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最新綜述丨Signal Transduct Target Ther生物標(biāo)志物中的小分子
代謝表型
代謝異常導(dǎo)致的代謝途徑和代謝物功能紊亂是很多疾病的重要特征。代謝物特征可以用于疾病的診斷、預(yù)后預(yù)測(cè)和治療效果的監(jiān)測(cè)。早期生物標(biāo)志物的缺乏對(duì)疾病的診斷和治療都非常不利。因此，發(fā)展用于診斷和監(jiān)測(cè)的高特異性、高選擇性的無(wú)創(chuàng)方法非常有必要。代謝組學(xué)已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)代謝生物標(biāo)志物和代謝物途徑分析的專業(yè)工具，可以發(fā)現(xiàn)多種疾病的潛在機(jī)制和治療靶點(diǎn)。代謝組學(xué)可以幫助鑒定與表型變化相關(guān)的功能性生物標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)生化途徑變化，這些變化可以作為疾病早期診斷的輔助指標(biāo)。最近，研究者已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的代謝組分析以期發(fā)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)治療中的潛在靶點(diǎn)。2023年3月，發(fā)表在nautre旗下的STTT上的這篇Review總結(jié)了基于代謝組分析發(fā)現(xiàn)的小分子代謝物作為臨床診斷、預(yù)后標(biāo)志物的潛力，在藥物篩選和治療中的應(yīng)用以及下一步突破所面臨的挑戰(zhàn)。文章標(biāo)題為“Small molecule metabolites: discovery of biomarkers and therapeutic targets”，原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41392-023-01399-3。
來(lái)自人體生物體液的代謝物生物特征提供了基因型、環(huán)境和表型之間的聯(lián)系，是具有吸引力的用于臨床診斷、預(yù)后和疾病分類的生物標(biāo)志物。差異代謝物可以提高患者診斷、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和預(yù)后的特異性和準(zhǔn)確性。發(fā)現(xiàn)和鑒定小分子代謝物和代謝物途徑的改變對(duì)理解疾病的病理過(guò)程以及治療靶點(diǎn)的鑒定都非常有幫助。代謝組學(xué)技術(shù)的已經(jīng)發(fā)展成為一種有效的無(wú)損、高通量檢測(cè)方法。主要方法包括代謝表型、代謝指紋、代謝輪廓和靶向代謝物分析。
01 先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)
作為下游產(chǎn)物，小分子代謝物與特定的代謝表型相關(guān)，代謝組研究可以為疾病的機(jī)制研究和治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供新的見(jiàn)解。代謝組主要包括分子量小于1500 Da的小分子物質(zhì)。所有代謝物的水平都受生理活動(dòng)和外源性環(huán)境因素影響，這使得代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的解釋更為困難。技術(shù)的突破為探索疾病的代謝維度提供了新的契機(jī)，代謝組檢測(cè)的主要技術(shù)包括磁共振（NMR）和質(zhì)譜（MS）。MS可以檢測(cè)低豐度的代謝物，最近正在發(fā)展空間分辨率的代謝物檢測(cè)技術(shù)。高通量的質(zhì)譜成像技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)多種代謝物的空間分布，為理解復(fù)雜的交互網(wǎng)絡(luò)提供了具有吸引力的平臺(tái)。NMR主要用于生物標(biāo)志物的表征和多種疾病的分類。目前，還沒(méi)有單一方法可以勝任檢測(cè)整個(gè)代謝組的任務(wù)。
代謝組學(xué)可以分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)可以揭示以前未知的代謝信息，而靶向代謝組學(xué)則只分析一組代謝物，比非靶向代謝組學(xué)更靈敏，重復(fù)性也更好。由于代謝組的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)分析需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行多變量分析，組學(xué)數(shù)據(jù)挖掘和生物信息整合。較大的數(shù)據(jù)集需要專業(yè)的工具進(jìn)行快速分析。自動(dòng)注釋和數(shù)據(jù)庫(kù)建立等技術(shù)的進(jìn)展可以解決這些問(wèn)題。HMDB和KEGG是代謝物分析常用的數(shù)據(jù)庫(kù)，生物信息學(xué)工具可以自動(dòng)處理代謝組數(shù)據(jù)。比如，MetaboAnalyst工具可以分析產(chǎn)生相互作用網(wǎng)絡(luò)和可視化圖，包括使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行多種通路分析和代謝物富集分析。
內(nèi)源性代謝物由宿主和體內(nèi)微生物合成，小分子代謝物可以通過(guò)分解代謝或合成代謝產(chǎn)生，比如肽、糖、氨基酸、核酸、有機(jī)酸、脂質(zhì)和脂肪酸。代謝物是基因型和表型之間最為緊密的聯(lián)系，反映了基因組、蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組，以及其與環(huán)境的相互作用。一旦與疾病病理生理相關(guān)的特定代謝物被鑒定出來(lái)，人們會(huì)進(jìn)一步研究生物標(biāo)志物相關(guān)的機(jī)制通路，并采用無(wú)創(chuàng)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)疾病的發(fā)展和區(qū)分患病人員。由于代謝組的化學(xué)復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)鑒定和可靠定量代謝特征非常復(fù)雜。生物標(biāo)志物的鑒定能促進(jìn)疾病的診斷和預(yù)后判斷、個(gè)體化治療，能更好的理解和探索疾病發(fā)展或者藥物調(diào)節(jié)相關(guān)的潛在分子途徑和機(jī)制。鑒于代謝輪廓的改變，小分子的定性和定量研究技術(shù)為鑒定有潛力的生物標(biāo)志物和預(yù)測(cè)模型提供了絕佳的機(jī)會(huì)。
主要用于檢測(cè)小分子的分析平臺(tái)包括NMR、LC-MS和GC-MS。每種技術(shù)在靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、重復(fù)性和通量方面都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。基于質(zhì)譜的方法可以檢測(cè)一系列生物活性代謝物。MS掃描、高精度MS/MS分析與數(shù)據(jù)庫(kù)（比如HMDB和METLIN）相結(jié)合可以提供大量的相對(duì)離子豐度，獲得更可靠的鑒定。此外，高度復(fù)雜數(shù)據(jù)還需要分析軟件來(lái)完成代謝物的鑒定和代謝通路分析。XCMS Online、Open-MS、MZmine和MS-DIAL軟件可用于峰檢測(cè)和校準(zhǔn)。
NMR數(shù)據(jù)處理可以使用NMRbox來(lái)完成代謝物鑒定。軟件工具和大量的譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)有助于通過(guò)一維NMR和二維NMR譜圖進(jìn)行代謝物鑒定。然而，結(jié)合核磁共振和質(zhì)譜數(shù)據(jù)極大地提高了代謝組的覆蓋率，并增強(qiáng)了代謝物鑒定的準(zhǔn)確性，有利于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
很多研究組致力于開(kāi)發(fā)在線工具用于統(tǒng)計(jì)和生物信息分析，比如Metlin、MetaboAnalyst和KEGG。相關(guān)性分析反映了代謝物與臨床特征之間的關(guān)聯(lián)性，并進(jìn)一步評(píng)估了潛在的代謝差異。為了找到一組代謝物作為某種特定情況下的可能生物標(biāo)志物，每個(gè)代謝物需要進(jìn)行獨(dú)立分析來(lái)確定其診斷能力。根據(jù)最新的HMDB 5.0數(shù)據(jù)的信息，一共有24368種代謝物被發(fā)布。尿液和血液中分別檢出了5661和38036種代謝物。近幾十年來(lái)，在疾病的發(fā)展中，許多相關(guān)小分子代謝物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，這些研究需要強(qiáng)調(diào)代謝物的生物活性，并提供它們相關(guān)的生物學(xué)意義。
02 探索表型特征
了解每一個(gè)病人，而不是所有病人平均的代謝圖譜表征將有可能用于精準(zhǔn)治療。代謝輪廓是許多不同代謝物的集合，可以使用小分子代謝物作為指數(shù)來(lái)描述人類表型的生化狀態(tài)。具體代謝表型的闡明對(duì)于鑒定潛在的生物標(biāo)志物和藥物靶點(diǎn)，以及更好的理解潛在的病理機(jī)制都至關(guān)重要。
病人的代謝輪廓是動(dòng)態(tài)變化的，受生活方式、疾病、外部或內(nèi)部刺激、生理和病理情況變化影響。生物體液的代謝輪廓可以直接反映不同組織和器官的特定代謝狀態(tài)，也可以決定不同病人亞組的代謝特征。代謝變化作為早期診斷和潛在治療的生物標(biāo)志物靶標(biāo)，對(duì)調(diào)節(jié)新陳代謝起顯著的病理作用。
03 有前景的生物標(biāo)志物
根據(jù)NIH的標(biāo)準(zhǔn)，生物標(biāo)志物定義為可以測(cè)量作為生理、生物、病理或者藥理過(guò)程指標(biāo)的特征。生物標(biāo)志物具有可以量化、可檢測(cè)和與人類表型相關(guān)的特征；可以用于早期診斷，提高治療效果和治療策略的合理性，并且能降低與疾病相關(guān)死亡率，有助于發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)。目前臨床使用的生物標(biāo)志物仍缺少足夠的靈敏性和特異性。因此，要提高患者的管理水平，需要發(fā)現(xiàn)更精準(zhǔn)的體液生物標(biāo)志物。
近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了多種生物標(biāo)志物用于早期疾病發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)疾病進(jìn)展、臨床結(jié)局或藥物反應(yīng)。生物標(biāo)志物可以是一組代謝物、一種代謝物或者一種分子特征。疾病的出現(xiàn)表明代謝物濃度的異常是系統(tǒng)代謝通路穩(wěn)態(tài)受到破壞的一種征兆。因此，與蛋白質(zhì)和基因不同，代謝物作為生化活性特征與人類表型密切相關(guān)。
由于診斷不準(zhǔn)確和對(duì)病理生理過(guò)程的了解有限，代謝紊亂的精準(zhǔn)治療仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。研究小分子生物標(biāo)志物對(duì)精準(zhǔn)治療非常必要。建立生物體液的內(nèi)源性代謝生物標(biāo)志物的定量指紋圖譜有助于建立疾病進(jìn)程和代謝變化之間的密切關(guān)系。目前，使用特定代謝物特征對(duì)處于初始階段的疾病進(jìn)行快速檢測(cè)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。先進(jìn)的平臺(tái)，特別是使用LC/MS/MS，有助于小分子代謝物的檢測(cè)、定量和表征，并且很大程度上提高了它們的轉(zhuǎn)化能力。
目前篩選出來(lái)的一些有代表性的潛在生物標(biāo)志物總結(jié)出來(lái)。六種代謝物的組合（β-丙氨酸、同型絲氨酸、3-羥基犬尿氨酸、天冬氨酸、酪氨酸和鳥(niǎo)氨酸）被量化為潛在的血液生物標(biāo)志物，被認(rèn)為是帕金森疾病診斷和預(yù)后的潛在分析方法。循環(huán)代謝物：谷氨酰胺、酪氨酸、脯氨酸、組氨酸、丙氨酸和檸檬酸與乳腺癌發(fā)展有顯著相關(guān)性。一個(gè)由兩個(gè)潛在預(yù)測(cè)血清代謝物（棕櫚酰胺和去氧膽酸）被報(bào)道為克羅恩病患者的潛在生物標(biāo)志物，它的代謝紊亂包括脂肪酸，膽汁酸生物合成和能量代謝。此外，隨著相關(guān)分析和ROC曲線分析的使用，特征代謝物包括丙氨酸、葡萄糖、乳酸、甘氨酸和蘇氨酸在肺動(dòng)脈高壓患者中被鑒定出來(lái)，蘇氨酸和乳酸與肺血管阻力和動(dòng)脈壓顯著相關(guān)。5-氧脯氨酸可以作為急性缺血性休克的重要生物標(biāo)志物。小分子代謝物包括LysoPC(15:0)、二十二碳五烯酸、丙基肉堿、LysoPC(14:0)和苯丙氨酸為代謝異常和代謝綜合征的危險(xiǎn)因素。據(jù)報(bào)道，與Akt相關(guān)的候選生物標(biāo)志物花生四烯酸和13(S)-HODE是非小細(xì)胞肺癌的潛在生物標(biāo)志物。
及時(shí)診斷是至關(guān)重要的，小分子代謝物的篩查可能在疾病診斷中起到關(guān)鍵作用。小分子代謝物是生理過(guò)程的末端產(chǎn)物，因此探索整個(gè)代謝組可以更好的了解疾病病理和干預(yù)機(jī)制。組學(xué)方法結(jié)合模式識(shí)別可以用于早期疾病診斷生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)。
04 疾病分類和分級(jí)
臨床醫(yī)生需要快速并準(zhǔn)確地評(píng)估疾病分級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。近來(lái)，多種組學(xué)結(jié)合的方法作為一種很有前景的方法檢測(cè)早期代謝變化，可能會(huì)用于疾病分類、分級(jí)和進(jìn)展評(píng)估。選擇合適的與病理狀態(tài)相關(guān)的代謝物有助于做決定，降低從探索測(cè)試到臨床的花費(fèi)。內(nèi)源性代謝物篩選結(jié)合傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以在出現(xiàn)癥狀之前發(fā)現(xiàn)代謝表型的變化，具有提高無(wú)創(chuàng)診斷和疾病分類的潛力，很有希望走向臨床。代謝物指紋具有預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)的能力，大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能或者大數(shù)據(jù)挖掘?qū)?duì)疾病分級(jí)分析具有重要意義，可以作為一個(gè)智能工具幫助臨床醫(yī)生做決定。
已經(jīng)有大量的隊(duì)列研究去幫助建立更有效、更可靠的用于疾病分級(jí)危險(xiǎn)事件的評(píng)估模型。肌酸、脯氨酸和棕櫚酸在胰腺導(dǎo)管腺癌與良性組織的區(qū)分中表現(xiàn)出一定潛力。一些小分子代謝物，比如吲哚丙烯酸、酪氨酸、視黃醇、辛烷基肉堿和癸烷基肉堿被發(fā)現(xiàn)有較高的AUC值，表現(xiàn)出較好的能力區(qū)分肺轉(zhuǎn)移癌癥和其他亞型。代謝組和脂質(zhì)組整合分析發(fā)現(xiàn)D-甘油酸、皮質(zhì)醇、2-（甲基硫代）乙醇、N-乙酰組胺可以構(gòu)建模型用于鱗狀癌和非小細(xì)胞肺癌的精確病理分類。絲氨酸和乳酸建立的模型可以預(yù)測(cè)唾液腺腫瘤的良性和惡性程度。兩種尿液代謝物皮酮四醇和四氫可的松對(duì)髓母細(xì)胞瘤的診斷和檢測(cè)表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。使用三磷酸硫胺素、糖尿病持續(xù)時(shí)間和收縮壓建立的諾模圖可以用于糖尿病視網(wǎng)膜病變的早期診斷和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。氨基酸、能量、脂質(zhì)代謝的改變能區(qū)分穩(wěn)定型和不穩(wěn)定型冠狀動(dòng)脈粥樣硬化心臟病�；诟叻直媛寿|(zhì)譜的組織空間代謝組學(xué)用于胃癌亞型分類。尿液代謝物N-甲基乙內(nèi)酰脲、4-羥基苯甲酸酯、肌酐、乙酸和谷氨酰胺區(qū)分前列腺癌、膀胱癌和腎細(xì)胞癌具有較高的準(zhǔn)確度。此外，代謝物或者代謝物組合在鑒別甲狀腺乳頭狀癌與良性癌，區(qū)分新冠早期和終末期，鑒別子宮內(nèi)膜息肉與內(nèi)膜增生或者子宮內(nèi)膜癌方面以及其他疾病的診斷和分級(jí)中均表現(xiàn)出極大的潛力。
05 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療
沒(méi)有一種特定的治療方法可以滿足所有的病人需求。因此，通過(guò)預(yù)測(cè)治療效果，給予每個(gè)病人合適的治療是臨床所必需的。新的技術(shù)對(duì)發(fā)現(xiàn)有效的和有潛力的用于指導(dǎo)病人管理的生物標(biāo)志物至關(guān)重要。代謝物輪廓分析可以系統(tǒng)的分析代謝物，用于預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)藥物治療的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)，個(gè)體化治療以減輕疾病負(fù)擔(dān)。代謝特征可以為靶向代謝途徑或者精準(zhǔn)藥物治療提供大量的信息。獨(dú)特的代謝物特征對(duì)鑒定不同的治療反應(yīng)非常有用（Table 1）。
06 代謝網(wǎng)絡(luò)研究
大多數(shù)天然產(chǎn)物通過(guò)影響多個(gè)而不是單個(gè)靶點(diǎn)發(fā)揮生物活性。代謝組學(xué)已被用于檢測(cè)生物樣品中意想不到的代謝變化，了解代謝過(guò)程和探索網(wǎng)絡(luò)靶點(diǎn)和機(jī)制。此類分析過(guò)程總是產(chǎn)生越來(lái)越復(fù)雜的大數(shù)據(jù)集，導(dǎo)致處理、分析和解釋小分子代謝物之間的關(guān)系成為主要的挑戰(zhàn)。小分子代謝物的關(guān)聯(lián)信息關(guān)系的生物學(xué)解釋可以總結(jié)為基于已知的代謝網(wǎng)絡(luò)。在代謝網(wǎng)絡(luò)中，特征代謝物作為節(jié)點(diǎn)，而相關(guān)代謝物做為邊連接起來(lái)。整合多層網(wǎng)絡(luò)將有助于提高代謝物的鑒定，衍生出新的生物學(xué)解釋。一旦共同調(diào)節(jié)代謝物的代謝網(wǎng)絡(luò)被建立起來(lái)，就可以使用先進(jìn)的算法對(duì)代謝信息進(jìn)行挖掘。最近使用多網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和基于圖形的方法來(lái)執(zhí)行拓?fù)浞治鼍劢褂诖x過(guò)程或感興趣表型相關(guān)代謝物數(shù)據(jù)的發(fā)掘。根據(jù)所鑒定的代謝物的相似性或相關(guān)性，圖形分析、先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)分析可以用來(lái)探索相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，揭示代謝物在生物樣本中關(guān)系。過(guò)去的幾年中，面向多靶點(diǎn)化合物的基于網(wǎng)絡(luò)的方法已成為重要的工具，因其具有確定和研究新藥靶點(diǎn)和復(fù)雜關(guān)系的潛力�！熬W(wǎng)路藥理學(xué)”專注于從“一個(gè)靶點(diǎn)一個(gè)藥物”的理念向“靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組成”轉(zhuǎn)變，進(jìn)而對(duì)抗復(fù)雜疾病。生物信息學(xué)和高通量篩選方法有助于各種藥物靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)，對(duì)揭示藥物作用機(jī)制越來(lái)越重要。對(duì)不同代謝途徑的系統(tǒng)分析來(lái)鑒定新的靶點(diǎn)可能克服現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)的陷阱，有助于理念的轉(zhuǎn)變，開(kāi)發(fā)新的診斷和靶向治療工具。
07 療效評(píng)價(jià)
代謝組學(xué)在發(fā)現(xiàn)用于評(píng)估治療效果的生物標(biāo)志物方面發(fā)揮著重要作用。深入研究小分子代謝物可以指導(dǎo)藥效評(píng)估，藥物開(kāi)發(fā)和藥物安全性評(píng)價(jià)。選擇最有效的治療藥物是非常重要的。在用藥之前，鑒定小分子代謝物作為與藥物反應(yīng)相關(guān)的生物標(biāo)志物將極大降低治療的經(jīng)濟(jì)成本。這與我們需要篩選代謝物用于確定每一階段的治療效果和發(fā)展更有效的治療策略的理念一致。血中犬尿氨酸水平的降低可能提示艾司西酞普蘭的治療反應(yīng)，提示它可能參與艾司西酞普蘭治療導(dǎo)致重度抑郁的病理生理反應(yīng)。血清代謝產(chǎn)物包括精氨酸和花生四烯酸可以作為乳腺癌的診斷性生物標(biāo)志物，預(yù)測(cè)曲妥珠單抗的治療效果。藥用植物通常依賴于復(fù)雜的成分，是治療代謝紊亂的重要資源。然而，由于復(fù)雜組分和多分子靶點(diǎn)，草藥和復(fù)方藥的作用分子機(jī)制仍不清楚，常規(guī)方法對(duì)藥物療效的評(píng)估不夠靈敏。關(guān)于中草藥調(diào)控代謝的機(jī)制可以幫助預(yù)測(cè)和理解藥物的功效和毒性。研究表明，代謝組學(xué)可以進(jìn)一步用于鑒定活性化合物和靶點(diǎn)來(lái)助力新的治療方法的開(kāi)發(fā)。
08 活性成分發(fā)現(xiàn)
在過(guò)去的幾十年里，有一半以上的新藥和藥物先導(dǎo)化合物都是從天然產(chǎn)物中提煉出來(lái)的。在臨床上，草藥產(chǎn)品與常規(guī)藥物聯(lián)合使用可以改善藥理作用。由于其復(fù)雜性，天然產(chǎn)物中的活性成分或者藥物先導(dǎo)物的鑒定一直具有挑戰(zhàn)性。雖然已取得重大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)新的活性成分的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是藥理機(jī)制不清楚。藥用植物如草藥提取物、復(fù)方制劑和不同的化合物通過(guò)調(diào)節(jié)代謝紊亂和機(jī)制途徑來(lái)發(fā)揮藥理作用。高通量代謝組學(xué)符合中草藥復(fù)雜療效的整體觀點(diǎn)和機(jī)制見(jiàn)解。探索草藥衍生的生物活性成分對(duì)機(jī)制研究、代謝通路改變和發(fā)現(xiàn)代謝疾病的治療靶點(diǎn)尤為關(guān)鍵。
由于天然化合物具有靶向代謝的能力和多樣的結(jié)構(gòu)，其作為潛在的治療制劑越來(lái)越引人注意。各種草藥衍生的生物活性化合物可以針對(duì)代謝調(diào)節(jié)機(jī)制并表現(xiàn)出治療潛力。高分辨率預(yù)測(cè)技術(shù)或可視化方法增強(qiáng)了篩選和驗(yàn)證天然先導(dǎo)化合物的能力。生物活性化合物可以在特定表型中靶向小分子代謝物相關(guān)的代謝過(guò)程，調(diào)節(jié)不同途徑的代謝活動(dòng)，對(duì)高度復(fù)雜疾病的治療具有重大潛力。
09 活性成分的代謝過(guò)程
來(lái)自草藥的植物化學(xué)物質(zhì)作為天然產(chǎn)物具有健康效應(yīng)已經(jīng)廣為人知，但是它們的活性和潛在機(jī)制仍有待深入研究。為了研究植物化學(xué)物質(zhì)的藥理作用需要重點(diǎn)解決如下問(wèn)題：如何檢測(cè)低含量的活性成分；如何闡明代謝途徑；如何揭示體內(nèi)總體代謝過(guò)程和效應(yīng)機(jī)制。整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜，因?yàn)轶w內(nèi)有大量的代謝反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生多種代謝物。體內(nèi)代謝過(guò)程研究對(duì)確定藥效的多成分特點(diǎn)和指導(dǎo)新藥研發(fā)，或加速?gòu)奶烊划a(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新藥都非常重要。由I相和II相反應(yīng)以及腸道菌群介導(dǎo)的生物轉(zhuǎn)化直接影響藥效，對(duì)確定活性成分的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)至關(guān)重要。體內(nèi)代謝參數(shù)，包括Cmax, Tmax, t1/2, and AUC0-t為最常用的參數(shù)。
由于現(xiàn)代質(zhì)譜與色譜串聯(lián)分析技術(shù)具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，其在研究活性成為體內(nèi)代謝過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。非靶向代謝組學(xué)篩選策略重點(diǎn)關(guān)注體內(nèi)代謝物在給藥組和空白對(duì)照中的差異，進(jìn)而探索劑量-效應(yīng)關(guān)系。選擇與治療效果相關(guān)的體內(nèi)代謝物作為藥理學(xué)指標(biāo)來(lái)反應(yīng)整體藥效具有重要意義。由于有效成分的復(fù)雜性和對(duì)效果貢獻(xiàn)權(quán)重的不同，有必要在體內(nèi)進(jìn)行研究多種活性成分組合的代謝過(guò)程，從而可以指導(dǎo)臨床實(shí)踐�；诮⒌捏w內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)，與小分子代謝物高度相關(guān)的活性成分標(biāo)志物可以通過(guò)分子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效地篩選出來(lái)�；钚猿煞诌m當(dāng)?shù)幕旌峡梢酝ㄟ^(guò)代謝表型篩選被優(yōu)化，其靶點(diǎn)和分子機(jī)制可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、人工智能或計(jì)算機(jī)對(duì)接來(lái)揭示。
10 代謝穩(wěn)態(tài)和腸道菌群
越來(lái)越多的證據(jù)表明，體內(nèi)平衡依賴于與腸道菌群的相互作用。腸道菌群可以產(chǎn)生多種代謝物作為宿主和微生物之間的信使。腸道微生物群作為一個(gè)“看不見(jiàn)的器官”，通過(guò)它們的受體信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)生活性代謝物進(jìn)而影響宿主的新陳代謝。腸道菌群紊亂可以影響各種器官，導(dǎo)致代謝疾病。腸道菌群失衡與疾病機(jī)制密切相關(guān)，這意味著調(diào)節(jié)腸道菌群是一種新的治療方法。腸道菌群作為一個(gè)不可或缺的“器官”可以調(diào)控藥物代謝，影響其生物利用度和治療效果。天然產(chǎn)物可以改變腸道菌群構(gòu)成和其代謝物，這一過(guò)程在藥物研發(fā)時(shí)可以增強(qiáng)藥效并減少副作用。天然產(chǎn)物主要在腸道中被代謝和吸收，次生代謝物可調(diào)節(jié)代謝擾動(dòng)。
腸道菌群通過(guò)體循環(huán)來(lái)影響宿主血管的病理過(guò)程和能量穩(wěn)態(tài)。菌群失衡導(dǎo)致的能量代謝紊亂在疾病發(fā)展中起關(guān)鍵作用。比如，短鏈脂肪酸可以激活細(xì)胞信號(hào)通路對(duì)調(diào)控能量代謝發(fā)揮有益作用。腸道菌群與膽汁酸的相互作用作為信號(hào)調(diào)節(jié)因子對(duì)疾病進(jìn)展有深遠(yuǎn)影響（圖3）。腸道菌群可以產(chǎn)生多種小分子代謝物，它們作為信使分子在維持宿主穩(wěn)態(tài)和影響疾病狀態(tài)中發(fā)揮重要作用。有一些代謝物只能由腸道菌群產(chǎn)生，腸道菌群可以代謝初級(jí)膽汁酸，對(duì)腸道疾病具有保護(hù)作用。代謝生物標(biāo)志物可用于分析腸道菌群構(gòu)成與代謝之間的相互作用。
膽汁酸與腸道微生物相互作用參與宿主代謝
11 影響因素
代謝受各種內(nèi)源和外源因素影響，代謝物也受性別、年齡、體重、營(yíng)養(yǎng)、藥物、生活方式和晝夜節(jié)律的影響。這些因素難以監(jiān)測(cè)，可能是代謝生物標(biāo)志物研究中最具挑戰(zhàn)性的原因。雖然潛在的代謝標(biāo)志物用于診斷和治療的篩查取得了很大進(jìn)展，但其可行性還需要大量的隊(duì)列研究驗(yàn)證。代謝物在人類和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之間的差異也應(yīng)予以考慮。代謝組受遺傳因素、腸道菌群和環(huán)境暴露影響。代謝組學(xué)與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)或者轉(zhuǎn)錄組學(xué)不同，可以快速準(zhǔn)確地反映出生物體清晰的表型狀態(tài)，但它受外部混雜因素的影響。
12 展望與結(jié)論
代謝組學(xué)是一門相對(duì)年輕的學(xué)科，目前檢測(cè)方法代謝物的覆蓋范圍仍然有限，使得最終結(jié)果的解釋不充分。因此，多種檢測(cè)平臺(tái)的有機(jī)整合和其他組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析是未來(lái)主要的發(fā)展方向。然而，由于代謝途徑的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)與代謝網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用，多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于代謝標(biāo)志物易受環(huán)境因素影響，仍然很難在保持代謝物原本代謝狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行快速分離。需要提高檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度來(lái)實(shí)時(shí)分析整個(gè)代謝組。打破技術(shù)瓶頸來(lái)提高代謝組檢測(cè)的覆蓋度、靈敏性和準(zhǔn)確性仍需要大量的努力。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)解決如何整合疾病代謝表型，并將其用于臨床診斷和治療。大型前瞻性臨床試驗(yàn)可以驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的具有較高轉(zhuǎn)化機(jī)會(huì)的小分子代謝物。為了更好的研究表型背后的機(jī)制，未來(lái)的挑戰(zhàn)將包括不同數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化、檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化以及新算法的開(kāi)發(fā)等。借助強(qiáng)大的人工智能或大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助，可以更好地理解病理途徑和代謝相關(guān)疾病的機(jī)制，為臨床決定提供切實(shí)可行的方法，加快代謝物和代謝表型在臨床應(yīng)用中的進(jìn)程。了解代謝物的空間信息對(duì)疾病的理解也非常重要，高分辨率的代謝成像技術(shù)也將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)之一。
異常代謝物可作為潛在的生物標(biāo)志物評(píng)估診斷和監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)和預(yù)后，將為今后的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供充足的依據(jù)。疾病中人體多種代謝途徑發(fā)生改變，其可能是進(jìn)一步臨床試驗(yàn)潛在的靶點(diǎn)。代謝組提供了一個(gè)全面、動(dòng)態(tài)和精確的代謝表型，可以賦予個(gè)性化臨床實(shí)踐。眾多研究在進(jìn)行基于代謝組學(xué)的發(fā)現(xiàn)，識(shí)別獨(dú)特的代謝特征，有助于了解生理或病理生理過(guò)程中的復(fù)雜代謝物網(wǎng)絡(luò)。可以預(yù)見(jiàn)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)健康和疾病，評(píng)估疾病嚴(yán)重程度或藥物開(kāi)發(fā)，預(yù)測(cè)時(shí)間進(jìn)程，監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展，預(yù)測(cè)潛在的治療方法，并加以闡明疾病機(jī)制。接下來(lái)的研究應(yīng)該提高潛在生物標(biāo)志物的診斷和預(yù)測(cè)能力。另外，未來(lái)的方向是解決臨床應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題，比如建立代謝譜與臨床參數(shù)之間的關(guān)系。今后的努力還應(yīng)增加代謝物鑒定的可信度，確定代謝生物標(biāo)志物的臨床可應(yīng)用性，為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)療開(kāi)辟新徑。
