代谢利用

同位素示踪有助于确定器官的代谢活动，但研究不同器官内代谢异质性的方法尚不成熟。美国普林斯顿大学的研究团队利用空间分辨的同位素示踪揭示组织代谢活性，相关论文于近日发表在Nature Methods杂志上，题为：Spatially resolved isotope tracing reveals tissue metabolic activity。研究人员将稳定同位素标记的营养输注与基质辅助激光解吸电离成像质谱法（iso-imaging）结合，以空间分辨的方式定量哺乳动物组织中的代谢活动。他们在肾脏中观察了皮质及髓质的糖异生通量和糖酵解通量发现，肾脏各区域对三羧酸循环基质的使用不同，皮质优先使用谷氨酰胺和柠檬酸，髓质优先使用脂肪酸。此外，他们还观察了在生酮饮食下大脑中碳被利用于三羧酸循环和谷氨酸的具体情况。在富含碳水化合物的饮食中，葡萄糖始终占主导地位，但在生酮饮食中，3-羟基丁酸在海马体中的贡献最大，在中脑中的贡献最小，脑内氮的来源也有所不同，支链氨基酸主要分布在中脑，而氨则主要分布在丘脑。综上，这种方法将稳定同位素注入与成像质谱法相结合，可以空间分辨率定量分析哺乳动物组织中的代谢活动。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-021-01378-y

关键词：MALDI-MSI 质谱成像、Paeonia suffruticosa 牡丹、Paeonia lactiflora 芍药、Monoterpene glycoside 单萜苷、Spatial distribution 空间分布01 前言 芍药属植物具有较高的观赏价值和经济价值，以及重要的药用价值，引起园艺学家、植物学家和草药学家的极大关注。芍药属植物约有35种，其中牡丹 (Paeonia suffruticosa，PS）和芍药（Paeonia lactiflora ，PL）是两种主要的东方药草。牡丹和芍药同属，外形也极为相似，从植株形态上进行区分：牡丹，是小灌木，有木芍药之称；而芍药是多年生草本植物。在中国、日本和韩国，牡丹皮（牡丹的干燥根皮）和白芍（芍药的根部）是具有镇痛和抗炎活性的重要中药。尽管 PS 和 PL 的植物化学和药理作用的相似性和差异性已经被广泛研究，但其空间代谢组的比较几乎没有报道。空间代谢组学是代谢组学研究发展中的一个分支，它提供了组织结构和个体代谢物之间的直接联系。阐明PS和PL的空间代谢组差异在植物分类和药用植物质量控制等领域具有重要意义。02 摘要 2021年4月，中国药科大学天然药物与中药学院国家重点实验室李萍教授、李彬教授在 New Phytologist 期刊上发表了题目为：“Unveiling spatial metabolome of Paeonia suffruticosa and Paeonia lactiflora roots using MALDI MS imaging”的研究论文，本研究结合多基质和正负离子检测模式，对牡丹和芍药的根切片进行了高质量分辨率基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI MSI）和 AP-SMALDI 串联质谱（MS/MS）成像，系统地研究了单萜糖苷类和丹皮酚苷类、单宁类、黄酮类、糖类、脂类等多种代谢产物的空间分布。利用 Li DHB 基质的串联质谱成像技术来准确区分芍药苷和芍药内酯苷两种结构异构体的组织分布。此外，参与没食子单宁生物合成途径的主要中间产物在根部成功定位和显示。03 结果 3.1MALDI MSI的PS和PL根代谢产物的原位分析采用高分辨率 MALDI MSI 和 MALDI MS/MS Imaging 相结合的方法，获得了 PS 和 PL 根横截面的综合代谢产物分布图，并进一步用 LC-MS/MS 进行了验证。代表性部位的质谱图从根的四个区域获得，包括木栓层、皮层、韧皮部和木质部（图1）。在正离子模式下，使用 DHB 基质，检测到两种主要特定类别的次级代谢物单萜糖苷类（monoterpene glycosides，MGs）和没食子单宁（gallotannins）。在 PS 和 PL 中均观察到共同的代谢物 MGs，如芍药苷/芍药内酯苷（m/z 519.1263，结构异构体)、氧化芍药苷（m/z 535.1212)、苯甲酰芍药苷（m/z 623.1525）、牡丹皮苷 A（m/z 653.1631）、牡丹皮苷 B/J（m/z 669.1580）、牡丹皮苷 E（m/z 565.1318）和苯甲酰氧芍药苷/牡丹皮苷 C (m/z 639.1475，同分异构体）。牡丹/芍药中生物合成的没食子单宁是没食子酸葡萄糖酯（即没食子酰葡萄糖，GGs）。如图1所示，观察到具有相邻峰间距为 152.01 Da 的 m/z 分布，表明母体分子上连续添加了没食子酸基团。在 PS 和 PL 中，检测到12个没食子酰基残基的取代产物（2GG-12GG，m/z 523.0485-2043.1581）。作者还发现了 PS 特有的成分—丹皮酚苷类（PGs），如牡丹酚甙（m/z 367.0790）、牡丹酚原甙和牡丹酚新甙（m/z 499.1212，同分异构体）。图1. 正离子模式下牡丹（左）和芍药（右）根横截面不同区域的 MALDI 质谱图3.2MALDI MSI比较PS和PL根单萜和丹皮酚苷类成分的空间分布图a中，通过 PS 和 PL 的横截面可以看到解剖结构中的物种多样性，PS 根木质部区域高度木质化；PS 韧皮部约占整个横切面的45-55%，PL 根的韧皮部仅占10-20%。图b中，可以看到 PS 和 PL 中单萜糖苷类的空间分布模式，芍药苷（m/z 519.1263，[M+K]+）及其衍生物主要分布在 PS 和 PL 的木栓层、韧皮部区域，PL 的木质部射线区，但在 PS 的木质部（木芯处）检测信号较低。此外，在图c中，可看到丹皮酚苷的空间分布，在 PS 根的木栓层和韧皮部中可以解吸出丹皮酚苷类化合物，如丹皮酚苷（m/z 367.0790）、牡丹酚原甙和丹皮酚新甙（m/z 499.1212，同分异构体）、丹皮酚苷A/B/C/D（m/z 651.1322，同分异构体）和丹皮酚苷E（m/z 661.1741），而 PL 的根中不存在丹皮酚苷类物质。图2 牡丹和芍药根的 MALDI 成像 （a. 甲苯胺蓝O染色的组织切片的光学图像；b. 单萜糖苷类（MGs）的离子图像；c. 丹皮酚苷(PGs)的离子图像）。3.3AP-SMALDI MS/MS成像分析结构异构体的空间分布由于存在高丰度 [M+K]+ 断裂困难、[M+Na]+ 丰度太低等问题，Li DHB 被应用于本实验 AP-SMALDI MS/MS 成像。如图3(a)所示，Li DHB 显示为产生芍药苷和芍药内酯苷的 [M+Li]+ 二级碎片的有效基质，其中两个差异片段 m/z 253.13（芍药内酯苷）和 m/z 255.11（芍药苷）被检测到。在 50μm 空间分辨率下进行 AP-SMALDI MS/MS 成像实验，并在 m/z 487.1777处检测到 [芍药苷/芍药内酯苷+Li ] + 的前体分子离子。前体分子离子和二级碎片离子的离子图像如图3(b)所示，显示了前体分子离子和最终产物离子的空间分布，在 PS 中，仅检测到 m/z 255.11，且主要在木栓层中观察到；在 PL 中检测到 m/z 255.11 和 m/z 253.13，二者分布趋势相似，且木栓层、韧皮部和木质部射线区的信号强度高于皮层和木质部维管束。通过 AP-SMALDI MS/MS 成像，芍药苷和芍药内酯苷的空间分布被清晰的呈现出来。作者使用 LC-MS 方法进一步验证 MALDI 成像结果，PS 和 PL 的根被人工分成木质部和木质部外两个部分。如图3(c)所示，LC-MS 结果与 MALDI 成像结果一致，在牡丹中仅检测到芍药苷；在芍药中，检测到了两者，并且在外层中观察到更高丰度的芍药苷和芍药内酯苷，因此，Li DHB 基质是可行的，以获得用于分辨异构体空间分布的不同片段。图3 MALDI MSI 及 LC-MS 验证。(a)前体物质m/z 487.18的串联质谱，分别来自芍药内酯苷和芍药苷。(b)像素大小为50μm的牡丹(PS，上)和芍药(PL下)根中芍药苷和/或芍药内酯苷的 MSI图。(c)用 LC-MS 从 PL 和 PS 根切片的不同部位相对定量芍药苷和/或芍药内酯苷。3.4MALDI MSI的PS及PL根部没食子单宁生物合成途径的空间分布分析下图4显示了在牡丹和芍药的根切片中显现的没食子酸生物合成途径和离子图像，在牡丹和芍药根中观察到总共13种参与没食子酸生物合成途径的代谢物，包括没食子酸、没食子酰葡萄糖、2GG -12GG。如图4所示，没食子酸（m/z 169.0142，[M-H]-）是合成没食子单宁的起始化合物。没食子酸主要分布于 PS 的木质部区域（木芯），广泛分布于 PL 的根部，形成层部位含量明显增高。β-葡萄糖苷作为没食子单宁的基本单元和主要的酰基供体，主要分布于 PS 的韧皮部，PL 的木质部射线和皮层。从 2GG-12GG 途径观察到没食子单宁空间分布的动态变化。2GG、3GG 主要分布于 PS 的木栓层和韧皮部区域，在 PL 中含量明显较低。4GG、5GG 主要分布在 PS 的木栓层、韧皮部和木质部中，PL 的木质部和韧皮部。其中，作为 6GG-12GG 合成的前体物质，5GG 相对均匀地分布于牡丹和芍药根中。从 6GG -12GG 的第二个序列中，复合单宁主要集中在 PS根的木质部导管区和PL的楔形木质部区域和皮层中，且覆盖面积呈明显下降趋势（尤其是 11GG 和 12GG ）。图4 MALDI 质谱成像技术研究牡丹和芍药根中没食子单宁生物合成途径。(a)没食子单宁的生物合成途径。(b)从 PS (左)和 PL (右)根切片获得的参与没食子单宁生物合成途径的主要中间体的质谱成像图。3.5MALDI MSI比较PS和PL根中其他代谢物的空间分布槲皮素（m/z 303.0499，[M+H]+）主要存在于 PS 和 PL 的皮层中（图5）。单糖（m/z 219.0266，[M+K]+）、二糖（m/z 381.0794，[M+K]+）、三糖（m/z 543.1322，[M+K]+）和四糖（m/z 705.1850，[M+K]+）主要积累在 PS 的皮层和韧皮部以及 PL 的皮层和木质部射线区。脂质 PC(34:2) (m/z 796.5253，[M+K]+）和 PC(36:4) (m/z 820.5253，[M+K]+）主要分布于 PS 的根系形成层和 PL 的木质部射线区。图5 从牡丹(PS，左)和芍药(PL，右)根部切片中选取的类黄酮、糖类和脂类的离子图04 总结 本研究采用 MALDI MSI 结合 LC-MS 代谢物检测技术，系统表征了单萜和丹皮酚苷类、鞣质类、黄酮类、糖类和脂类等多种代谢产物（65种）的空间分布。用高分辨 MALDI MSI 研究了两种芍药科植物牡丹和芍药共同代谢物和特定代谢物在空间分布上的相似性和差异性，为代谢物的生物合成、运输和积累研究提供了重要信息。为了解决异构代谢物空间分布不明确的问题，作者进行了 MALDI 串联质谱成像，明确了芍药苷和芍药内酯苷的空间分布。本研究表明牡丹和芍药的皮以及中心部位都含有丰富的生物活性物质，能够为传统药材加工方法的改良提供直观的依据。此外，本研究还首次绘制了参与没食子单宁生物合成途径的前体以及中间体的空间分布图，可水解的单宁主要分布在木栓层、韧皮部等，其可能在不损害细胞质成分的情况下发挥保护作用，如对抗生物压力；鞣花鞣质倾向于在木质部区域积累，这可能与木质素具有共同的支持植物的功能。综上所述，高分辨率 MALDI MSI 提供了全面、准确的代谢物空间分布，为中药的深入研究、使用和加工方法的改良提供了独特的见解。文献地址：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17393「科瑞恩特」独家代理质谱成像离子源在大中华区独家代理的两款质谱成像离子源，都可搭载Thermo ScientificTM Q ExactiveTM或Obitrap ExplorisTM系列质谱仪。AP-SMALDI 5AF高分辨自动聚焦3D快速质谱成像系统，常压操作环境，空间分辨率可达到3μm，独特3D检测模式可以检测凹凸不平的样品表面，快速检测模式可达18pixel/s，全像素检测大大提高检测灵敏度，高空间分辨率和高质量分辨率使样本中的分子化合物达到最佳成像效果。MALDI ESI InjectorTM 透射式超高分辨质谱成像系统，可以同时搭载MALDI离子源与ESI离子源，既可用于传统LC-MS/MS实验，也可用于质谱成像检测，通过双离子漏斗接口实现离子源快速切换，无需拆卸，操作便捷，并且接口可以进一步升级为MALDI-2和t-MALDI检测，大大提高空间分辨率和检测灵敏度。

2021年4月，中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室再帕尔阿不力孜、贺玖明团队在分析化学一区《Analytical Chemistry》期刊发表封面文章，题为“Mapping metabolic networks in the brain by using ambient mass spectrometry imaging and metabolomics”的研究成果，采用自主研发的质谱成像空间代谢组学技术，全面绘制了大鼠脑代谢网络，深入解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化。　　封面文章　　研究背景　　大脑是结构最复杂的器官之一，主要功能与其微区的分子相互作用密切相关。大脑的小分子调节机制对理解中枢神经功能、精神疾病机理和药物研发有很大的帮助。动物的认知过程和行为控制均依赖于脑部强大的中枢神经网络——神经连接体。科学家进行了很多研究，但是对脑部小分子网络的研究仍有不足。　　分子成像技术是研究大脑中DNA、RNA、蛋白质和代谢产物的强大工具。质谱成像技术(MSI)是一种检测大脑中蛋白质、代谢物和脂质物质的高灵敏度和高通量分子成像技术，在肿瘤边缘诊断、肿瘤生物标志物发现、药物分布和机理阐述等领域有广泛的应用。　　本文作者开发了一种基于敞开式空气动力辅助解吸电喷雾离子化质谱成像(AFADESI-MSI)技术的代谢网络映射方法，对大鼠脑不同极性的小分子代谢物(m/z 50-500 Da)进行微区分布研究，不仅鉴定出脑部几乎所有重要的代谢物，还绘制了包含神经递质、嘌呤，有机酸，多胺，胆碱、碳水化合物和脂类等20条通路的代谢网络，并使用这种代谢网络映射质谱成像方法解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化，为中枢神经系统疾病的治疗提供新的信息和见解。研究思路　　研究方法　　1.样本准备　　Sprague-Dawley大鼠模型腹腔注射东莨菪碱后被杀死(处理组，3只)，对照组大鼠(3只)也用同样方法杀死。获取大鼠整个大脑，在低温下将大脑切成连续的矢状切片(暴露出海马和纹状体)，用于Nissl 染色、H&E染色和质谱成像检测。　　2.空间代谢组实验　　使用AFADESI-MSI分析，代谢物质量数范围50-500 Da，质谱分辨率70,000。　　3.数据处理和代谢网络分析　　原始数据经过转化，再使用自建MassImager软件获取成像结果 在获取差异代谢物的高分辨率质谱信息后，使用Metaboanalys在线数据挖掘软件以褐家鼠(rattus norvegicus)为参考完成代谢物高通量定性，并输出代谢网络信息。大脑中复杂网络可视化使用Cyctoscope软件完成。　　4.统计分析　　两组大脑样本选择相同的微区，并将组织学和特征离子图像叠加进行确认。数据处理结果使用t检验(n = 3)进一步验证。大脑微区包括松果体、中脑导水管、脑桥、梨状皮质、延髓、丘脑、纹状体、海马、胼胝体、嗅球、大脑皮层、小脑皮层、穹窿、小脑延髓和丘脑。　　研究结果　　1.AFADESI-MSI用于大脑中极性代谢物的定位　　如图1所示，将大鼠大脑连续矢状切面通过ESI探针对逐个像素进行扫描，并将解吸的代谢物离子传输到高分辨率质量分析仪进行分析。图1E是大鼠脑部某个像素点的一个代表性质谱图，在该图中可以观察到数千个代谢物的峰。AFADESI-MSI图像还表明脑部不同功能性区域中代谢物浓度的变化。图1A-D显示了代表性代谢产物图像，在松果体、纹状体、海马、胼胝体和嗅球等亚区域具有特定分布。这些异质代谢分布与大鼠脑的功能和结构复杂性高度一致。　　实验结果表明，AFADESI-MSI的空间分辨率小于100μm，代谢物质量最大差异为0.001Da，同一物质的检测动态范围高达1000倍。如图1所示，通过AFADESI-MSI可在大鼠脑部检测到一些呈特征性分布有代表性的极性代谢物，其强度范围从0到104甚至到106。　　图1 (A-E)使用AFADESI-MSI获得的用于构建大鼠大脑代谢网络图的代表性极性内源性代谢物 　　(F)AFADESI-MSI数据采集过程 　　2.在大鼠脑绘制特定区域分布的极性代谢物图谱　　使用AFADESI-MSI在正离子和负离子模式下分别获得298个和372个微区轮廓清晰的代谢物离子图像。使用精确分子量并结合同位素丰度，通过人类代谢组数据库(HMDB)对离子图像进行识别，鉴定出多种内源极性代谢物，包括氨基酸、核苷酸或核苷、碳水化合物、脂肪酸和神经递质等。　　中枢神经系统(CNS)的特定功能和特定解剖区域相关。例如，乙酰胆碱在大脑皮层中高度表达 γ-氨基丁酸是一种抑制性神经递质，其在大脑皮层的信号强度较低，在中脑、嗅球和下丘脑中的浓度较高 多巴胺在纹状体含量较高 组胺(一种兴奋性神经递质)主要分布于丘脑和下丘脑。松果体在睡眠和光周期调节中起着重要的作用，并且由于其体积小容易被忽视。在松果体区域中，作者检测到106种极性代谢物，例如吲哚乙醛、吲哚、5' -甲硫基腺苷和褪黑激素，它们在该微结构的表达最高。褪黑激素由松果体分泌，起到调节昼夜节律的作用。质谱成像结果表明褪黑激素只能在松果体检测到。褪黑激素的上游代谢物血清素(5-HT)在松果体中也有特定的分布。此外一些未知的代谢物也仅在大鼠大脑的某个很小但特定的区域中。以上结果表明，AFADESI-MSI方法可以直接检测极性代谢产物，并具有高特异性，能呈现其在大脑微区分布的图像。　　3.在大鼠脑中绘制微区代谢网络图　　要了解大脑的结构区域发生的复杂代谢过程，不仅应准确表征代谢物，还要研究其相关性。从大鼠脑微区中提取代谢谱进行代谢网络重建。从15个微区提取的MSI数据进行峰挑选和峰对齐(图1F)，包括松果体、中脑导水管、脑桥、梨状皮质、延髓、丘脑、纹状体、海马、胼胝体、嗅球、大脑皮层、小脑皮层、穹窿、小脑延髓和丘脑，然后使用基于KEGG数据库的Metaboanalyst软件进行代谢网络分析。共找到20条KEGG代谢通路，包含126个具有微区信息的代谢物，图2显示了涉及丙氨酸-天冬氨酸和谷氨酸代谢、花生四烯酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、肌酸途径、GABA能突触、葡萄糖代谢、谷胱甘肽代谢、甘油磷脂代谢、甘氨酸-丝氨酸和苏氨酸的代谢、组氨酸代谢、赖氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、多胺代谢途径、嘌呤代谢、嘧啶代谢和TCA循环、色氨酸代谢、酪氨酸代谢、缬氨酸-亮氨酸和异亮氨酸代谢和类固醇激素合成途径。质谱成像方法提供了一种直接获取代谢网络信息的途径，以系统地深入了解大脑的代谢活动。　　图2 通过AFADESI-MSI和Metaboanalyst获得的大鼠脑中的代谢网络　　图3A展示了嘌呤代谢的分布和代谢途径，共包含17个核苷酸及相关代谢产物，饼图代表了某种代谢物在不同大脑微区的相对含量和分布，图3A中显示出不同代谢物的不同局部特征。例如腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)在大脑皮层和松果体中高表达，但在胼胝体和穹窿中含量较低。图3B显示了大脑不同区域的AMP分布，AMP在大脑皮层和松果体中含量很高，而在胼胝体和穹窿中含量较低。这些结果表明，大脑中代谢物分布呈现出功能性区域的差异性。这些空间和代谢途径的上游-下游转换过程为大脑局部代谢活动提供丰富信息。也证明质谱成像方法能够提供直接获取代谢网络信息的方法。　　图3 (A)通过AFADESI-MSI获得的大鼠脑中嘌呤代谢途径和相关代谢产物分布 　　(B)腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)在大鼠脑不同区域的分布 　　4.神经递质的代谢网络解析　　神经递质在大脑不同区域具有极为复杂的代谢调节网络，使这些区域的中枢神经能够从事复杂的活动。作者分析了关键神经递质的代谢调控网络，分别为多巴胺、γ-氨基丁酸、腺苷、组胺、乙酰胆碱、5-羟色胺、谷氨酸和谷氨酰胺。图4A显示了神经递质以及相关代谢产物在大鼠脑的分布特征，它们联系非常紧密(图4B)，这些神经元彼此相互作用并形成复杂的调节网络。　　图4 |(A)大鼠脑中神经递质及其相关代谢产物的分布 　　(B)神经递质调节和代谢网络 　　5.从大鼠脑的代谢网络映射中发掘空间变化　　东莨菪碱治疗的大鼠是一种学习和记忆障碍模型，通常用于研究抗遗忘药疗效。本文作者使用AFADESI-MSI分析了对照组和东莨菪碱治疗的大鼠矢状脑切片，将发现的代谢物全面映射代谢网络，并通过代谢组学分析发现空间代谢变化。不仅可以对药物准确定量，还可以检测代谢网络相关的数百种内源性代谢物在大脑特定区域的分布。图5显示了代谢网络中检测到的各种代谢物，以及在不同大脑微区代谢物的明显改变。如图5A所示，找到三种代谢物(N-甲酰基尿氨酸、L-色氨酸和5-羟色氨酸)，属于色氨酸代谢途径，意味着东莨菪碱会干扰色氨酸的代谢过程。作者分析了东莨菪碱治疗组大鼠脑的十个微区，发现脑桥中有16种表达异常的代谢产物，而在大脑皮层中发现了7种。表明在东莨菪碱治疗下，脑桥和大脑皮层可能是受影响最严重的区域。　　图5 东莨菪碱模型大脑中极性代谢网络的变化　　图6显示了其中几种异常表达的代谢产物的分布，例如腺嘌呤在小脑皮层被下调 组胺在中脑导水管中下调 桥脑中的磷酸乙醇胺、大脑皮层中的2-氧戊二酸、纹状体中的多巴胺、胼胝体中的抗坏血酸、下丘脑中的谷胱甘肽、小脑皮层中的L-天冬氨酸和L-天冬氨酸也有所变化，这些代谢物的质谱成像结果(图6A-H)和相对定量结果(图6I1-18)进一步表明，大脑中药物作用后代谢物的多样性和区域特异性。这些代谢物不分区分析、含量进行全脑平均后，代谢物的微区含量差异很容易被削减。在空间上的代谢变化表明，在东莨菪碱治疗后，大鼠脑微区的代谢网络发生紊乱。但是代谢物和代谢酶是代谢网络的关键因素，基于空间分辨的代谢组学信息为发现酶或基因异常提供了线索，但若要完成完整的代谢网络分析必须进一步验证蛋白质和基因表达水平。　　图6 在东莨菪碱治疗后大鼠模型的脑部质谱成像结果和代谢产物的统计结果　　研究结论　　本文作者开发了一种空间分辨代谢网络作图方法，通过无需衍生化、特定标记或复杂样品预处理的高通量AFADESI-MSI方法和代谢组学策略，在具有复杂结构化脑组织中发现代谢分子变化。能检测出多种极性内源性代谢物，并绘制相关代谢网络，提供组织微区分布的图谱。还将多种功能性小分子(例如核苷酸、多胺、肌酸、神经酰胺代谢物)含量分布可视化。这些代谢物构成大鼠脑关键代谢网络，为理解大鼠脑的作用机制和功能探索提供新的见解。在本文中，该方法被用于东莨菪碱处理的大鼠模型脑部的代谢研究。结合微区统计数据，该方法可以绘制代谢网络图、发现某些途径代谢产物的明显失调，而且还能描绘与神经疾病直接相关微区中发生的代谢变化。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 代谢是生理的基础。近年的研究证明，绝大多数人类疾病，如癌症、糖尿病和心血管疾病等都与代谢异常相关。因此，针对疾病的代谢水平上的分子机制研究已成为基础生物、转化医学研究和药物研发的焦点之一，而代谢组学和代谢流分析是代谢研究重要技术手段。 br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " 今天介绍的这位专家是清华大学药学院的胡泽平，其 span style=" text-indent: 2em " 课题组的主要研究方向是以先进的生物质谱为平台，发展高效、精准的新型代谢组学和代谢流分析技术；揭示生理、疾病及药物耐药性的代谢分子机制与功能；针对疾病及药物耐药性的代谢漏洞，设计新型药物治疗靶标和治疗方案；并以功能性生物标志物和药物代谢组学促进药物研发、实现精准治疗。以下内容整理自网络资源，以飨读者。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/5c22bd31-db8f-4927-a06a-643abb6f2757.jpg" title=" 胡.jpg" alt=" 胡.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style=" text-indent: 2em " 清华大学药学院 胡泽平研究员 /span /p p style=" text-indent: 2em line-height: 1.75em " span style=" text-indent: 2em " /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/bcc4f1f2-3e98-495b-ba32-e7fce58b1e48.jpg" title=" 胡2.png" alt=" 胡2.png" / /p p style=" text-indent: 2em line-height: 1.75em " strong style=" text-align: justify text-indent: 2em " Q：代谢组能让我们全面理解一个生物系统，它能为研究者提供许多功能性信息。请您介绍一下，目前代谢组学主要研究手段有哪些?该领域目前的研究及临床应用情况如何? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平：代谢是生物体进行生命活动的基础，代谢紊乱已被证明与糖尿病、肿瘤、炎症等诸多疾病密切相关。代谢组学是代谢研究的重要技术手段之一。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　从研究目的和方法的角度看，通常可将代谢组学分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学两种类型。非靶向代谢组学致力于尽可能全面地对生物体系中的所有内源性小分子代谢物进行系统分析，而靶向代谢组学则更侧重于针对科研人员所感兴趣的一组特定的代谢物进行分析。此外，近年来，结合非靶向和靶向两种方法优势的“拟靶向”代谢组学方法也得到一定程度的发展。分析手段方面，代谢组学主要采用液相色谱-质谱联用(LC-MS)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)、核磁共振(NMR)等分析平台，其中最为常用的是LC-MS平台。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　随着近年来人们越来越多的认识到代谢研究的重要性，代谢组学在生命科学和医药研究中也得到更为广泛的应用，包括细胞代谢调控、代谢新通路、疾病代谢机制、药物新靶标发现与确证、药物药效及毒性评价、疾病诊断或预后生物标志物、药物代谢组学、精准用药等领域。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　 strong Q:我们看到目前代谢组学在促进药物研发、实现精准治疗的过程中，越来越受到重视，与其它研究方法相比，它的优势有哪些?还有哪些需要克服的困难? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平:代谢物处于生物系统中生化活动的终端，因此反映的是已经发生的生物学事件。此外，基因表达和环境因素的变化对生物系统所产生的影响都可在代谢物水平上得到最终的表型体现。因此，与其他组学相比，以小分子(通常指分子量& lt 1000)代谢物为主要研究对象的代谢组学能够更为准确地反映生物体的终端和整体信息。通过代谢组学分析，可以深入理解相关的代谢异常。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　尽管代谢组学在上述的研究领域取得了广泛应用，其自身的发展仍然存在一些需要解决的问题。由于代谢物种类多样且浓度差异大，代谢物的分析仍然存在多方面的挑战，如基质效应、离子化抑制、代谢物的鉴定等。与其他组学特别是已经很大程度上实现了标准化的基因组学和转录组学相比，代谢组学的应用受到了不同实验室间差异性的阻碍，涉及大样本量如临床样本的代谢组学研究更需要高度可重复的可靠代谢组学分析方法，因此亟需进一步推进代谢组学的方法学标准化，包括从样品采集、制备和处理到数据的分析和解释的整个过程，从而在各实验室之间实现更为一致和可重复的代谢组学研究，以更高的准确度和精确度检测代谢表型的微妙差异。此外，检测和鉴定更多低丰度代谢物以实现更广泛的代谢组覆盖是代谢组学的另一项技术挑战。如干细胞代谢、肿瘤代谢异质性、发育代谢、免疫代谢等很多代谢研究中的可及样本量通常极少，需要超高灵敏度的方法来实现准确分析。另外，多组学数据整合正成为代谢研究的重大需求和技术瓶颈，需要开发新的生物信息学工具，将代谢组学与其他组学(基因组学、转录组学和蛋白质组学)相结合，并对多组学数据进行数据整合和预测建模，以加速大数据的多组学研究。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　 strong Q:通过生物质谱发展超灵敏度的新型痕量代谢组学和代谢流分析技术是您的课题组研究方向之一，请您介绍下，为什么要发展超灵敏的痕量代谢组学方法?什么是代谢流分析?它的具体作用是什么? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平:如前面提到的，如干细胞代谢、肿瘤代谢异质性、发育代谢、免疫代谢等很多代谢研究中的可及样本量通常很少，需要超灵敏的方法来实现准确分析。这将为深入理解干细胞、疾病、发育和免疫细胞的代谢分子机制提供必需的技术支持，同时也将为捕捉早期肿瘤病人血液中细微的代谢变化、检测和鉴定更多低丰度代谢物以实现更广泛的代谢物覆盖、及发现早期诊断生物标志物提供技术基础。我们前期发展的基于三重四级杆质谱的超灵敏靶向代谢组学技术率先使在5,000-10,000个分离自小鼠的造血干细胞中进行代谢组学分析成为可能，并由此取得重要生物学发现，这充分证明了超灵敏痕量代谢组学技术的重要性。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　虽然代谢组学是研究代谢的重要技术手段，但由于代谢网络是复杂并且动态变化的，而代谢组学仅能提供静态的代谢物丰度信息，因此仍存在局限性。代谢流分析技术则可以很好地弥补这一局限。代谢流分析技术利用稳定同位素标记特定的化合物，通过分析下游代谢产物的稳定同位素标记模式，推算出该化合物在在细胞内代谢通路中的周转速率、方向和分布规律 通过对不同状态的生物体进行代谢流分析，即可得到生物体特定代谢通路的活跃程度，从而在动态水平上描述细胞的代谢活性。结合代谢组学和代谢流分析技术，可以更好地理解细胞内代谢网络的代谢物水平变化、流量分布和周转速率，发掘主要代谢异常通路及其生物学功能，并揭示其上下游相互调控机制。这可为理解疾病发生机制、药物靶点发现与确证等提供强有力的科学依据。代谢流分析已经广泛应用于代谢相关疾病如糖尿病、癌症、免疫、神经退行性疾病等的发病机制研究中。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　 strong Q:我们了解到，您在2016年12月加入了清华大学药学院并建立了代谢组学与疾病代谢课题组。您认为您课题组的主要特色是什么?到目前为止，课题组进展怎样?已经取得哪些重要成果? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平:我们课题组多年来致力于疾病的代谢机制研究与药物新靶标的发现与确证，重点专注于以发现和确证药物新靶标为导向，通过发展新型痕量代谢组分析(包括代谢组学和代谢流)技术，揭示生理、疾病、或耐药性的代谢异常新通路并深入阐释其分子新机制，来发现和确证新型药物靶标，逐步形成了“发展新技术、揭示新机制、鉴定新靶标”的主要研究特色。具体来说为： /p p style=" line-height: 1.75em " 　　发展并验证基于色谱-质谱联用技术(LC-MS和GC-MS)的超灵敏痕量代谢组学方法，用于分析痕量样本(尤其是干细胞、发育)中的代谢物变化规律 发展基于稳定同位素示踪的代谢流分析技术，用于分析代谢异常通路的动态周转速率与方向 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　以所发展的代谢组学和代谢流分析技术，结合转录组学、生物信息学和分子 / 细胞生物学等方法，发掘与生理(干细胞、发育)、疾病(癌症、感染性疾病、心肌肥大)或药物耐药性相关的代谢重编程通路及其关键代谢酶，揭示其相应的功能与分子调控机制 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　基于上述功能和机制研究，发现与疾病、耐药性相关的代谢漏洞(代谢脆弱性)，确证其作为新药、克服耐药的新型分子靶标的可行性，进而用于新药研发或联合用药 发掘相应的生物标志物，用于指导临床精准用药。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　我们课题组目前已经发展了一系列基于色谱-质谱平台的代谢组学(靶向和非靶向)和代谢流分析技术方法。其中包括一种前面所提及的超灵敏的痕量靶向代谢组学方法，可在极少量(～5,000)细胞中进行代谢组学研究，并应用该方法与合作者揭示了造血干细胞异于其他造血细胞群的代谢特征及其生物学意义。此外，我们以所创建的代谢组学和代谢流分析方法为基础，进行了多项疾病代谢机制的合作研究，包括阐释了癌症细胞中新的代谢通路 非小细胞肺癌的发病、恶性黑色素瘤的转移、以及造血干细胞的代谢重编程及其分子机理，为深入理解癌症发病或转移机制，并发现新型治疗靶标提供了分子基础。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　在2016年12月回国以来的工作中，我们：1. 率先揭示了ASCL1低表达的小细胞肺癌(SCLC)亚型依赖于次黄嘌呤脱氢酶(IMPDH)介导的嘌呤从头合成的代谢机制，确证了IMPDH可作为该亚型SCLC治疗的药物新靶标，并发现了特异性靶向IMPDH的新药咪唑立宾，突破了数十年来SCLC治疗缺乏有效靶向治疗药物的瓶颈(Cell Metabolism, 2018) 2. 率先揭示了“发热伴血小板减少综合症”(Severe fever with thrombocytopenia syndrome, SFTS)病毒感染后引发精氨酸代谢异常，继而导致血小板减少和T细胞免疫功能抑制的潜在致病机制 并在临床试验中确证了“精氨酸补充疗法”可以促进患者恢复，为治疗这一致死率高达10-30%的病毒性传染病、降低病死率提供了重要的新理论和新策略(Science Translational Medicine, 2018)。另外，我们在非小细胞肺癌对EGFR TKI的耐药性、心肌肥大的代谢机制等研究中也取得了一些进展，目前相关工作正在顺利开展中。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　 strong Q:在许多代谢过程中代谢产物的动态变化范围存在个体差异问题，且易受到饮食、环境、年龄等各种因素影响，所以代谢物作为生物标记物存在一定局限性。在高噪音背景下检测出代谢组生物标记物有一定难度。您在研究过程中是否遇到过类似情况?针对这一问题，研究人员有何对策? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平:作为精准医学的“关键词”之一，生物标志物的发现已经成为当前医学领域的研究热点之一。包括代谢组学等在内的组学技术的快速发展为发现生物标志物带来了更大的可能性。如前所述，代谢物是存在于信号通路的终端产物，因此代谢组学所提供的信息与表型更为接近，更适于疾病分型和标志物发现的研究。但是在实际研究尤其是在人体研究中，不同代谢物的水平本身相差悬殊，并且容易受到年龄、性别、饮食、是否用药等其他因素的干扰。此外代谢组学常用的技术手段如质谱检测也容易受到其他杂质的干扰，表现为强烈的背景噪声，而且不同的检测和分析体系，有不同的噪音模式。因此，基于代谢组学的生物标志物发现需特别注意排除artificial的因素影响，而这一直以来都是相关研究的挑战和难题。从代谢组学分析技术层面来说，可通过利用高特异性、高灵敏度的平台，如液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)和高分辨质谱等，并采用严格的质量控制，来对包括低丰度次生代谢物在内的尽可能多的代谢物进行全覆盖分析，并进行可靠的代谢物鉴定。从生物学角度来说，单独某一种代谢物的升高，既可能是因为合成途径的增强，也可能是由于消耗途径的抑制。因此可通过分析代谢通路上、下游代谢产物来寻找一组(而不是单一的)相关性生物标记物 尤其重要的是，针对相关性生物标记物进行进一步的生物学功能和机制验证，从而实现“功能性生物标志物”的发现，将对疾病的准确诊断或预后发挥更为重要的意义。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　 strong Q:您在清华大学药学院开展代谢组学分析技术和疾病代谢研究，您认为代谢组学分析技术在药物研发中所起的作用是什么?将来还可以应用在哪些方面? /strong /p p style=" line-height: 1.75em " 　　胡泽平:多年来的研究证实，代谢在疾病的发生、发展中起着重要作用。代谢组学研究生物体在受到病理生理刺激或遗传修饰后(包括基因或环境的改变)，其内源性代谢产物的种类及数量变化，因此所有对生物体系有影响的因素均可反映在代谢组中。利用代谢组学技术对代谢组的静态和动态进行分析，可以帮助我们理解代谢异常的生物学变化过程，在疾病的病理机制、治疗靶点的发现和验证、药物的作用及毒性研究中发挥着重要作用。 /p p style=" line-height: 1.75em " 　　近年来，代谢组学在理解疾病(如肿瘤)的病理机制，以及药物的作用、毒性、耐药机制研究中的作用已经受到广泛关注。因此，代谢组学在新药靶标发现与确证，以及克服耐药性的研究，以及相应的药物研发中将发挥越来越重要的作用。此外，药物代谢组学在指导临床精准用药中也将扮演更令人鼓舞的角色。 /p p style=" line-height: 1.75em " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 0em line-height: 1.75em " 　　 span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 胡泽平课题组研究方向： /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 0em line-height: 1.75em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　基于色谱-质谱联用平台的新型代谢组学(靶向、非靶向)和代谢流分析(metabolic flux analysis)技术开发：创建和验证基于色谱-质谱联用平台(LC/MS和GC/MS)的高灵敏度、高特异性、高通量的代谢组学技术，用于分析和发现生物样本的代谢组特征与异常 创建稳定同位素示踪的代谢流分析技术，用于测量分析代谢异常相关通路的动态周转速率和方向。两者作为代谢水平上分子机制研究的互补有力工具。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.75em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 0em " 生理(干细胞、发育)、疾病(癌症、肥厚型心肌病、感染性疾病)、抗癌药物耐药性的代谢分子机制与功能：利用代谢组学和代谢流分析，结合转录组学、生物信息学和细胞、分子生物学等技术，发掘与疾病、干细胞或药物耐药性相关的代谢重编程与异常代谢通路，理解其功能与分子调控机制 并针对其代谢脆弱性发现新型药物或联合用药的分子靶标，用于新药研发、疾病分子分型和精准治疗。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.75em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 0em " 基于分子机制的功能性生物标志物研究：基于代谢组学筛选和代谢分子机制研究，发现并验证高灵敏度和高特异性的功能性生物标志物，用于癌症早期检测或药物疗效预测 并对患者进行分层，以不同治疗方案实现精准治疗。 /span /p p style=" text-align: justify line-height: 1.75em text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai text-indent: 0em " 药物代谢组学(pharmaco-metabolomics)与精准治疗：以药物代谢组学分析用药患者代谢表型的个体差异及其与药物应答(药效和毒性)及药代的相关性，并揭示其分子机制，以指导临床用药、促进药物研发、实行精准治疗。 /span /p p style=" line-height: 1.75em " br/ /p

p 　 strong 　仪器信息网讯 /strong 2016年5月6日，由中国科学院大连化学物理研究所代谢组学研究中心与大连达硕信息技术有限公司联合主办的代谢组学研究最新进展与代谢物鉴定分析交流会通过仪器信息网网络讲堂平台顺利举行。 /p p 　　本次会议采取了网络直播与现场会议相结合的模式，300多名用户报名参加了在线的网络直播会议，同时有近50名来自有大连理工大学、黑龙江中医药大学等高校的研究人员在大连化物所参加了现场会议。 /p p 　　据介绍，本次交流会的举行主要是为了庆祝OSI/SMMS 代谢组学小分子化合物快速鉴定分析软件系统开发完成。该系统由大连达硕信息技术有限公司与中国科学院大连化学物理研究所代谢组学研究中心共同开发完成，基于近2000个标准化合物，4个主流网络数据库，以及用户自建数据库，可实现代谢物的快速、批量、准确定性分析。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 会议直播.jpg" style=" HEIGHT: 347px WIDTH: 500px" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201609/insimg/dc5e6755-def3-4ad1-b27d-8b13c1d917d8.jpg" width=" 500" height=" 347" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 许国旺2c.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201605/insimg/606abeb9-aeb1-45dc-937f-46d81e32daad.jpg" / /p p 　　会议中，中国科学院大连化学物理研究所代谢组学研究中心许国旺研究员首先从代谢组学概述、代谢组学研究方法、代谢组学应用的新进展、前景展望等四个方面对代谢组学做了详细介绍。 /p p 　　代谢组学是研究生命体对于内在基因突变、病理生理变化以及外在环境等因素刺激作用下的体内的动态多元的代谢物响应，定性定量描述生物体内所有内源性代谢物。与其他组学相比，基因及环境因素改变而引起的变化在代谢组上体现的更为显著，并且代谢组变化快速、使得其对环境变化的应答更为及时灵敏，对于发现实际表型变化前的早期代谢扰动具有重要的潜力。目前，代谢组学在疾病、植物、肠道菌群、药物研发、食品等领域都有应用。 /p p 　　许国旺在报告中提到“基因组学和蛋白质组学告诉你可能发生了什么，而代谢组学则可以告诉你已经发生了什么，疾病变化往往在代谢组中能更早的体现出来，因而在早期疾病诊断中更具优势。” /p p 　　对于代谢组学的未来的发展，许国旺介绍说如何更好的表征代谢物，拓展代谢组学的分析能力，从而促进代谢组学在生化医学领域的应用是大家所关注的，如进行规模化代谢物鉴定，提高对所获取代谢物信息的利用率 高通量分析，应对大规模代谢组学分析 提高对低丰度代谢物信息的利用 由经典的表型发现向功能表征推进等。 /p p 　　大连达硕信息技术有限公司总经理曾仲大博士在会议中介绍了OSI/SMMS 代谢组学小分子化合物快速鉴定分析软件系统的开发背景，需要解决的主要问题，采取的解决方案和关键技术，以及相应的应用实例。 /p p 　　曾仲大介绍说代谢物的鉴定是后续深度生物解释的基础和前提。而目前普遍认为，常规方法(主要指LC-MS sup n /sup 、GC-MS和NMR)能检测和鉴别的代谢物应不到样品中代谢物总量的10-15%。一次常规的代谢组学血液分析，在所获得了成千上万质谱特征中，往往仅能鉴定出几十至上百种代谢物，且大多数情况下并没有验证其准确性。 /p p 　　OSI/SMMS 代谢组学小分子化合物快速鉴定分析软件系统融合多级质谱的精确质量数与保留时间信息，实现未知代谢物的多层次鉴定分析。该软件的特色在于快速、准确的实现未知代谢物定性，减少繁复的操作步骤，降低对使用者的要求。它拥有信息完备的自建标准数据库、集成了主流网络数据库、采用先进的定性匹配算法、能够实现多层次未知物定性，可实现定性经验的传递，以及丰富的数据库功能。 /p p 　　本次会议得到了用户的充分认可，会后仪器信息网的网友们通过多种渠道对许国旺研究员和曾仲大博士带来的精彩报告表示感谢。错过会议的网友们可查看本次网络讲座的视频回放，了解报告详细内容。请见链接： a href=" http://www.instrument.com.cn/webinar/Video/play/103101" http://www.instrument.com.cn/webinar/Video/play/103101 /a /p

合成生物学正在引领第三次生物技术革新，其作为底层技术将驱动多个领域的创新发展，包括医药、食品、农业、材料、环境甚至信息存储等。合成生物学是生物学工程化高度交叉的前沿学科研究域，包含几个不同的研究层次：认识生命、改造生命和创造生命；要想实现其终极目标，还需要在生命本质探索及相关技术的不断创新与应用上持续深入。我们将紧跟合成生物学领域的前沿研究进展，为大家系列解读该领域的最新科研成果。本期分享植物酶功能研究新方法，酶功能的深入认识将为下一步异源设计细胞工厂提供重要依据。研究成果来自中国科学院深圳先进技术研究院合成基因组学研究中心的赵乔研究员课题组在 Molecular Plant 上发表的题为“Glycosides-specific metabolomics combined with precursor isotopic labeling for characterizating plant glycosyltransferases”的研究论文[1]，为大家介绍一种特异针对糖基化合物的代谢组（glycosides-specific metabolomics，GSM）和同位素标记前体化合物示踪（precursor isotopic labeling，PIL）相结合的方法，可以高效、准确鉴定糖基转移酶（glycosyltransferases，GTs）在植物体内的产物，解析 GTs 在特定代谢通路中的作用。该方法极大缩小了目标化合物的范围，在糖基化合物定性、方法可靠性方面较传统生化手段或非靶向方法有较大提升，为植物糖基转移酶的功能解析提供了新手段。专家解读核心信息赵乔研究员中国科学院深圳先进技术研究院合成所合成基因组学研究中心主任。于美国俄亥俄州立大学植物系 Iris Meier 实验室取得博士学位后，在美国 Noble Foundation 美国科学院院士 Richard Dixon 实验室从事博士后研究。主要研究领域是植物天然产物的合成以及调控机制。已在该领域取得了一系列重要的成果，共发表 SCI 论文 30 余篇，累计他引 1500 次，其中第一或通讯作者的文章发表在包括 Molecular Plant、PNAS、Plant Cell 以及 Trends in Plant Science 等国际专业期刊上。“植物的次生代谢物种类繁多且修饰丰富，其中糖基化修饰在提供结构基础的同时也为其多样化的生物学功能发挥了重要作用。为了有效鉴定糖基化过程，需要使用高分辨质谱进行非靶向的特异性代谢组学研究，同时结合同位素标记来跟踪不同糖苷代谢物在突变体中的示踪结果以分析 UGTs 的功能，进而全面表征植物糖基化修饰的次级代谢物，为拓展天然化合物的高效生物合成提供依据。”酶功能研究及植物次级代谢产物鉴定的挑战植物中含有丰富的次级代谢产物，种类超过 40 万种。糖基化是一种常见的修饰方式，赋予化合物复杂且多样的结构，形成种类繁多的糖基化产物。糖基化修饰可以改变相应苷元的催化活性、溶解性、稳定性及其在细胞中的定位，在调节激素的稳态平衡，外源有害物质解毒，抵御生物和非生物胁迫中都发挥着重要的作用。同时，糖基化修饰可以改变天然产物的药理活性和生物利用率等性质，这些糖苷类化合物是天然药物的重要来源。植物 UGTs（UDP 糖基转移酶）以多基因家族的形式存在，它们能够利用不同的糖基供体，糖基化多种多样的植物小分子化合物。目前的研究多数集中在生化功能的确定上，UGTs 具有底物杂泛性和催化杂泛性，同一个 UGT 在体外可以催化结构不同的底物，且不同的 UGTs 可以识别同一种的底物。此外，由于植物体内的底物可得性和特殊且复杂多变的细胞环境，这些通过生化方法对 UGTs 活性、生理功能等的研究结果往往不能反映 UGTs 在植物体内的真实功能。GSM-PIL 方法实现对植物糖基化修饰次级代谢物的高效、准确鉴定非靶向特异性代谢组学（GSM）：基于内源碰撞诱导解离（ISCID）的中性质量丢失模式建立非靶向特异性代谢组学方法，以对糖基化修饰的次级代谢物进行针对性分析。该 GSM 方法可将受到 UDP 糖基转移酶（以 UGT72Es 为例）影响的代谢物范围从 1000 种缩小至 100 个。同位素标记前体化合物示踪（PIL，代谢流）：使用同位素标记的苯丙氨酸前体对 UGT72E 在特定的苯丙氨酸代谢通路中的作用进行示踪分析，可进一步将目标产物范围缩小到 22 个。图 1. GSM-PIL 方法解析 UGT72Es 在植物体内的功能GSM-PIL 方法的适用性及可靠性通过 GSM-PIL 方法，不但可以鉴定到已发表的两种木质素单体糖基化产物，还发现 UGT72E 家族参与植物苯丙烷通路中其他 15 种化合物的糖基修饰作用。进一步通过 UGT72Es 的体外酶活分析，植物内源基因过表达以及遗传互补等实验证实 UGT72Es 对这些化合物的糖基化作用，验证了 GSM-PIL 方法的可靠性。同时，该研究还发现了 UGT72Es 在植物体内对香豆素的糖基化作用，进而在植物碱性缺铁胁迫环境下发挥重要作用。最后，通过 UGT78D2 的功能解析，展示了 GSM-PIL 方法的普遍适用性。高分辨质谱结合数据高效提取软件协助 GSM-PIL 方法建立为了确保糖基化修饰的次级代谢物以及同位素示踪化合物的的高效检测，本研究采用安捷伦 6546 QTOF LCMS 系统进行数据采集；进一步结合 MassHunter、Profinder 数据处理软件对代谢组和同位素示踪数据进行有效提取和解析。图 2. 基于高分辨质谱的 GSM-PIL 方法建立 结 语 综上，基于液相-高分辨质谱的 GSM-PIL 方法可以高效解析 UGTs 在植物体内的功能。相对于传统一对一“钓鱼”式地探索 UGTs 功能，GSM-PIL 方法可以“捕鱼”式地一网打尽 UGTs 的产物，全面鉴定未知的底物或糖基化产物，解析 UGTs 在植物中未知的生理功能，揭示了植物中的糖基化网络比我们想象中更复杂。同时该方法可用于探索其他代谢途径，帮助人们进一步了解、进而利用植物合成途径，为拓展天然化合物的高效生物合成提供依据。参考文献：[1] Jie Wu, Wentao Zhu, Xiaotong Shan, Jinyue Liu, Lingling Zhao and Qiao Zhao. Glycosides-specific metabolomics combined with precursor isotopic labeling for characterizating plant glycosyltransferases. Molecular Plant 15, 1517-1532.

此次推出的生物转化解决方案采用了首款实现商用的蛋白质分解产物自动鉴定软件，能够加快代谢物和分解产物的鉴定速度。马萨诸塞州弗雷明翰 （2017 年 3 月 29 日） 全球知名的生命科学分析技术公司 SCIEX 今天宣布，其不断壮大的药物发现和开发解决方案家族再添新成员。常规生物转化解决方案和高级生物转化解决方案采用 SCIEX 全新的 MetabolitePilotTM 2.0 软件。这些全新的解决方案能够实现小分子代谢和生物制剂分解代谢研究的自动化，并且可以加快研究速度。两种解决方案均具备自动化结构解读、高级处理选项和抗体偶联药物 (ADC) 分析模板等功能，可以提供直观的代谢数据处理，从而提高常规和全面代谢物鉴定研究的效率，并节省成本。生物转化研究是小分子和大分子药物开发的必要组成部分。无论研究人员是迫切需要在药物发现中找到软点并确定代谢物，还是希望有十足把握确定药物开发中所有可检测的代谢物或多肽分解产物，SCIEX 都能提供可以满足科学家要求的集成式解决方案。SCIEX 的常规生物转化解决方案由 ExionLC™ AD 系统、X500 系列 QTOF 系统（四极杆飞行时间）平台和 MetabolitePilot 2.0 软件组成。SCIEX 操作系统的用户界面简单易用，能帮助制药研究人员简化小分子和大分子的高通量代谢物鉴定与软点分析。该解决方案可以鉴定化合物的主要代谢物，并以尽可能简单的方式向化学家和生物学家报告，能够迅速、准确地完成高通量筛选，从而缩短项目周期。SCIEX 的高级生物转化解决方案在 SCIEX TripleTOF® 6600 系统上使用客观公正的 SWATH® 采集技术，只需一次进样就能开展深入、全面的代谢/分解代谢研究。如今，利用 MetabolitePilot 2.0 软件，需要全面鉴定分子的所有代谢物和生物转化产物的制药研究人员能够实现代谢物和分解产物数据的自动化处理，这样就可以高度精确地鉴定传统小分子代谢物和复杂生物制剂分解产物的结构。“截至目前，在进行生物制剂分解代谢研究时，客户可以选择的处理软件并不多。此外，数据处理和解读通常都是手动进行，耗时耗力。这些采用 MetabolitePilot 2.0 软件的新型解决方案能够对生物制剂分解代谢数据进行智能处理。”SCIEX 制药/CRO 业务高级总监 Farzana Azam 说，“通过结合使用 SWATH 采集技术，研究人员只需一次进样就能完成分析，并且可以实现样品的全面覆盖。这让他们有信心不漏掉任何重要的低水平含量代谢物/分解产物。生物转化解决方案提供灵活的选择，不但可以快速鉴定代谢物和分解产物，而且能够进行更深入的代谢和分解代谢研究，还可以实现快速处理。”要详细了解如何革新生物转化研究和探索 SCIEX 的生物转化解决方案，请访问：sciex.com/biotransform###SCIEX 简介SCIEX 帮助科学家和实验室分析人员寻找解决方案来战胜他们面临的复杂分析挑战，从而改善我们生存的世界。凭借在毛细管电泳色谱和液相色谱-质谱行业的全球领导地位和世界一流的服务与支持，公司成为全球数以万计的科学家和实验室分析人员值得信赖的合作伙伴，这些人员主要从事基础研究、药物研发、食品和环境检测、法医学及临床研究工作。SCIEX 拥有 40 多年的创新历史，擅长通过倾听客户心声和理解客户不断变化的需求，开发可靠、灵敏且直观的解决方案，不断重新定义常规和复杂分析可以实现的成果。有关详细信息，请访问 sciex.com。SCIEX 社交帐号：Twitter： @SCIEXnews、LinkedIn、Facebook。仅限研究使用，不可用于诊断程序。RUO-MKT-12-4947-AAB Sciex 以 SCIEX 的名义开展业务。© 2017 AB Sciex.本文涉及的商标均归 AB Sciex Pte.Ltd. 或其各自的所有者所有。AB Sciex™ 的使用已获得许可。联系信息 Stacey Sicurella SCIEX 全球公关和品牌经理 stacey.sicurella@sciex.com 508-688-7958编辑跟进 Patrick Farrell Sniper Public Relations（代表 SCIEX） pfarrell@sniperpr.com 603-583-5488

大家好，本周为大家分享一篇发表在Anal. Chem.上的文章：Comprehensive Metabolomic Analysis of Human Heart Tissue Enabled by Parallel Metabolite Extraction and High-Resolution Mass Spectrometry[1]，文章的通讯作者是威斯康星大学麦迪逊分校的葛瑛教授。　　心脏收缩需要持续的能量供应。作为一种“代谢杂食动物”，心脏利用多种代谢底物，如脂肪酸、碳水化合物、脂质和氨基酸等，来满足其高能量需求。然而，由于代谢物在极性尺度上具有广泛的覆盖范围，这使得它的提取和检测变得困难。因此，迫切需要对心脏的代谢产物进行全面的组学分析。本研究结合了平行代谢物提取和互补高分辨质谱检测的方法，对人类心脏进行了系统性代谢学分析。作者首先用六种提取方法获得了健康供体心脏组织的代谢物，包括三种单相提取，两次双相提取和一次三相提取，可以充分覆盖不同极性范围的代谢物。其中，单相的提取溶剂分别是100% 甲醇、80% MeOH 和乙腈/异丙醇/水(3:3:2)，双相使用了Matyash和Bligh & Dyer法去萃取极性和非极性相，而三相则是进一步将非极性相分离成极性和中性脂质相，极性物质依然保留在水相中。紧接着，作者使用了两种互补的质谱平台进行代谢物检测：超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱的直接进样(DI-FTICR)和高分辨率液相色谱四极杆飞行时间串联质谱(LC-Q-TOF-MS/MS)。总的实验流程如图1所示。这里总共鉴定到了1340种心脏代谢物，它们具有广泛的极性范围。本工作强调了平行提取和互补质谱检测技术在人类心脏代谢组研究中的重要性，其可作为帮助选择适当的提取和MS方法以研究特定类别代谢物的指南。　　　　图1. 平行代谢物提取和高分辨率质谱检测的实验流程图。　　为了捕获不同极性的代谢物，作者使用了六种提取方法获得了心脏组织的代谢物。单相法具有操作简便和通量较高的特点，但提取效率仍待提高。相对于单相法，多相提取可以覆盖更广泛极性范围的代谢物，但也需要注意一些代谢物可能在多相中分布，这会给检测和定量带来困难。比如，脂肪酰基链较短的酰基肉碱主要在极性相中存在，而较长链(C10)的酰基肉碱主要在非极性相中存在。DI-FTICR评估了六种提取方法的重现性，结果发现乙腈/异丙醇/水(3:3:2)在单相法中的重现性最好，两种双相法的重现性类似，但低相的Pearson相关性较低，说明了代谢物在跨相运动中有一定潜在困难。研究也发现不同提取方法均具有各自的提取特征，尤其在三相法中可以观察到更多的特征，它在极性相、极性脂质相和非极性脂质相中分别观察到了2275、541 和 443 个独特的SmartFormula注释。图2展示了六种方法通过DI-FTICR得到的代谢物SmartFormula注释，其中最大的三个交叉区域分别是六种方法共享、三相法特有和乙腈/异丙醇/水(3:3:2)特有的，分别有1287个、1010和703个，且发现多相提取的重叠度会更高。虽然在三相提取中可以获得更多的代谢特征，但该方法的重现性也最低。故对于发现代谢组学实验，Matyash提取法会更具优势，因为它可以鉴定到较多的已知代谢物，且重现性会更好。图2. 六种提取方法间代谢物SmartFormula注释的重叠情况(DI-FTICR)。　　借助DI-FTICR平台，总共鉴定到9644个代谢特征，其中可以7156和1107个可以分配到SmartFormula注释和准确质量数。DI-FTICR在代谢物检测和鉴定方面具有强大优势，它可以给出准确的同位素分布，如图3B~3D所示。但需要注意的是，由于缺乏前端色谱分离，DI-FTICR对于异构体的分离检测能力有限，以及缺乏高通量的MS/MS分析。因此，作者利用LC-Q-TOF-MS/MS补齐了DI-FTICR检测平台的缺点。在LC-Q-TOF-MS/MS分析中，总共鉴定到21428个代谢特征，其中285个可通过比对二级谱图数据库来匹配确定。图4是鉴定到的代谢物和脂质。尽管与图3B~3C的酰基链组成相同，但在图4B~4C中可以通过观察酰基链的碎裂谱图得到脂质的酰基链信息。这说明LC-Q-TOF-MS/MS平台在获取更详细的酰基链信息方面的优势，但对于双键定位以及 sn1 和 sn2 定位等信息，还需要额外的实验去确定(如：衍生化和离子淌度)。此外，仪器参数设置也会影响到二级匹配评分。总的来说，相对单一的质谱检测平台，使用DI-FTICR MS和LC-Q-TOF-MS/MS平台可以增加心脏代谢组的覆盖范围。图3.使用LC-Q-TOF-MS/MS鉴定代谢物。(A)代表性的MS 谱图(100% MeOH)，标注了SmartFormula注释和准确质量数，叠加实验质谱图(黑色)与理论质谱图(红色)以比较同位素分布 (C~D)FAHFA(40:5)、DG(32:0)和N-palmitoyl glutamic acid。图4.使用LC-Q-TOF-MS/MS鉴定代谢物，比较实验串联质谱图(黑色)与数据库质谱图(红色)。(A~D)N-acetyl-β-glucosaminylamine、DG(16:0_16:0)、FAHFA(18:1_22:4)和TG(18:1_18:1_18:2)。　　使用多种提取和检测方法，本研究总共鉴定到了1340种心脏代谢物。每种提取方法都贡献了唯一检测到的代谢物。相较于提取效果最好的单一方法，平行提取可以检测到额外的350种代谢物。单相法可以鉴定到更多与二级谱图相匹配的代谢物，而多相法可以得到更多具有准确质量数的代谢物(图5A)。如图5B所示，三相法富集到的代谢物种类最多，包含甘油磷酸乙醇胺(PE)、脂肪酸和偶联物、三酰基甘油、脂肪酸酯和其他代谢物。此外，Matyash法可以鉴定到更多的氨基酸、甘油磷酸甘油和甘油磷酸丝氨酸，B&D法可以鉴定到更多的甘油磷酸胆碱(PC)、和磷磷脂，而100% MeOH鉴定最多的则是甘油磷酸盐。图5.已鉴定的人类心脏代谢物汇总。(A)各种提取方法中的准确质量注释、MS/MS注释和唯一检测到的代谢物 (B)各种提取方法中前10的代谢物种类。　　最后，作者进一步表征了所有代谢物的化合物分类和通路富集，如图6所示。实验观察到很多代谢物归属于脂质和类脂分子，其中主要是PC、PE和脂肪酸，而非脂质化合物主要是有机酸及其衍生物(图6A)。通路分析也检测到了与心脏代谢过程相关的重要通路，包括嘌呤代谢和甘油磷脂代谢，如图6B所示。这里以嘌呤代谢(与多种心脏病变相关)为例，展示了平行提取在提高代谢物覆盖率方面的优势。在嘌呤代谢过程中，只有IDP仅在单一提取方法中观察到，而许多代谢物均在所有六种提取方法中都被检测到(图6C)。值得注意的是，B&D提取法在该过程中观察到了最多的代谢物，而100% MeOH富集的最少。上述结果为选择适当的用于分析人类心脏代谢物的提取方法提供了重要见解。图6.已鉴定的人类心脏代谢物的化合物分类和通路富集。(A)化合物分类 (B)所有已鉴定代谢物的通路分析汇总，每个圆圈的颜色和大小分别基于p值和通路影响值(红色表示影响大，黄色则相反) (C)嘌呤代谢过程，颜色表示鉴定代谢物的提取方法。　　总的来说，本研究利用六种平行代谢物提取的方法和两种基于质谱检测平台，对人类心脏进行了全面的代谢组学分析，总共鉴定到1340种心脏代谢物，这代表了迄今为止对人类心脏代谢组学的最深度覆盖。研究发现三相法最适合脂质的提取，它获得的极性代谢物的数量与Matyash法相似，但其实验重现性也最低。因此，提取方法的选择应当取决于感兴趣的待分析物。但对于非靶向研究，作者建议使用Matyash提取法，以实现代谢组覆盖率和重现性的最佳平衡。尽管本研究目前还存在一定的局限性，比如，平行提取样品量较大和分析时间较长，但其为选择适当的提取和质谱检测平台去分析不同类型的心脏代谢物提供了宝贵经验，有助于人类心脏代谢组学的全面分析。　　撰稿：陈昌明编辑：李惠琳文章引用：Comprehensive Metabolomic Analysis of Human Heart Tissue Enabled by Parallel Metabolite Extraction and High-Resolution Mass Spectrometry

记者14日从中国科学技术大学获悉，该校科研团队在植物叶片代谢物质谱成像取得新进展，实现对多种植物叶片中代谢物的空间成像。　　这一成果由该校国家同步辐射实验室潘洋教授团队利用自行研发的质谱成像平台，实现对多种植物叶片中代谢物的“拍照”。　　研究成果近日发表于国际分析化学领域著名期刊 Analytical Chemistry杂志。　　在已知植物种群中，有约200,000个植物代谢物的化学结构被鉴定出来。植物代谢物的成分分析和空间成像对探讨植物代谢物的生物合成、运输、生理机制、自我调节机制及植物与生态的相互作用具有重要意义。　　质谱成像是近年来涌现出的分子成像技术，具有免荧光标记、不需要复杂样品前处理等优点。然而，由于植物角质层和表皮蜡的存在，常规软电离技术很难穿透角质层作用于叶肉组织，从而无法对植物叶片中的代谢物进行直接成像。　　课题组通过印迹方法，将叶片中的植物代谢物转移至多孔聚四氟乙烯材料上，并对印迹后的材料进行成像，可实现对叶片植物代谢物的间接成像。由于使用DESI/PI技术，相比于传统DESI方法，正离子模式下可新检出多达百种萜类、黄酮类、氨基酸和苷类等次生代谢产物 负离子模式下整体代谢物信号强度可增强一个数量级。　　课题组进一步利用该技术对茶叶进行研究，发现咖啡因在叶中脉富集、茶氨酸在叶柄富集并延伸至中脉和叶尾，为咖啡因主要在茶叶中脉合成和茶氨酸在茶叶根部合成并转运至叶片的生物合成位点及转运路径提供了强有力的证据。　　实验还检测到茶叶中儿茶素生物合成网络中重要的黄酮类代谢物并以质谱成像的形式展示出空间分布，表明印迹DESI/PI成像技术在探索植物代谢转化位点和途径方面有巨大的潜力。

清华大学药学院胡泽平课题组应邀发文系统总结了代谢组学和代谢流分析技术的最新研究进展，及其在肿瘤药理学应用中的重要研究进展，包括发现抗肿瘤药物靶点以及生物标记物、揭示药物作用机制和耐药机制、促进精准治疗等。值得一提的是，该综述首次系统地总结绘制了代谢流分析中各种稳定同位素标记示踪物的工作原理及其应用(详见图2)，这将为代谢流分析技术在代谢研究领域和肿瘤药理中的广泛应用起到重要的推动作用。　　增殖中的肿瘤细胞通常以代谢重塑的方式来提供更多的生物能量和物质，以满足其自身快速增殖的需求。譬如，沃伯格效应(Warburg effect)描述了即便是在有氧的情况下，肿瘤细胞仍然会上调糖酵解途径，并产生更多的乳酸。深入理解肿瘤中的代谢重塑对于我们发现新型治疗靶点，开发抗肿瘤药物有着重大的启示作用 而代谢组学和代谢流技术的发展则极大地促进了我们对于肿瘤代谢的理解。代谢组学能够给我们提供某一静态时刻下的大量代谢物信息，而代谢流分析能够动态地告诉我们某一代谢通路的流量变化。代谢组学和代谢流相辅相成，为我们理解肿瘤代谢打开了全面且动态的崭新视角。　　图1. 基于液相色谱-质谱的代谢组学-代谢流分析流程简图　　代谢组学分析主要分为三步骤：样品制备、数据采集、和数据处理分析与生物学意义阐释。生物样本经过提取处理后，通过色谱-质谱(mass spectrometry, MS)联用或核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)来对代谢物进行分析和数据采集。简要数据处理则主要包括通过火山图和热图呈现代谢物的丰度和倍数变化，对代谢物进行通路富集分析。后续则可选择使用同位素标记的代谢流分析来揭示代谢通路的动态变化，并使用体外或者体内模型来进行代谢重塑的功能和机制验证。近年来的代谢组学技术取得一些重要进展，如胡泽平课题组发展的可用于极微量样本(如1,000-5,000个造血干细胞或者60个卵母细胞)的超灵敏代谢组学技术和Sabatini课题组发展的线粒体代谢组学等，都推动了代谢组学在代谢生物学和肿瘤生物学中的应用。　　代谢流分析(metabolic flux analysis, MFA)可以动态地揭示代谢通路的流量变化。当一个代谢物产生积累时，可能是由于其生产的增加或者是消耗的减少。基于稳定同位素示踪法的MFA则可以帮助我们测量代谢流量：带有稳定同位素标记的代谢物经过生化反应，则会导致下游代谢产物的标记，产生在特定位置被同位素标记的M+1,… ,M+n代谢物。通过分析下游代谢物的标记模式及被标记代谢物的量，我们可以计算得出感兴趣的代谢通路的流量速度和方向信息。　　图2. 稳定同位素标记示踪剂标记葡萄糖代谢通路(节选部分)　　例如图2(A)中全13C标记的葡萄糖经过糖酵解反应，生成糖酵解终产物丙酮酸。丙酮酸又可经丙酮酸脱氢酶生成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环(TCA cycle)。另外，葡萄糖作为磷酸戊糖途径和丝氨酸生物合成的底物，可以标记这两条代谢途径中的中间产物。通过分析特定通路的下游产物标记，我们可以得到在某段时间内的代谢流量。图2(B)则展示了全13C标记的葡萄糖通过糖酵解代谢为丙酮酸后，可以通过丙酮酸脱氢酶和丙酮酸羧化酶两种方式进入三羧酸循环，从而产生M+2以及M+3的TCA中间产物，进而我们可以分析得到两种酶所介导的不同通路信息。　　代谢是高度复杂且受严密调控的动态变化网络。除了基于特定酶、转运体的调控外，通路之间可以通过同一中间产物而产生关联。如果能找到肿瘤细胞中相较于正常细胞而特定依赖的代谢通路，那么我们就可以精确地靶向肿瘤细胞进行治疗和干预。　　　图3. 促进肿瘤细胞生长的代谢通路及潜在治疗靶点　　图3.展示了细胞中复杂的代谢通路，包括葡萄糖的代谢(糖酵解、磷酸戊糖途径)、脂肪酸代谢、核苷酸的合成、叶酸代谢等，其中特别标记了值得调控的关键酶和转运体，以及针对这些作为靶标已进入临床试验或者已经被FDA批准的小分子药物。譬如，在胶质瘤中曾报道过突变的异柠檬酸脱氢酶(IDH)可以介导肿瘤代谢物2-羟戊二酸(2HG)的产生，展示了IDH作为抗肿瘤靶标的潜力，从而引发IDH抑制剂的开发、获批与应用。　　代谢组学与代谢流分析也可以在肿瘤药物研发中发挥重要作用，并可贯穿于每一步中：从发现靶点到理解药物作用机理，从耐药机制研究到指导精准治疗。　　经过代谢组学分析后，差异代谢物和代谢通路可引导发现潜在的生物标记物和可靶向的代谢依赖性和弱点。潜在的生物标记物可帮助肿瘤的早期诊断、预后和药物有效性预测。通过结合代谢流分析，代谢靶标可以帮助新药研发，或者是帮助科研人员更好地理解现有药物的作用机制，以及如何产生耐药，从而改善现有疗法。药理代谢组学可以用于指导精准治疗 饮食干预疗法则可以作为药物治疗的辅助手段。　　图4.代谢组学和代谢流分析技术在肿瘤药物研发和药理学中的应用　　尽管代谢组学和代谢流分析极大拓展了我们对于肿瘤生物学的理解，但是领域中依旧存在诸多技术挑战和瓶颈，比如灵敏度不足、精准度不够、难以进行代谢流分析，以及至今无法实现真正意义上的单细胞代谢组学(特别是由于灵敏度的技术瓶颈)等等。相关的技术进步和新型方法开发都将进一步促进代谢组学和代谢流分析技术在不同生物医学背景下的应用。下一阶段的研究需要更好地整合、利用所获取的代谢重塑表型和机制信息，将其转化成更好的抗肿瘤疗法。药物研发方面需要更多地关注肿瘤微环境，尤其是肿瘤细胞与免疫细胞之间的代谢相互作用。多组学整合的应用，包括基因组学、蛋白组学、代谢组学等，将有助于加深我们对于肿瘤生物学的理解和利用，进一步加速抗肿瘤药物的研发。　　以上综述文章于2021年3月1日应邀在线发表于国际知名学术期刊《药理学&治疗》(Pharmacology & Therapeutics)，题为《代谢组学、代谢流分析与肿瘤药理学》(Metabolomics, metabolic flux analysis and cancer pharmacology)，此前，胡泽平课题组曾于2019年获邀在国际知名临床药理期刊《临床药理学&治疗》Clinical Pharmacology & Therapeutics发表代谢组学技术及其在临床药理中应用的相关综述。　　清华大学药学院胡泽平研究员与烟台大学药学院王洪波教授为本文通讯作者，2016级药学院本科毕业生梁凌帆与胡泽平课题组2020级博士研究生孙菲分别为本文第一、第二作者。本研究得到了国家自然科学基金委糖脂代谢重大计划重点项目(92057209)、基金委面上项目(81973355)、国家科技部重点研发计划(2019YFA0802100-02, 2020YFA0803300)、清华-北大生命科学联合中心、北京市高精尖结构生物学中心的资助。　　点击链接，阅读原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0163725821000292

癌症导致的死亡中，大部分是由恶性肿瘤转移而引起的，在临床上仍然是一个挑战。转移性癌细胞通常与原发癌细胞相似，但它们可能会受到所转移器官附近环境的影响。本文揭示了结直肠癌(CRC)细胞在转移至肝脏(一个关键的代谢器官)后经历代谢的重组过程。特别是肝转移细胞通过GATA结合蛋白6抗体 (GATA6) 上调醛缩酶B (ALDOB)的表达，提高果糖代谢，为肿瘤细胞增殖过程中的主要中心碳代谢提供能量。靶向ALDOB或降低膳食果糖可显著降低肝转移性生长，但对原发肿瘤几乎没有影响。本文的研究结果表明，转移细胞可以在新的微环境中利用代谢重组，尤其是在代谢活跃的器官，如肝脏中，对相关通路的操纵可能会影响转移性生长的过程。原发性肿瘤逐渐累积遗传性改变，并受其肿瘤微环境的影响，直到获得能转移到远处器官的能力(Gupta和Massague, 2006 Valastyan和Weinberg, 2011)。这一过程的典型特征是，结直肠癌（CRC）经过腺瘤到癌的顺序发展，最终导致转移(Barker et al.， 2009)，(约70%的患者) 优先转移到肝脏这个部位 (Rothbarth和van de Velde, 2005) 。在这个阶段，该疾病变得很难治疗，并对大多数形式的联合治疗产生耐药性，使得结直肠癌（CRC）转移成为癌症相关死亡的主要原因。无法进行手术的肝转移患者对化疗干预治疗效果较差，中位生存期为6至9个月 (Alberts et al.， 2005) 。目前针对晚期结直肠癌的化疗并不针对肝转移。部分原因是由于观察到CRC转移与任何特定的基因突变并不一致 (Jones et al.， 2008) ，而且它们通常与原发肿瘤中的细胞相似。然而，新出现的证据表明，非遗传改变，如表观遗传和代谢重组，可能促进癌症转移。将这种机制作为研究的目标可能为开发结直肠癌转移的治疗方法提供新的途径。在本研究中，来自临床样本和经盲肠移植的体内CRC转移模型的数据表明，结直肠癌（CRC）肝转移瘤的特定代谢通路发生了改变。特别是，肝转移会上调ALDOB的水平，这是一种参与果糖代谢的酶。肝内植入表明肝环境导致CRC细胞上调ALDOB。代谢组学和13C标记的果糖追踪研究表明，ALDOB促进果糖代谢，促进糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径。降低ALDOB或限制饮食果糖会抑制CRC肝转移瘤的生长，但不抑制原发肿瘤或肺转移瘤的生长，这突出了肿瘤微环境的重要性。1、在结直肠癌CRC肝转移中BALDOB表达升高为了证实ALDOB在肝转移中的上调，作者将3株CRC细胞株：HCT116和2株肝转移患者来源的异种移植(PDX)细胞株CRC119和CRC57植入NOD/SCID小鼠的盲肠末端。细胞携带双标记报告基因结构，稳定表达荧光蛋白(mCherry或GFP) 和荧光素酶。在盲肠注射前，流式细胞分选(FACS)分析显示，这些CRC细胞株中KHK、ALDOB和HK表达均为单峰。注射盲肠后，CRC细胞在2周内首次形成原位肿瘤。随后，它们在5周内发生了CRC肝转移。收集原发性盲肠和肝转移肿瘤后，利用荧光流式细胞仪(FACS)分离CRC细胞。肝转移瘤的ALDOB水平明显高于原发性转移瘤，而KHK和HK水平基本保持不变(图3B-3D) 。20%至40%的小鼠也出现肺转移，尽管与原发性盲肠肿瘤相比，肺转移中ALDOB没有上调。Figure 3. 肝转移使体内ALDOB表达升高为了研究肝脏微环境是否引起CRC细胞中ALDOB的表达上调，本文将HCT116、CRC119和CRC57细胞同时直接注入小鼠肝脏和盲肠。CRC肿瘤迅速在肝脏和盲肠中形成，注射10天后，分别采集肿瘤。肿瘤经盲肠转移至肝脏之前，在盲肠注射模型中需要3~5周(图3E)。从采集的肿瘤细胞中，利用荧光流式细胞分选(FACS)分离出CRC细胞。Western blot检测证实，从肝脏分离的CRC细胞中ALDOB水平高于盲肠分离的细胞，而KHK和HK水平保持相似(图3F-3H)。另一方面，Transwell迁移实验中迁移和非迁移的CRC细胞表达了相似的ALDOB水平，这表明ALDOB与迁移能力的增强无关。此外，在体外培养后，肝脏和盲肠分离的肿瘤细胞表达相似的ALDOB水平。综上所述，这些数据表明肝脏微环境可导致CRC细胞上调ALDOB的表达。2、ALDOB促进CRC肝转移瘤的生长HCT116、CRC119和CRC57细胞中ALDOB 的表达下调（RNA干扰下调表达），不影响体外含葡萄糖或果糖培养基中培养的CRC细胞迁移 。尽管盲肠移植HCT116、CRC119或CRC57细胞与对照载体均可有效发展肝转移(3个细胞系的5只小鼠中有5只发生了转移) ，但在盲肠注射模型中，ALDOB下调表达可抑制CRC肝转移。经shRNA1干扰的ALDOB的HCT116、CRC119或CRC57细胞分别在5只小鼠中仅有2只、2只和2只出现可检测到的肝转移，而经shRNA2敲除的小鼠分别为2、1和2只(图5A-5E) 。此外，从ALDOB 下调表达细胞中的肝转移比对照细胞中的肝转移肿瘤少得多，且小得多。然后进行肝内注射，观察ALDOB是否促进肝内CRC的生长。对照载体的HCT116、CRC119和CRC57细胞在肝脏中生长明显大于ALDOB表达下调的细胞(图5F-5H) 。Figure 5. RNA干扰ALDOB表达可抑制CRC肝转移3、靶向果糖代谢抑制肝转移接下来考虑的是，果糖摄入量的水平是否会影响肿瘤的生长，尤其是在肝脏。注射CRC至盲肠后 (每组5只小鼠) ，高果糖饮食的小鼠显示CRC肝转移增加，而不含果糖饮食的小鼠相对于对照组显示肝转移减少(图6A-6D) 。随后将这两种治疗方法结合起来。对小鼠注射ALDOB基因敲除剂后，然后按规定对其喂食不含果糖的饮食。这正如预期的那样，抑制了CRC的肝转移(图6A-6D) 。将CT26细胞注射到具有免疫功能的BALB/c小鼠的盲肠中，在果糖饮食对肝转移瘤的影响方面也显示出类似的结果。一直以来，高果糖饮食降低了老鼠的存活率，而低果糖饮食和低碳水化合物能延长老鼠的存活率。用相同shRNA结构转染LV-HCT116细胞，下调ALDOB的表达。与盲肠注射模型一致，ALDOB下调表达和果糖限制饮食抑制了肝脏中CRC肿瘤。关于抑制肝脏LV-HCT116肿瘤，ALDOB下调和果糖限制似乎比5-氟尿嘧啶或奥沙利铂更有效，这两种药物都是晚期和转移性CRC的一线化疗。与ALDOB敲除或果糖限制饮食不同，5-氟尿嘧啶或奥沙利铂在肿瘤抑制或生存方面几乎没有益处。因此, 针对ALDOB和果糖代谢的调节可能会影响肝转移瘤的生长，并对目前的化疗作为一个补充策略。Figure 6. 饮食果糖限制抑制CRC肝转移关于珀金埃尔默：珀金埃尔默致力于为创建更健康的世界而持续创新。我们为诊断、生命科学、食品及应用市场推出独特的解决方案，助力科学家、研究人员和临床医生解决最棘手的科学和医疗难题。凭借深厚的市场了解和技术专长，我们助力客户更早地获得更准确的洞见。在全球，我们拥有12500名专业技术人员，服务于150多个国家，时刻专注于帮助客户打造更健康的家庭，改善人类生活质量。2018年，珀金埃尔默年营收达到约28亿美元，为标准普尔500指数中的一员，纽交所上市代号1-877-PKI-NYSE。了解更多有关珀金埃尔默的信息，请访问www.perkinelmer.com.cn

对栖息于这颗蓝色星球上的生命而言，光是一切生命产生的源动力，也是生命体最重要的感知觉输入之一。同时生命体根据外界环境条件控制体内营养物质的代谢平衡是生存的必须，而代谢紊乱会产生严重疾病，哺乳动物已经进化出了精确和复杂的调控网络用于持续动态调控血糖代谢。大量公共卫生调查显示夜间过多光源暴露显著增加肥胖和糖尿病等代谢疾病风险，那么光作为最重要的外部环境因素，其是否直接调控血糖代谢？其中涉及哪类感光的细胞、何种神经环路以及外周靶器官，这些方面的问题一直没有得到解答。 　　1月20日，中国科学技术大学生命科学与医学部教授薛天研究团队在《细胞》(Cell)上，在线发表了题为Light modulates glucose metabolism by a retina-hypothalamus-brown adipose tissue axis的研究成果。该工作发现了光直接通过激活视网膜上特殊的感光细胞，经视神经至下丘脑和延髓的系列神经核团传递信号，最终通过交感神经作用于外周的棕色脂肪组织，直接压抑了机体的血糖代谢能力。值得指出的是，这项工作不但在小鼠动物模型上系统回答了光调节血糖代谢的生物学机理，在人体试验上也发现了同样的现象，显示光调节血糖代谢可能广泛存在于哺乳动物界。 　　研究人员首先对小鼠和人执行葡萄糖耐受性检测(GTT)，发现数个小时的光暴露显著降低了人和鼠的血糖耐受性。哺乳动物光感受主要依赖于视网膜上的各类感光细胞。除了经典的视锥(Cones)视杆(Rods)细胞介导图像视觉感知之外，光也能直接激活视网膜上的第三类感光细胞视网膜自感光神经节细胞(ipRGC)，它依靠自身表达的视黑素(Melanopsin)对波长靠近480nm的短波长蓝光敏感。ipRGC支配诸多下游脑区进而调控如瞳孔对光反射、昼夜节律、睡眠和情绪认知功能。光降低血糖耐受性通过何种感光细胞介导？通过基因工程手段，研究人员逐一使视网膜各类感光细胞丧失感光能力，发现光诱发血糖不耐受由ipRGC感光独立介导(图1)。 　　接着研究人员进一步探究视网膜至脑内的哪些核团参与光调节糖代谢。下丘脑是调控机体代谢的重要区域，其中与ipRGC有较密集连接的是下丘脑视交叉上核SCN和视上核SON核团。已知数周异常光照模式能够通过影响节律中枢SCN，造成生物钟节律失调，进而间接影响到血糖代谢功能。研究人员分别损毁或利用化学遗传手段操控ipRGC投射的SCN和SON核团，发现了光急性降低血糖耐受性这一过程独立于生物钟节律系统，而由ipRGC-SON的神经环路直接介导(图1)。 　　结合大量神经环路示踪和操控手段，研究人员进一步发现ipRGC→SONOXT(视上核内催产素(Oxytocin)能神经元)→SONAVP(SON内抗利尿激素(Vasopressin)能神经元)→PVN(下丘脑室旁核)→NTSVgat(孤束核的GABA能抑制性神经元)→RPa(中缝苍白核)这样一条脑内六级长程神经环路介导光降低血糖耐受性(图1)。 　　光影响血糖代谢必然通过外周血糖代谢的器官来执行，考虑到在环路水平上光降低血糖耐受通过中缝苍白核RPa，该核团是调节棕色脂肪组织(BAT)活性的交感前运动神经的主要部位。因此研究人员将研究锁定在棕色脂肪组织，而棕色脂肪组织的重要作用之一是代谢葡萄糖或脂肪，直接产热以维持体温稳态。研究人员发现光能显著压抑棕色脂肪组织的温度，进一步通过阻断交感神经对棕色脂肪组织的投射、以及利用热中性环境温度压抑棕色脂肪组织活性的手段，确定了光降低血糖耐受性是通过压抑脂肪组织消耗血糖的产热所导致(图1)。 　　夜行性的小鼠和昼行性的人类在诸多光调控的生理过程中表现既有相反也有相同的效应。光是否同样降低人的血糖耐受？研究人员分别使用ipRGC敏感的蓝光与ipRGC不敏感的红光，测试人在不同波长光线照射下的血糖耐受性。结果显示在蓝光照射下人的血糖耐受性显著下降。进一步研究人员将被试者处于热中性温度环境中(热中性温度下棕色脂肪组织活性被压抑)进行了血糖耐受性测试，结果显示光不再压抑血糖耐受。上述实验提示光降低人的血糖耐受性可能也是由ipRGC感知光线且通过影响棕色脂肪组织的活性所介导(图2)。 　　对这项工作的几点启示： 　　Nothing in biology makes sense except in the light of evolution，光压抑血糖代谢这一神经生理功能可能用于动物快速响应不同太阳辐照条件，以维持体温稳态。在户外环境中太阳光可以为动物提供大量的热辐射，这可以满足部分的体温维持需求，而在动物进入洞穴或树荫等诸多太阳光辐照显著降低的环境中时，机体就需要迅速响应这种辐照减少带来的热量输入损失。光通过这条“眼-脑-棕色脂肪”通路快速减低脂肪对葡萄糖的利用以降低产热，在光辐照减少的时候，棕色脂肪不再被光压抑，快速代谢血糖来维持体温稳态。 　　冷暖光也许并非单纯心理作用，可能存在生理基础。日常生活中短波光环境(蓝)让人感觉到凉爽，而长波光环境(红)让人觉得温暖，因此它们才被赋予了冷暖光的定义。冷暖色一直被定义为心理上的冷热感受。这项研究发现对短波长光敏感的ipRGC在蓝光下压抑脂肪组织产热，而在红光下脂肪组织处于活跃状态。因此我们在进入蓝光环境下产生的那种“冷”的感觉，有可能是由于脂肪产热被压抑而产生的真实感受。 这条光调控脂肪组织活性的环路可能是心理上冷暖光的生理结构基础。 　　工业化时代的代谢疾病—人造光源增加机体代谢负担。该项工作在人体的研究结果显示，昼夜节律会造成夜间人体的糖代谢能力相较白天更低，而光压抑血糖代谢是直接叠加在节律造成的夜间血糖代谢能力下降之上的(图2)。因此在夜间同时有光暴露的条件下，人体血糖代谢能力最差。工业化社会中，人类长时间的在夜间暴露于人造光源之下，加上现代人夜间饮食习惯给机体带来双重代谢负担进而可能诱发代谢疾病。大量公卫卫生学证据已经证实了这一点，最近瑞金医院宁光院士团队涉及近10万人的研究显示，夜间长期暴露于人造光下会增加血糖紊乱及糖尿病的患病风险。 　　这项光调节血糖代谢的机制研究，提示现代人健康生活应关注光线环境的健康，针对夜间光污染造成的罹患代谢疾病风险提高，应考虑生活环境中夜间人造光线的波长、强度和暴露时长。这项工作发现的感光细胞、神经环路和外周靶器官可为将来干预此过程提供潜在靶点。 　　研究工作得到国家自然科学基金、科技部、科学探索奖、中科院稳定支持基础研究领域青年团队项目、中国科大等的支持。合肥学院科研人员参与研究。图1.在小鼠上，光激活ipRGC-SONOXT-SONAVP-PVN-NTSVgat，压抑RPa和支配脂肪的交感神经，进而压抑棕色脂肪产热降低血糖耐受性。图2.在人上，光可能通过同样的神经环路机制压抑棕色脂肪产热降低血糖耐受性。相较于白天，夜晚人的血糖耐受性更低。

华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、上海生物制造技术协同创新中心杨弋团队首创了一种可监测单细胞和活体动物代谢状态的新型荧光探针，并筛选到一个高效的抗癌化合物，揭示了其机制。5月5日，相关研究成果发表于《细胞&mdash 代谢》杂志。 　　癌细胞代谢的改变是肿瘤发生与生长的根本原因 通过控制癌细胞的异常代谢来杀伤、抑制癌细胞，或使之回到正常细胞，可有效抑制癌症发生的进程。然而利用传统生化分析方法研究细胞代谢活动并搜寻抗癌药物，存在着效率低、成本高的技术瓶颈。NAD/NADH是一对核心代谢物,是表征细胞代谢失衡的最佳参数。 　　杨弋团队研发的新细胞代谢荧光探针SoNar，基于合成生物学方法构建，具有高灵敏度、高亮度和巨大动态范围，可察觉癌细胞与正常细胞的微细代谢差异，真正实现在单细胞和活体动物水平对细胞代谢状态的高时空分辨检测和成像。利用SoNar，该团队进行了基于细胞代谢的首次活细胞水平高通量化合物筛选，发现化合物KP372-1可在低浓度下广泛杀伤不同人体组织来源的癌细胞。 　　利用代谢组学、化学生物学和遗传学筛选等技术，研究人员最终鉴定了KP372-1是一种结构新颖的氧化还原循环底物，能在癌细胞中特异高表达的NQO1酶催化下产生极度氧化应激，进而杀灭癌细胞。据悉，该化合物比目前已进入临床II期的依赖NQO1的经典抗癌化合物&beta -拉帕醌具有更高的口服利用度、更长的药物作用半衰期和更低的药效浓度。 　　据悉，该项研究工作在杨弋的指导下，由赵玉政和呼庆勋等研究生耗时5年完成。同时，SoNar探针还可以广泛应用于细胞代谢相关的活细胞与活体实时监测，为人们更好地了解物质与能量代谢的调节机制提供重要的创新工具与手段。

中国科学技术大学生命科学与医学部特任教授薛林课题组与德国马克思普朗克医学研究所教授Kai Johnsson合作，构建并利用半合成生物传感器揭示辅酶A（CoA）细胞内的代谢平衡。10月31日，相关研究成果在线发表于《自然-化学生物学》。CoA半合成生物传感器以及对CoA代谢平衡的重新诠释 受访者供图CoA由维他命B5在体内合成，是人体内最重要的代谢物（辅酶）之一，其参与体内众多代谢通路，比如三羧酸循环、氨基酸代谢、蛋白翻译后修饰以及基因表达调控等。“已有研究证明，神经退行性疾病、肥胖以及肿瘤等代谢性疾病的发生发展都与CoA的代谢失调密切相关。”薛林介绍。然而，自1946年细胞内的CoA被发现以来，至今仍未找到能够在活细胞内准确检测其浓度和分布的有效方法，导致人们对细胞如何调控CoA的平衡与代谢过程还不明确，与其相关疾病的分子机制更是知之甚少。此次工作中，研究人员采用蛋白质标记技术构建了针对CoA的半合成生物传感器。“这种传感器是由自标记蛋白、荧光蛋白以及CoA受体蛋白构成的复合体。其具有荧光，与CoA结合后荧光颜色会发生改变，再通过检测荧光颜色变化从而实现CoA的定量检测。”薛林解释说。研究人员进一步利用该传感器首次实现了活细胞细胞质和线粒体内CoA的原位分析，揭示了CoA在亚细胞内的平衡与代谢调控机制。利用荧光寿命成像技术，研究人员还首次实现了对不同细胞系细胞质及线粒体内游离CoA浓度的准确测定。薛林表示，“由此，我们为开发CoA代谢相关的神经及代谢疾病的抑制剂或药物提供了高效的分子工具，有助于实现对肿瘤等疾病的治疗。此外，我也希望CoA传感器可以被更多生物学家所使用，揭示更多CoA相关的生命科学问题。”审稿人认为: “CoA在能量和脂肪代谢中具有核心地位，如何检测其在细胞内的波动长期困扰着生物学家，薛博士及其合作者首次报道了CoA特异性的生物传感器，直接解决了这些挑战，并为这些问题提供优雅的解决方案。”

空间代谢组学：单细胞空间代谢流分析新方法原创 飞飞 赛默飞色谱与质谱中国 关注我们，更多干货和惊喜好礼刘甜生物体内的代谢物和脂质不仅是细胞的关键组成模块，它们在信号传导、表观基因组调控、免疫、炎症和癌症发展中同样具有重要作用和意义。代谢组学分析是我们了解、评估生物体、器官和细胞状态的重要方式。而单细胞技术通过展示组织内部甚至单克隆细胞之间的细胞异质性，将生物学研究推进至新维度。质谱成像（MSI）技术可以从样品中创建特定化合物的图像，这些图像是由样品表面获得的数千个质谱生成的。每个记录的质谱都会为图像贡献一个像素，而每个质谱中的峰都可以生成一个图像。与其他成像方法相比，MSI无需化合物标记，可实现非靶向分析。本次与大家分享的是一篇最新发表于bioRxiv上的有关单细胞空间代谢流分析方法的文章[1]。研究人员基于AP-SMALDI Orbitrap平台开发了一种命名为“13C-SpaceM”的新方法，通过13C标记的葡萄糖示踪葡萄糖依赖性脂肪酸从头合成途径（glucose-dependent de novo lipogenesis）。本方法应用超高分辨率的基质辅助激光解吸/电离实现了单细胞质谱成像，并通过全离子碎裂模式（AIF）模拟了脂肪酸分析前处理过程中的皂化反应，对包括甘油磷脂在内的主要脂质中的脂肪酸部分实现了共同分析。超高灵敏度、高分辨质谱检测器为单细胞内脂肪酸同位素检测提供了准确的定性、定量结果。研究人员通过鼠肝癌细胞的常氧-低氧模型，对检测方法进行了验证，确认方法的有效性。之后应用本方法分别检测了ATP柠檬酸裂解酶基因敲降（ACLY knockdown）鼠肝癌细胞以及携带异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变的小鼠胶质瘤脑组织切片，通过比较脂肪酸的同位素丰度变化评估脂肪酸从头合成比例以及外源性脂肪酸摄取的变化。分析结果揭示了在脂肪酸从头合成过程中，乙酰辅酶A池（Acetyl-CoA pool）中存在大量的空间异质性，这表明在微环境适应过程中发生了代谢重编程。01研究背景脂质在生物体生命过程中承担着多种重要作用，多数脂质是由脂肪酸合成而来。成年哺乳动物体内的细胞通常由血液中摄取脂肪酸，而脂肪、肝脏以及癌细胞还可以Acetyl-CoA为底物，从头合成脂肪酸[2]。Acetyl-CoA经过一系列代谢反应，可以生成含有16个碳的饱和脂肪酸棕榈酸（16:0），之后棕榈酸发生碳链延长或去饱和反应生成不同的饱和、不饱和脂肪酸，从而影响脂质组成。而Acetyl-CoA同样有多种来源，除了葡萄糖经由TCA循环生成的柠檬酸在ACLY作用下生成Acetyl-CoA以外，在缺氧环境下，葡萄糖后续代谢产物丙酮酸会转化为乳酸，从而无法合成Acetyl-CoA、进入脂肪酸合成途径。在此情况下，谷氨酰胺可通过还原羧化反应生成柠檬酸，进而合成Acetyl-CoA [3,4] 。另有文献报道，缺氧环境下的癌细胞还可以将乙酸作为脂肪酸合成的前体 [5,6] 。而Acetyl-CoA除了作为脂肪酸合成底物以外，对于蛋白翻译后修饰、基因表达等均有重要作用。通过监控脂肪酸合成和Acetyl-CoA代谢间的互动可以帮助我们深入理解癌细胞的生存状态。02分析方法大气压MALDI成像分析是通过AP-SMALDI5离子源配合Q Exactive plus高分辨质谱仪实现的。激光像素设置为 10×10 µ m，激光衰减器角度设置为33°。质谱在负离子模式下采用一级全扫描和全离子碎裂（AIF）扫描模式。AIF模式的隔离范围为 m/z 600-1000，扫描范围为m/z 100-400，分辨率 140k，最大注入时间500 ms，碰撞能量NC 25%。（图1）图1. 单细胞代谢流质谱成像分析流程（点击查看大图）MALDI分析前后，分别应用显微镜检测，确定细胞影像位置及MALDI消融标记位置。通过检测MALDI的消融标记，将其与细胞影像叠加，并通过应用数学公式进行解卷积，从而整合显微镜图像和MALDI图像。实现了应用MALDI成像质谱检测到的单细胞分子轮廓。（图2）图2. 整合显微镜和MALDI-MS分析结果实现单细胞质谱成像（点击查看大图）03鼠肝癌细胞常氧-低氧模型单细胞成像分析鼠肝癌细胞在添加25 mM的12C-葡萄糖或U-13C-葡萄糖后，用含1mM醋酸、2 mM谷氨酰胺和10%透析胎牛血清的无葡萄糖DMEM细胞培养基培养，在37°C、5% CO2的培养箱中在常氧（20% O2）或低氧（0.5% O2）条件下培养72小时。选择72小时的时间点是为了确保棕榈酸的同位素标记已经达到稳态。（图3）在低氧条件下培养的细胞被表达绿色荧光蛋白（GFP）标记。在共培养实验中，常氧和低氧细胞使用胰酶分离，每种条件下混合10000个细胞，在同一张玻璃片上进行培养，并在固定之前允许其附着3小时。图3. 由稳定同位素标记的13C6-葡萄糖生成细胞质Acetyl-CoA以及后续的脂肪酸和脂质合成途径（点击查看大图）通过质谱一级全扫描分析，质谱成像共检测到64种脂质，包括磷脂酸（PA）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）等。具体脂质鉴定结果经过了常规LCMS脂质分析确认。在AIF模式下，检测到了11种含量最高的脂肪酸，相应检测结果同样与常规LCMS分析结果相符。为了验证本方法，研究人员检测了常氧-低氧培养的鼠肝癌细胞混合样本。通过对氨基酸同位素峰的定量分析，发现13C标记的棕榈酸（M0）主要在正常细胞中检出，而缺氧细胞中的棕榈酸以未标记状态（M+0）为主。通过GFP标记结果的对照，证明了本方法可以通过同位素峰分布有效识别不同培养状态的细胞。图4. 在常氧（GFP阴性）和低氧（GFP阳性）条件下的原代鼠肝癌细胞共培养模型的显微镜和质谱成像结果（点击查看大图）图5. 通过GFP标记验证识别不同培养模式细胞的准确性（点击查看大图）04单细胞Acetyl-CoA池标记水平分析研究人员使用了两种表达不重叠的shRNA序列（ACLYkd oligo1和ACLYkd oligo 2）细胞系以及一个对照组细胞系。通过使用1 μg/mL的四环素处理细胞72小时实现了ACLY沉默。质谱成像数据是以10 μm的像素大小获得的，每个细胞的平均面积为550μm2，平均每个细胞有12个像素。通过应用二项式模型计算每个细胞的acetyl-CoA池标记程度p值，从而量化细胞质中acetyl-CoA池中从葡萄糖衍生的同位素标记acetyl-CoA的比例。测试结果与预期相符，ACLYkd细胞中的acetyl-CoA池标记水平低于对照组。值得注意的是，两种ACLYkd细胞之间的差异非常明显。ACLYkd oligo1的结果呈双峰分布，p值的差异明显较大，表明该细胞系存在两个亚群体。其中一个模式显示的p值与对照组相近，说明存在一个“沉默失败”的细胞亚群。ACLYkd oligo1第二个模式具有的p值明显则低于ACLYkd oligo 2，表明ACLYkd oligo 1中还存在一个“强沉默”的亚群，在这些细胞中，沉默效率非常高，导致acetyl-CoA同位素标记比例大幅降低。在ACLYkd oligo 2中，acetyl-CoA池的标记程度以及GFP报告基因强度显示出更均一的分布。M+2峰是最能表现出ACLYkd oligo1细胞中“强沉默”群体的低acetyl-CoA标记表型的质谱峰。M+8峰则为对照组细胞的特征标记峰。M+2和M+8之间的差异可以作为显示异质性的指标，用于展示葡萄糖对细胞质中acetyl-CoA的相对贡献。因此，13C-SpaceM能够检测ACLY敲降细胞中的异质性，并识别不同的亚群体。这种单细胞和空间异质性无法通过整体分析揭示，显示了13C-SpaceM方法的独特优势。图6. 细胞ACLY敲降后acetyl-CoA的同位素标记程度分析（点击查看大图）05肿瘤组学中氨基酸合成异质性的空间组学分析研究人员分析了从横向植入表达突变型异柠檬酸脱氢酶（IDH）和红色荧光蛋白（RFP）的GL261胶质瘤细胞的小鼠大脑组织切片。在采集组织前的48小时，小鼠被喂食未标记的或含有U-13C葡萄糖的液体饮食。首先，研究人员分析了12C-葡萄糖饮食的肿瘤携带小鼠大脑切片中的酯化脂肪酸组成。通过比较质谱TIC与显微镜明场和荧光成像，发现整个大脑（包括肿瘤区域）的质谱离子响应很高（图7a）。测试过程中，肿瘤区域与组织切片的其余部分分别采用10μm和50μm激光分辨率进行分析。对不同脂肪酸的空间分析揭示了在非肿瘤携带的脑半球组织中，脂肪酸丰度存在高度的异质性，我们可以仅根据它们的脂肪酸组成来识别的某些结构，如胼胝体和前连合部，这两个区域都富含油酸（18:1）且棕榈酸（16:0）、硬脂酸（18:0）和花生四烯酸（20:4）的含量低。有趣的是，尽管棕榈酸、油酸、硬脂酸和花生四烯酸在肿瘤和周围的大脑组织中的含量相似，肉豆蔻酸（14:0）和棕榈酸（16:1）在肿瘤组织中则明显增加。与大脑其它部分相比，肿瘤中必需脂肪酸亚麻油酸（18:2）和α/γ亚麻酸（18:3）也明显增高。之后，研究人员分析了喂食含有U-13C葡萄糖饮食的小鼠肿瘤组织，从肿瘤组织中选择性分离出的5种主要从头合成的脂肪酸的同位素分布（图7c）。三种饱和脂肪酸肉豆蔻酸（14:0）、棕榈酸（16:0）和硬脂酸（18:0）的13C摄入丰度较高，同位素分布最大分别可至M+10，M+12和M+14。其中，肉豆蔻酸M+0的强度极低，几乎完全源自脂肪酸从头合成。由于肉豆蔻酸对一些重要信号蛋白的翻译后修饰很重要，这一发现表明胶质瘤可能选择性地上调肉豆蔻酸的合成以促进自身生长。相比之下，两种单不饱和脂肪酸，棕榈酸（16:1）和油酸（18:1）的M+0同位素的相对丰度较高。硬脂酸和油酸的M+2同位素丰度明显增加，表明它们是由未标记的前体（即棕榈酸和棕榈酸）延长形成的。研究人员进一步利用棕榈酸的同位素分布计算acetyl-CoA池中源自葡萄糖的比例，发现肿瘤组织内的该比例同样具有显著的空间异质性（图7d）。图7. 小鼠脑胶质瘤组织内部脂肪酸代谢空间异质性分析（点击查看大图）总结本文作者开发了一种全新的单细胞代谢流成像检测方法，将超高激光分辨率的大气压MALDI与高分辨率、高灵敏度的质谱检测器相结合，对细胞和肿瘤组织内的葡萄糖依赖性脂肪酸从头合成途径实现单细胞层面的空间分析。不仅为单细胞水平空间探测代谢活动提供了新的方法，还为正常和癌症组织中的脂肪酸摄取、合成和修饰分析提供了前所未有的视角。参考文献：1. Buglakova E, Ekelö f M, Schwaiger-Haber M, et al. 13C-SpaceM: Spatial single-cell isotope tracing reveals heterogeneity of de novo fatty acid synthesis in cancer. Preprint. bioRxiv. 2024 2023.08.18.553810. Published 2024 Feb 28. doi:10.1101/2023.08.18.5538102. Rö hrig F, Schulze A. The multifaceted roles of fatty acid synthesis in cancer. Nat Rev Cancer. 2016 16(11):732-749. doi:10.1038/nrc.2016.893. Metallo CM, Gameiro PA, Bell EL, et al. Reductive glutamine metabolism by IDH1 mediates lipogenesis under hypoxia. Nature. 2011 481(7381):380-384. Published 2011 Nov 20. doi:10.1038/nature106024. Wise DR, Ward PS, Shay JE, et al. Hypoxia promotes isocitrate dehydrogenase-dependent carboxylation of α-ketoglutarate to citrate to support cell growth and viability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 108(49):19611-19616. doi:10.1073/pnas.11177731085. Kamphorst JJ, Chung MK, Fan J, Rabinowitz JD. Quantitative analysis of acetyl-CoA production in hypoxic cancer cells reveals substantial contribution from acetate. Cancer Metab. 2014 2:23. Published 2014 Dec 11. doi:10.1186/2049-3002-2-236. Schug ZT, Peck B, Jones DT, et al. Acetyl-CoA synthetase 2 promotes acetate utilization and maintains cancer cell growth under metabolic stress. Cancer Cell. 2015 27(1):57-71. doi:10.1016/j.ccell.2014.12.002如需合作转载本文，请文末留言。

p 　　烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH/NAD+)及其磷酸化形式(NADPH/NADP+)，作为生物体内两对最重要的辅酶和核心代谢物，常被用作评价细胞代谢状态的关键指标，与癌症、糖尿病、肥胖症、心脑血管疾病、神经退行性疾病等的发生发展密切相关。NADH和NADPH的荧光光谱相似，但是二者的生理功能却显著不同。NADH主要参与物质能量代谢，NADPH主要参与合成代谢和抗氧化，传统的自发荧光分析方法难以区分这两种小分子。 /p p 　　生物反应器工程国家重点实验室(华东理工大学)杨弋教授、赵玉政研究员研究团队与中国科学技术大学刘海燕教授合作，在前期研究基础上，通过对底物结合蛋白的理性设计和改造， strong 开发了一系列特异性检测NADPH的高性能遗传编码荧光探针iNap，实现了活体、活细胞及各种亚细胞结构中对NADPH代谢的高时空分辨检测与成像。 /strong 利用iNap，研究团队精确测定了癌细胞内不同亚细胞结构中的NADPH，发现其受NAD激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD活性调节，证明氧化应激时癌细胞内NADPH代谢受葡萄糖的动态调节。基于大量数据分析，研究团队提出了哺乳动物细胞有很强的维持NADPH稳态的能力的观点。此外，iNap还揭示了NADPH代谢与巨噬细胞免疫激活以及机体创伤反应密切相关。 strong 细胞代谢荧光探针iNap，不仅可应用于抗氧化、AMPK、脂肪酸合成等代谢途径与通路分析，还可用于衰老及相关疾病创新药物的发现。 /strong /p p 　　相关成果于2017年6月5日以“研究长文”的形式在Nature Methods上发表。 /p

作为“生物圈”人，“中心法则”可谓耳熟能详，但对这位贯穿整个生命活动的“现男友”，您真正了解吗？在基因-转录-蛋白-代谢-表型的生命活动范畴中，您的课题研究处于哪一个阶段？ 经广大植物科学研究人员的努力，多物种的基因、转录信息获得了大量解析和广泛应用。后基因组时代，如何让自己的研究在众多常见“套路”中脱颖而出？如何利用蛋白功能分子的质变方式——翻译后修饰来探索新的调控机制？传统基因功能的研究中，宏观表型不明显时，如何利用表型的描绘者—代谢物种类和含量的改变来探索该基因的生物学功能？大规模品系建立和品种改良育种中，大牛们都在关注的pGWAS、mGWAS到底如何实现？作为解析难度最高的代谢组学，如何在研究中大放异彩？莫慌，15年组学匠人中科新生命携手质谱名家SCIEX为您特别定制，带您解密中心法则背后的新点，全面解析系统生物学在大作物研究中的应用策略和实验设计，为您的科研插上腾飞的翅膀！ Honget al. Rice (2019) 12:15【讲座时间】9月26日下午14:00-15:30【讲座报名】讲座详情请询问主办方“中科新生命”Step1：识别下方二维码填写报名表。Step2：提交后扫码添加中科新生命技术咨询微信，备注在线讲座。Step3：坐等中科新生命拉入讲座群，课程链接会公布在群里。 【讲师简介】课程一：植物领域多组学研究--中心法则指导下的后基因组时代讲师：郭晓 毕业于华中农业大学，研究方向：以蛋白质组学结合分子生物学方法研究马铃薯晚疫病诱导的PTI抗性。现担任中科新生命高级学术顾问，主要从事代谢组、蛋白组、修饰组等组学技术支持工作，具有丰富的课题设计，项目管理，技术服务经验。课程二：植物组学研究相关的质谱技术和分析方法讲师：徐晓燕 SCIEX中国高级应用工程师，毕业于中国药科大学，2012年加入SCIEX中国，在SCIEX一直致力于使用液质联用进行代谢组学研究，积极参与SCIEX代谢组学方法本地开发与验证，与复旦大学、中山医院等客户紧密合作，协助客户快速建立代谢组学分析方法，积累有丰富的分析经验。

第18届国际微粒体和药物氧化学术会议 (18th International Symposium on Microsomes and Drug Oxidations, 2010MDO) 由中国医学科学院主办、药物研究所承办，于2010年5月17至20日在北京国际会议中心召开。来自世界各国著名国立科研院所、大学和制药企业的从事药物代谢的约500多位学者，参加了此次会议以积极推广和相互交流与药物代谢基础理论和应用研究的最新技术。 　　作为领先的科学仪器商， 赛默飞世尔科技参加了此次会议，集中展示了其秉承Orbitrap质量分析器的Exactive高分辨静电场轨道阱液质联用仪，革命性的LTQ Velos双压线性离子阱液质联用仪，LTQ Orbitrap XL线性离子阱静电场轨道阱组合质谱仪，并展示了赛默飞世尔科技在药代动力学及药物研究领域的诸多应用文献。　　 　　5月18日上午，赛默飞世尔科技代谢组学策略市场经理黄莹莹博士应邀在大会上做了题为“利用碎片离子查找与自动碎片预测技术进行代谢物检测和鉴定”的报告，介绍了Thermo Scientific Mass Frontier软件在代谢物研究领域的相关应用。 　　同天中午，赛默飞世尔科技举办了专场午餐研讨会，约120余位专业人士参加了此次会议。施贵宝Ruan Qian博士做了题为“利用高分辨LC/MS分析代谢产物以支持药物研发”的报告。Ruan博士表示，LC/MS 已广泛用于药物代谢研究领域，Ruan博士所在的实验室一直使用高分辨LTQ Orbitrap线性离子阱静电场轨道阱组合质谱，开发高度敏感和有效的分析方法，在药物研发中的高通量代谢物鉴定和反应性代谢物筛选中取得了很好的效果。　　 　　Ruan博士　　 　　踊跃提问 　　现场听众踊跃提问，对Ruan博士的研究成果以及Orbitrap高分辨质谱在药代学领域的高效应用表现了浓厚的兴趣。 　　随后，赛默飞世尔科技代谢组学策略市场经理黄莹莹博士做了题为“台式Orbitrap结合新型定性和定量软件包MetQuest加速药物研究进程”的报告，介绍了Orbitrap高分辨、高质量精度的全扫描数据可以保障DMPK快速分析，而无需为目标化合物创建具体的研究方法。除了化合物的动力学数据，其代谢产物的鉴定和相关定量结果也可同时提供。新型软件工具MetQuest可基于HRAM数据的新型算法自动处理报告定性和定量结果。　　 　　黄莹莹博士 　　作为领先的科学服务商，赛默飞世尔科技是药物开发与药代研究领域专家人士的最佳选择，我们提供的优质技术平台必将简化您的工作，助您更快成功! 　　关于赛默飞世尔科技 　　赛默飞世尔科技(纽约证交所代码： TMO)是科学服务领域的世界领导者。我们致力于帮助我们的客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额超过 100 亿美元，拥有员工约35,000人。主要客户类型包括：医药和生物技术公司、医院和临床诊断实验室、大学、科研院所和政府机构，以及环境与工业过程控制行业。借助于Thermo Scientific 和 Fisher Scientific 两个首要品牌，我们将持续技术创新与最便捷的采购方案相结合，为我们的客户、股东和员工创造价值。我们的产品和服务有助于加速科学探索的步伐，帮助客户解决在分析领域所遇到的从复杂的研究项目到常规检测和工业现场应用的各种挑战。 欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com 或中文网站www.thermo.com.cn www.fishersci.com.cn 。

导读脑卒中俗称中风，是全球范围内发病率、致死率以及致残率最高的疾病之一，治疗脑卒中所消耗的人力财力巨大，给患者和家人带来多重痛苦。 目前发现80%-85%的脑卒中为缺血型脑卒中，在发病前期有一个短暂的窗口期，有效地在窗口期诊断脑卒中可对后续治疗起到事半功倍的效果。目前已发现一些药物能有效减轻缺血引起的脑损伤，但机理尚不清楚。研究清楚脑卒中发病及药物作用机理，亦可帮助更有效的治疗。 近年来的研究表明，缺血性脑卒中与缺血缺氧引发的炎症反应有密切联系，而炎症反应多与脂质代谢相关联。通过比较健康人与患者体内脂质种类及浓度的差别，进而找到关键的“生物标志物”，既可帮助脑卒中的早期快速诊断，又有助于理解致病及治疗机理。广东医科大学蔡春教授团队及华南理工大学周婷老师团队利用岛津特色质谱仪，分别以靶向和非靶向代谢组学的手段开展了脑卒中相关研究，以下是相关成果简介。 蔡春教授团队使用岛津超高效液相-三重四极杆质谱联用仪LCMS-8045比较了122名健康志愿者和197名缺血性脑卒中病人血浆中158种脂肪酸的浓度差异，通过机器学习的方法建立了模型。该模型找到了一组生物标志物（AA、DHA、13-HODE等），能准确区分脑卒中患者与健康志愿者；另一组生物标志物（11-HETE和8-iso-15-keto-PGF2α）能区分初次发病患者和复发患者。这一研究发表在化学领域一区杂志Chemical Communications中，为脑卒中的早期诊断提供了新的有力工具，且通过一组而不是一个生物标志物的检验，能大大提高预测的准确性。 蔡春教授团队文章首页 岛津超高效液相-三重四极杆质谱联用仪 LCMS-8045 正常组与患病组脂肪酸浓度水平比较 周婷老师团队利用岛津超临界流体色谱仪与离子阱-飞行时间质谱仪联用系统（SFC-IT-TOF）研究了异甜菊醇钠治疗脑卒中的作用机制。首先，利用SFC-IT-TOF分析了正常大鼠、给药大鼠和脑卒中模型大鼠脑组织中的代谢物，通过PLS-DA、OPLS-DA等统计学手段找到组间差异性的生物标志物，再利用IT-TOF对代谢物质量数的精确测定，结合公共数据库，对差异性代谢物进行定性，最终筛选出20个生物标志物，其中溶血磷脂和多不饱和脂肪酸的水平显著升高，说明了脑卒中的病理机制可能与PLA2以及炎症反应有关。 岛津超临界流体色谱仪Nexera UC系统正常组与给药组OPLS-DA得分图 利用岛津特色质谱仪及液相前端系统，两个科研团队从不同的角度推进了我们对脑卒中的理解，让我们在战胜脑卒中的道路上更进了一步。 参考文献：Zhang L. et al., Integration of ultra-high-pressure liquid chromatography–tandem mass spectrometry with machine learning for identifying fatty acid metabolite biomarkers of ischemic stroke, Chem Comm, doi 10.1039/d0cc02329a Yang Y. etal., Lipidomics study of the protective effects of isosteviol sodium on stroke rats using ultra high-performance supercritical fluid chromatography coupling with ion-trap and time-of-flight tandem mass spectrometry. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 157 (2018) 145–155

随着科学的迅速发展，药物代谢研究范畴早已远超出了传统药代动力学，药物代谢不再是一辅助性药学领域，已成为较为独立完整的药学学科，并全方位地渗透到与健康相关的各个领域。为推动我国药物代谢研究繁荣发展，由沈阳药科大学举办郑江教授率团队承办的“2017 沈阳药物代谢研讨会”如约于8月2-4日在沈阳举行。美国匹斯堡大学药学院的谢文教授、美国华盛顿大学药学院的Joanne Wang教授和沈阳药科大学/贵州医科大学的郑江教授用精彩讲座惊艳了到会的260多名嘉宾。SCIEX和Agela非常荣幸能够作为本次会议的协办方支持这样的学术盛会，大会可爱的志愿者们身着SCIEX的爱心T恤，上面书写着SCIEX的愿景“让质谱改变每个人的生活” ，也呼应了本次会议的宗旨“让药物代谢改变药物研发的进程”。 本次会议郑江教授及其团队进行了认真细致的准备，参会人数也大大超出预期，从原计划的100人猛增至260余人，参会者和业内学者均对大会的组织给予好评。同时，一是药物市场的持续热度，激发了大家参与的热情；二是国内药物代谢研究的基础相对还比较薄弱，迫切需要海内外有经验的专家学者提供这样的分享机会 。三位专家教授分享内容概述：谢文教授 谢文教授重点阐述了药物代谢酶的基因调控。主要内容包括：一. 简要介绍基因调控的基本原理；二. 核受体PXR和CAR对药物代谢酶/转运体的表达的调控作用；三. PXR在药物-药物相互作用以及遗传药理学中的意义以及作用机理；四. PXR和CAR以及代谢酶对于内源性物质的稳态以及疾病的发生和治疗过程中的调控作用以及实例分享。 Joanne Wang教授 Joanne Wang教授系统讲述了药物转运体的相关内容。主要内容包括：一. 概述膜转运的基本原理；二. 系统的介绍SLC(solute Carrier)和ABC（ATP-Binding Cassette）转运体家族；三. 阐述转运体在药物的体内处置，毒性，以及药物-药物相互作用等过程中所起的作用及机理；四. 分享了利用SLC膜转运体来增强药物的递送以及靶向性的实际案例。 郑江教授 郑江教授深度剖析了药物代谢内在的化学本质。主要内容包括：一.如何通过药物的化学结构来预测其可能代谢路径以及代谢产物；二. 药物代谢酶的作用机理；三. 由药物代谢所介导的代谢酶的失活作用以及药物的毒性的产生机制；四. 如何通过修饰药物的化学结构来增加药物的代谢稳定性或减弱药物的毒性。 作为质谱领域的知名企业，SCIEX资深应用工程师于怀东做了题为《SCIEX代谢物鉴定新方案---应用MetabolitePilotTM软件进行ADC药物及环肽代谢研究》报告，Agela市场部的郑晶经理做了《Agela色谱产品在药物分析中的应用》的报告。大会现场 大会晚宴设置了丰富多彩的活动，让学员们在一天紧张的学习后得到放松。所有与会者均感谢郑江教授及其团队的辛苦努力，构建了一个开放、自由的学术交流平台，感谢谢文教授，Joanne Wang 教授和郑江教授的精彩授课！ 关于SCIEX公司SCIEX公司帮助科学家和研究员在他们面对的复杂的分析挑战中探索答案，改善我们生活的世界。SCIEX公司在毛细管电泳、液质联用的全球知名地位和领先的技术服务支持下，使它成为了在基础研究、药物开发、食品与环境检测、法医学与临床研究领域值得信赖的合作伙伴。伴随着超过40年的成熟创新，SCIEX公司擅长聆听和了解客户不断变化的需求，开发可靠、灵敏、直观的解决方案，继续重新定义在常规和复杂分析中可实现的部分。

巴西的科学家基于质谱和机器学习开发了一种针对新冠病毒的新诊断测试，该测试可测量参与甘油磷脂途径的代谢产物的丰度。它可以在数分钟内给出结果，还可以预测患者患该疾病的风险低还是高。新冠病毒测试自从新冠病毒大流行开始以来，医药界迅速制定了许多诊断测试方法，以便可以检测到病毒并将其控制。它们一般基于抗原检测，抗体检测和RNA扩增，并提供了对比程度的敏感性和特异性。现在，巴西的一大批科学家开发了一种新的测试方法，该测试方法采用了另一种方法，以寻找被新冠病毒感染扰乱的代谢物。它受到机器学习的支持，该机器学习用于识别和建模潜在的生物标记。该测试是在3组患者中使用合并血浆开发而成的，包括442名确诊的新冠病毒患者，23名未确诊的可疑病例和350名对照。用甲醇简单预处理并离心后，将血浆上清液用酸化的甲醇稀释，然后直接注入高分辨率质谱仪中。以正离子模式在140,000 FWHM的高分辨率下运行，无需进行初始色谱分离即可加快整个分析过程。使用离子m / z值，强度，宽度和分辨率对质谱数据进行预处理，并进行对齐，归一化和去噪。使用机器学习算法（例如自适应树增强，梯度树增强，随机森林，极端随机森林，偏最小二乘和支持向量机）确定了最有区别的特征。使用累积分布函数分析评估了代谢物作为潜在生物标志物的重要性，该分析将阳性新冠病毒血浆的值与对照组的值进行了比较，并确定了它们对疾病的正向或负向影响。进行了两轮培训和验证。新冠病毒区分代谢物该过程共鉴定出26个判别离子。在这些模型中，有7个无法确定，但是其余的19个模型被采用，其中8个对疾病有积极贡献，而第十一个则有负面贡献。将离子用于成对模型中的训练和验证，该模型利用成对的生物标志物强度之间的关系，而不是相对丰度。这种方法用于“尽管输入数据有所变化，但仍为模型增加了稳健性”。经过方法培训和验证后，这些离子用于新冠病毒的盲法测试中，特异性为96％，灵敏度为83.1％。这些数字至少与当前的血清学和PCR方法一样好。这些特殊的代谢物的使用得到了支持，因为许多是参与甘油磷脂代谢的脂质。它们包括七种甘油磷脂，三种固醇脂质，三种甘油脂，两种脂肪酸，一种鞘氨醇，一种嘌呤代谢产物和两种未知肽。在新冠病毒感染期间，它们各自的上升或下降反映了在其他情况下的行为，例如败血症和急性呼吸应激综合症。这些生物标记物还能够将住院十天以上，机械通气或死亡的高危患者与中度或轻度症状的低危患者区分开。他们还可以区分低风险患者和没有症状的患者。研究小组得出结论，他们的方法“在一个解决方案中，汇总了人口新冠病毒筛查的另一种选择，并通过风险分类为公共卫生工作提供了指导”。（编译：符斌 北京中实国金国际实验室能力验证研究中心研究员）根据Covid-19 Automated Diagnosis and Risk Assessment through Metabolomics and Machine Learning编写Published: Jan 20, 2021Author: Jeany Delafiori

“色谱技术中德论坛”作为慕尼黑上海分析生化展同期活动之一，于2012年10月16日隆重召开。论坛由“复杂样品分离分析”联合研究中心主办，作为中德科学和技术交流的良好纽带，“色谱技术中德论坛”轮流在德国慕尼黑和中国上海两地举办，色谱领域的优秀中德科学家在此次论坛中就最新科研进展和热点问题进行了深入探讨。 　　在本次论坛上，中科院大连化学物理研究所许国旺研究员做了题为“基于代谢组学的新高效液相色谱质谱法”的精彩报告。 中科院大连化学物理研究所许国旺研究员 　　许国旺研究员从事液相色谱/毛细管电泳方法在生命科学中的应用研究。现为大连化物所生物技术部生物分子高分辨分离分析题目组组长、代谢组学研究中心主任、中国色谱学会副理事长兼秘书长、中国化学会理事、国家烟草局科学技术委员会成员。2003年起被聘为国家科学技术奖(轻工组)评委。 　　代谢组学的目标是分析生物体中尽可能多的代谢产物，对于寻找新的代谢标记物，代谢组学是一个有用的工具，通常使用的方法包括NMR和MS法，但至今为止，由于代谢组的复杂性和各种方法本身的缺陷，每种分析方法只能获得整个代谢组的10%-15%的数据，对于基于MS方法，尽管峰容量可以提高，但由于共存的痕量代谢物，较低的电离效率等影响，仍然影响到代谢物的检测。由于高浓度的代谢物很容易检测到，而研究发现，不同的疾病所产生的不同的代谢产物是很相似的，这些现象严重的干扰了新的代谢标记物的发现。 　　为解决这些问题，许国旺课题组研究出一种新策略，包括两个关键点：第一，通过方法降低代谢产物极性，使得MS敏感性提高。第二，通过利用基于数据库MRM检测方法，进行靶向代谢组分析。通过这一策略，可以使代谢物分析的敏感性和稳定性大大提高。

新药研发就是与时间赛跑，如何加速药物筛选，提升样品前处理效率？7月27-28日，德祥科技将于化学加（2023济南）第四届中国医药CMC产业链技术交流暨企业家科学家高峰论坛发布旗下Genevac浓缩新品设备——Genevac EZ-2 4.0 Bionic自动化机型，以AI技术解放双手，开启浓缩合成新体验。扫描上方二维码立即报名！根据世卫组织指出，全球每年大概有70万人死于抗生素耐药性，而这个数量还在逐年攀升。那什么是抗生素，为什么需要和细菌赛跑？ 1.抗生素开发有待加速青霉素是90多年前发现的*种抗生素，它的发现是人类医药史上的重要里程碑。抗生素出现之前，细菌感染是导致死亡和许多外科手术失败的主要原因。然而，由于抗生素的滥用导致许多细菌产生耐药性。更令人担忧的是，新型抗生素研发的速度远远追不上细菌产生耐药性的脚步，所以加快开发能够杀死耐药细菌的新型抗生素至关重要。2.抗生素的生物合成抗生素是指由微生物或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物。研究者们开始尝试新的方法，利用生物合成学技术，使微生物在实验室进行培养、改进和修饰，对微生物产生丰富多样的次级代谢产物进一步纯化分离，以寻找出新型抗菌、抗肿瘤的天然药物。3.微生物次级代谢产物的分离纯化在微生物的次级代谢产物中包含了多种结构不同的有效成分，需进行分离、纯化、鉴定。目前制备型高效液相色谱(HPLC)是分离纯化微生物的次级代谢产物十分常见的方法之一。其特点是——分离效率高，分离纯度高。图1：HPLC馏分纯化过程为了鉴定其代谢产物化合物的结构，通常需要浓缩、干燥HPLC馏分，然后才能通过质谱（MS），核磁（NMR）或红外（IR）光谱技术进行分析，鉴定*产物的结构和筛选活性物质及机理研究，而浓缩的效率直接影响着检测结果的准确。图2：抗生素筛选流程图4.Genevac助力筛选新型抗生素 客户案例 Bactobio公司Genevac已有用户——Bactobio公司，致力于细菌培养和新型抗生素的筛选，成功将微生物培养率从不到1%提高到15% [1] [2]。蒸发溶剂是他们筛选抗生素的一个关键步骤，需花费大量的时间浓缩来各种各样的样品，因此他们选择了SP Genevac EZ-2 4.0真空离心浓缩仪，极大地提高了工作效率。7月28日-29日，在由化学加网主办的（2023济南）第四届中国医药CMC产业链技术交流暨企业家科学家高峰论坛上，德祥科技将在13号展位为到场近千名来宾全方位展示EZ-2 4.0真空离心浓缩仪及新品EZ-2 4.0 Bionic自动化机型。 5.新品发布：Genevac EZ-2 4.0 Bionic自动化机Genevac EZ-2 4.0 Bionic自动化机型提出了从电脑设计配方，到实验室方法验证，甚至于放大到生产，都可以通过电脑控制运行，并由机械臂实现样品的转移。优势一：AI自动化技术Bionic系列机型开放系统平台，可以联动 AI 技术，利用计算机模拟和算法预测药物分子的化学性质、生物活性和潜在毒性，再到设备进行验证，从而加速药物筛选和优化的过程。优势二：实现快速连续浓缩采用Bionic自动化离心浓缩设备，可以实现对于原料、溶剂等快速且连续的浓缩，批次间复现性好，质量可控性高。优势三：*浓缩，控温定时采用Bionic自动化离心浓缩设备可以很好的运行浓缩程序、温度和时间以实现样品的保护，并且达到理想的处理效果。6.GenevacEZ-2 4.0 真空离心浓缩仪 图3：Genevac EZ-2 4.0真空离心浓缩仪真空离心浓缩系统可以克服高通量微生物代谢产物和产品纯化实验室中HPLC馏分中样品干燥的瓶颈。主要优势：优势一：具有高通量和自动化的设计SP Genevac推出全新第四代真空离心浓缩仪，其高通量和自动化的设计，可以在短时间内完成数十甚至数千个后续纯化过程，大大提高了工作效率。确保快速、简单、安全地去除各类有机溶剂和腐蚀性酸。优势二：具有样品温度保护功能细菌的代谢产物中，有部分生物活性物质对温度较为敏感，EZ-2 4.0真空离心浓缩系统样品温度保护功能，以保护有价值的样品。通过红外灯间接加热，使样品始终处于低温条件。整个蒸发过程通过智能蒸发软件持续监控并控制样品温度，确保样品不会因为过热而被破坏。优势三：Dri-pure技术Dri-pure技术有效防止暴沸，避免样品交叉污染； 图4.1：未使用Dri-Pure 图4.2：使用Dri-Pure优势四：可避免样品转移带来的损失通过SampleGenie定量浓缩套装可以将样品直接浓缩到2mL小瓶中，避免样品转移带来的损失，并可以节约浓缩时间，以方便后续处理； 图5：SG定量浓缩套装优势五：无人化运行简单易用简单易用， 仅需简单步骤：放置样品-选择方法-运行，系统即可实现无人值守运行和过夜运行。优势六：快速冻干法（LyoSpeed&trade ）LyoSpeed可快速冻干HPLC馏分。 图6：LyoSpeed快速冻干法德祥科技德祥集团成立于1992年，总部位于香港特别行政区。作为卓科学仪器供应商和服务商,德祥服务于大中华区和亚太地区，每年都为数以千计的客户提供全套解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。作为深耕科学仪器行业的供应商与服务商，德祥现已服务于政府、高校、科研、制药、检测、食品、医疗、工业、环保、石化以及商业实验室等众多领域。公司目前在亚太地区设有13个办事处和销售网点，3个维修中心和1个样机实验室。2009至2021年间，德祥先后荣获了“最具影响力经销商”、“年度*代理商”、“年度最高销售奖”等殊荣。我们始终秉承诚信经营的理念，致力于成为*的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每*都在使这个世界变得更美好！Genevac英国Genevac是德祥科技旗下代理品牌之一。英国Genevac公司成立于1990年，隶属SP Scientific旗下，一直专注于研究和生产各种离心蒸发浓缩设备，其产品广泛应用于生命科学、制药、化学、分析等领域。参考文献：[1]EZ-2Series.SPScientific.(2019). https://www.spscientific.com/Products/Centrifugal_Evaporators___Sample_Concentrators/Genevac/EZ-2_Series/EZ-2_Series/[2]Bactobio www.bacto.bio

最近代谢组学的创始人、英国帝国理工的Jeremy Nicholson教授一直在鼓吹“表型组”，即Phenomics。表型组的概念目前还不是那么清晰，可以笼统地理解为研究某一生物或细胞除了基因组以外的所有组学的集合，而其中最核心的部分，就是代谢组!上个月复旦大学的唐惠儒教授(唐教授曾在帝国理工的寺院练过多年的弹指神通)告诉我，复旦的金力教授正在牵头开展基于表型组的大型队列研究。在队列研究的范畴内，他们把表型组定义为个体从胚胎发育到出生、成长、衰老以及死亡过程中的形态特征、功能行为、分子组成规律，分成三个层面 - 生物特征、物理特征、化学特征，来进行系统的测量。　　我个人很推崇这个表型组研究的策略，因为前面文章讨论过 – 基因组学不可能是精准医学的唯一手段。如果说疾病是遗传因素和包括生活方式在内的所有环境因素共同作用的一种结果的话，表型组反映的信息则更接近疾病本身。　　我们知道细胞内的生命活动由众多基因、蛋白质、以及小分子代谢产物来共同承担，而上游的(核酸、蛋白质等)大分子的功能性变化最终会体现于代谢层面，如神经递质的变化、激素调控、受体作用效应、细胞信号释放、能量传递和细胞间通讯等，所以代谢组处于基因调控网络和蛋白质作用网络的下游，所提供的是生物学的终端信息。如同我们在长江的上游建大坝或对江水改道，这些项目的生态影响会在下游的河道和地域体现出来一样，我们经常说，基因组学和蛋白组学告诉你可能发生什么，而代谢组学则告诉你已经发生了什么。　　我们称细胞内的代谢物特征性变化为代谢指纹 (Metabolic Fingerprints)，分泌到胞外的代谢物为代谢足迹 (Metabolic Footprints)。与基因组、转录组学和蛋白组学比较，代谢组学还具有以下特点。首先，基因和蛋白表达在功能水平上的微小变化会在代谢物上得到放大，从而使检测更容易 其次，许多基因和蛋白的非功能性变化不会在代谢物上反映出来，从而起到了上游信息向下游传递过程中“噪音过滤”的效果 第三，代谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目，物质的分子结构也要简单得多，因而代谢组学所采用的代谢物信息库，远没有全基因组测序及大量表达序列标签的数据库那么复杂。另外，常见代谢产物在各个生物体系(如植物的初级代谢、微生物、动物)中都相似，所以代谢组学研究中采用的平台技术可以在不同的生物体系中得到应用。　　唐人孟浩然有两句诗 - 人事有代谢，往来成古今。从万物皆有兴衰代谢的角度来看，我们的生物世界其实是由代谢组组成的，是这些不同的代谢组让我们生物界呈现出五彩缤纷、气象万千的表型。我们地球上的各种植物含有几十万种(大约25-50万种植物化学分子)代谢物，微生物界大约有几万种代谢物，而我们哺乳动物体内常见(分子量小于1500)代谢产物有5-7千种。这三类代谢组互相渗透，植物和微生物的代谢物通过食物、营养补充、药物等形式进入我们人体的代谢网络，也使我们每一个人的代谢表型呈现出各种不同的特征。　　我曾经在以前的一篇博文中把人体的代谢网络比喻成我们所居住的都市交通网络，从市中心(譬如上海的人民广场)到城市外围的任意一点(如浦东国际机场)理论上有无数条途径可走，但大家都知道最可行的途径也就是少数几条。而我们现在究竟要走哪一条道路去机场，主要看这一刻我们的交通工具、交通状况、时间和资金情况。生命活动其实也是一样的，我们人类三万多基因，尽管功能基因所占比例不大，但它们排列组合之下，就会出现无穷多种可能性，而奇妙的是，在指挥系统近乎无穷多种可能的指令下，仅仅产生出几万种蛋白，而下游的代谢物和代谢通路更少，尤其是主要的代谢通路(交通主干线)更是屈指可数，可以在一张白纸上画清楚。那么这说明什么呢?说明再复杂的生物系统在它的功能层面有着简单的、共性的一面。有人对收集到的各种癌细胞进行检测，发现了共有大约5百万种基因突变方式，但这些变化再复杂还是有章法可循的，它们无非是要在功能层面(譬如代谢层面)实施调整和转换，达到一个或几个简单的目的 – 要么获取更多的能量，要么获得更多的物质，或者设法排除更多的废弃物，或者增强自身的抗氧化抗应激(抗药物)能力。总之癌基因调控的目的明确 - 要生存、增殖、从周边掠夺资源并向周边扩散。如果我们能够这样来看问题，我们就可以在寻找共性的变化中把复杂问题简单化，而代谢组学将是疾病分子表型和功能研究中的一门核心技术!　　再举个例子来说明为什么代谢组学重要。现在肠道菌群研究已经成为科技界最为火爆的领域之一，你搞生物的话要是不谈点菌群啥的你都不好意思出门开会!但是，这个领域目前玩的只有一个技术 – 测序，不是16S rRNA测序就是NextGen宏基因测序!测序告诉我们的是什么呢?是肠道细菌的种类信息，从门到属到种(有时甚至能到株)的分类和丰度值，如同你要研究一个城市的安全问题，这个检测技术可以帮你搞到一本覆盖全市大多数居民的花名册，仅此而已。两个肠道菌群组成相差很大的健康人站在一起，我们无法判断他们结构上的差异意味着什么，如果两个人用同一种饮食，这些菌群差异在两个人代谢和生理上会带来的什么样的功能性变化我们尚难以预测。当然菌群研究者们说他们可以通过检索数据库获得功能信息，但这些功能信息怎么来建模预测呢?每一种代谢功能下各种细菌进行相加或是加权后相加?那么互相抵消互相干扰的怎么算呢?最简单明了的代谢功能表征方法就是测代谢组!由此获得的数据是各种细菌集成的功能以及与宿主共同作用下的最终结果!　　但是，代谢组学目前尚无法全面进入精准医学和相关健康领域的产业化服务。其主要瓶颈有两个，一是标准化的问题，二是通量的问题。代谢组学往前发展的一个必经之路是定量化和标准化。基因测序技术目前成为转化研究和技术产业化的首选工具，一个重要原因是这种高通量检测技术的标准化已日渐成熟并正在行业内逐步得到普及。目前国内测序行业多家企业在基因组数据分析处理(包括测序采样与分析、碱基读出、载体标识与去除、拼接与组装、间歇填补、重复序列标识等等)逐步建立了统一的标准和流程。我们可以把华大基因比喻成秦统一六国，它积极参与国际领域内大数据管理、整合和共享标准的建立，利用自身硕大的测序平台体量和技术实力，在技术标准方面成为行业内的执牛耳者。而代谢组学则还没有发展成熟，还处于春秋战国诸侯争霸时期。　　目前代谢组学除了核磁共振仪外，主要分析仪器为质谱。而包括飞行时间质谱(TOF)、三重四级杆串联质谱(TQ)、四级杆飞行时间串联质谱(QTOF)、离子回旋共振质谱(ICR)、轨道离子阱(Orbitrap)等高分辨质谱仪的生产厂家不下十家。这些厂家都有自己独特的仪器配置、数据处理软件、以及数据库。不同厂家用的工作软件和数据库之间都无法对话(cross-talk)，因此一旦购买了某一个厂家的设备来做代谢组学，研究者往往只有照搬该厂家提供的全套分析工具，因而整个行业缺乏包括数据处理标准、数据分析途径、生物描述规范、以及报告标准在内的统一的代谢组学标准流程或标准协议。对于代谢产物鉴定，各个实验室的做法也是参差不齐，有的完全依赖国际数据资源库，有的用厂家自带数据库，有的用自己的标准品来鉴定，以致于数据的质量良莠不齐!　　代谢组学要想全面进入临床医学和健康产业的服务领域，需要化大力气解决技术平台的行业标准化问题。从代谢组学设备生产厂家到各个实验室之间都需要逐步改变工作模式，从各自为战百花齐放到互相合作统一标准，共同建立行业内的技术规范，不同平台产生的数据可以交互验证(cross-validation)，最终建立起一个行业内可以共享的代谢组学数据库。　　也只有在行业普遍接受的技术标准的前提下，我们才可能扩大检测规模。而没有一定的检测通量，例如一次检测数万或数十万样本的能力，代谢组学技术也很难在大型研究项目和精准医学领域扮演一个有意义的角色。前面说到复旦大学开展的基于大型队列的表型组学研究，目前已经纳入计划的队列达到二十万人，以每个人在六个时间点采集样本计，总样本数就达到了120万份，随着计划的推进，样本数将持续上升。可以想象，只有采用统一的技术标准和具备足够检测通量的代谢组学实验室才可能承担这类项目的研究工作。　　记得八十年代读书的时候看过一部纪录片《话说长江》，有二十五集，当时这部电视播出后举国轰动，中国观众在信息闭塞了几十年后，通过一条流淌了数千万年全长六千多公里的河流的介绍，第一次直观的、全景的在电视中看到了自己国家广袤的大地、多彩的人文、以及长江流域美丽的自然风光。每天晚上随着主题歌响起，每个人的心里开始激动和期盼，“你从雪山走来，春潮是你的丰采 你向东海奔去，惊涛是你的气概̷̷ ”同样，我们今天尽管科学高度发达，人类对于自身几乎是所有的重大疾病的发病机制的认知水平还处于Dark Ages(黑暗时代)阶段，随着基因组学的日趋成熟和表型研究工具如代谢组学的广泛应用，我们将会把基因和表型信息连接起来，有可能逐步打开一些疾病的黑箱，像了解一条古老的河流一样逐步认识我们的生命，一步一步地逼近疾病和生命的本质!

生物体中几乎所有的细胞都具有相同的基因组，而不同的细胞类型和功能则由不同的基因表达、表观遗传修饰和翻译后修饰等所决定。解析特定器官或组织中特定细胞的生物大分子图谱对探究发育、细胞间通讯以及疾病的发生发展等都具有重要意义。因此，开发细胞选择性的生物大分子标记方法，近年来受到了科学家们的广泛关注。通过基因编码的方法，人们在活体动物中实现了蛋白质的组织特异性和细胞选择性标记和分析。然而，糖质（glycan）作为另外一种主要的生物大分子，尚无法通过基因编码的方式，实现活体中的细胞选择性标记。糖质以寡糖、多糖、糖蛋白、糖脂等形式直接参与细胞的分化增殖、免疫调节、信号转导、细胞迁移等重要的生命活动，对其进行在体标记和分析一直是领域内的一个难点。其中，基于生物正交化学的代谢糖质标记（metabolic glycan labeling）技术已经成为了最主要的工具之一。经过20多年的发展，目前已有数十种非天然糖分子可用以在活细胞和活体中标记糖质。然而，非天然糖在活体中并不具备器官或细胞特异性，无法实现精准的细胞选择性标记，阐释特定细胞群体中糖质所发挥的生物学功能。北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心陈兴教授课题组一直致力于解决这个问题，此前开发了基于靶向性脂质体的非天然糖代谢标记技术，实现了肿瘤组织和脑部的糖质标记。同时，他们意识到，基因编码技术可以在活体中实现更加精准的细胞选择性。为了实现这一目标，继续推进代谢糖质标记技术的应用，2022年5月5日，该课题组在 Nature Chemical Biology 上发表了题为“Cell-type-specific labeling and profiling of glycans in living mice”的论文，报道了一种可基因编码的代谢糖质标记技术（GeMGL）。该技术将“凸凹互补（bump and hole）”的化学遗传学策略与代谢糖质标记方法相结合，利用非天然糖1,3-Pr2GlcNAl（Bump）及其匹配的焦磷酸酶突变体AGX2F383G（Hole）的正交组合，在活体动物上实现了细胞选择性糖质标记和分析。他们从一个具有低标记效率的非天然糖—乙酰胺基葡萄糖的叠氮类似物GlcNAz出发，确认了其代谢通路中的焦磷酸酶AGX是限速酶，将其过表达可以增强代谢强度。他们随即想到，增大非天然基团并对AGX酶进行突变，可能可以开发出凹凸对。于是，他们采用了炔基修饰的乙酰胺基葡萄糖GlcNAl和焦磷酸酶突变体AGX2F383G，通过体外和细胞实验证明了GlcNAl的代谢完全依赖焦磷酸酶突变体AGX2F383G。接着，在多细胞共培养体系和小鼠移植瘤模型中，证明了GeMGL策略的可行性。基于此，他们将该策略拓展到了转基因小鼠中。他们首先利用心肌细胞特异的启动子α-MHC实现了AGX2F383G在小鼠心肌细胞中的特异性表达，然后腹腔注射非天然糖1,3-Pr2GlcNAl，实现了非天然糖分子在小鼠心肌细胞中的特异性代谢。从各组织标记结果来看，GeMGL策略展现出严格的心肌细胞选择性。结合定量蛋白质组学方法，在小鼠心肌细胞中鉴定到582个O-GlcNAc修饰蛋白。分析发现，心肌细胞中许多糖酵解、TCA循环和氧化磷酸化途径相关蛋白都具有O-GlcNAc糖基化修饰，表明O-GlcNAc糖基化修饰可能在心肌细胞的线粒体能量代谢过程中发挥重要功能。在转基因小鼠中进行的细胞类型特异性代谢糖质标记该工作提供了一种可基因编码的细胞特异性糖质标记技术GeMGL，为在活体层面研究糖质在特定细胞类型中的生物学功能提供了一种便利、有效的工具。该技术有望被推广到更为复杂的神经系统中，并在相关疾病模型中探究糖基化与神经发育、神经退行性疾病等的关系。陈兴 北京大学化学学院教授，生命科学联合中心高级研究员，合成与功能生物分子中心研究员。长期致力于糖化学和糖生物学研究，糖质标记和分析是其研究重点之一。综合运用化学方法、生物手段和纳米技术，研究糖基化的生物学功能及其在代谢疾病及其心血管并发症中的作用。原文连接：https://www.nature.com/articles/s41589-022-01016-4

靶向代谢组学中，通常需要同时检测多个目标组分，这对质谱数据的采集速度提出了很高的要求。 岛津超快速质谱（UFMS）拥有业内首屈一指采集速度。以LCMS-8050为例，其驻留时间（Dwell time≥0.8 ms）、切换时间（Pause time≥1 ms）、扫描速度（Scan speed≤30000 u/sec）、正负极切换速度（Polarity switching time=5 ms）；并且具有触发子离子扫描功能，可以实现MRM定量的同时对目标组分进行子离子扫描定性分析。 以下图为例，假设一个峰宽6秒的UHPLC色谱峰用于定量分析，必须有20个采集点左右，峰型才足够平滑，峰面积和出峰时间的重复性才能达标。如此算来，每个采集点的循环时间（loop time）只有300 ms。在300ms的时间段内，需要进行所有目标组分的采集，如下AB正离子，CD负离子： 1.采集循环开始，切换时间内对质谱通道电压进行调整（为A离子对“铺路”）；2.A母离子通过四级杆Q1、碰撞池内进行碰撞、四级杆Q3筛选子离子、最终到达检测器进行离子计数，这段时间总和即为驻留时间；3.为B离子重复以上过程，到此正离子采集完成；4.接着切换从离子源到质谱通道到检测器的电压为负，此为正负极切换时间；5.进入到C、D的采集过程，过程与AB一样；6.最后将电压切换为正，到此结束整个循环时间，开始下个采集点的循环时间。 这只是两个正离子和两个负离子的采集例子，如果采集目标组分数量急剧增加，在峰宽不变的情况下（即循环时间loop time不变），分到每个离子的驻留时间和切换时间将急剧减少，因此最小驻留时间和切换时间，直接决定了该质谱在所能同时采集的离子对数量，这对于靶向代谢组学或其他需要进行多目标物同时筛查的项目，至关重要！ 图2. 质谱采集信号的过程，以及频率和点数的关系最后，举例说明岛津UFMS在靶向代谢组学中的一个应用实例：脂质组学属于代谢组学的一个分支。为进行靶向脂质组学研究，岛津公司利用超快速质谱适于多化合物同时检测的特性，推出了第三版脂质介质方法包：包含了主要脂类化合物如类花生酸、二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）等多价不饱和脂肪酸代谢物，花生四烯酸乙醇胺（AEA）、血小板活化因子（PAF）等196种主要脂质介质及其相关物质的色谱、质谱条件（MRM通道）。 该方法只需20分钟的色谱分析便能获得这196种化合物的脂质介质的分析结果。此外，方法包中还根据出峰时间和结构特性，准备了18种氘代内标化合物的MRM通道。另外，该方法包可进行保留时间校正，可使用内标法进行半定量，所以可用于检索多变量解析时的标记物。下图显示了超快速质谱MRM模式中，196种脂质和18种内标同时分离所采集得到的色谱图。 图3. 脂质介质方法包用于196种脂质，18种内标的分离 撰稿人：钟启升

犹他州盐湖城(2010年5月25日)——赛默飞世尔科技在2010年美国质谱年会(ASMS)上宣布推出可同时实现定量和定性分析的全自动代谢物筛查软件MetQuest，为药物代谢和药代动力学研究带来了革命性的突破。 　　MetQuest软件充分利用了Orbitrap技术得到的高分辨率准确质量数数据，一次进样可以同时鉴定和定量分析化合物及其代谢产物。 　　全球科学服务领域的领导者赛默飞世尔科技公司今天推出了Thermo Scientific MetQuest软件，让实验室可以充分利用Thermo Scientific Orbitrap质谱得到高分辨率准确质量数(HRAM)的全扫描数据，一次进样可以同时鉴定和定量分析化合物及其代谢产物。与传统的多反应监测(MEM)方法相比，使用MetQuest™ 软件可以为药物代谢和药代动力学(DMPK)的研究者节省可观的时间和费用。MetQuest软件将在2010年5月24-26日犹他州盐湖城举办的美国质谱年会期间展示，展出地址为Salt Palace Convention Center Salons 250BCEF。 　　MetQuest软件与业界认可的Thermo Scientific LTQ Orbitrap或Exactive液相色谱/质谱(LC/MS)系统联用后，研究者可以在一次分析过程中完成常规的定性和定量分析。与代谢物研究所用的三重四极杆MRM方法相比，这种方法可以节省时间和费用。Zhang和Bateman等人的文章报道了这种方法的定量结果，包括药物及其代谢产物的精密度、准确度、线性范围和灵敏度，都可以与已经建立的三重四极杆MEM方法媲美。 　　“在药物研发过程中，尽早同时得到定性和定量信息对于制药工业是极为重要的。”赛默飞世尔科技公司科学仪器部市场经理Patrick Bennett说，“MetQuest软件让用户可以同时定量和鉴定化合物及其代谢产物，并且不用重复全部实验(包括样品制备和LC/MS分析)就能随时查询数据，得到更多的补充信息。软件已经投入使用，业界因此而受益，并将对DMPK实验室中LC/MS实验的执行方式产生根本性的影响。 　　研究和记录候选药物的代谢过程是药物研发早期阶段的关键步骤。使用MRM方法的三重四极杆系统常用作化合物的定量分析。这种系统的优点在于MRM方法的特异性，但同时也存在缺点。MRM方法在检测某一特定化合物时很有效，但是却可能丢失样品中其他化合物的信息，比如代谢产物，除非预先设定了MRM方法检测这些化合物。MRM方法还需要很长时间选择和优化参数，比如为每一个感兴趣的目标分析物选择母离子、子离子、分离和碰撞能量等参数。因此，时间、精力和必须的技术水平对于那些每天必须分析许多新化合物的实验室来说是十分重要的。 　　Orbitrap专利技术尤其适合于化合物鉴定和同时定量和定性的高通量筛选。Orbitrap具有高达10万的超高质量分辨率，能够排除化学噪声(如生物基质带来的同质量数的干扰)，降低检出限和假阳性率。MetQuest软件的专利算法，特别适合自动处理全扫描高分辨数据，即使面对最复杂的生物基质，也不需要预先设定扫描的质荷比就能够鉴定未知化合物。由于MetQuest软件不需要在串联质谱方法开发和优化过程上花费时间，可以更容易地建立方法，而且一种方法适用于多种化合物的分析。与手动生成曲线的其他软件相比，从处理数据中自动生成代谢稳定性曲线的MetQuest软件可节约大量时间。 　　如果需要有关MetQuest软件或其他赛默飞世尔产品的更多信息，请在ASMS 2010期间访问Thermo Scientific展台69，或访问Thermo Scientific迎宾室(Salt Palace Convention Center Salons 250BCEF)。如果需要Thermo Scientific质谱解决方案的更多信息，请致电1-800-532-4742或发邮件至analyze@hermofisher.com。 　　关于赛默飞世尔科技 　　赛默飞世尔科技公司(纽约证交所代码：TMO)是全球服务科学领域的领导者，帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额超过100亿美元，拥有员工30,000人，服务超过350,000个客户，我们的客户遍布各个领域：制药和生物科技公司、医院和临床诊断实验室、知名高校、科研院校、政府机构，以及环境和工业过程控制设备制造商等。通过公司旗下Thermo Scientific和Fisher Scientific两大品牌，我们帮助客户解决分析领域中从常规测试到复杂研发的各种挑战。Thermo Scientific为客户提供全方位的高端分析仪器、实验室设备、软件、服务、耗材和试剂等一系列综合实验室流程解决方案。Fisher Scientific则为卫生保健、科学研究、安全和教育领域提供整套实验室设备、化学品、其他用品和服务。我们一起努力为客户提供最方便的采购选择，不断改进我们的技术以加速科学发明的步伐，提升客户价值，为股东创造利润，使员工获得发展。欢迎登录www.thermofisher.com。

本文由中国药科大学药物代谢与药代动力学重点实验室所作，发表于DRUG METABOLISM AND DISPOSITION 38:1747–1759, 2010。 中药通常被定义为一种治疗方案，它不是由单一化合物与单一靶点相互作用组成的，而是几种化合物与多个靶点相互作用的协同药理干预。由于天然产物具有多种多样的生物活性和药用潜力，几乎每个文明都积累了使用它们的经验和知识。 最近，西方制药公司开始更喜欢用纯净的天然产品，而不是粗提取物作为药物原料。然而，在识别通过联合用药来有效对抗疾病的天然化合物或受自然启发化合物方面存在巨大的挑战。此外，体内可能存在的大量代谢物、有害药物相互作用的固有风险以及多组分制剂不可预测的药代动力学特性仍需解决。因此，中药代谢研究不仅是中药现代化的关键，而且对新药的开发具有重要意义。 中药代谢研究是一项艰巨的任务，由于中药成分复杂，代谢途径复杂，缺乏标准品，目前尚处于起步阶段。本研究基于液相色谱-离子阱-飞行时间质谱技术，建立了快速鉴定和分类中药成分代谢物的技术平台。 以五味子木脂素提取物为例，完成了体外和体内代谢研究。在体外研究中，对五种典型五味子的代谢产物进行了鉴定和结构表征。主要的代谢途径有去甲基化、羟基化及去甲基-羟基化。在体内研究中，在大鼠尿液中检测到44种代谢物。根据体外代谢规律，对这些代谢产物进行了快速鉴定和分类，并证实羟基化是木脂素在大鼠尿液中的主要代谢途径。 此外，根据在0 - 12、12 - 24和24 - 36小时采集的尿液样本的相对强度，计算雌性和雄性大鼠代谢产物的“相对累积排泄”(RCE)。结果发现，RCE存在很大的性别差异。对于大多数代谢物，雌性大鼠的RCE显著低于雄性大鼠。综上，目前开发的木脂素五味子代谢研究方法和途径将在中药代谢研究中得到广泛应用。 图1 基于液相色谱-质谱联用技术开发的中药代谢平台和工作流程图2 用LC-IT-TOF/MS测定NADPH存在时，五味子木脂素A及其代谢物在雌性(A)和雄性(B)大鼠肝脏S9中的EICs，以及五味子木脂素A可能代谢物的裂解途径(C-F)。虚线方块:潜在的去甲基化位点 虚线圆圈:潜在的羟基化位点。 综上所述，本研究基于LC-IT-TOF/MS单一平台，为解决中药代谢领域的关键问题——包括代谢产物的鉴定和分类，开发了一套系统方法论(图1)。在此基础上，利用LC-IT-TOF/MS平台对五味子木脂素的代谢产物进行了系统鉴别和分类。 首先，利用基于诊断片段离子的扩展策略对五味子木质素提取物中的五味子木脂素进行快速鉴定，并在此过程中对31种五味子木脂素进行了结构特征鉴定。 其次，基于LC-IT-TOF/MS，对5种五味子木脂素成分的标准品在肝脏和肠道S9系统中的代谢命运进行逐一研究，其主要生物转化方式包括去甲基化(－CH3)、羟基化(＋OH)和去甲基化-羟基化(－CH3＋OH)。 文献题目《Development of a Systematic Approach to Identify Metabolites for Herbal Homologs Based on Liquid Chromatography Hybrid Ion Trap Time-of-Flight Mass Spectrometry: Gender-Related Difference in Metabolism of Schisandra Lignans in Rats》 使用仪器岛津LC–IT-TOF/MS 作者Yan Liang, Haiping Hao, Lin Xie, An Kang, Tong Xie, Xiao Zheng, Chen Dai, Kun Hao, Longsheng Sheng, and Guangji Wang Key Laboratory of Drug Metabolism and Pharmacokinetics, China Pharmaceutical University, Nanjing, People’s Republic of China

第二十届全国色谱学术会议于4月19日在西安曲江国际学术会议中心顺利召开，来自于国内外上千名的专家学者汇聚于此分享着在色谱领域中最新的研究成果和进展。在此次会议上，来自于中国科学院大连化学物理研究所的许国旺研究员向到场的嘉宾和观众介绍了液相色谱-质谱联用技术在代谢组学中的最新研究进展，并与现场嘉宾和观众进行了交流。 　　许国旺谈到，代谢组学是通过考察生物体系受刺激或扰动前后代谢物谱及其动态变化来研究生物体系代谢网络的一种技术。根据研究目的不同，可以将代谢组学研究策略分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。通常非靶向方法主要用于代谢表型区分或差异代谢物发现的研究。从分析技术的角度来看，非靶向代谢组学是尽可能多地定性和相对定量生物体系中的代谢物， 最大程度反映总的代谢物信息。靶向代谢组学通常针对某个代谢通路或某些感兴趣的已知代谢物进行高灵敏度检测和准确定量分析，主要用于某些差异代谢物的验证等经典的靶向代谢组学LC-MS分析先由目标代谢物标样产生选择反应监测(SRM)/多反应监测( MRM) 离子对， 然后对样品中的目标代谢物进行靶向分析。 中国科学院大连化学物理研究所 许国旺研究员 　　近年来随着分析化学的发展，代谢组学技术也获得了蓬勃发展。核磁共振和质谱是代谢组学研究领域的最主流分析平台，与其他色谱-质谱联用技术相比，液相色谱-质谱联用技术更适合分析难挥发或热稳定性差的代谢物，同时LC既可以选择与飞行时间、四级杆-飞行时间、离子阱-飞行时间、静电轨道阱等高分辨质谱串联，以进行非靶向代谢组学分析，又可以与四级杆、三重四级杆或四级杆离子阱等质谱串联，利用选择反应监测或多反应监测检测模式进行靶向代谢组学分析。LC-MS技术的这种灵活性与普适性，使得它成为了代谢组学研究中功能最为常用的技术平台。 　　基于LC-MS的代谢组学技术研究近年来取得了突飞猛进的成果，但技术的发展永无止境，就基于LC-MS的代谢组学分析技术而言仍存在很多问题亟待解决，例如，生物样品中代谢物组成十分复杂，许多痕量代谢物有重要的生理功能和意义，但目前的方法难以检测或因其含量较小导致分析误差很大 代谢组学面对的是大样本分析预处理技术及分析方法的重现性和可靠性显得尤为重要 生物样本间的个体差异导致了不同的基质效应，如何在复杂生物基质条件下对代谢物进行准确的定量分析也是代谢组学面临的挑战之一。 　　随着各种质谱仪器灵敏度和分辨率性能的大幅度提升基于LC- MS技术的代谢组学能够获得的代谢特征也在快速增加，但是如何将这些代谢特征转变为有用的代谢信息依然是代谢组学研究工作者面临的挑战之一，可以预见未来将会有更多的新技术、新方法出现，以满足日益增长的代谢组学研究需求。

肿瘤免疫是利用免疫学的理论和方法研究肿瘤的抗原性、机体的免疫功能与肿瘤发生/发展的相互关系、机体对肿瘤的免疫应答及其抗肿瘤免疫的机制、肿瘤的免疫诊断和免疫防治的科学，与肿瘤代谢特性及微环境重建有着十分密切的关系，其对研究肿瘤的发病机制、预防、诊断和治疗具有重要意义。能量代谢是生命体最基本的特征之一，代谢的重编程与癌症、免疫、神经退行性疾病、肥胖、糖尿病等息息相关。为此，从细胞能量代谢着手，探索生命现象的奥秘，寻找重大疾病的新疗法，已成为目前的热门研究领域。一文带你解读近期2场会议报告亮点，揭密那些隐藏的小细节！ 6月15日—肿瘤免疫与代谢（点击日程即可报名参会）1.针对肿瘤和自身免疫性疾病等重大疾病，围绕树突状细胞囊泡转运相关分子和T细胞特异性抗原受体库开展系统免疫学研究2.针对肿瘤个体差异和肿瘤空间异质性的问题，发展的代谢组分子分型-代谢物异质分布空间可视化-精准粒子治疗策略，最大化的减少副作用，并达到更好的肿瘤抑制效果3.专注肿瘤免疫生物治疗以及相关代谢机制，在微小囊泡研究领域有一系列的原创性发现。4.安捷伦重磅新品在线赏，能量代谢分析技术强应用6月24日—转化医学之肿瘤免疫学（点击日程即可报名参会）1.重点介绍FOXP3+调节性T细胞功能可塑性及稳定性分子机制研究新进展，以及组织特异性Treg, 特别是自身免疫病，肥胖及衰老相关糖尿病以及肿瘤微环境中FOXP3+Treg功能与免疫疗法相关新进展2.通过研究免疫系统和肿瘤之间的相互作用，鉴定肿瘤特异的免疫细胞，尤其是识别肿瘤抗原的T细胞，以及肿瘤细胞抵抗免疫攻击的逃逸机制，从中发现新的治疗靶标，建立高效的肿瘤免疫治疗新方法3.肿瘤浸润淋巴细胞TIL疗法的进展与挑战4.Cytiva层析技术助力肿瘤免疫学研究 ♥更多精彩尽在网络讲堂：https://www.instrument.com.cn/webinar/