代謝組學(xué)與同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析

由于各種代謝物同位素的混合及天然同位素的存在，樣本中同位素豐度會(huì)有所升高。因此，在分析同位素?cái)?shù)據(jù)之前，校正天然同位素豐度的影響是非常重要的環(huán)節(jié)。比如天然13C豐度可達(dá)1.1%，18O豐度為0.2%。考慮到可用同位素及質(zhì)譜的檢測(cè)能力，較好采用所有相關(guān)天然同位素進(jìn)行校正。目前相關(guān)軟件可以進(jìn)行相關(guān)校正計(jì)算。部分標(biāo)記可以為完全標(biāo)記提供相應(yīng)的補(bǔ)充信息。同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化可以采用多分類累積柱狀圖（stacked bar），不同的顏色代表不同同位素標(biāo)記形式。

代謝組學(xué)與同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用

穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)對(duì)生命科學(xué)的重大貢獻(xiàn)之一是闡明生物體內(nèi)的物質(zhì)處于不斷的動(dòng)態(tài)平衡之中，通過向生物體內(nèi)引入適當(dāng)?shù)耐�位素�?biāo)記物，在不同時(shí)間測(cè)定物質(zhì)中同位素含量的變化，就能夠了解到該物質(zhì)在體內(nèi)的變動(dòng)情況，通過定量計(jì)算體內(nèi)物質(zhì)的代謝率，獲取物質(zhì)的更新速度和更新時(shí)間等信息。因此，采用同位素示蹤技術(shù)可針對(duì)特定的通路探索代謝物來源和流向并揭示其活性從而促進(jìn)對(duì)疾病機(jī)制的認(rèn)識(shí)。現(xiàn)已越來越多的被應(yīng)用于各類疾病研究中，它們基本可以實(shí)現(xiàn)以下層次水平的研究。

非靶向代謝流分析：通過尋找到代謝網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生代謝變化pathway的關(guān)鍵代謝物的13C Flux ratio變化，揭示其相應(yīng)途徑的酶活性變化情況。

代謝途徑追蹤分析：代謝組學(xué)的研究結(jié)果無法回答代謝物的升高是因?yàn)楦�快的生成還是更慢的消耗，而這往往是問題的關(guān)鍵。穩(wěn)定同位素標(biāo)記的代謝流分析將更好的闡述代謝物濃度的變化在特定代謝通路中是如何實(shí)現(xiàn)的。通過分析下游標(biāo)記代謝物的動(dòng)態(tài)變化可以揭示代謝通路中各支路的流量變化。另一個(gè)選擇是在同位素標(biāo)記穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行分析，這樣可以避免對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析。此時(shí)，部分標(biāo)記的示蹤劑比全標(biāo)的更**。例如，[1,2 -13C]葡萄糖經(jīng)過磷酸戊糖途徑（PPP）會(huì)生成M+1乳酸，而經(jīng)過糖酵解途徑會(huì)生成M+2乳酸，兩者的比例反應(yīng)了葡萄糖流向PPP和糖酵解通路的比例。

體內(nèi)同位素示蹤：體內(nèi)同位素示蹤研究要比細(xì)胞或者微生物實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜，其不僅是分析標(biāo)記代謝物的變化，還要考慮同位素標(biāo)記代謝物的藥代動(dòng)力學(xué)信息，即外周血中示蹤劑和代謝物的水平。對(duì)于這種復(fù)雜的情況，可以**行簡(jiǎn)單的計(jì)算，如同位素轉(zhuǎn)入速率。另一種有價(jià)值的分析是檢測(cè)外周血中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到組織中的比例。比如谷氨酰胺對(duì)TCA循環(huán)貢獻(xiàn)了多少？通過注射標(biāo)記的谷氨酰胺，檢測(cè)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)外周血中標(biāo)記的谷氨酰胺和組織中標(biāo)記TCA中間產(chǎn)物的比例，可以估算谷氨酰胺進(jìn)入TCA的循環(huán)量。研究人員通過這種方法發(fā)現(xiàn)盡管在體外培養(yǎng)**細(xì)胞時(shí)谷氨酰胺是TCA循環(huán)主要的貢獻(xiàn)者，但在機(jī)體內(nèi)卻只貢獻(xiàn)很少一部分。當(dāng)注入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過代謝轉(zhuǎn)換為其他物質(zhì)，間接的為組織提供能量，如果要測(cè)量不同物質(zhì)的貢獻(xiàn)量，則需要對(duì)循環(huán)中所有物質(zhì)（如glucose, lactate,glutamine）進(jìn)行標(biāo)記。例如，通過這種方法，研究人員發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的葡萄糖主要是通過外周循環(huán)的乳酸進(jìn)入TCA：某些細(xì)胞將葡萄糖分解為乳酸，然后進(jìn)入血液循環(huán)中，再作為主要的TCA底物為大部分組織甚至**提供能量。

穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)已越來越多的被應(yīng)用于各類疾病研究中，但同位素示蹤研究工作強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)花費(fèi)高，如何投入較低的人力和物力而較大限度地獲得驗(yàn)證通量信息是關(guān)鍵。因此，同位素示蹤研究中要時(shí)刻注意以下幾個(gè)問題：

1）穩(wěn)定同位素的合理選擇；

2）樣本的處理方法和收集；

3）天然同位素豐度校正。