問(wèn)：代謝組能讓我們?nèi)胬斫庖粋€(gè)生物系統(tǒng)，它能為研究者提供許多功能性信息。請(qǐng)您介紹一下，目前代謝組學(xué)主要研究手段有哪些？該領(lǐng)域目前的研究及臨床應(yīng)用情況如何？

胡澤平教授：代謝是生物體進(jìn)行生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，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(guān)。代謝組學(xué)是代謝研究的重要技術(shù)手段之一。

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

隨著近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越多的認(rèn)識(shí)到代謝研究的重要性，代謝組學(xué)在生命科學(xué)和醫(yī)藥研究中也得到更為廣泛的應(yīng)用，包括細(xì)胞代謝調(diào)控、代謝新通路、疾病代謝機(jī)制、藥物新靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)與確證、藥物藥效及毒性評(píng)價(jià)、疾病診斷或預(yù)后生物標(biāo)志物、藥物代謝組學(xué)、精準(zhǔn)用藥等領(lǐng)域。

問(wèn):我們看到目前代謝組學(xué)在促進(jìn)藥物研發(fā)、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的過(guò)程中，越來(lái)越受到重視，與其它研究方法相比，它的優(yōu)勢(shì)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(dòng)的終端，因此反映的是已經(jīng)發(fā)生的生物學(xué)事件。此外，基因表達(dá)和環(huán)境因素的變化對(duì)生物系統(tǒng)所產(chǎn)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(xué)相比，以小分子（通常指分子量<1000）代謝物為主要研究對(duì)象的代謝組學(xué)能夠更為準(zhǔn)確地反映生物體的終端和整體信息。通過(guò)代謝組學(xué)分析，可以深入理解相關(guān)的代謝異常。

盡管代謝組學(xué)在上述的研究領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，其自身的發(fā)展仍然存在一些需要解決的問(wèn)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(zhì)效應(yīng)、離子化抑制、代謝物的鑒定等。與其他組學(xué)特別是已經(jīng)很大程度上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)相比，代謝組學(xué)的應(yīng)用受到了不同實(shí)驗(yàn)室間差異性的阻礙，涉及大樣本量如臨床樣本的代謝組學(xué)研究更需要高度可重復(fù)的可靠代謝組學(xué)分析方法，因此亟需進(jìn)一步推進(jìn)代謝組學(xué)的方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)過(guò)程，從而在各實(shí)驗(yàn)室之間實(shí)現(xiàn)更為一致和可重復(fù)的代謝組學(xué)研究，以更高的準(zhǔn)確度和精確度檢測(cè)代謝表型的微妙差異。此外，檢測(cè)和鑒定更多低豐度代謝物以實(shí)現(xiàn)更廣泛的代謝組覆蓋是代謝組學(xué)的另一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。如干細(xì)胞代謝、腫瘤代謝異質(zhì)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(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分析。另外，多組學(xué)數(shù)據(jù)整合正成為代謝研究的重大需求和技術(shù)瓶頸，需要開(kāi)發(fā)新的生物信息學(xué)工具，將代謝組學(xué)與其他組學(xué)（基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)）相結(jié)合，并對(duì)多組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和預(yù)測(cè)建模，以加速大數(shù)據(jù)的多組學(xué)研究。

問(wèn):通過(guò)生物質(zhì)譜發(fā)展超靈敏度的新型痕量代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)是您的課題組研究方向之一，請(qǐng)您給大家介紹下，為什么要發(fā)展超靈敏的痕量代謝組學(xué)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(xì)胞代謝、腫瘤代謝異質(zhì)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(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分析。這將為深入理解干細(xì)胞、疾病、發(fā)育和免疫細(xì)胞的代謝分子機(jī)制提供必需的技術(shù)支持，同時(shí)也將為捕捉早期腫瘤病人血液中細(xì)微的代謝變化、檢測(cè)和鑒定更多低豐度代謝物以實(shí)現(xiàn)更廣泛的代謝物覆蓋、及發(fā)現(xiàn)早期診斷生物標(biāo)志物提供技術(shù)基礎(chǔ)。我們前期發(fā)展的基于三重四級(jí)桿質(zhì)譜的超靈敏靶向代謝組學(xué)技術(shù)率先使在5,000-10,000個(gè)分離自小鼠的造血干細(xì)胞中進(jìn)行代謝組學(xué)分析成為可能，并由此取得重要生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，這充分證明了超靈敏痕量代謝組學(xué)技術(shù)的重要性。

雖然代謝組學(xué)是研究代謝的重要技術(shù)手段，但由于代謝網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜并且動(dòng)態(tài)變化的，而代謝組學(xué)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(shù)則可以很好地彌補(bǔ)這一局限。代謝流分析技術(shù)利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記特定的化合物，通過(guò)分析下游代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定同位素標(biāo)記模式，推算出該化合物在在細(xì)胞內(nèi)代謝通路中的周轉(zhuǎn)速率、方向和分布規(guī)律；通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的生物體進(jìn)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(dòng)態(tài)水平上描述細(xì)胞的代謝活性。結(jié)合代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)，可以更好地理解細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的代謝物水平變化、流量分布和周轉(zhuǎn)速率，發(fā)掘主要代謝異常通路及其生物學(xué)功能，并揭示其上下游相互調(diào)控機(jī)制。這可為理解疾病發(fā)生機(jī)制、藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與確證等提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。代謝流分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于代謝相關(guān)疾病如糖尿病、癌癥、免疫、神經(jīng)退行性疾病等的發(fā)病機(jī)制研究中。

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

胡澤平教授:我們課題組多年來(lái)致力于疾病的代謝機(jī)制研究與藥物新靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與確證，重點(diǎn)專注于以發(fā)現(xiàn)和確證藥物新靶標(biāo)為導(dǎo)向，通過(guò)發(fā)展新型痕量代謝組分析（包括代謝組學(xué)和代謝流）技術(shù)，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(jī)制，來(lái)發(fā)現(xiàn)和確證新型藥物靶標(biāo)，逐步形成了“發(fā)展新技術(shù)、揭示新機(jī)制、鑒定新靶標(biāo)”的主要研究特色。具體來(lái)說(shuō)為：

發(fā)展并驗(yàn)證基于色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS和GC-MS）的超靈敏痕量代謝組學(xué)方法，用于分析痕量樣本（尤其是干細(xì)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(shù)，用于分析代謝異常通路的動(dòng)態(tài)周轉(zhuǎn)速率與方向；

以所發(fā)展的代謝組學(xué)和代謝流分析技術(shù)，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物信息學(xué)和分子 / 細(xì)胞生物學(xué)等方法，發(fā)掘與生理（干細(xì)胞、發(fā)育）、疾?。ò┌Y、感染性疾病、心肌肥大）或藥物耐藥性相關(guān)的代謝重編程通路及其關(guān)鍵代謝酶，揭示其相應(yīng)的功能與分子調(diào)控機(jī)制；

基于上述功能和機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)與疾病、耐藥性相關(guān)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(biāo)的可行性，進(jìn)而用于新藥研發(fā)或聯(lián)合用藥；發(fā)掘相應(yīng)的生物標(biāo)志物，用于指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)用藥。

我們課題組目前已經(jīng)發(fā)展了一系列基于色譜-質(zhì)譜平臺(tái)的代謝組學(xué)（靶向和非靶向）和代謝流分析技術(shù)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(xué)方法，可在極少量（～5,000）細(xì)胞中進(jìn)行代謝組學(xué)研究，并應(yīng)用該方法與合作者揭示了造血干細(xì)胞異于其他造血細(xì)胞群的代謝特征及其生物學(xué)意義。此外，我們以所創(chuàng)建的代謝組學(xué)和代謝流分析方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行了多項(xiàng)疾病代謝機(jī)制的合作研究，包括闡釋了癌癥細(xì)胞中新的代謝通路；非小細(xì)胞肺癌的發(fā)病、惡性黑色素瘤的轉(zhuǎn)移、以及造血干細(xì)胞的代謝重編程及其分子機(jī)理，為深入理解癌癥發(fā)病或轉(zhuǎn)移機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)新型治療靶標(biāo)提供了分子基礎(chǔ)。

在2016年12月回國(guó)以來(lái)的工作中，我們：1. 率先揭示了ASCL1低表達(dá)的小細(xì)胞肺癌（SCLC）亞型依賴于次黃嘌呤脫氫酶（IMPDH）介導(dǎo)的嘌呤從頭合成的代謝機(jī)制，確證了IMPDH可作為該亞型SCLC治療的藥物新靶標(biāo)，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(lái)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(dǎo)致血小板減少和T細(xì)胞免疫功能抑制的潛在致病機(jī)制；并在臨床試驗(yàn)中確證了“精氨酸補(bǔ)充療法”可以促進(jìn)患者恢復(fù)，為治療這一致死率高達(dá)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?cè)诜切〖?xì)胞肺癌對(duì)EGFR TKI的耐藥性、心肌肥大的代謝機(jī)制等研究中也取得了一些進(jìn)展，目前相關(guān)工作正在順利開(kāi)展中。

問(wèn):我們知道，在許多代謝過(guò)程中代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化范圍存在個(gè)體差異問(wèn)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(biāo)記物存在一定局限性。在高噪音背景下檢測(cè)出代謝組生物標(biāo)記物有一定難度。您在研究過(guò)程中是否遇到過(guò)類似情況？針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員有何對(duì)策？

胡澤平教授:作為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的“關(guān)鍵詞”之一，生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。包括代謝組學(xué)等在內(nèi)的組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展為發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物帶來(lái)了更大的可能性。如前所述，代謝物是存在于信號(hào)通路的終端產(chǎn)物，因此代謝組學(xué)所提供的信息與表型更為接近，更適于疾病分型和標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的研究。但是在實(shí)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(xué)常用的技術(shù)手段如質(zhì)譜檢測(cè)也容易受到其他雜質(zhì)的干擾，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的背景噪聲，而且不同的檢測(cè)和分析體系，有不同的噪音模式。因此，基于代謝組學(xué)的生物標(biāo)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(lái)都是相關(guān)研究的挑戰(zhàn)和難題。從代謝組學(xué)分析技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，可通過(guò)利用高特異性、高靈敏度的平臺(tái)，如液相色譜－串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）和高分辨質(zhì)譜等，并采用嚴(yán)格的質(zhì)量控制，來(lái)對(duì)包括低豐度次生代謝物在內(nèi)的盡可能多的代謝物進(jìn)行全覆蓋分析，并進(jìn)行可靠的代謝物鑒定。從生物學(xué)角度來(lái)說(shuō)，單獨(dú)某一種代謝物的升高，既可能是因?yàn)楹铣赏緩降脑鰪?qiáng)，也可能是由于消耗途徑的抑制。因此可通過(guò)分析代謝通路上、下游代謝產(chǎn)物來(lái)尋找一組（而不是單一的）相關(guān)性生物標(biāo)記物；尤其重要的是，針對(duì)相關(guān)性生物標(biāo)記物進(jìn)行進(jìn)一步的生物學(xué)功能和機(jī)制驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)“功能性生物標(biāo)志物”的發(fā)現(xiàn)，將對(duì)疾病的準(zhǔn)確診斷或預(yù)后發(fā)揮更為重要的意義。

問(wèn):您在清華大學(xué)藥學(xué)院開(kāi)展代謝組學(xué)分析技術(shù)和疾病代謝研究，您認(rèn)為代謝組學(xué)分析技術(shù)在藥物研發(fā)中所起的作用是什么？將來(lái)還可以應(yīng)用在哪些方面？

胡澤平教授:多年來(lái)的研究證實(shí)，代謝在疾病的發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用。代謝組學(xué)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(nèi)源性代謝產(chǎn)物的種類及數(shù)量變化，因此所有對(duì)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(xué)技術(shù)對(duì)代謝組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，可以幫助我們理解代謝異常的生物學(xué)變化過(guò)程，在疾病的病理機(jī)制、治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證、藥物的作用及毒性研究中發(fā)揮著重要作用。

近年來(lái)，代謝組學(xué)在理解疾?。ㄈ缒[瘤）的病理機(jī)制，以及藥物的作用、毒性、耐藥機(jī)制研究中的作用已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。因此，代謝組學(xué)在新藥靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)與確證，以及克服耐藥性的研究，以及相應(yīng)的藥物研發(fā)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。此外，藥物代謝組學(xué)在指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)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(shí)，從中我們對(duì)代謝組學(xué)的概念、作用、發(fā)展前景等方面都有了一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)?？梢钥吹?，藥物代謝組學(xué)在指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)用藥中扮演著更令人鼓舞的角色，相信未來(lái)隨著研究者們孜孜不倦的求索以及代謝組學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，其將會(huì)在疾病治療當(dāng)中發(fā)揮更大的價(jià)值。

【專家簡(jiǎn)介】

胡澤平，研究員

1995-2000年本科就讀于山東大學(xué)齊魯醫(yī)學(xué)院，獲醫(yī)學(xué)學(xué)士學(xué)位。2000-2003年就讀于中國(guó)食品藥品檢定研究院，師從桑國(guó)衛(wèi)院士，獲藥理學(xué)碩士學(xué)位。2003-2009年就讀于新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）藥學(xué)系，獲藥學(xué)博士學(xué)位。2010年赴美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Paci?c Northwest National Laboratory），師從Dr. Richard D. Smith從事生物質(zhì)譜和代謝組學(xué)方向的博士后研究。2012年受聘于美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心（University of Texas Southwestern Medical Center）任研究助理教授、兒童研究所代謝組學(xué)平臺(tái)技術(shù)主任。2016年12月加入清華大學(xué)藥學(xué)院，建立代謝組學(xué)與疾病代謝課題組。課題組主要研究方向?yàn)榇x分析（代謝組學(xué)和代謝流）技術(shù)研發(fā)、腫瘤及心臟疾病代謝機(jī)制研究以及相關(guān)新藥研發(fā)、和基于藥物基因組學(xué)（pharmacometabolomics）的精準(zhǔn)治療等。目前已在綜合或領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威期刊發(fā)表論文40余篇。

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