內容簡介
《醫學代謝組學》系統介紹代謝組學技術的概念、研究工具和流程，包括儀器分析、數據處理和機體代謝物的生理作用；深入闡述代謝組學在臨床和基礎、中西醫學、藥學領域的套用；同時圖文並茂、脈絡清晰地記載了醫學代謝組學研究的最新進展，以及作者科研團隊的工作成果，並輔以實例說明。初學者根據《醫學代謝組學》內容可快速理解並掌握代謝組學的核心技術，來解決科研中的實際問題。
《醫學代謝組學》可作為從事代謝組學研究的科研人員的參考書，也可作為相關領域研究生和高年級本科生的教材。
出版信息
主編：賈偉
副主編：王曉艷
編委：邱雲平，謝國祥，蘇明明，趙愛華，劉玉敏，陳天璐，周明眉，邱明豐，倪艷，趙鐵，李昕，牟魯霞，李後開，林景超，陶秀梅，張媛媛，鄭曉皎，吳小軍，郭志勇，翟秀華
目錄
第一章 概述
第一節 代謝組學的歷史、地位和作用
一、概念和歷史沿革
二、代謝組學在系統生物學中的地位和作用
第二節 代謝組學研究現狀及研究領域簡介
一、代謝組學國內外研究概況
二、代謝組學研究領域簡介
第二章 代謝組學與中醫藥
第一節 中醫理論的系統性特徵
一、中醫的整體觀和系統觀
二、中醫的個體化治療
三、中醫的預測理論
四、中醫預防醫學
五、組學技術在中醫藥領域的套用前景
第二節 體現整體性與動態性的代謝組學與中醫藥的關聯與互融
第三節 代謝組學與中醫藥現代化
一、代謝組學與中醫辨證施治
二、中藥質量標準化
三、中藥整體療效
四、中藥安全性
第三章 代謝物的生理作用
第一節 生物學分析的意義和生化代謝通路分析方法
一、代謝紊亂與疾病的關係
二、代謝物功能與分析
第二節 生化代謝通路
一、能量代謝
二、物質傳遞相關
三、信息傳導相關的通路
四、胃腸道菌群相關代謝
第三節 與疾病相關的關鍵調控通路及網路變化的生物學意義分析
一、實例介紹：出生缺陷與甲硫氨酸和葉酸代謝
二、腸道菌群對胰島素抵抗小鼠脂肪肝的貢獻
第四章 氣相色譜－質譜聯用技術
第一節 氣相色譜－質譜聯用的技術特點
一、氣相色譜－質譜聯用技術原理及特點
二、氣相色譜－質譜聯用系統的組成
三、氣相色譜－質譜聯用技術在代謝組學中的
套用
第二節 代謝組學常用的氣相色譜－質譜聯用(GC/MS)
儀器介紹
一、氣相色譜一四極桿質譜儀(G(；/Q-MS)
二、氣相色譜－飛行時間質譜儀(GC/TOF-MS)
三、氣相色譜－離子阱串聯質譜聯用儀(GC/IT-MS－MS)
四、全二維氣相色譜－飛行時間質譜儀(GC×GC/TOF-MS)
第三節 氣質聯用(GC/MS)分析的樣本處理
一、樣品的採集及提取方法
二、衍生化方法
第四節 圖譜數據的提取處理
一、數據提取
二、數據的預處理
三、模式識別
四、生物學信息的提取
第五節 實例介紹：基於GC/MS的尿毒症代謝組學研究
一、實驗方法
二、結果與討論
第五章 液相色譜－質譜聯用技術
第一節 液相色譜－質譜聯用的特點及其在代謝組學上的
套用
一、液相色譜－質譜聯用(LC/MS)技術的發展
二、原理
三、分類
四、LC/MS與代謝組學
第二節 常用液相色譜－質譜儀介紹
一、常用的4種LC/MS儀器
二、原理和特點
第三節 實例介紹：基於液質聯用技術的代謝組學研究
第六章 核磁共振(NMR)技術
第一節 基於不同解析度的核磁共振技術
一、原理簡介
二、不同解析度NMR的代謝組學實例比較
第二節 NMR的其他檢測方法
一、超低溫探頭檢測方法
二、動物組織原位研究的“魔角旋轉”磁共振檢測方法
三、LC/NMR聯儀系統
四、LC/SPE-CryoNMR-MS聯用儀
第三節 實例介紹：基於NMR的代謝組學研究
第七章 代謝組學研究的其他分析技術
第一節 毛細管電色譜(CEC)技術
一、原理
二、CEC在代謝組學研究中的套用
第二節 電感耦合等離子質譜技術(ICP/MS)與微量元素組學
一、微量元素的生理意義
二、微量元素組——“金屬組學”
三、套用實例
第八章 代謝組學數據分析和處理技術
第一節 圖譜數據的預處理
一、歸一化方法
二、數據轉換
三、數據標準化(中心化/標度化)
第二節 多維與單維統計方法
一、實驗用數據信息
二、多維統計方法簡介
三、模型質量評價
四、“多標準”篩選差異性變數
五、單維/多維分析結果
……
第九章 基於代謝表型差異的疾病研究
第十章 代謝組學用於藥物療效評價及機制研究
第十一章 代謝組學用於毒性研究
第十二章 藥用植物的代謝組學
序言
我們的代謝組
賈偉
前幾年聽代謝組學領域的一位資深科學家－荷蘭萊頓大學藥物系統生物學中心的 Jan van der Greef教授做報告，在報告的開始部分他把在巴西Pantanal大沼澤地度假時拍到的水鳥捕魚的一段錄相展示給大家看：一群黑剪嘴鷗（Black Skimmer）在湖面上飛翔，它們覓食時在空中突然俯衝而下，臨近水面時將下喙插入水中分水而行，接觸目標瞬間上、下喙迅速閉合，一擊而中。
在我們的視野里，一隻水鳥頃刻之間成功地捕捉到一條小魚似乎是一個孤立的、偶然的現象，其實不然。我們這個世界的奇妙之處就在於它美麗的三維空間裡蘊涵了無數複雜的系統性行為。黑剪嘴鷗一擊成功的捕魚結果是由一系列前期的系統性偵察行為作鋪墊的，正如Jan 在他的報告中所說：an effective strategy combines a certain amount of discovery/exploratory behavior with prior knowledge on the ecosystem －一個有效的（捕魚）策略其實包含了熟知該生態系統前提下所進行的相當數量的發現/探索行為。我們都記得《岳陽樓記》里對洞庭湖的有“沙鷗翔集，錦鱗游泳”的描述，風景煞是美麗。我們也許並未想過沙鷗在水面上的“翔集”不是自由和隨機的，而是跟水面下“游泳”的錦鱗的動向高度關聯的，如果做一個類似於代謝組學中的Scores plot，就會得到以水面為界的兩個動物聚集(clusters)。
大自然是我們學習系統性最佳化方法最偉大的導師。適於我們人類生存的這個宏大的生態系統的運行和維繫來自於世上萬物之間的相互作用、相互制約和相互依存。人體被認為是迄今人類研究對象中最為複雜的一個生物系統，其複雜程度主要體現於各組成部分和各功能網路之間的相互聯繫和相互作用。如果把人體的代謝網路比喻成今天我們所居住的都市交通網路，從市中心（譬如上海的人民廣場）到城市外圍的任意一點（如浦東國際機場）理論上有無數條途徑可走，但大家都知道最可行的途徑也就是少數幾條。在生命科學領域裡，我們大多還不了解一些複雜疾病的關鍵機制和控制辦法，科學家們各自在自己熟悉的路段上潛心研究，試圖發現通往重要疾病終端的“車流量”經過的是哪些路段，每個人都將自己所研究途徑——“南京路”或“淮海路”，視為最重要的通路，十年以後也許不少人都會認識到當初把方向搞錯了。現在我們有一種技術對交通的正常狀況、繁忙狀況和癱瘓狀況進行航拍，通過比較發現當從A到D共4條道路阻塞以後前往浦東機場的交通出現真正癱瘓，那么就可以有針對性對這幾條道路採取措施了。代謝組學就是這種“航拍”技術，它不做任何假設，針對疾病和健康兩種狀態（人群）進行代謝物全譜檢測，幫你尋找出與疾病相關的一組差異物，可能會有好幾十個，從它們所在的被上調或下調的代謝通路上我們再去找到關鍵的代謝（限速）酶，再找到它們上游的調控基因。代謝組學有很多功能，如生物標誌物的發現，疾病早期診斷和預測，藥物或營養干預的評價，藥物毒性評價，代謝工程研究，等等，但它也僅僅是個平台技術，不是萬能的，無法獨立開展機制性研究；但用代謝組學與分子生物學的協同研究，進行“導航”，就可以起到事半功倍的作用。湖面上的黑剪嘴鷗需要在空中對河面淺水層的魚群進行系統掃描，定向具體區域和目標後，開始俯衝攻擊。在這種協同作戰中代謝組學完成前面的勘察工作，完成後面致命一擊的多半是我們分子生物學的同仁。人類已知的小分子（分子量小於1000）代謝物大概有2500種左右，能被常規分析儀器檢測到的大致有一半，1200種左右，但我們尚無法確定其所有的結構。目前世界上較好的代謝組學實驗室通常能一次性在一個生物樣本（如血清）中同時鑑別出400－600 個內源性代謝物，可見代謝組學還有很大的上升空間，當然其處理的數據量和後期生化通路詮釋的工作量都是非常大的。
用系統的策略和方法探索生命現象的本質規律正日益成為生命科學研究的主流，隨著各種組學技術的出現，代謝組學的發展方興未艾。代謝組學的第一個十年（從上世紀末到兩三年前）簡單地歸納為——歐洲發起和領跑、中國緊隨其後。過去十多年我們的目光一直緊盯著英國帝國理工的Jeremy Nicholson教授的實驗室、原德國馬普現在美國加州大學Davis分校的Oliver Fiehn實驗室、以及荷蘭的Jan van der Greef實驗室。代謝組學領域內曾經有“Metabonomics” 還是“Metabolomics” 之爭，說得更實在一點是核磁共振（NMR）與質譜(Mass Spectrometry)孰優孰劣之爭。今天的學術會議上已經少有這種爭論了，因為我們的視野已今非昔比了 – 只要大家認同代謝組學的思想，用什麼名字其實無所謂！質譜技術已經逐漸成為代謝組學研究的主力軍；而核磁技術依然“堅挺”，在生物樣本的微量和無損檢測以及在組織樣本的原位檢測方面核磁分析技術有無可替代性。中國科學家之間（先於外國科學家）開展交叉合作、取長補短的一個標誌是2007年國內三個代謝組學實驗室－中科院大連化學物理所的許國旺實驗室、武漢數學物理所唐惠儒實驗室以及我所在的上海交通大學實驗室合作申請973項目，將核磁、氣質和液質兩種技術三個平台聯結在了一起。
代謝組學發展的第二個十年正在醞釀著巨大的變化。除了領域中像Jeremy 和Jan等幾位歐洲的“標桿性”實驗室以外，北美洲正在全面崛起，發展速度非常快。從儀器硬體上，美國的代謝組學實驗室大多裝備精良，如我所在的北卡研究校區的代謝組學實驗室擁有10台最新型號的液相質譜和氣相質譜儀（包括Waters UPLC-HDMS，Leco的GCxGC-tofMS）以及包括北美最大的950MHz在內的3台核磁共振儀。據我所知，美國還有幾個地方正在立項籌建大型代謝組學研究設施。軟體方面，美國的少數幾個實驗室已經成功解決了困擾質譜代謝組學研究的幾個瓶頸問題，全面加快了從高通量樣品分析到完成海量數據分析的整個研究過程，基本可以“隨心所欲”地把整個平台套用於農業、植物、臨床醫學、藥物或營養等任何一個領域的項目研究中去。使得美國代謝組學快速發展的原因有很多，包括NIH在內的政府資助和導向成為一股重要推動力；另一個原因是工業界尤其是製藥工業界經歷了（前些年）蛋白組和代謝組學驟熱之後出現的冷卻，逐步理性地認識了組學平台技術的優勢和技術局限性；另外，一個最重要的原因或許是美國高校和研究院所的代謝組學研究方法與歐洲的發展模式不一樣，他們不拘一格，一開始就與分子生物學以及其他學科協同作戰，相得益彰，美國高水平的生物技術學基礎為代謝組學在生化機制、轉化醫學方面的深入套用提供了其他國家所不具備的強大的推動力。
作者簡介
賈偉博士，教授，博士生導師，美國北卡羅萊納大學Greensboro分校（University of North（Carolina Greensboro）營養系終身教授、天然產物研究中心和代謝組學平台主任，原上海交通大學藥學院副院長。曾擔任國家科技部重大科學研究計畫首席科學家。作者以系統生物醫學思想為指導，嘗試和建立了以代謝組學、傳統醫學以及植物化學和藥理學等多種技術平台相交叉和結合的整合性研究新方法，在國內藥物研究領域建立了基於質譜的醫學代謝組學技術平台，重點圍繞腫瘤以及肥胖相關的代謝性疾病開展轉化醫學的研究工作。
