內(nèi)源性代謝物檢測方法及應用

圖 1. 來源于體液和細胞的代謝物^[2]

一般來說，代謝組學是對體液、細胞和組織中的代謝產(chǎn)物進行分析，通常被用作生物標志物發(fā)現(xiàn)的工具^[3]。近些年來，代謝組學的技術(shù)在不斷進步，質(zhì)譜 (MS)、核磁共振 (NMR) 以及它們與色譜的結(jié)合已廣泛應用于代謝物的分離和檢測。

表面增強拉曼光譜 (SERS) 是一種超靈敏和高度特異的光學檢測技術(shù)，得益于拉曼光譜的分子“指紋”和等離子體納米材料的巨大信號增強 (低至單分子水平) 。拉曼光譜作為光與樣品相互作用時發(fā)射的非彈性部分，顯示出指紋特征和窄帶寬的高度特異性。它可以揭示分子振動、旋轉(zhuǎn)和過渡信息，換言之，可以反應分子的結(jié)構(gòu)信息。在一些特殊的材料表面，分子的拉曼散射光譜強度能得到非常顯著的增強。這種散射光譜的增強使人們可以更加容易的利用拉曼光譜進行樣品的分析。作為一種新興的代謝產(chǎn)物檢測方法，SERS 已通過標準化的底物制備和檢測程序開發(fā) (圖 2)^[2]。

圖 2. 表面增強拉曼光譜 (SERS) 對代謝物的檢測流程[2]

 

質(zhì)譜 (MS) 是一種測量離子質(zhì)荷比的分析方法。質(zhì)譜的基本原理是電離樣品中的每一種成分，以產(chǎn)生具有不同電荷質(zhì)量比的帶電離子，然后離子束進入質(zhì)量分析儀進行質(zhì)量測定。MS 被廣泛應用于通過直接注射或色譜分離來分析生物樣品。質(zhì)量準確度的最新改進極大地拓寬了 MS 能夠以更高精度分析的代謝物范圍。通過具有高靈敏度和高分辨率的 MS 可以實現(xiàn)各種代謝產(chǎn)物的定量，以獲得代謝信息^[2]。例如，通過基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜 (LDIMS) 檢測尿液中的代謝物，以確定腎臟疾病亞型特征^[4]。同樣，在 LDIMS 的幫助下，通過血清代謝物檢測實現(xiàn)了早期肺腺癌的診斷^[5]。
核磁共振 (NMR) 檢測代謝產(chǎn)物是基于不同核自旋運動的差異。在強磁場中，某些元素的原子核和電子能量本身所具有的磁性，被分裂成兩個或兩個以上量子化的能級。吸收適當頻率的電磁輻射，可在所產(chǎn)生的磁誘導能級之間發(fā)生躍遷，同時會產(chǎn)生共振譜，可用于測定分子中某些原子的數(shù)目、類型和相對位置，從而能夠分析代謝物的結(jié)構(gòu)。核磁共振能夠獲得整個代謝的信息，被認為是體液分析中最成功的分析技術(shù)之一。然而，受限于相對較低的靈敏度，NMR 僅適用于足夠濃度的代謝物^[2]。
3 種檢測方法的比較如下：

表 1. MS, NMR 和 SERS 對代謝物檢測的比較^[6]

疾病會使體內(nèi)的生理過程發(fā)生變化，進而引起體內(nèi)代謝物的改變。對機體的代謝物進行定性和定量分析，可以找到疾病的標記物，進而可能用于疾病的診斷，對于早期診斷疾病具有重要意義。

早期癌癥檢測大大增加了成功治療的機會，但對包括肺腺癌 (LA) 在內(nèi)的一些腫瘤的可用診斷方法有限。對于大規(guī)模臨床應用而言，理想的 LA 早期診斷必須解決快速檢測、低侵襲性和高度的可操作性。有研究者通過優(yōu)化的鐵粒子輔助激光解吸/電離質(zhì)譜 (LDI-MS) 方法對早期肺癌患者 (n=200)、健康對照 (n=200)、其它肺癌 (n=36) 以及肺良性疾病 (n=45) 的 481 份人血清樣本進行代謝組學分析，然后通過儀器模擬算法，確定了一個由七種代謝產(chǎn)物和相關(guān)途徑組成的生物標志物組，以區(qū)分早期 LA 和對照組 (p<0.05)，對于早期診斷 LA 有重要意義^[5]。

圖 3. 對血液的代謝組學分析^[5]

此外還有，美國康奈爾大學營養(yǎng)科學部 Patrick J. Stover 教授設計了一項針對大學新生的為期 9 個月的前瞻性研究 (n=264) 來探索年輕人代謝組與突發(fā)性肥胖增加的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)戊糖磷酸途徑代謝產(chǎn)物赤蘚糖醇，可能是當代大學生腹型肥胖的潛在生物標記物^[7]。

除了應用于疾病診斷，內(nèi)源性代謝物本身在體內(nèi)還發(fā)揮著重要作用。許多疾病與內(nèi)源性代謝物的改變有關(guān)，可以從內(nèi)源性代謝物著手研究尋找治療疾病的藥物，為新藥研究提供新的方法。

在癌癥治療方面，內(nèi)源性代謝物也可提供新的思路。有研究表明，細胞中正常產(chǎn)生的許多代謝產(chǎn)物可能具有高度毒性，如含有反應性基團的代謝產(chǎn)物 (如 methylglyoxal, 4-hydroxynonenal, and glutaconyl-CoA) 或充當與其他代謝產(chǎn)物競爭類似物的代謝產(chǎn)物 (如deoxyuridine triphosphate and l-2-hydroxyglutarate)。如果代謝途徑含有有毒的中間體，那么我們可以通過靶向下游酶來誘導有毒中間體的積聚并毒害癌細胞^[8]。

 

圖 4. 根據(jù)作用機制的不同的毒性代謝物分類 (a. 反應集團；b. 毒性類似物；c. 興奮毒性)^[8]

 

綜上所述，內(nèi)源性代謝物除了在體內(nèi)作為功能小分子存在外，還在疾病診斷和疾病治療方面發(fā)揮著越來越多的作用，相信內(nèi)源性代謝物在不久的將來還可應用于更多的領(lǐng)域 (比如中醫(yī)藥現(xiàn)代化領(lǐng)域等)，將發(fā)揮更多更廣的作用。

 

相關(guān)產(chǎn)品

2-Deoxy-D-glucose 葡萄糖類似物，為葡萄糖代謝抑制劑，通過作用于己糖激酶來抑制糖酵解。

ATP 體內(nèi)能量儲存和代謝的重要物質(zhì)，為代謝提供能量，同時在細胞中作為輔酶發(fā)揮作用，是免疫和炎癥中重要的內(nèi)源性信號分子。

Retinoic acid 維生素 A 的代謝產(chǎn)物，在細胞生長，分化和器官發(fā)生中起重要作用。

Nicotina‍mide 是維生素 B3 或煙酸的一種形式，可抑制 SIRT2 的體外活性。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務

參考文獻

[1] Damiani C, et al. Systems metabolomics: from metabolomic snapshots to design principles. Curr Opin Biotechnol. 2020;63:190-199.
[2] Lu Y, Lin L, Ye J. Human metabolite detection by surface-enhanced Raman spectroscopy. Mater Today Bio. 2022;13:100205.
[3] Johnson CH, Ivanisevic J, Siuzdak G. Metabolomics: beyond biomarkers and towards mechanisms. Nat Rev Mol Cell Biol. 2016;17(7):451-459.
[4] Yang J, Wang R, Huang L, et al. Urine Metabolic Fingerprints Encode Subtypes of Kidney Diseases. Angew Chem Int Ed Engl. 2020;59(4):1703-1710.
[5] Huang L, Wang L, Hu X, et al. Machine learning of serum metabolic patterns encodes early-stage lung adenocarcinoma. Nat Commun. 2020;11(1):3556.
[6] Emwas AH. The strengths and weaknesses of NMR spectroscopy and mass spectrometry with particular focus on metabolomics research. Methods Mol Biol. 2015;1277:161-193.
[7] Hootman KC, Trezzi JP, Kraemer L, et al. Erythritol is a pentose-phosphate pathway metabolite and associated with adiposity gain in young adults. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(21):E4233-E4240.
[8] Lee N, Spears ME, Carlisle AE, Kim D. Endogenous toxic metabolites and implications in cancer therapy. Oncogene. 2020;39(35):5709-5720.