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代謝組學(xué)| 島津質(zhì)譜助力生物標(biāo)志物的研究與發(fā)現(xiàn)
導(dǎo)讀
代謝組學(xué)(Metabonomics / Metabolomics)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后新近發(fā)展起來的一門學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，已經(jīng)應(yīng)用到了諸如動(dòng)物、植物、微生物的機(jī)理研究中，著重探索、發(fā)現(xiàn)與疾病、醫(yī)藥、功能相關(guān)的生物標(biāo)志物(Biomarker)。生物標(biāo)志物是指“一種可客觀檢測和評價(jià)的特性，可作為正常生物學(xué)過程、病理過程或治療干預(yù)藥理學(xué)反應(yīng)的指示因子”，尋找和發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的生物標(biāo)志物已經(jīng)成為當(dāng)前生物、醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，是一場砂礫淘金、去偽存真的艱難征程，面臨諸多挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)1 生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，海量篩選，準(zhǔn)入高，難度大
相比于基因組學(xué)和蛋白組學(xué)，代謝組學(xué)難度急劇增加。原因有：
1. 目標(biāo)物范圍更廣：基因/轉(zhuǎn)錄組只需測4種核苷酸排列，蛋白組測20種氨基酸排列，代謝組則包含各類小分子代謝物，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定可比大海撈針；
2. 需要交叉專業(yè)知識(shí)：如將代謝組學(xué)應(yīng)用在生物研究中，需要分析化學(xué)背景進(jìn)行分離檢測，這些數(shù)據(jù)的正確解析和可視化需要有統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)；后需要了解生物學(xué)知識(shí)以詮釋數(shù)據(jù)背后的生物學(xué)意義；
3. 軟硬件要求高：使用的分析體系大都屬于儀器及其配套軟件，比如色-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)里色譜可選GC-MS，LC-MS，CE-MS，質(zhì)譜根據(jù)靶向、非靶向可選Q，Q-TOF，IT-TOF等；海量數(shù)據(jù)采集完畢還需要專業(yè)、多功能數(shù)據(jù)分析平臺(tái)解讀數(shù)據(jù)，后還要對潛在生物標(biāo)志物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，因此代謝組學(xué)每一步都是準(zhǔn)入高，難度大！
挑戰(zhàn)2 如何去偽存真，減少無意義差異物，找到真正的生物標(biāo)志物
代謝組學(xué)巨大的挑戰(zhàn)之一，是如何減少生物樣品本身，或采集、保存、前處理和分離檢測過程中產(chǎn)生“非預(yù)期”或“噪音”代謝物，從而去偽存真，找到真正的差異生物標(biāo)志物：
1. 個(gè)體情緒差異、非目標(biāo)病因的生理差異(近期飲食習(xí)慣、喝水量、排尿量、運(yùn)動(dòng)量、生病、過敏)、其他藥物的耦合作用/副作用，都會(huì)對個(gè)體代謝物產(chǎn)生非預(yù)期的影響；
2. 在采集樣本時(shí)，如血樣、組織、器官，采集者參差不齊的技術(shù)熟練度也會(huì)引入其他刺激和干擾因素；
3. 樣品的保存同樣會(huì)引入大量干擾物或造成樣品變化。比如保存前是否存在溶血，保存溫度，冷凍時(shí)間長短等，都會(huì)使樣品產(chǎn)生不可預(yù)期的變化；
4. 不同的樣品前處理手段，如液液萃取、固相萃取、蛋白沉淀等，其化學(xué)、物理選擇性不同；另外，操作人員的熟練度、溶液量、溶液污染、萃取柱批間差等樣本外的誤差，都可能會(huì)造成樣品組內(nèi)和組間差異。
海量的待選小分子目標(biāo)物，加上上述這些“不確定性”和“科學(xué)偏差”產(chǎn)生比生物標(biāo)志物濃度更高、響應(yīng)更強(qiáng)的無意義組別差異物，使得代謝組學(xué)在生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的路上，困難重重，猶如大海撈針，沙里淘金。雖然后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析會(huì)把大多數(shù)的這類干擾物去除，卻不能保證終能得到正確的生物標(biāo)志物，或使其處于顯著地位。
雖然代謝組學(xué)研究困難重重，但經(jīng)過多年的研究探索，科研界都認(rèn)同利用代謝組學(xué)的思路發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物是方向正確、前景廣闊的，相信隨著分析儀器，特別是質(zhì)譜及其配套軟件和科學(xué)家研究水平的提高，越來越多有用的生物標(biāo)志物會(huì)被挖掘出來造福于人類。
島津是的質(zhì)譜研發(fā)、生產(chǎn)廠家：從上世紀(jì)70年代開始研發(fā)扇形質(zhì)譜，成功生產(chǎn)了*1臺(tái)商品化扇形磁場型質(zhì)譜GCMS LKB9000；80年代開發(fā)了基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF)和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)，島津科學(xué)家田中耕一先生在2002年因?yàn)镸ALDI離子源的研發(fā)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，因此島津擁有深厚的質(zhì)譜研發(fā)基礎(chǔ)和實(shí)力。
目前島津質(zhì)譜的產(chǎn)品線齊全，有機(jī)質(zhì)譜包括單四極桿質(zhì)譜(SQ)、三重四極桿質(zhì)譜(TQ)、高分辨質(zhì)譜離子阱飛行時(shí)間質(zhì)譜(IT-TOF)和四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(Q-TOF)；無機(jī)質(zhì)譜有ICP-MS；生命科學(xué)領(lǐng)域有MALDI-TOF、質(zhì)譜顯微鏡等。這些質(zhì)譜儀器與分離技術(shù)聯(lián)用，滿足科學(xué)研究的各種需求。基于島津質(zhì)譜，國內(nèi)高校研究所發(fā)表了多篇代謝組學(xué)用于腦卒中、癌癥和動(dòng)物生理相關(guān)的生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的文章，在此系列中挑選出典型案例，幫助讀者進(jìn)一步了解疾病和生理現(xiàn)象。
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