內(nèi)源性代謝物檢測方法及應(yīng)用
代謝物 (Metabolites) 指的是在整個細(xì)胞活動中作為前體、中間體和最終產(chǎn)物存在的生物小分子[1]。它們可以啟動細(xì)胞信號級聯(lián)，調(diào)節(jié)各種生物過程，并提供細(xì)胞狀態(tài)的直接信息。人體中的代謝物包括內(nèi)源性代謝物 (由人體中的生命活動產(chǎn)生的生物小分子) 和外源性代謝物 (指的是來源于飲食等由外來途徑攝入人體的)。人體內(nèi)源性代謝物一般包括來源于細(xì)胞、組織和體液中的小分子代謝物 (圖 1)，對人體內(nèi)源性代謝物的研究一直被用于健康評估和疾病診斷[2]。由此衍生出代謝組學(xué)。
圖 1. 來源于體液和細(xì)胞的代謝物[2]
表面增強拉曼光譜 (SERS) 是一種超靈敏和高度特異的光學(xué)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(yīng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入質(zhì)量分析儀進(jìn)行質(zhì)量測定。MS 被廣泛應(yīng)用于通過直接注射或色譜分離來分析生物樣品。質(zhì)量準(zhǔn)確度的最新改進(jìn)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(dāng)頻率的電磁輻射，可在所產(chǎn)生的磁誘導(dǎo)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(rèn)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(jìn)而引起體內(nèi)代謝物的改變。對機體的代謝物進(jìn)行定性和定量分析，可以找到疾病的標(biāo)記物，進(jìn)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(yīng)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(jìn)行代謝組學(xué)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(biāo)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(xué)分析[5]
此外還有，美國康奈爾大學(xué)營養(yǎng)科學(xué)部 Patrick J. Stover 教授設(shè)計了一項針對大學(xué)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(dāng)代大學(xué)生腹型肥胖的潛在生物標(biāo)記物[7]。
除了應(yīng)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(xì)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(yīng)性基團(tuán)的代謝產(chǎn)物 (如 methylglyoxal, 4-hydroxynonenal, and glutaconyl-CoA) 或充當(dāng)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(dǎo)有毒中間體的積聚并毒害癌細(xì)胞[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(yīng)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。
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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。 |
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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(xì)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(xì)胞生長，分化和器官發(fā)生中起重要作用。 |
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是維生素 B3 或煙酸的一種形式，可抑制 SIRT2 的體外活性。 |
參考文獻(xiàn)
[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.
