問：代謝組能讓我們全面理解一個生物系統(tǒng)，它能為研究者提供許多功能性信息。請您介紹一下，目前代謝組學主要研究手段有哪些？該領域目前的研究及臨床應用情況如何？

胡澤平教授：代謝是生物體進行生命活動的基礎，代謝紊亂已被證明與糖尿病、腫瘤、炎癥等諸多疾病密切相關。代謝組學是代謝研究的重要技術手段之一。

從研究目的和方法的角度看，通?？蓪⒋x組學分為非靶向代謝組學和靶向代謝組學兩種類型。非靶向代謝組學致力于盡可能全面地對生物體系中的所有內源性小分子代謝物進行系統(tǒng)分析，而靶向代謝組學則更側重于針對科研人員所感興趣的一組特定的代謝物進行分析。此外，近年來，結合非靶向和靶向兩種方法優(yōu)勢的“擬靶向”代謝組學方法也得到一定程度的發(fā)展。分析手段方面，代謝組學主要采用液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）、氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）、核磁共振（NMR）等分析平臺，其中最為常用的是LC-MS平臺。

隨著近年來人們越來越多的認識到代謝研究的重要性，代謝組學在生命科學和醫(yī)藥研究中也得到更為廣泛的應用，包括細胞代謝調控、代謝新通路、疾病代謝機制、藥物新靶標發(fā)現(xiàn)與確證、藥物藥效及毒性評價、疾病診斷或預后生物標志物、藥物代謝組學、精準用藥等領域。

問:我們看到目前代謝組學在促進藥物研發(fā)、實現(xiàn)精準治療的過程中，越來越受到重視，與其它研究方法相比，它的優(yōu)勢有哪些？還有哪些需要克服的困難？

胡澤平教授:代謝物處于生物系統(tǒng)中生化活動的終端，因此反映的是已經發(fā)生的生物學事件。此外，基因表達和環(huán)境因素的變化對生物系統(tǒng)所產生的影響都可在代謝物水平上得到最終的表型體現(xiàn)。因此，與其他組學相比，以小分子（通常指分子量<1000）代謝物為主要研究對象的代謝組學能夠更為準確地反映生物體的終端和整體信息。通過代謝組學分析，可以深入理解相關的代謝異常。

盡管代謝組學在上述的研究領域取得了廣泛應用，其自身的發(fā)展仍然存在一些需要解決的問題。由于代謝物種類多樣且濃度差異大，代謝物的分析仍然存在多方面的挑戰(zhàn)，如基質效應、離子化抑制、代謝物的鑒定等。與其他組學特別是已經很大程度上實現(xiàn)了標準化的基因組學和轉錄組學相比，代謝組學的應用受到了不同實驗室間差異性的阻礙，涉及大樣本量如臨床樣本的代謝組學研究更需要高度可重復的可靠代謝組學分析方法，因此亟需進一步推進代謝組學的方法學標準化，包括從樣品采集、制備和處理到數(shù)據(jù)的分析和解釋的整個過程，從而在各實驗室之間實現(xiàn)更為一致和可重復的代謝組學研究，以更高的準確度和精確度檢測代謝表型的微妙差異。此外，檢測和鑒定更多低豐度代謝物以實現(xiàn)更廣泛的代謝組覆蓋是代謝組學的另一項技術挑戰(zhàn)。如干細胞代謝、腫瘤代謝異質性、發(fā)育代謝、免疫代謝等很多代謝研究中的可及樣本量通常極少，需要超高靈敏度的方法來實現(xiàn)準確分析。另外，多組學數(shù)據(jù)整合正成為代謝研究的重大需求和技術瓶頸，需要開發(fā)新的生物信息學工具，將代謝組學與其他組學（基因組學、轉錄組學和蛋白質組學）相結合，并對多組學數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整合和預測建模，以加速大數(shù)據(jù)的多組學研究。

問:通過生物質譜發(fā)展超靈敏度的新型痕量代謝組學和代謝流分析技術是您的課題組研究方向之一，請您給大家介紹下，為什么要發(fā)展超靈敏的痕量代謝組學方法？什么是代謝流分析？它的具體作用是什么？

胡澤平教授:如前面提到的，如干細胞代謝、腫瘤代謝異質性、發(fā)育代謝、免疫代謝等很多代謝研究中的可及樣本量通常很少，需要超靈敏的方法來實現(xiàn)準確分析。這將為深入理解干細胞、疾病、發(fā)育和免疫細胞的代謝分子機制提供必需的技術支持，同時也將為捕捉早期腫瘤病人血液中細微的代謝變化、檢測和鑒定更多低豐度代謝物以實現(xiàn)更廣泛的代謝物覆蓋、及發(fā)現(xiàn)早期診斷生物標志物提供技術基礎。我們前期發(fā)展的基于三重四級桿質譜的超靈敏靶向代謝組學技術率先使在5,000-10,000個分離自小鼠的造血干細胞中進行代謝組學分析成為可能，并由此取得重要生物學發(fā)現(xiàn)，這充分證明了超靈敏痕量代謝組學技術的重要性。

雖然代謝組學是研究代謝的重要技術手段，但由于代謝網絡是復雜并且動態(tài)變化的，而代謝組學僅能提供靜態(tài)的代謝物豐度信息，因此仍存在局限性。代謝流分析技術則可以很好地彌補這一局限。代謝流分析技術利用穩(wěn)定同位素標記特定的化合物，通過分析下游代謝產物的穩(wěn)定同位素標記模式，推算出該化合物在在細胞內代謝通路中的周轉速率、方向和分布規(guī)律；通過對不同狀態(tài)的生物體進行代謝流分析，即可得到生物體特定代謝通路的活躍程度，從而在動態(tài)水平上描述細胞的代謝活性。結合代謝組學和代謝流分析技術，可以更好地理解細胞內代謝網絡的代謝物水平變化、流量分布和周轉速率，發(fā)掘主要代謝異常通路及其生物學功能，并揭示其上下游相互調控機制。這可為理解疾病發(fā)生機制、藥物靶點發(fā)現(xiàn)與確證等提供強有力的科學依據(jù)。代謝流分析已經廣泛應用于代謝相關疾病如糖尿病、癌癥、免疫、神經退行性疾病等的發(fā)病機制研究中。

問:我們了解到，您在2016年12月加入了清華大學藥學院并建立了代謝組學與疾病代謝課題組。您認為您課題組的主要特色是什么？到目前為止，課題組進展怎樣？已經取得哪些重要成果？

胡澤平教授:我們課題組多年來致力于疾病的代謝機制研究與藥物新靶標的發(fā)現(xiàn)與確證，重點專注于以發(fā)現(xiàn)和確證藥物新靶標為導向，通過發(fā)展新型痕量代謝組分析（包括代謝組學和代謝流）技術，揭示生理、疾病、或耐藥性的代謝異常新通路并深入闡釋其分子新機制，來發(fā)現(xiàn)和確證新型藥物靶標，逐步形成了“發(fā)展新技術、揭示新機制、鑒定新靶標”的主要研究特色。具體來說為：

發(fā)展并驗證基于色譜-質譜聯(lián)用技術（LC-MS和GC-MS）的超靈敏痕量代謝組學方法，用于分析痕量樣本（尤其是干細胞、發(fā)育）中的代謝物變化規(guī)律；發(fā)展基于穩(wěn)定同位素示蹤的代謝流分析技術，用于分析代謝異常通路的動態(tài)周轉速率與方向；

以所發(fā)展的代謝組學和代謝流分析技術，結合轉錄組學、生物信息學和分子 / 細胞生物學等方法，發(fā)掘與生理（干細胞、發(fā)育）、疾?。ò┌Y、感染性疾病、心肌肥大）或藥物耐藥性相關的代謝重編程通路及其關鍵代謝酶，揭示其相應的功能與分子調控機制；

基于上述功能和機制研究，發(fā)現(xiàn)與疾病、耐藥性相關的代謝漏洞（代謝脆弱性），確證其作為新藥、克服耐藥的新型分子靶標的可行性，進而用于新藥研發(fā)或聯(lián)合用藥；發(fā)掘相應的生物標志物，用于指導臨床精準用藥。

我們課題組目前已經發(fā)展了一系列基于色譜-質譜平臺的代謝組學（靶向和非靶向）和代謝流分析技術方法。其中包括一種前面所提及的超靈敏的痕量靶向代謝組學方法，可在極少量（～5,000）細胞中進行代謝組學研究，并應用該方法與合作者揭示了造血干細胞異于其他造血細胞群的代謝特征及其生物學意義。此外，我們以所創(chuàng)建的代謝組學和代謝流分析方法為基礎，進行了多項疾病代謝機制的合作研究，包括闡釋了癌癥細胞中新的代謝通路；非小細胞肺癌的發(fā)病、惡性黑色素瘤的轉移、以及造血干細胞的代謝重編程及其分子機理，為深入理解癌癥發(fā)病或轉移機制，并發(fā)現(xiàn)新型治療靶標提供了分子基礎。

在2016年12月回國以來的工作中，我們：1. 率先揭示了ASCL1低表達的小細胞肺癌（SCLC）亞型依賴于次黃嘌呤脫氫酶（IMPDH）介導的嘌呤從頭合成的代謝機制，確證了IMPDH可作為該亞型SCLC治療的藥物新靶標，并發(fā)現(xiàn)了特異性靶向IMPDH的新藥咪唑立賓，突破了數(shù)十年來SCLC治療缺乏有效靶向治療藥物的瓶頸（Cell Metabolism, 2018）；2. 率先揭示了“發(fā)熱伴血小板減少綜合癥”（Severe fever with thrombocytopenia syndrome, SFTS）病毒感染后引發(fā)精氨酸代謝異常，繼而導致血小板減少和T細胞免疫功能抑制的潛在致病機制；并在臨床試驗中確證了“精氨酸補充療法”可以促進患者恢復，為治療這一致死率高達10-30%的病毒性傳染病、降低病死率提供了重要的新理論和新策略（Science Translational Medicine, 2018）。另外，我們在非小細胞肺癌對EGFR TKI的耐藥性、心肌肥大的代謝機制等研究中也取得了一些進展，目前相關工作正在順利開展中。

問:我們知道，在許多代謝過程中代謝產物的動態(tài)變化范圍存在個體差異問題，且易受到飲食、環(huán)境、年齡等各種因素影響，所以代謝物作為生物標記物存在一定局限性。在高噪音背景下檢測出代謝組生物標記物有一定難度。您在研究過程中是否遇到過類似情況？針對這一問題，研究人員有何對策？

胡澤平教授:作為精準醫(yī)學的“關鍵詞”之一，生物標志物的發(fā)現(xiàn)已經成為當前醫(yī)學領域的研究熱點之一。包括代謝組學等在內的組學技術的快速發(fā)展為發(fā)現(xiàn)生物標志物帶來了更大的可能性。如前所述，代謝物是存在于信號通路的終端產物，因此代謝組學所提供的信息與表型更為接近，更適于疾病分型和標志物發(fā)現(xiàn)的研究。但是在實際研究尤其是在人體研究中，不同代謝物的水平本身相差懸殊，并且容易受到年齡、性別、飲食、是否用藥等其他因素的干擾。此外代謝組學常用的技術手段如質譜檢測也容易受到其他雜質的干擾，表現(xiàn)為強烈的背景噪聲，而且不同的檢測和分析體系，有不同的噪音模式。因此，基于代謝組學的生物標志物發(fā)現(xiàn)需特別注意排除artificial的因素影響，而這一直以來都是相關研究的挑戰(zhàn)和難題。從代謝組學分析技術層面來說，可通過利用高特異性、高靈敏度的平臺，如液相色譜－串聯(lián)質譜（LC-MS/MS）和高分辨質譜等，并采用嚴格的質量控制，來對包括低豐度次生代謝物在內的盡可能多的代謝物進行全覆蓋分析，并進行可靠的代謝物鑒定。從生物學角度來說，單獨某一種代謝物的升高，既可能是因為合成途徑的增強，也可能是由于消耗途徑的抑制。因此可通過分析代謝通路上、下游代謝產物來尋找一組（而不是單一的）相關性生物標記物；尤其重要的是，針對相關性生物標記物進行進一步的生物學功能和機制驗證，從而實現(xiàn)“功能性生物標志物”的發(fā)現(xiàn)，將對疾病的準確診斷或預后發(fā)揮更為重要的意義。

問:您在清華大學藥學院開展代謝組學分析技術和疾病代謝研究，您認為代謝組學分析技術在藥物研發(fā)中所起的作用是什么？將來還可以應用在哪些方面？

胡澤平教授:多年來的研究證實，代謝在疾病的發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用。代謝組學研究生物體在受到病理生理刺激或遺傳修飾后（包括基因或環(huán)境的改變），其內源性代謝產物的種類及數(shù)量變化，因此所有對生物體系有影響的因素均可反映在代謝組中。利用代謝組學技術對代謝組的靜態(tài)和動態(tài)進行分析，可以幫助我們理解代謝異常的生物學變化過程，在疾病的病理機制、治療靶點的發(fā)現(xiàn)和驗證、藥物的作用及毒性研究中發(fā)揮著重要作用。

近年來，代謝組學在理解疾?。ㄈ缒[瘤）的病理機制，以及藥物的作用、毒性、耐藥機制研究中的作用已經受到廣泛關注。因此，代謝組學在新藥靶標發(fā)現(xiàn)與確證，以及克服耐藥性的研究，以及相應的藥物研發(fā)中將發(fā)揮越來越重要的作用。此外，藥物代謝組學在指導臨床精準用藥中也將扮演更令人鼓舞的角色。

胡教授的解答十分詳實，從中我們對代謝組學的概念、作用、發(fā)展前景等方面都有了一個全面的認識。可以看到，藥物代謝組學在指導臨床精準用藥中扮演著更令人鼓舞的角色，相信未來隨著研究者們孜孜不倦的求索以及代謝組學技術的逐步發(fā)展，其將會在疾病治療當中發(fā)揮更大的價值。

【專家簡介】

胡澤平，研究員

1995-2000年本科就讀于山東大學齊魯醫(yī)學院，獲醫(yī)學學士學位。2000-2003年就讀于中國食品藥品檢定研究院，師從桑國衛(wèi)院士，獲藥理學碩士學位。2003-2009年就讀于新加坡國立大學（National University of Singapore）藥學系，獲藥學博士學位。2010年赴美國西北太平洋國家實驗室（Paci?c Northwest National Laboratory），師從Dr. Richard D. Smith從事生物質譜和代謝組學方向的博士后研究。2012年受聘于美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心（University of Texas Southwestern Medical Center）任研究助理教授、兒童研究所代謝組學平臺技術主任。2016年12月加入清華大學藥學院，建立代謝組學與疾病代謝課題組。課題組主要研究方向為代謝分析（代謝組學和代謝流）技術研發(fā)、腫瘤及心臟疾病代謝機制研究以及相關新藥研發(fā)、和基于藥物基因組學（pharmacometabolomics）的精準治療等。目前已在綜合或領域內權威期刊發(fā)表論文40余篇。

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網址: 清華大學藥學院胡澤平教授：代謝組學與代謝流分析技術 http://m.u1s5d6.cn/newsview510611.html