为了进一步区分肝硬化和肝癌患者，该研究做了另一个尝试。首先用与上面
类似的方法分析肝炎患者和肝癌患者；然后将肝硬化样本投影到主成分分析的得分图上（图9-6B）。这个过程类似于在肝炎和肝癌患者所得的基图上预测肝硬化患者的位置。可以看到88.9%（24/27）的肝硬化患者落在肝炎区。
图9-7是同一组数据使用OSC-PL^DA的结果。由于使用OSC去除变量中与
分类无关的部分，PL^DA又是一种有师监督（supervised）的模式识别方法，因此得到了更好的分类结果。从图9-7中可以更清晰地看到由肝炎、肝硬化到肝癌的趋势。
9.3.3潜在标志物的寻找
Borek及其合作者的研究结果表明肿瘤模型动物的修饰核苷排放的增加是由
tRNA的代谢加快所导致的，而不是由于细胞死亡或组织破坏所致。虽然这种排放的分子学机制尚不清楚，但已经开展了很多项将修饰核苷作为肿瘤生化标志物的研究。几种修饰核苷[如Pseu、二氢尿嘧啶核苷（dihydrouridine，Dhu）、mil、m2G、mlG]经常用来比较癌症患者和健康人的排放水平。
图9-8给出了顺二醇类化合物代谢轮廓分析主成分的载荷图（loading plot），
外围的变量（14#、15#、23#、25#、32#、48#、59#）对分类的贡献较大，即潜在的标志物。根据标样的结果可以知道：15#峰为Pseu，32#为mlA，59#为m1I。其他的潜在标志物还需要进行下一步的定性实验对其进行结构鉴定。结果表明，由代谢轮廓分析找到的生物标志物与图9-5A和以前研究中使用的核苷种类有着较大的不同。这说明以前的研究忽视了一些在代谢轮廓分析中有着重要作用的核苷组分。这些组分可能单个来看对诊断没有太大的影响，而是以一定的组合对诊断起着较大的影响。
9.4代谢组学用于恶性肿瘤的研究
恶性肿瘤（俗称癌症）是由控制细胞分化增殖机制的失常而引起的。癌细胞
除了生长失控外，还会局部侵入周围正常组织（浸润，invasion），甚至经由体内循环系统或淋巴系统转移到身体其他部分（转移，metastasis）。美国每年病死的5个人当中有1人是由癌症致死的，这一数字在世界范围则是十万分之一百到十万分之三百五十。癌症在发达国家中已成为主要死亡原因之一[6]。伴随着我国经济的发展，环境在一定程度上遭到了破坏，加上生活方式的改变，我国癌症
发生率也有所上升。
使用质谱（MS）和核磁共振（NMR）技术来监测恶性肿瘤中的代谢的变化
远远早于代谢组学概念的提出，并不是最近几年才出现的。使代谢组学与之前的研究区别开来的是代谢组学的研究是针对细胞、组织或器官中代谢途径的整体网络意义上的代谢物变化。最近的研究[7,10~15]显示在各种恶性肿瘤的样本（如培养的细胞、组织标本及活体肿瘤）中，代谢物的轮廓与肿瘤的类型、分化、代谢活性和细胞死亡均显示了较强的联系，说明代谢组学较适于恶性肿瘤的诊断、预后及其疗效的评价。
Carsten Denkert[16]等对原发性侵袭性卵巢癌（primary invasive ovarian
carcinoma）进行了代谢组学的分析。在该项研究中，使用气相色谱飞行时间质谱对66例原发性侵袭性卵巢癌患者和9例交界瘤（borderline tumor）患者进行了分析，291个代谢产物在80%的样本中稳定出现。通过与标准样品的质谱图和保留指数比对，鉴定出其中114个化合物（少量化合物的通过与NIST数据库比对鉴定）。使用Welch’s-t检验，找到在交界瘤和原发侵袭性卵巢癌中有显著差异的51个代谢物（P<0.01）。作者使用KEGG数据库将这些代谢的变化与相关的代谢途径和关键酶相联系。如表9-3所示，这些代谢产物主要与嘌呤代谢、嘧啶代谢、甘油脂代谢及能量代谢有关。某些统计上区别非常显著的生物标志物特 异性不高，如反映遗传压力的代谢物——脯氨酸和生育酚。但另一方面，如肌酐（creatinine）、乳酸（lactate）、1-磷酸葡萄糖（glucose-1-phosphate）及三羧酸循环的中间产物延胡索酸（fumarate）和苹果酸（malate）均发生了较大的变化，提示能量代谢发生了变化，这与恶性肿瘤代谢的周转速率加快相符，需要消耗更多的能量。
为了减少假阳性率，研究者进行了变换分析（permutation analysis），假阳性
率为7.8%。使用有师监督模式的分类算法建立了预测模型，可从侵袭性卵巢癌中区分88%的交界瘤。
9.5代谢组学在其他疾病分型和标志物发现研究中的应用
代谢组学自诞生以来，迅速地在疾病的临床和机制研究中充分展示了其威
力。表9-4选取了文献中出现的代谢组学用于该领域有代表性的研究。从表9-4中我们可以看到，可供代谢组学的分析对象很广，既可从易于获得的尿液、血样等生物体液中获得有价值的信息，又可分析与疾病紧密相关的组织（如肝脏、皮质层等）得到对疾病更进一步的理解。代谢组学研究贯穿于近乎所有的疾病研究领域，从饮食的影响、（早期）诊断、生物标志物发现、疾病分型（严重程度的判断）、恶性疾病的预后、疗效的评价到疾病分子机制的探寻。
由于代谢组学可以从生物体液中得到较以往多得多的代谢物信息，使得在不
同疾病及疾病模型中采用相似的研究策略成为可能，最终将带来代谢组学在疾病相关研究领域的繁荣。而对其中丰富信息的挖掘，使得“个性化医疗”的实现更具现实性，最终代谢组学的研究成果将给人类的健康带来质的提高和新的希望。
第12章代谢组学在营养学研究中的应用
营养学是一门研究人体的营养规律及改善措施的科学。作为一门研究食物与
健康之间关系的学科，营养学在医学体系中一直占有重要的地位。合理的饮食调配不仅有益于身体健康，而且可以早期预防一些疾病的发生，从而提高人们的生活质量[1~5]。随着现代分析技术的不断发展，代谢组学通过对体液中或组织中的代谢物的分析，不但提供了一个了解机体内物质代谢途径及其调控的机制的重要研究平台[6~9]，也为营养学提供了新的研究方法，即通过代谢组学方法研究食物中各种营养物质、生物活性物质的摄入对于机体内代谢途径的影响、干预，同时也可以通过代谢组学的方法来评估营养的摄入过程（包括肠道菌群的作用）及环境、行为等因素所带来的健康影响[1]。本章从代谢组学的不同研究层次出发，简要介绍代谢组学的技术方法在营养学研究的不同领域中的应用。
12.1简介
传统的营养学研究的内容包括机体对营养的需要、饮食营养成分的生物学功
能及营养与健康之间的关系等。其中对于营养成分功能及对于健康的影响的探讨多是利用营养物质的纯品通过体外实验来研究进行的。然而，在我们日常摄入的食物中的营养物质不仅种类繁多，而且成分复杂，这些物质满足着机体不同的需求：能量物质的摄人、各种微量元素的获取、各种体内无法合成的物质的吸收等，并且同疾病的发生、发展有着密不可分的联系。例如，对细胞分化、凋亡及细胞周期的影响，对DNA修复的调控，对各种激素分泌的调节，对致癌物质代谢的作用及在炎症应答中的作用等（图12-1）。可是，由于机体内环境的复杂性，我们对所摄入的营养物质的功能、与机体之间的作用、相互之间的影响等尚未有一个完整的认识。随着系统生物医学的发展，现代的营养学更加注重于如何通过饮食的调节来使机体内环境平衡，以预防疾病的发生。因此，在对食物中的一些确切的营养成分的功能进行单独研究的同时，也需要一种能够从整体的、系统的角度了解食物与机体相互作用的研究方法。在后基因组学时代里，转录组学、蛋白组学及代谢组学等研究平台都在不同层次上为营养学的研究提供了新的技术平台，以探索食物中的生物活性物质对于基因表型的影响。
基因组学的研究表明：个体间基因的千差万别是导致不同个体对营养的不同
需求的决定性因素，基因决定了不同的个体对各种营养物质的吸收、转化及代谢的潜在能力。基因组差异的通常的表现为单核苷酸多态性[10]，即在DNA序列内的单个碱基的变化。可以说，基因多态性是各种生命形式之间差异的根源。基因多态性在营养相关的疾病中的表现已有相关的报道[11]。在营养性相关疾病的研究中，基因水平上的变异可能是其中一些疾病发生的根本原因。由于基因对生命过程的调控是通过它所表达的蛋白质来最终实现的，蛋白质组学可以通过对蛋白质的表达状态的研究来探索营养物质与机体的相互作用及其调控机制，是目前营养学研究的重要平台。与基因组学、蛋白质组学相比，代谢组学的研究通过表征体液、组织内的代谢物浓度的变化清晰地反映出机体内的代谢途径已经发生的变化
[4]
，在反映疾病的发展状态，尤其是研究营养物质的代谢方面更加具有优势。许
多多病因性疾病（如糖尿病、肿瘤等）发生、发展的过程往往十分漫长，基因及基因表达产物的变化及它们与环境的相互作用等因素，共同导致疾病的发生及发展。上述的几种组学可以从不同的水平上对疾病的发生过程进行监控，从而来实现对疾病的预防、早期发现及干预等目标（图12-2）。对于营养学研究而言，食
物中的生物活性物质的吸收、转化及降解等代谢过程是其主要的研究目标，尤其是一些小分子的营养物质，如氨基酸、类脂、维生素等。这些都与代谢组学的研究内容相吻合。可以说，代谢组学为营养学的研究提供了一个系统生物学水平上的视角及一个全新的研究的平台。利用代谢组学的研究方法从整体的角度评估个体的饮食习惯、营养状况及不同的食物成分等与慢性疾病的发生之间的关系，研究探索体内代谢途径的改变，已经在营养学的研究实践中得到了广泛的应用。
12.2代谢组学全组分分析在营养学中的应用
在代谢组学研究的4个不同的层次[7]中，以代谢组学“全组分分析”的方法在营养学研究的应用最为广泛，而针对特定目标化合物的靶标分析及针对某一类物质的代谢轮廓分析也有许多相关的报道。在营养学研究中，系统的研究机体代谢途径中的小分子一直是其主要的研究方向。以前由于技术的限制，营养学家只能对少数的营养物质的活性成分进行分析，判断其对细胞功能的影响及与疾病的发生之间的可能关系等。随着现代分析手段的不断进步，同时、大量的分析体液或组织内的小分子化合物成为可能，这个新的研究领域也就是我们所说的“代谢组学”。可以说，代谢组学与营养学研究之间的关系非常密切。在过去的10年中，通过连续地测量体液中复杂的代谢物浓度，代谢组学实现并很好地完成了对食物及营养在复杂的机体内环境下所发挥的作用的评估[1]。有许多科学家都对人体或者动物体内的代谢同食物之间的关系进行了深入的探讨。这样，科学家们就可以从代谢的角度去解释食物的营养同人体健康之间的关系。
12.2.1代谢组学用于食物和营养对机体影响的评价
最早发表的对于食物作用的代谢评价起始于1984年，Bales等利用核磁共振谱分析了饥饿及剧烈运动后研究对象的尿样[12]。结果表明，激烈运动后人尿中的乳酸明显升高，而饥饿的时候人尿中的酮体会显著升高。在随后的20年里，代谢组学的概念在毒性及药物的研究等领域得到了迅速的发展，在对体液进行“全组分”分析的基础上，通过化学计量学的应用，可以在整体上对药物作用的效果、毒性等加以评价，并且可以作为诊断疾病及判断预后的一个工具。而食物及其营养成分与人体的作用过程与药物的作用过程十分类似，因而代谢组学全分析的方法也很快应用到食物及营养的作用评价中。
