取物,并试图寻找电离辐射对小鼠肾脏影响的特异性生物标志物.分析结果表明,辐射组可与相应的对照组明显区分.在所发现的75个代谢物中,有6种代谢物的浓度发生显著性变化,分别为2-氨基丁酸、3-羟基丁酸、高丝氨酸、1,3-丙二胺、β-丙氨酸和抗坏血酸.这些代谢物可能成为高剂量电离辐射对生物体肾脏代谢影响的标志物.     

Ⅱ型糖尿病肾病小鼠肾水提物代谢组学研究

应用基于核磁共振的代谢组学方法研究Ⅱ型糖尿病模型db/db小鼠已发展到糖尿病肾病时肾脏代谢表型的变化.结合偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA),结果显示,与正常组相比,模型组肾水提物中的乳酸和糖等代谢物的含量显著升高,而谷氨酸、乙酸、胆碱和甘氨酸的含量显著降低,缬氨酸、肌酐、尼克酰胺、苯丙氨酸和酪氨酸含量略有降低.实验结果表明糖尿病肾病动物模型db/db小鼠的代谢特征不同于正常小鼠.代谢组学分析方法作为辅助手段,为糖尿病肾病的发病机制提供了良好的数据支持.     

不同病程的结核病患者的血浆代谢组学研究

结核病(tuberculosis,TB)是第二大由单一病原菌感染引起的致死性疾病,致死率仅次于艾滋病.与疾病进展相关的代谢标志物的发现有利于病情的防治,而代谢组学研究则是发现代谢标志物的重要手段之一.目前与TB病人相关的代谢组学研究还不多.该文利用基于核磁共振氢谱(1H NMR)的代谢组学技术,对不同病情程度TB患者的血浆代谢组进行了研究.正交偏最小二乘法判别分析(OPLS-DA)结果显示TB各组与健康对照组均可明显分离.统计分析发现,缬氨酸、丙氨酸、肌酸和3-羟基丁酸等代谢物在TB各组含量普遍高于对照组;乳酸、丙酮酸、N-乙酰糖蛋白、亮氨酸和谷氨酸等代谢物在疾病进展过程中呈逐渐增加的趋势,而三羧酸(tricartexylic acid,TCA)循环的中间产物——柠檬酸则呈逐渐降低的趋势,表明了代谢紊乱随疾病的逐渐变化过程.这些差异代谢物的变化表明TB患者体内能量代谢与糖酵解增强、脂肪酸生酮作用增强、TCA循环受阻、氨基酸代谢紊乱.     

代谢组学方法分析鸡胚胎发育过程中脑代谢物

本文应用高分辨魔角旋转核磁共振（HR-MAS NMR）方法对发育过程中（孵化12天至出壳后1天）鸡胚胎大脑、小脑和视叶3种脑组织中的代谢物含量进行了测定,并利用模式识别方法对整体代谢特征进行了归类分析. 结果表明：胚胎发育过程中不同脑区的代谢物组成存在差异,可能与这些脑区的功能及发育特征等的不同有关. 在NMR方法检测到的多种小分子代谢物中,γ-氨基丁酸、N-乙酰天冬氨酸、牛磺酸、肌醇以及胆碱等在鸡胚胎脑组织中的分布有区域性差异,这些差异也是区分大脑、小脑和视叶组织的特征性代谢物.     

基于1H NMR的代谢组学方法研究葛根芩连汤对高果糖诱导胰岛素抵抗大鼠粪便代谢组的影响

研究表明过量高果糖摄入可诱导胰岛素抵抗（IR）.葛根芩连汤（GQD）是临床常用的治疗2型糖尿病和胰岛素抵抗的中药之一,但其对果糖诱导的胰岛素抵抗的肠道菌群影响的相关研究甚少.本文采用基于核磁共振氢谱（¹H NMR）的代谢组学方法研究了GQD对高果糖诱导的胰岛素抵抗大鼠粪便代谢组的调控作用.通过连续8周给予大鼠10%果糖水喂养,成功建立胰岛素抵抗大鼠模型,GQD治疗组在果糖水喂养第5周至第8周同时给予GQD（18.2g/kg/day）灌胃.结果表明：与正常对照组相比,胰岛素抵抗模型组大鼠的饮水量、饮食量、体重和IR指数明显增加,空腹血糖值在第8周明显上升.在第8周末期,GQD治疗组的IR指数较胰岛素抵抗模型组显著降低,并且代谢紊乱得到改善：与胰岛素抵抗模型组相比,GQD治疗组胰岛素抵抗中丙酸、乙酸、琥珀酸、牛磺酸和甘油水平增加;而正丁酸、丙氨酸和谷氨酸的含量降低.这一结果表明GQD能够改善胰岛素抵抗所引起的大鼠氨基酸代谢、脂肪酸氧化和肠道微生物代谢等代谢紊乱状态.     

棕色脂肪组织和白色脂肪组织的代谢组学研究

棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)在机体的能量代谢中起着极其重要的作用,且被认为是治疗肥胖的潜在靶点之一,然而目前对于BAT功能的代谢基础并不清楚.该文使用了基于核磁共振(NMR)和气相色谱(GC)技术的代谢组学方法,描述和比较了BAT与白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)的水溶性代谢物和脂肪酸组成的差异.研究结果表明,两种脂肪组织在糖代谢、氨基酸代谢、脂肪酸代谢、核苷酸代谢、胆碱代谢等多种代谢通路上均具有显著性差异,且这些差异与两种组织不同的生物学作用密切相关.以上研究结果将为解析BAT功能分子机制提供了线索和基础数据.     

冷冻干燥对人类体液代谢组影响的NMR研究

样品前处理是代谢组分析的重要环节,而冷冻干燥是样品前处理过程中去除溶剂的重要方法,但冷冻干燥对代谢组分析结果的影响还有待进一步研究.本文以人类尿液和血清样本为研究对象,采用核磁共振（NMR）技术分析了冷冻干燥对这两种重要体液代谢组的影响,发现冷冻干燥会引起体液样本中部分有机羧酸和氨基酸含量的改变;而且,冷冻干燥对尿液和血清样品代谢组的影响不同,这可能与两种体液的生物基质差异有关.本研究结果表明,在代谢组学研究中要格外关注冷冻干燥对样品前处理及后续数据归一化所产生的影响.     

NMR指纹图谱与模式识别方法

NMR指纹图谱与模式识别方法相结合在食物的研究中得到广泛应用,已经成功应用于食品的产地的区分,质量判定和转基因食品的安全考察等领域中. 本文综述了近些年NMR指纹图谱与模式识别方法在这些领域的应用.      

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.     

热纤梭菌中心代谢产物的归属及初步代谢组分析

热纤梭菌(Clostridium thermocellum)是一种能够高效利用木质纤维素的嗜热厌氧革兰氏阳性菌,是目前利用整合生物加工技术生产纤维素乙醇的最重要的候选菌株之一.代谢物组可以反映细胞和环境因子相互作用,是系统生物学的重要组成部分.目前,尚无使用核磁共振(NMR)方法对热纤梭菌的代谢组进行研究的报道,而对热纤梭菌代谢物的归属是进行代谢组研究的基础.该文通过1H NMR和2D NMR技术,对热纤梭菌的中心代谢产物进行了归属.在归属过程中,发现了若干特殊的重要代谢产物,包括纤维糊精、磷酸烯醇式丙酮酸、赤藓糖-4-磷酸等.这些代谢物对热纤梭菌的胞内代谢具有特殊的意义.利用已归属的代谢物,对热纤梭菌的野生型和乙醇耐受菌株进行初步的代谢组分析表明,热纤梭菌乙醇耐受性的获得,可能与纤维二糖主动合成纤维糊精途径、非氧化磷酸戊糖途径的增强及糖酵解路径的抑制密切相关.     

Evaluation of various DFT protocols for computing 1H and 13C chemical shifts to distinguish stereoisomers: diastereomeric 2‐, 3‐, and 4‐methylcyclohexanols as a test set

¹H and ¹³C NMR chemical shifts were measured for a set of six isomers—the cis and trans 2‐, 3‐, and 4‐methylcyclohexanols. ¹H and ¹³C NMR chemical shifts were computed at the B3LYP, WP04, WC04, and PBE1 density functional levels for the same compounds, taking into account the Boltzmann distribution among conformational isomers (chair–chair forms and hydroxyl rotamers). The experimental versus computed chemical shift values for proton and carbon were compared and evaluated (using linear correlation (r²), total absolute error (|Δδ|_T), and mean unsigned error (MUE) criteria) with respect to the relative ability of each method to distinguish between cis and trans stereoisomers for each of the three constitutional isomers. For ¹³C shift data, results from the B3LYP and PBE1 density functionals were not sufficiently accurate to distinguish all three pairs of stereoisomers, while results using the WC04 functional did do so. For ¹H shift data, each of the WP04, B3LYP, and PBE1 methods was sufficiently accurate to make the proper stereochemical distinction for each of the three pairs. Applying a linear correction to the computed data improved both the absolute accuracy and the degree of discrimination for most of the methods. The nature of the cavity definition used for continuum solvation had little effect. Overall, use of proton chemical shift data was more discriminating than use of carbon data. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

以小搏大--生物医药学中的纳米科技

文章对国内外纳米技术在生物、医学上应用的最新进展做了评述，所涉及的领域包括磁性纳米粒子标记、发光量子点与胶珠标记、微流体测量、药物体测量、药物传递与辅助治疗、生物分子或DNA的标记与测量，并对未来的发展提出了自己的看法。