内源性代谢物检测方法及应用 - MedChemExpress

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代谢物 (Metabolites) 指的是在整个细胞活动中作为前体、中间体和最终产物存在的生物小分子[1]。它们可以启动细胞信号级联，调节各种生物过程，并提供细胞状态的直接信息。人体中的代谢物包括内源性代谢物 (由人体中的生命活动产生的生物小分子) 和外源性代谢物 (指的是来源于饮食等由外来途径摄入人体的)。人体内源性代谢物一般包括来源于细胞、组织和体液中的小分子代谢物 (图 1)，对人体内源性代谢物的研究一直被用于健康评估和疾病诊断[2]。由此衍生出代谢组学。

[size=13.3333px]图 1. [size=13.3333px]来源于体液和细胞的代谢物[2]

内源性代谢物的检测方法

一般来说，代谢组学是对体液、细胞和组织中的代谢产物进行分析，通常被用作生物标志物发现的工具[3]。近些年来，代谢组学的技术在不断进步，质谱 (MS)、核磁共振 (NMR) 以及它们与色谱的结合已广泛应用于代谢物的分离和检测。

表面增强拉曼光谱 (SERS) 是一种超灵敏和高度特异的光学检测技术，得益于拉曼光谱的分子“指纹”和等离子体纳米材料的巨大信号增强 (低至单分子水平) 。拉曼光谱作为光与样品相互作用时发射的非弹性部分，显示出指纹特征和窄带宽的高度特异性。它可以揭示分子振动、旋转和过渡信息，换言之，可以反应分子的结构信息。在一些特殊的材料表面，分子的拉曼散射光谱强度能得到非常显著的增强。这种散射光谱的增强使人们可以更加容易的利用拉曼光谱进行样品的分析。作为一种新兴的代谢产物检测方法，SERS 已通过标准化的底物制备和检测程序开发 (图 2)[2]。

  

[size=13.3333px]图 2. [size=13.3333px]表面增强拉曼光谱 ([size=13.3333px]SERS[size=13.3333px]) 对代谢物的检测流程[size=13.3333px][2]

质谱 (MS) 是一种测量离子质荷比的分析方法。质谱的基本原理是电离样品中的每一种成分，以产生具有不同电荷质量比的带电离子，然后离子束进入质量分析仪进行质量测定。MS 被广泛应用于通过直接注射或色谱分离来分析生物样品。质量准确度的改进极大地拓宽了 MS 能够以更高精度分析的代谢物范围。通过具有高灵敏度和高分辨率的 MS 可以实现各种代谢产物的定量，以获得代谢信息[2]。例如，通过基质辅助激光解吸/电离质谱 (LDIMS) 检测尿液中的代谢物，以确定肾脏疾病亚型特征[4]。同样，在 LDIMS 的帮助下，通过血清代谢物检测实现了早期肺腺癌的诊断[5]。

核磁共振 (NMR) 检测代谢产物是基于不同核自旋运动的差异。在强磁场中，某些元素的原子核和电子能量本身所具有的磁性，被分裂成两个或两个以上量子化的能级。吸收适当频率的电磁辐射，可在所产生的磁诱导能级之间发生跃迁，同时会产生共振谱，可用于测定分子中某些原子的数目、类型和相对位置，从而能够分析代谢物的结构。核磁共振能够获得整个代谢的信息，被认为是体液分析中最成功的分析技术之一。然而，受限于相对较低的灵敏度，NMR 仅适用于足够浓度的代谢物[2]。 3 种检测方法的比较如下：

[size=13.3333px]表 1. MS[size=13.3333px], NMR 和 SERS 对代谢物检测的比较[6]

内源性代谢物用于疾病诊断

疾病会使体内的生理过程发生变化，进而引起体内代谢物的改变。对机体的代谢物进行定性和定量分析，可以找到疾病的标记物，进而可能用于疾病的诊断，对于早期诊断疾病具有重要意义。

早期癌症检测大大增加了成功治疗的机会，但对包括肺腺癌 (LA) 在内的一些肿瘤的可用诊断方法有限。对于大规模临床应用而言，理想的 LA 早期诊断必须解决快速检测、低侵袭性和高度的可操作性。有研究者通过优化的铁粒子辅助激光解吸/电离质谱 (LDI-MS) 方法对早期肺癌患者 (n=200)、健康对照 (n=200)、其它肺癌 (n=36) 以及肺良性疾病 (n=45) 的 481 份人血清样本进行代谢组学分析，然后通过仪器模拟算法，确定了一个由七种代谢产物和相关途径组成的生物标志物组，以区分早期 LA 和对照组  (p<0.05)，对于早期诊断 LA 有重要意义[5]。

图 3. 对血液的代谢组学分析[5]

此外还有，美国康奈尔大学营养科学部 Patrick J. Stover 教授设计了一项针对大学新生的为期 9 个月的前瞻性研究 (n=264) 来探索年轻人代谢组与突发性肥胖增加的关系，发现戊糖磷酸途径代谢产物赤藓糖醇，可能是当代大学生腹型肥胖的潜在生物标记物[7]。

  内源性代谢物用于疾病治疗

除了应用于疾病诊断，内源性代谢物本身在体内还发挥着重要作用。许多疾病与内源性代谢物的改变有关，可以从内源性代谢物着手研究寻找治疗疾病的药物，为新药研究提供新的方法。

在癌症治疗方面，内源性代谢物也可提供新的思路。有研究表明，细胞中正常产生的许多代谢产物可能具有高度毒性，如含有反应性基团的代谢产物 (如 methylglyoxal, 4-hydroxynonenal, and glutaconyl-CoA) 或充当与其他代谢产物竞争类似物的代谢产物 (如deoxyuridine triphosphate and l-2-hydroxyglutarate)。如果代谢途径含有有毒的中间体，那么我们可以通过靶向下游酶来诱导有毒中间体的积聚并毒害癌细胞[8]。

                                                              图 4. 根据作用机制的不同的毒性代谢物分类 (a. 反应集团；b. 毒性类似物；c. 兴奋毒性)[8]

总结

综上所述，内源性代谢物除了在体内作为功能小分子存在外，还在疾病诊断和疾病治疗方面发挥着越来越多的作用，相信内源性代谢物在不久的将来还可应用于更多的领域 (比如中医药现代化领域等)，将发挥更多更广的作用。

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参考文献

[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.