代謝組學(xué)在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李玫毅

（鄭州市動物衛(wèi)生監(jiān)督所，河南鄭州 450000）

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)出現(xiàn)的新興“組學(xué)”。代謝組學(xué)是細胞在特定生理時期內(nèi)所有小分子量（通常是指分子量小于1ku）代謝產(chǎn)物的總和，是全面認識一個生物系統(tǒng)不可或缺的一部分。如果說基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的是可能發(fā)生的生物學(xué)事件，那么代謝組學(xué)研究的是已經(jīng)發(fā)生了的生物學(xué)事件。雖是后起之秀，卻蘊含著巨大潛力。

就研究對象和目的而言，代謝組學(xué)可分為4個層次：第一個層次為代謝物靶標分析，是針對一個靶蛋白的底物和/或產(chǎn)物進行定量分析；第二個層次為代謝輪廓分析，對特定代謝過程中結(jié)構(gòu)或性質(zhì)相關(guān)的預(yù)設(shè)代謝物系列進行定量測定；第三個層次是代謝指紋，定性或半定量對細胞內(nèi)外全部代謝產(chǎn)物進行分析；第四個層次為代謝組分析，定量分析一個生物系統(tǒng)全部代謝物，其目前還難以實現(xiàn)。就研究方法而言，代謝組學(xué)可分為兩部分，主要包括靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)是針對一定生理狀態(tài)下的全代謝組學(xué)，優(yōu)勢是具有全面性。而靶向代謝組學(xué)則是針對具體代謝物，以標準品為參照，進行相對或絕對的定量分析，優(yōu)點是具有更好的準確度和靈敏度。

代謝組學(xué)的技術(shù)程序一般包括以下幾個流程：樣品的采集、生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理、樣品的配制與檢測、數(shù)據(jù)的分析等步驟。代謝組學(xué)最常用的主要技術(shù)有液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)（LC-MS），氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)和核磁共振技術(shù)（NMR）。各種技術(shù)有各自的優(yōu)缺點，可結(jié)合研究目的和研究對象選擇不同的分析技術(shù)。

2 代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用

針對動物機體疾病狀態(tài)下某些代謝產(chǎn)物的變化，通過獸藥調(diào)節(jié)代謝途徑，使動物體由病理狀態(tài)恢復(fù)到生理健康狀態(tài)，減少或消除病理反應(yīng)。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。Shen Y等通過體內(nèi)藥物代謝實驗運用基于LC-MS的代謝組學(xué)的方法，闡釋了獸藥阿司匹林丁香酚酯是在比格犬體內(nèi)和肝微粒體內(nèi)是如何代謝的。Liu Y T運用代謝組學(xué)的方法研究了中藥方劑心可舒對家兔動脈粥樣硬化疾病模型的治療效果。結(jié)果表明，與動脈粥樣硬化相關(guān)的20個潛在生物標記物均受到心可舒作用的顯著影響。這些研究結(jié)果通過對代謝產(chǎn)物或代謝途徑的分析，探究了藥物的作用機制，為藥物的研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，提供了思路。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)中的應(yīng)用雖然目前在實際中還未得到充分應(yīng)用，但在藥代動力學(xué)，藥效動力學(xué)和動物疾病模型等方面均有很大的應(yīng)用空間。

3 代謝組學(xué)在動物疾病診斷中的應(yīng)用

機體發(fā)病的過程是機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)被破壞的過程。任何疾病的發(fā)生和發(fā)展都會使機體的代謝發(fā)生變化，進而導(dǎo)致體液中代謝物質(zhì)隨之而變。將機體生理與病理狀態(tài)下的代謝組分進行分析比較，有助于理解疾病的發(fā)病原因和過程，從而找到與疾病發(fā)生相關(guān)的標記物，不僅可以用來進行疾病診斷，更有助于完善疾病的預(yù)防和治療方法。Zhao Y Y等通過對大鼠慢性腎衰竭疾病模型中尿液代謝產(chǎn)物的研究，找到了尿液中12個潛在的生物標記物。目前，代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)代謝病方面的應(yīng)用已有所進展。Bertram H C 等利用基于NMR的代謝組學(xué)的方法探究兩種不同的飼料對高膽固醇血癥豬內(nèi)源性生化效應(yīng)的影響，這兩種不同飼料的主要成分分別為黑麥和小麥，結(jié)果表明高膽固醇血癥豬食用以黑麥為主的飼料后，血漿中堿的含量有所增加，并找到了評價血漿堿含量的生物標記物。施壽榮主要通過代謝組學(xué)，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法，發(fā)現(xiàn)了腹水綜合征肉雞的脂類代謝物質(zhì)發(fā)生了異常變化并找到了低溫誘導(dǎo)其癥狀的潛在生物標記物。揭示了早期肉雞早期腹水綜合征的發(fā)病機制，從而為本病的防治提供了科學(xué)依據(jù)。另外，代謝組學(xué)在奶牛疾病的研究中也取得了一定的研究進展。Hailemariam D運用基于LC-MS 的代謝組學(xué)技術(shù)對圍產(chǎn)期奶牛前后期的代謝產(chǎn)物分別進行分析對比，找到了預(yù)防奶牛圍產(chǎn)期疾病的標記物。Saleem F等通過代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了在泌乳早期飼喂高谷物日糧容易導(dǎo)致奶牛體內(nèi)產(chǎn)生大量炎性因子及氨基酸代謝紊亂。除此之外，代謝組學(xué)在奶牛酮病，脂肪肝的代謝標記物分析及發(fā)病機制探討中均有研究，這些研究成果均為疾病的防治奠定了理論基礎(chǔ)。

4 代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用

4.1 代謝組學(xué)在研究營養(yǎng)素與動物體的相互關(guān)系中的應(yīng)用

代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)中的研究主要是對動物模型的研究。通過研究不同營養(yǎng)素致使動物機體內(nèi)代謝產(chǎn)物的變化及對動物生理機能的影響，以此為依據(jù)，從而調(diào)整營養(yǎng)供給以使動物達到最佳身體狀況。

4.2 代謝組學(xué)在研究飼料與動物體的相互關(guān)系中的應(yīng)用

動物飼料所含的營養(yǎng)物質(zhì)是動物進行正常代謝，生長發(fā)育和維持健康必不可少的條件。其潛在的營養(yǎng)價值和保健效果有很大的研究空間。代謝組學(xué)在研究飼料對動物體機能影響方面的作用日益突出。何慶華通過在肥育豬飼料中添加精氨酸，利用代謝組學(xué)方法證明了精氨酸對能量物質(zhì)代謝有著重要影響。王小雪利用代謝組學(xué)的方法證實了蛋白質(zhì)含量不同的貓糧對貓機體造成的影響。這些研究結(jié)果都為動物最佳飼料配方的研發(fā)提供了基本依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

4.3 代謝組學(xué)在研究動物消化道菌群與宿主相互關(guān)系中的應(yīng)用

動物腸道微生物群落是宿主與微生物長期協(xié)同進化過程中相互選擇和適應(yīng)的結(jié)果。這些微生物通過與宿主之間進行活躍的代謝，一方面吸收動物機體的營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面又可以促進機體健康，抵御疾病。Nicholson等運用代謝組學(xué)技術(shù)研究了宿主與腸道微生物的代謝產(chǎn)物，通過比較代謝產(chǎn)物的異同，揭示了腸道微生物是如何參與宿主的代謝的以及對宿主的影響。

5 代謝組學(xué)在動物性食品安全中的應(yīng)用

目前我國動物源性食品正向著綠色安全的方向發(fā)展，獸藥殘留是動物食品安全中廣泛關(guān)注的問題。運用代謝組學(xué)技術(shù)，對動物體內(nèi)相關(guān)的潛在生物標志物進行檢測，可為準確判斷獸藥殘留的檢測提供技術(shù)支撐。Courant等運用基于液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的代謝組學(xué)方法，找到了β2-受體激動劑在小牛尿液中的兩個潛在生物標志物，Regal等運用基于液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的代謝組學(xué)方法找到了雌二醇或孕酮在牛血清中的潛在生物標記物。由此可見，通過發(fā)現(xiàn)違禁添加的獸藥在動物體內(nèi)代謝后的相關(guān)潛在標記物，可作為指示物建立一個預(yù)警監(jiān)督的平臺。

6 代謝組學(xué)存在的問題以及對未來的展望

作為組學(xué)家族最年輕的成員，代謝組學(xué)發(fā)展勢頭正勁。但要想在獸醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，還有一些瓶頸需要打破。

首先，目前的檢測技術(shù)還不能完全滿足對代謝物進行全面的檢測和分析，代謝組學(xué)最常用的分析技術(shù)平臺仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。主要包括：目標樣品具有復(fù)雜性、生物體的個體差異性和儀器的不穩(wěn)定性。根據(jù)研究對象和研究目的的不同，這都要求從多個層次構(gòu)建不同的分析技術(shù)平臺，以滿足分辨率的要求，提高方法的靈敏度和通量。

其次，代謝組學(xué)分析技術(shù)所使用的儀器造價昂貴，只能在實驗條件好的實驗室或科研院所進行，這將有礙于在獸醫(yī)學(xué)中的推廣應(yīng)用。

除此之外還存在諸如：試驗方法的選擇和優(yōu)化；試驗操作程序的標準化；對后期龐大的數(shù)據(jù)進行高效分析；與其他學(xué)科更好的交叉和配合等問題。

隨著對代謝組學(xué)技術(shù)認識的不斷深入和研究方法的不斷優(yōu)化以及與其他組學(xué)技術(shù)的聯(lián)用，諸多問題正在不斷得到解決。代謝組學(xué)在獸藥研發(fā)、動物疾病診斷、動物營養(yǎng)研究、動物性食品安全中的應(yīng)用必將越來越廣泛，其在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也必將拓寬獸醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域和方法。