方面开展了深人的工作。他们的研究表明采用代谢组学方法可判断毒性影响的组织器官及其位点，推测药物相关作用机制，确定与毒性相关的潜在生物标志物；并在此基础上可建立供毒性预测的专家系统以及毒物影响动物内源性代谢物随时间的变化轨迹。在COMET研究项目中，对147种典型药物的肝肾毒性进行了研究。通过检测正常和受毒大鼠和小鼠的体液、组织中代谢物的NMR谱，结合已知毒性物质的病理效应建立了第1个大鼠肝脏和肾脏毒性的专家系统。该专家系统分为3个独立的级别可实现正常/异常的判别、对未知标本进行毒性或疾病的识别以及病理学的生物标志物识别。目前COMET计划的目标是研究标准有毒药物的分子机制，进而建立可预测性的构效关系[110,111]。最近Mally等EM对
1
H-NMR代谢组学方法用于肾功能损伤标志物的可行性进行了研究。他们采用
FeNTA或溴化钾引起的两种肾功能损伤小鼠模型，研究了4-羟基-2（E）-壬醛基-巯基尿酸作为肾功能损伤标志物的可行性。结果表明1H-NMR代谢组学方法可以用来指示肾功能损伤，但对氧化应激无特异性；HNE-MA和其他的磷脂过氧化标志物有很好的相关性，标志物的类型与病理条件有关，尚未发现普适性的氧化应激标志物。
1. 3. 2疾病研究
由于机体的病理变化，代谢产物也产生了某种相应的变化。对这些由疾病引
起的代谢产物的响应进行分析，即代谢组学分析，能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径，还有助于疾病的生物标志物的发现和辅助临床诊断的目的。如Brin-die等应用1H-NMR技术以36例严重心血管疾病患者和30例心血管动脉硬化患者的血清和血浆为研究对象进行了代谢组学分析，结合PCA、SIMCA、PL^DA、OSC-PLS等模式识别技术实现了对心血管疾病及其严重程度的判别，得到了高于90%的灵敏度及专一性[9]。
代谢组学在疾病研究中的应用主要包括病变标志物的发现、疾病的诊断、治
疗和预后的判断[113,114]（详见第9~11章）。最广泛的应用是发现与疾病诊断、治疗相关的代谢标志物（群），通过代谢物谱分析得到的相关标志物是疾病的分型、诊断、治疗的基础。目前已有较多文献报道代谢组学在疾病研究的应用，如新生儿代谢紊乱[115,116]、冠心病[117]、膀胱炎[118]、高血压[119]和精神系统疾病[120]等。
作者课题组将所建立的代谢组学方法应用于重大疾病（如肿瘤、2型糖尿病、重型肝炎等）的病变标志物研究中，建立了基于正相液相色谱/电喷雾线性离子阱质谱方法，用于体液中磷脂的代谢轮廓谱分析[121,122]。将该方法用于2型糖尿病和健康人进行分类研究，识别出4种可能的磷脂分子生物标志物研究了n-3型多烯脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）对人类JurkatE-6-lT细胞中膜脂筏和可溶膜区域中几种主要磷脂组成的影响。结果表明，EPA或DHA能够使脂酰链为n-3多不饱和脂肪酸（PUFA）的磷脂含量显著增加，揭示了PUFA免疫抑制作用的分子机制[123~124]。作者课题组还建立了基于固相萃取（SPE）-HPLC的体液中核苷代谢轮廓分析方法[125~127]，并将该方法应用于肿瘤的研究中，建立了正常人和癌症患者尿中核苷的排放水平和模式；比较了不同癌种之间排放水平的差异，检测癌症的敏感性均显著高于目前已临床应用的肿瘤标志物。同时在区分良恶性肿瘤、监测手术和化疗效果以及预测肿瘤复发等方面都有较好的价值[127]（详见第10章）。同时将基于液相色谱质谱联用（LC-MS）方法的代谢组学平台应用于肝病的研究中，实现了不同肝病患者与正常人进 行有效区分，肝癌诊断中肝炎和肝硬化患者的假阳性率仅为7.4%[37]应用于慢性乙型肝炎的急性发作样本，诊断正确率为100%；并鉴定出1个传统标志物和4个新的标志物
[58]
。
1.3.3 植物代谢组学
植物代谢组学[128]的很多研究集中在细胞代谢组学这个相对独立的分支。主
要是通过研究植物细胞中的代谢组在基因变异或环境因素变化后的相应变化，去研究基因型和表型的关系及揭示一些沉默基因的功能，进一步了解植物的代谢途径[129,130]（详见第14章）。植物代谢组学研究大多集中在代谢轮廓或代谢物指纹图谱（metabolite fingerprinting）上。根据对象的不同，植物代谢组学的研究主要包括：①某些特定种类（specie）植物的代谢物组学研究。这类研究通常以某一植物为对象，选择某个器官或组织，对其中的代谢物进行定性和定量分析。②不同基因型（genotype）植物的代谢组学表型研究。一般需要两个或两个以上的同种植物（包括正常对照和基因修饰植物），然后应用代谢组学对所研究的不同基因型的植物进行比较和鉴别[131,132]。③某些生态型（ecotype）植物的代谢组学。
这类研究通常选择不同生态环境下的同种植物，研究生长环境对植物代谢物产生的影响。④受外界刺激后的植物自身免疫应答。
植物代谢组学研究最具代表性的是Fiehri等[133~135]的工作，他们利用GC/MS
技术通过对不同表型萌芦韧皮部（cucurbita maxima phloem）的433种代谢产物进行代谢组学分析，结合化学计量学方法（PCA、ANN和HCA）对这些植物的表型进行了分类，找到了4种在分类中起着相当重要的代谢物质：苹果酸（malicacid）和柠檬酸、葡萄糖和果糖。与线粒体和叶绿体中的基因型结果一致。
随着植物细胞代谢组学的迅速发展，人们已经开始利用这一技术的成果。
Meta-nomics公司的成立就是一个典型的代表，他们的目标是寻找植物代谢过程中的关键基因，如能够让植物耐寒的基因。其思想就是遵循代谢组学的方法，在改变植物的基因后，进行植物的代谢分析或记录代谢产物，从而更迅速地掌握有关植物代谢途径的信息。
目前所发现的次生代谢产物大约有80%来自植物。植物次生代谢产物包含很
多功能组分，可用作药物（如青蒿素、紫杉醇、三萜皂苷等）、杀虫剂、染料、香精香料等。尽管植物能合成数十万种低分子质量的有机化合物（次生代谢产物），很多具有利用价值，但植物细胞的巨大合成能力并没有被很好地利用，更重要的是重要次生代谢产物的含量很低，如我国科学家首先自青蒿中分离得到的对脑疟等恶性疟疾有突出疗效的青蒿素，在青蒿中的含量低于1%，与人们的期望相差甚远。到目前为止，植物的次生代谢网络没有被很好地表征，与生物合成相关的功能基因组图还远未完成。而这些对突破植物或植物细胞培养低产率的瓶颈十分重要。为此，我们与中国科学院北京植物研究所合作，开展了青蒿中萜类物质的代谢途径的研究。建立了基于全二维气相色谱-飞行时间质谱联用技术（GC×GC-TOFMS）的青蒿挥发油分离分析方法，对青蒿中挥发油的成分进行分析，结果表明挥发油主要由烷烃、单萜、单萜含氧衍生物、倍半萜、倍半萜含氧衍生物5部分组成[136]。用全二维气相色谱与飞行时间质谱联用技术可从青蒿挥发油中鉴定出300多个化合物，并鉴定出了青蒿素代谢途径中的重要中间产物。采用GC×GC-TOFMS方法对转不同基因青蒿样品进行分析与定性，初步鉴定了将近100种萜类物质并找出普通植株与转基因植株在代谢产物上的差异。利用气相色谱火焰离子化检测器（GC-FID）和GC/MS方法为主要手段，对不同生长阶
段的青蒿代谢指纹谱进行了研究[137]，青蒿的5个生长时期（幼苗期、成苗期、现蕾前期、现蕾期和盛花期）可以得到很好的区分，并证实了青蒿素产生途径中瓶颈的存在。
1.3.4微生物代谢组学
第一篇微生物代谢组学文献报道了基于GC-MS技术，通过分析脂肪酸、氨
基酸和糖类并结合化学计量学方法监测肠系膜明串珠菌发酵生产葡聚糖过程中的微生物污染[138]。目前，代谢组学技术已应用于微生物表型分类[139]、突变体筛选[140]、代谢途径及微生物代谢工程[141,142]、发酵工艺的监控和优化[143,144]及微生物降解环境污染物[145,146]等方面[147]（详见第15章）。
Buchholz等将快速取样技术和其他分析技术结合，实现了细胞内大量代谢物
的快速、高频率定量，使之能够用于发酵过程的动态检测。该技术将帮助研究各种因素对发酵的影响，从而提高生物工程的产量。Dalliige等采用液相色谱与串联质谱联用对发酵过程中的氨基酸实现了监测，通过分析认为其中的一个子集可反映发酵的状态。Grivet等[148]对NMR这一技术用于微生物代谢组学研究做了较为详尽的综述；Ishii等[149]对微生物细胞中的计算机模拟做了很详细的综述，这里就不再赘述了。我们在研究不同基因修饰下胞内和胞外代谢物的变化规律与特点，比较不同底物、不同菌株胞内代谢物指纹谱的差异的基础上，考察了环境对微生物代谢的影响[150]，得到不同条件下嗜碱乳酸菌胞内氨基酸变化与发酵液中乳酸产量的关系。研究铜绿假单胞菌和大肠埃希菌在不同抗生素作用下三羧酸（tricarboxylicacid, TCA）循环和糖酵解途径中主要有机酸类代谢产物代谢池的变化，发现在铜绿假单胞菌中喹诺酮类抗生素对TCA代谢物的影响与β-内酰胺类表现为负相关，这种相关性在抗菌活性上反映为具有正协同作用。对野生株、Δack和Δsdh基因修饰株大肠杆菌产琥珀酸情况进行分析发现，以葡萄糖和果糖为碳源时，Δack株的生物量明显低于其他两株，而且同样条件下，果糖为唯一碳源的情况下，生物量高于葡萄糖为碳源的情况。通过对胞内代谢通量的分析发现，Δack株的代谢通量改变较为显著。
1.3.5 代谢组学与中医药现代化
中医药学是我国医学科学的特色，也是中华民族优秀传统文化的重要组成部
分。由于受我国科学技术整体水平的限制，中药研究水平较低、中药产业科技含
量差、作用的物质基础研究有限、作用机制缺乏科学研究、药材资源数量和质量的制约因素多、认识中药毒性和不良反应还存在误区。这些因素严重地影响了中药在世界范围内的广泛使用和国际地位。正是基于此，国家提出了使用现代科学技术来研究中药中的药物作用的物质学基础、中药的质量控制、中药的毒性研究等，即中药现代化的研究。
代谢组学的核心是研究外源性物质对生物体所产生的整体性效应。用它研究
药物对机体所形成的内源性代谢组的系统作用时，其研究方法与中医治疗疾病的整体观念相一致[151]，从此意义来看，立题运用代谢组学研究中药，对认识中药的药效作用的物质基础、产生毒副作用的物质基础，认识正确用药剂量和疗程、防止毒性反应都非常有意义，也是系统生物学时代给我们提供的一个机遇。因此，刘昌孝、王永炎、张伯礼、石学敏、陈凯先、胡之璧、杨胜利、肖培根、李连达、许国旺、王广基建议国家重大专项研究计划项目设立“基于代谢组学的中药现代研究”的专项[152,153]。在2005年纪念《传统药物学杂志》创刊25年出版100卷时出版的专集文章中明确认为，传统药物与系统生物学的整体观是完美的匹配，肯定地认为代谢组学技术是系统生物学研究的关键技术。用代谢组学研究中药，可对中药方剂配伍的科学性、中药种质资源、中药作用机制[155]、中药的临床前安全性和毒性[156]及中医疾病诊断的科学性进行研究。这方面已有很好的综述
[157~159]
，这里不再展开。有兴趣的读者可参看本书第13章的内容。应该注意的
一点是，中药代谢与肠道菌群密切相关[160,161]。由于大部分中药都是口服给药，肠道细菌的基因组会首先受到这些药的“攻击”。所以，要了解肠道细菌的基因组对中药汤剂的毒性和有效性是如何反应、调节的。这些机制的阐明，有可能会开发出一种突破性的治疗方法——通过调节人体的细菌就可以治疗疾病。
1.4 代谢组学发展展望
从总体来看，代谢组学仍然处于发展阶段，在方法学和应用两方面均面临着极大的挑战，需要其他学科的配合和交叉。
在技术平台和方法学研究方面，生物样本的复杂性使得代谢组学研究对分析
技术的灵敏度、分辨率、动态范围和通量提出了更高的要求。代谢组学研究的深入得益于分析技术的不断发展，如高分辨质谱、超高效液相色谱/质谱、毛细管液相色谱/质谱、多维色谱质谱联用技术和多维核磁共振技术等的使用。生物标
