代谢组学在胆汁酸种属差异及肝胆疾病分析的应用
姓名:斯日古楞申请学位级别:硕士专业:药理学指导教师:杨凌20090501
中文摘要目的为了综合研究胆汁酸在生物样本中种属差异以及寻找肝胆疾病分型代谢标志物,为疾病的诊断、治疗打下物质基础。我们对胆汁酸在不同种属动物胆汁及不同肝胆疾病病人胆汁及血浆中分布进行了系统研究,并建立了全面分析胆汁中胆汁酸的代谢组学方法。方法利用UFLC—DAD及UFLC—ESI—MS两种色谱技术对生物样品进行代谢分析。采用多种统计学方法对样品进行分类,寻找代谢标志物。结果通过胆汁化学指纹分析发现不同种属胆汁具有不一致的胆汁酸组成,基于代谢指纹相似性开展了胆汁种属差异研究。借助主成分分析提取了的12个特征代谢物(胆汁酸),并芬得种间界限相对清晰的种属分类结果。同时通过对不同肝胆疾病病人胆汁的分析,研究两种疾病聚类类型的分布,得到了明显的区分。结论基于特征标识物的胆汁酸分类获得了种间界限清晰的分类结果。应用代谢组学方法可以将两种疾病区分开并初步探讨了两种肝胆疾病病变标记物的归属。为系统研究胆汁酸打下良好基础并提供科学依据,同时也为今后进一步开拓代谢组学在临床研究中的应用奠定了基础。关键词胆汁酸代谢组学种属差异肝胆疾病TheApplicationofMetablomicsinHepatobiliaryDiseaseAnalysisonandSpeciesDifferencesAbstractBileAcidsObjectiveInordertoexplorethedifferencesindistributionandconcentrationofbileacidsamongvariousspeciesanddiscoverseveralbiomarkersforrelatedhepatobiliarydiseases,metabolicfingerprintingandmetabolicprofilingwereutilizedinthepresentstodyforanalysisofbilefromdifferentmammalandhepatobiliarydiseasepatients.MethodtosetaAvalidUFLCfin-frameworkforthreegerprintingmethodcoupledwithmultivariateanalysisWasusedspeciesidentificationandclassification.Inordertoclassifydifferentbilesamplesfromhepato-biliarydiseasesandfindseveralbiomarkers,UFLC—ESI—MSandmultivariatehierarchicalclusteringanalysisinclu·clingprincipalcomponentsanalysis(PCA)andanalysis(HCA)wereusedinthismetabonomicsstudy.ResultThemethodwassuccessfullyappliedinrapidscreeningofbilesamplesfromvariousspecies,anddearspeciesdelimitationwasfinallyoh-tainedbyusingthisnewehemotaxonomicapproach.Basedwere011PCAloadings,twelvebileacidsselectedasbiomarkersandusedtoestablishamorewerepracticalclassification.ThebileacidsdistributionpaReminbileandplasmaobtainedandthebiosyntheticframeworkinthose锄pl伪wasseS.Conclusionexplored.ThepotentialbiomarkerswereAvalidfoundintwohepatobiharydisea-forsimultaneousdeter-andrapid越alylicalmethodW88devdopodminationofthirteenbileacidsfrombileofthreespecies.Themetabonomicsmethodadaptedtothehepatobiliarydiseases,andbiomarkemWffl宅cl班随ct既izedbasedonthemetabonomicsmethod.TheresearchhaslaidthefoundationfortheearlydiagnoseofhepatobiliarydiseasesofthemetabonomicsBileacidsand印plicationKeywordmethodinclinicallystody.MetablomicsSpeciesdifferencesHepatobiliarydisease2内蒙古医学院学位论文原创性声明郑重声明:本人所呈交的学位论文是在导师指导下,独立进行研究所取得的研究成果。除文中特别加以标注引用的内容外,本论文内容不包含其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人学位论文与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。论文作者签名pj年6学位论文版权使用授权书RSB本人完全了解学院有关保留、使用学位论文的规定,同意学院保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。学院享有发表、复制、查阅、借阅及申请专利等权利。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同时本人保证:毕业后发表、使用学位论文以及结合学位论文研究课题再撰写的文章,作者署名单位一律为内蒙古医学院。论文作者签名/指导教师签名盖壶凌.年4时日刁砒¨代谢组学在胆汁酸种属差异及肝胆疾病分析的应用代谢组学是上世纪90年代后期发展起来的--fl新兴学科,它通过考察生命个体对由疾病生理刺激或遗传修饰引起的内源性代谢产物的变化,来研究整体的生物学状况。目前代谢组学已被广泛应用疾病诊断、毒理学、药理学和基因功能组学等领域。它所关注的是相对分子质量为1000以下的小分子。作为崭新的方法学,代谢组学已成为国际上疾病与健康研究的一个重要热点。根据研究的对象和目的的不同,可将代谢组学分为4个层次,即:1)代谢物靶标分析(metaboliteabolicprofilingprintingtargetanalysis),2)代谢轮廓(谱)分析(met-finger-analysis),3)代谢组学(metabonomies),4)代谢指纹分析(metabolicanalysis)o胆汁酸是动物体内重要的内源性物质,具有多种重要的生理功能,而且其组成变化可以较为准确的反映肝脏的功能状况,进而用于考察及推导肝脏的受损程度。我们运用代谢组学的研究方法,建立了超高液相色谱联接紫外检测(UltraFast/High—ThroughputLiquidchromatography—diodearraydetection,UFLC—DAD)胆汁代谢组学检测方法,通过对不同种属动物胆汁中胆汁酸代谢组学对比研究分析,大鼠、猪与病人都得到了明显的分离,说明了在胆汁酸这种重要的内源性物质上,不同种属问有着显著的差异。同时建立了超高效液相色谱与质谱联用技术(UltraFast/High—Throughputphy—MassLiquidchromatogra-spectrometry,UFLC—MS)代谢组学检测方法,分析了两种肝胆疾病病人胆汁中胆汁酸的代谢组学差异及血清的分布差异,发现两种疾病的胆汁样本得到了明显的分离,并对两组分离做出贡献的胆汁酸进一步分析,初步鉴定了六种贡献较大的胆汁酸,推测了可能的分子式及结构,为这两种肝胆疾病的临床诊断研究奠定了基础。第一部分基于胆汁酸轮廓分析的种属差异研究胆汁酸是动物体内重要的内源性物质,具有多种重要的生理功能,但是,由于胆汁酸种类较多,在不同动物中胆汁酸的种类和含量是不同的。虽然近年来许多技术方法已经被应用于不同动物的胆汁酸检测‘卜‘1,但这些分析报道都存在一些缺陷,因此,急需开发一种有效的、灵敏的分析技术考察胆汁酸在不同种属的分布情况。然而,借助常规分析3噍蓥直医堂瞳亟±婴窒生堂垡迨塞(三螋生2手段很难对生物样本中胆汁酸进行系统的化学分析。一方面,生物样本化学成分钕其复杂且多为微量成分。另一方面,胆汁酸的紫外吸收非常低,以至于普通HPLC难以分析检测[51。在此情况下,本研究将采用代谢组学分析这一实用的分析手段来考察不同种属胆汁酸的整体分布情况,并基于代谢组学相似性开展胆汁酸的种属差异研究。最近出现的一种新型的液相色谱技术一一超高效液相色谱法(UltraThroughputLiquidFast/High—chromatography,UFLC)采用了小粒径色谱柱填料,不仅使柱效大幅提高,而且在较宽的流速范围内柱效保持恒定,从而有利于通过提高流动相的流速而缩短分析时间,提高分析通量M】o超高效液相色谱(UFLC)提供了更高的效率,因而具有更强的分离能力【7J’9】o基于2.21【Jun小颗粒技术的UFLC,与人们熟知的HPLC技术具有相同的分离原理。不同的是:UFLC不仅比传统HPLC具有更高的分离能力,而且结束了人们多年不得不在速度和分离度之间取舍的历史。使用UFLC可以在很宽的线速度、流速和反压下进行高效的分离工作,并获得优异的结果oUFLC具有以下优点:a.超高分离度UFLC使用了小微粒的填料2.’2阻颗粒的柱效比5岬颗粒提高了3倍。因为分离度与粒度的平方根成反比,因此分离度提高了70%o在梯度分离中也具有同样的优越性,此时分离能力用峰容量衡量。UFLC比普通I-IPLC能分离出更多的色谱峰,从而对样品提供的信息达到了—个新的水平,并且大大缩短了开发方法所需的时间ob.超高速度由于UFLC系统用2.21un颗粒,柱长可以比用5岬颗粒时缩短3倍而保持柱效不变,而且使分离在高3倍的流速下进行,结果使分离过程快了多倍而分离度保持不变。其快速分析亦节省了以往一向耗时的方法认证的时间,使方法认证变得简单快速。c.超高灵敏度UFLC使用小颗粒技术可以得到更高的柱效(因而改善了分离度)、更窄的色谱峰宽,即更高的灵敏度。因为色谱峰变得更窄,峰高也就更高了;同样,当UFLC用于快速分析、用较短色谱柱而使柱效不变时,色谱峰高会相应增加。因此,使用UFLC技术,不仅可以在保持与HPLC相同分离度时提高峰高,而且在改善分离度的同时亦可提高峰高即灵敏度。与传统的HPLC相比,UFLC的速度、灵敏度及分离度分别是其9倍、3倍及1.7倍【6】。因此其在蛋白质、多肽、代谢组学分析及其它一些生化领域里将会得到广泛应用。本章应用UFI£一DAD方法,利用标准品建立定性定量的分析方法,同时结合多元统计建立了胆汁样本中胆汁酸的UFLC—DAD分析方法,并应用此方法对不同种属胆汁酸差异进行研究。4O婚萝’图I.1胆汁酸的化学结构Figure1.1Structureofbileacids1实验材料与方法1.1仪器与试剂超高速液楣色谱系统(日本岛津公司)配备有CBM一20A系统控制器,DGU一2QA3在线脱气机,LC一20AD二元梯度泵,CTO一20A柱温箱,SIL一20ACHT自动进样器及SPD—M20A二极管阵列检测器。色谱纯乙腈及色谱纯甲醇购自美国TEDIA公司,HPLC用水为Millipore纯水系统(法国Millipore公司)所制超纯水,其它试剂为分析纯。胆汁酸标准品(纯度≥98%)奥一codeoxycholicacid(G—DCA),taurocholicacid(T—CA)。cholk:acid(CA),chenode-5oxycholicacid(CDCA),deoxyeholicacid(DCA),taurolithoeholiccholieaeid(G—CA),glyeochenodeoxycholieaeid(G—CDA),tauroehenodeoxycholie(T—CDA),taurodeoxycholicacid(T—DCA),glycolithocholicoxycholic●_-。。‘’。‘。。’。’。。‘‘’。‘。。。●_一T内蒙古医学院硕士研究生学位论文(2009年)acid(TLCA),gly静acidacid(GLCA),tauroul刊e-acid(T—UDCA)及glyeoursodeoxycholicacid(G—UDCA)均购自signm化学试剂公司o1.2样品信息健康雄性Wistar大鼠(200+59),购自大连医科大学,均为8周龄。饲养一周禁食一天后取胆汁。市场猪胆囊购自大连棒棰岛屠宰场,均为1.2年龄,立即取胆汁。人胆汁由大连医科大学附属第一医院提供,年龄见表2.11.3样品的前处理依次用1mL甲醇、1mL0.05%甲酸溶液活化固相萃取小柱。lmL0.05%甲酸溶液中加入200灿标准品,混匀1min后上小柱。依次用1mL0.05%甲酸溶液、1mL甲醇水溶液(45:55,v/,v)冲洗。在重力作用下滴干后,真空抽干。再用1.5mL甲醇洗脱,洗脱液在60℃氮气吹干,残余物溶于100止甲醇中,漩涡混匀1min。取20止进行UFLC—PDA分析,检测时间15mino1.4胆汁酸UFLC—DAD分析方法固定相为C18色谱柱(100X2.1milli.d.,2.2岬);流动相包括乙腈(A)与10raMmin,30%A;2—8min,30—45%磷酸二氢钾溶液(B),采用如下梯度洗脱条件:0—2A;8—11min,45-80%A;ll一15min,80%A;15一18min,平衡至30%A.。检测波长:200nm;流速:0.5mIJmino检测温度:60℃。1.5数据处理和分析在代谢组学的研究中,大多数情况是要从检测到的代谢产物信息中进行分类(如基因突变前后的响应)或多类(如杂交后各不同表型间代谢产物)的判别分类,因此在数据分析的过程中应用的技术也就集中在模式识别技术上,包括无监督模式识别和有监督模式识别两类。无监督学习方法用于从原始谱图信息或预处理后的信息中对样本进行归类,并采用相应的可视化技术直观地表达出来,不需要有关样品分类的任何背景信息。该方法将得到的分类信息和这些样本的原始信息(如药物的作用位点或疾病的种类等)进行比较,建立代谢产物与这些原始信息的联系,筛选与原始信息相关的标记物,进而考察其中的代谢途径。用于这个目的的方法无可供学习利用的训练样本,所以称为无监督(unsu.6囱鐾直匿堂堕塑圭堑塞生堂焦迨塞f兰塑生2pervised)学习方法。主要有主成分分析(Principal线性映射‘12】、簇类分析(HierarchicalClusteringComponentsAnalysis,PCA)uD·u1、非Analysis,HCA)‘131等。有监督学习方法用于建立类别间的数学模型,使各类样品间达到最大的分离,并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测。本章数据分析基本过程如下:原始数据采用ShimadzuClass—VP软件进行色谱谱峰识别以及峰匹配,然后构建多维数据集,并采用归一化法进行多维数据的分析。数据分析的方法包括主成分分析方法(PCA)和簇类分析方法(HCA)o2结果与讨论2.1UFLC分析方法的建立及验证胆汁成分极其复杂,其甲醇溶解物中不但含有胆汁酸等胆汁的特征次生代谢产物,还含有大量水溶性物质及非极性成分。为考察不同种属问胆汁特征代谢产物(主要是胆汁酸类物质)的分布差异,本研究参照已有文献【l引,采用固相萃取作为样品前处理方式,除去甲醇溶解物中水溶性及非极性成分,保留并富集中等极性的胆汁酸类化合物作为主要研究对象进行UFLC分析。7UFLC分析方法的验证分别开展了精密度、重现性及稳定性测试。精密度通过对样品1连续进样六针来测定,发现所有被选物质峰的保留时间及峰面积的相对标准偏差分别为0.5%与1.7%。通过对来自不通种属胆汁样品进行UFLC分析发现,被选物质峰的保留时间及峰面积百分比偏差小于3.2%,说明此方法可获得重现性高的UFLC指纹谱。日内差通过对同—个样品于一天内在不同进样量下(5,10,15及30斗L)重复进样后获得,其保留时间及峰面积的相对标准偏差分别为0.8%和2.2%o日间差通过对同一样品在连续三天内重复进样后获得,其保留时间及峰面积的相对标准偏差小于5%o测定了十三种胆汁酸的检测限及定量限,发现检测限介于0.2Ilg到0.6ng之间;定量限介于1ng到2Ilg之间。加样回收率通过对样品中加入已知量的13种胆汁酸标准品进行考察,其加样回收率介于90%至105%。以上结果证实该UFLC分析方法适于部分纯化后的胆汁分析o2.2不同种属胆汁中胆汁酸分布差异在过去二十多年中,借助HPLC及LC—MS等技术,国内外学者已发现各个物种诸如大鼠、猪、人等种属生物样本的胆汁酸含量。然而,对于多个种属的胆汁酸分布模式上的系统比较还未见报道。近年来,以胆汁酸作为生物样本标记的研究逐渐增多,意义重大。因此本研究选择不同种属来源的胆汁样品为研究对象,借助UFLC分析考察了不同7种属的胆汁酸分布差异。本研究首先开展了不同种属来源的胆汁样品的UFLC分析,图2.1显示了四种不同种属胆汁样品的IJFLC—DAD谱图,从图中可以看出,不同种属来源的胆汁样品具有完全不同的谱图,暗示不同种属胆汁中具有完全不同的胆汁酸化学分布。此外,借助UFLC—DAD分析还发现在3—15分钟色谱区域内分布的主要物质峰都具有与胆汁酸类化合物一致的紫外特征吸收(200IlITI),提示胆汁中富集了大量的胆汁酸类化合物。表1.IT&bk1.I三种种属胆汁样本的胆汁酸分布和含量11ledistributionandconcentrationofbileacidsinbileSmpl,,脚c酬(%一一1)“CDc^Ⅸ二^弧胁aⅡIc^OC^Tc^GaX^11旺c^市X^CDc^n£^C“■NQ10."/3Ⅷ旺74‘&llNQ5.耵1.∞31.∞NQ10..∞I。7l脚∞NQNQ队2hh●5.鸽№NQ鄞.OI,7,Ol111.45,..94NQ剪.75笠.M阳№NQz3l盹哪№NQ5.∞4.∞z46NQO.∞位复5.∞№№NQNQ仉甜粥.剪lA.‘6.鹞3.3阳20.日仡94∞.3l∞.‘6±_h±nIl№№№№眦№№2..叠t阳4.519.如t№I.田3.五土1.73阳1.姥9.冀№№№阳螂.4'751.SImnt量44&D.1工孵№№№阳呻NQ阳一Q挣.56.∞埘.刃n.O‘剪.60笛.位ZH圩.墨2.忿l笳.465.6lNQ,曰.,6丘籍NQ陶'.‘掰.613..I5lt7,翻6.2l啦2啊3PIl4哪呻啦阳弘.∞—O孵.14,—Q仡3ZH.94阳49.盯叼№日.31竹.1叠.,,l国.05∞l一±'Lg脚7.84仡∞M.罄1譬t孔蕾∞.劈鱼■●也411■Q阳啦啦啦呻122.5l—口■皿t曩卫∞‘.一NQ|.Q‘.曰t,.10—-t%5如t丑岱Jo.曰拼..5Z王ot‘伍士6弧M,旺79±Ml蕾憎鹫.●‘I‘.侈4"/.6I瓢7l200.6搬.丑阳№第.悖№I吣№№脚№觚荔Il弦943l缸45la5.%h岫2●鲺盆h妇3脚.64^妇‘乳.9■_±J匝l●纰71呻№勰.m—Q—Q34.诏藏3727.钒矗罄●.麓阳№链7t凹盹№哪啊蛐№№№№啦脚哪盹№l叼埘脚脚心心廿.霓复曩±丑.125.44±一I笛6.们n基Z基工n.皿.业Z墨.盘也丑NQnotquantitation根据表1.1结果,在大鼠胆汁样本中,大约95%的胆汁酸是牛磺酸结合型胆汁酸,其中浓度最高的是TCA,原因可能是在啮齿类动物体内的牛磺酸浓度和氮一酰基移酶(N-acyltransferase)的活性较高。在猪胆汁样本中,大约65%的胆汁酸是甘氨酸结合型胆汁酸,其中含量较高的是GDCA(45.71%)及GCA(18.88%)。而在胆结石病人胆汁样本中,游离胆汁酸的比例占了89.46%,主要的游离胆汁酸为CDCA(60.76%)及CA(28.70%),而这两种胆汁酸可以促进胆固醇的分泌及胆固醇淤积,高浓度的胆固醇又是胆结石形成的直接原因。另一方面,胆汁酸由一系列的转运载体转运至胆道,如胆酸盐转运载体(bilesaltexcretorypump,BSEP)及多药耐药蛋白(muhidrugresistanceprotein,I-IRP)。胆结石病人胆汁中高浓度的CA及CDCA可能由于转运结合型胆汁酸的转运载体发生异常。8图1.2标准品及三种动物胆汁的UFLC谱图:(A标准品;B大鼠胆汁;C猪胆汁;D胆结石病人胆汁)bileacids;(B)Figure1.2Representativechromatogramsof(A)standardofthirteenratbile(2);(C)pigbile(4);(D)cholelitlliasispatientbile*Peakl,T-UDCA;2,T-CA;3,G-UDCA;4,G—CA;5,T-CDCA;6,T-DCA;7,CA;8,G—CDCA;9,G—DCA;10,T-LCA;ll,CDCA;12,DCA;13,G-LCA2.3胆汁酸种属差异研究传统的代谢组学分类往往基于个别化合物在不同种属样品中的平均含量来完成物种间的相似性评估,且这些化合物通常是人为预先指定的。但该方法不可避免人为选择的盲目倾向,且在种内化合物定量差异显著的种属分类研究中,往往会导致错误的结果。已有研究以及我们相关的定量分析结果显示,同一种属来源的胆汁样品中一些胆汁酸的定量差异可达400%以上【151o年龄、性别等因素均可造成巨大的种间定量差异。因此,基于个别胆汁酸定量数据的化学分类在动物种属分类中很难取得良好的结果。与之相对的是,基于代谢指纹相似性的化学分类采用所选物质峰的相对值为原始数据,不但可避免由于显著定量差异造成的错误分类;还可避免人为选择标识物的盲目性;更为重要的是,与个别化合物的化学信息相比,代谢标志物的整体差异更能代表样品间化学分布上的差异o2.3.1种属分类的数据提取与处理9●--_·。o-‘oo_______’__oo_‘o___-oo。--_-‘‘o-·-__·-●____-_·_-___·_-一i内蒙古医学院硕士研究生学位论文(2009年)UFLE—DAD分析得到的原始数据不能直接用于后续的数据分析,必须经过一个前处理过程,这个过程主要包括峰判别,峰对齐,归一化等步骤。经过前处理后的数据方可进行多维及单维数据分析,从而得到更接近生物学意义的结果和解释。将得到的样品的UFLC—DAD图谱数据通过ShimadzuClass—VP判峰程序,该程序将自动执行基线校正,峰辨识,峰对齐等计算过程,最终得到一个由指定的峰序列号(与保留时间和质荷比对相对应)、观测点(样品号)以及峰强度组成的三维矩阵,这个矩阵经过归一化之后将用于所有后续的数据分析u6.。¨o2.3.2基于簇类分析的化学分类研究簇类分析法(HierarchicalClusteringAnalysis,rmA)是代谢组学相关研究中常用的算法,是根据事先确定的待聚类数目把待聚类样本分为N类,计算两两之间的距离,构成距离矩阵,合并距离最近的两类为一新类,计算新类与当前各类的距离[18。1引。再合并、计算,直至只有一类为止。簇类分析算法已在很多领域得到了广泛的应用。进行簇类分析前首先要计算相似度(similarity),然后可使用以下四种方法计算类与类之间的距离:最短距离法(NearestNeighbor)、最长距离法(FurthestNeighbor)、类间平均链锁法(Betweenage)或类内平均链锁法(WithingroupsgroupsLink·Linkage)。本文将以组内的相似度为依据,采用欧氏距离作为判断相似度的标准,即距离越近相似度越大,距离越远相似度越小。图1.3显示了基于不同种属胆汁样品UFLC指纹相似性的簇类分析结果,从中可以看出,大鼠胆汁样本(1,2,3,4,5,6)聚为一类,猪胆汁(7,9,10,11)聚为一类,胆结石病人胆汁(12,13,14,15)聚为一类。从图中可以看出,8号样品比较特殊,它和猪的距离比较远,和病人的距离比较近。这种算法将原本属于第二组的8号样品归为第三组。这也是这种分类方法的局限性口●·●·●●IIIEt▲lCIIC▲LCL-SlEt▲I▲LISIS·●·●●‘加ndl'off/mq妇c呻kto05tink≈ol俄|l一班lt帕Cl蕾t以ca●bi-1015加‘箱图1.3基于UFLC指纹相似性的三种动物胆汁样品的层次聚类分析图Figure1.3HCAdendrogramofthreespeciesbased011.therawdataset10直鐾直匿堂堕亟±婴壅生堂垡途塞(兰Q塑望22.3.3基于主成分分析的化学分类研究主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)也是代谢组学研究常用而且比较有效的模式识别方法,即将分散在一组变量上的信息集中到几个主成分(PC)上,利用描述数据集的内在模式‘轨2¨。主成分是由原始变量按一定的权重经线性组合而成的新变量,这些变量具有以下性质:1、任意两个主成分之间都是正交的;2、第一个主成分包含了数据集的绝大多数方差,第二个主成分次之,以此类推。这样,有前两个或三个主成分作图,就能够很好的反应数据集所包含的生物化学变化。这样的主成分图能够直观的描述病理生理改变之后生物体内的代谢模式的变化。每一个样本在主成分图上的位置纯粹由它的代谢反应所决定,处于相似病理生理状态的样本具有相似的组成,因此在主成分图上也处于相似的位置。在这种比较简单的方法中,将供试样本与代谢模型进行比较,就可以确定它在主成分图上的位置,从而确定其机理,并有可能找到代谢标志物。本研究基于三种不同种属15个胆汁样品中12种胆汁酸的化学信息开展了主成分分析,图1.4是基于这些胆汁酸分类结果,结合得分矩阵图和主成分分析打分(表1.2)可以看出大鼠胆汁所有点在得分矩阵图的PCI和PC2的负方向排列,猪胆汁大部分点PC2的正方向排列,而结石患者胆汁PCI的正方向和PC2的负方向排列,其中有一个猪胆汁的点向PC2的负方向偏移。和PCA法的结果进行比较,HCA算法的结果不如PCA算法的结果令人满意。表1.2Table1.2The12个所选物质峰及其主成分分析打分thefactor¥corematrixfromPCAcharacteristic汹and0.11O.07O.070.1600O0000.690.141.000.990.58O00OO.02030.000r70.00240.00300.01810I.00000.04550.3565l23456789lOll121314150OOOO.020.OlO.020.02O.0lO0OOOO0.15O.321.00O.0200.970O1.00OOO00OOO000.28O.3l0.331.000.060.030.02O.04O.210O000OO.∞O0O0O.cr70.8lO0OO0O0.0IO0.OlO.2l0.620.261.00O.040.03OOOO0000.250.05O.760.130.590.650.300.22O.030.12O.3l0.180O0O0.02O.仇0OO0.5lOOO.260.∞O.15O.181.∞0.151.000.20OOO0O.560.9lOO0.77O.500.630.幻0.780O0O0.6lO.890.800.100.041.∞0.6lO000O.32390.81280.1627O,09170.1273O.00851.∞0.78OOOOO.20O.17O.361.∞O.020.20O.451.000O0OO.13O.0lO.6l1.∞O.0511▲HEa鲫‘I·5吨色1图1.4基于成分因子对14个胆汁样品分类图(◇)鼠胆汁(口)猪胆汁(△)人胆汁Figure1.4ThePCAplotbasedpigbileonsample(△)cholelithiasistheprincipalcomponents:(◇)ratbilepatientbilesamplesample(口)以上结果表明,基于代谢指纹或基于特征化学标识物(胆汁酸)分布相似性化学分类可以较为客观的反映不同动物各种属间的相互关系。同时也从侧面反映了亲缘关系相近的物种不但具有相似度高的DNA序列,其化学分布同样具有相近趋势陋∞】。3不同种属动物的胆汁酸分布及其代谢规律从UFLC—DAD代谢轮廓分析结果可以看出,不同种属来源的胆汁的代谢轮廓和化学组成完全不相同,暗示不同种属的胆汁中胆汁酸存在不同的代谢框架(metabolicframe—works)o大鼠最重要的化学特征是富含TCA,这也暗示该物种存在这种胆汁酸的次生合成路径。市场猪最重要的化学特征是G一结合的胆汁酸浓度高,而结石病人胆汁中的游离型胆汁酸和结合LCA浓度偏高。通过不同的数据处理方法,初步确定大鼠胆汁中代谢标记胆汁酸为TCA,猪胆汁中为GCDCA,胆结石患者胆汁中为CA及CDCAo。一nC扩一/。:—广‘≮1一』:《!;要卜。』=:£芦。』:l!≠j§飞。,c£!;主卜。““。….\彭一万~.q5《===∥+nora●_Ⅲ鼍蚤p,、P^、-、∥客一\一。一||矮y“_|图1.5胆汁中胆汁酸q三物合成框架Figure1.5Proposedmetabolicframeworkforbdeacidsbiosynthesisinbile12直苤直匿堂医亟圭婴童生堂焦迨塞(兰塑生2胆汁中的化学组成及其在结构上的相似性(connectivity)可以帮助我们推导该组织中的次生代谢网络,尤其是对胆汁酸的生物合成路径及调控位点。图1.5显示了胆汁中胆汁酸问的生物合成关系,从中可以看出,UFLC—DAD分析所获得的胆汁成分主要是胆汁酸生物合成的末端产物,而胆汁酸生物合成的上游产物及中间体由于都为非极性化合物,对它们的分析则需要借助GC—MS来完成Ⅲ】。4小结本章首先开发了适于胆汁酸分析的UFLC分析方法,并采用此方法获取了三种哺乳动物的UFLC—DAD胆汁图谱。通过对比不同动物种属来源胆汁样品的代谢指纹图谱后发现,不同种属种属动物胆汁胆汁酸分布完全不同,显示了不同的代谢指纹代谢框架。在此基础上,借助多变量分析技术,首次开展了胆汁酸种属差异和代谢框架研究。基于代谢相似性的胆汁酸分类可将3个不同种属区分为3组,但种间的界限并不清晰。进而利用主成分分析的降维能力及等度簇类分析的分类能力,提出了基于特征标识物的胆汁酸化学分类新方法。采用主成分分析寻找并选择了与胆汁酸分类相关的13种胆汁酸特征峰作为化学分类的标识物(biomarker),并借助聚类分析技术首次开展了基于特征代谢物分布相似性的胆汁酸化学分类研究。结果显示,基于特征标识物的胆汁酸化学分类获得了种间界限清晰的分类结果。该方法不但克服了传统化学分类(基于人为设定化学标识物的绝对量)受人为因素影响大等弊端;还具有很强的实用性,可被应用于生物样品的种属来源鉴定。通过UFLC分析方法对不同种属胆汁酸代谢进行轮廓分析并定量分析13种胆汁酸,发现不同种属来源的胆汁酸代谢轮廓和化学组成完全不相同,说明不同种属的胆汁中胆汁酸存在不同的代谢框架(metabolicframeworks)。此外,借助UFLC—DAD技术监测了所选12种胆汁酸的特征分类标识物,结果显示,这些特征标识物不但在不同种属胆汁样本中的分布具有差异性,且在个别种属中的种问含量也具有特异性。第二部分UFLC—MS代谢组学方法在肝胆疾病胆汁分析中的应用肝脏是人体重要的代谢器官,具有代谢体内内源性物质、药物和毒物的功能,它13囱鏊直匡堂医亟主班壅生堂垡迨塞(!塑生2是一个多功能器官,在维持人体内环境的稳定性中起着重要的作用。当胆固醇浓度过高使肝细胞发生进行性破坏,经过较长时间后肝细胞不能充分代谢体内物质和维持内环境稳定,因而出现胆结石和胆囊炎症状,胆结石和胆囊炎发展到终末期,引起肝脏大部分损害,因而体内出现代谢功能障碍,致使其积蓄在体内的胆汁酸而引起一系列自身中毒症状。由此可见,早期发现这两种疾病并得到及时治疗对患者生存和愈后都有非常重要的意义。大量研究表明,早期检测治疗胆结石及胆囊炎有着重要的临床和经济学价值。人的胆汁样本成分复杂,内源性代谢产物比较丰富,目前已从胆汁中分离获得胆汁酸、胆色素、黏蛋白体及氨基酸、少量脂肪、胆甾醇、卵磷脂、胆碱以及氯化钠、磷酸钙等不同类别的数百种化合物,而且大部分胆汁酸是色谱保留行为相似的多种异构体,借助常规分析手段很难实现系统分析。因此应当开发一种适于胆汁复杂样品的快速灵敏的代谢轮廓分析方法。UFLC—MS兼具了UFLC强大的色谱分离能力以及质谱的高灵敏度及良好的结构解析能力等特点,也在近年来被广泛用于复杂生物样品的代谢轮廓分析‘25-271及不同疾病分型的研究‘231。针对胆汁样本内源代谢物复杂等特点,本章以采集的胆结石及胆囊炎病人胆汁为样本,应用建立的UFLC—MS代谢组学方法进行检测分析,对胆囊炎及胆结石的早期诊断进行探索研究,基于质谱信息开展了胆汁中胆汁酸的归属,对获得的原始数据运用代谢组学的模式识别方法进行统计分析,以期建立两种疾病的代谢组学模型并发现其可能,并寻找其可能的代谢标志物或代谢标志群,为以后该方法应用于临床奠定基础。1实验材料与方法1.1仪器与试剂超高效液相色谱单重四极杆质谱联用仪(日本岛津公司)配备有二元溶剂管理器、在线脱气机、样品管理器、TUv紫外检测器、SQD检测器。MassLynx4.1质谱工作站软件r日本岛津公司)。色谱纯乙腈购自美国TEDIA公司,HPLC用水为Millipore(法国Milli·pore公司)超纯水,其它试剂为分析纯。胆汁酸标准品购自Sigma公司。1.2不同疾病样品信息与处理不同疾病的样本信息见表2.1,样品前处理方式同本论文1.2.3。14表2.1UFLC—MS疾病分析所用的20个病人胆汁样品AsummaxyofbilesamplesusedinthisTable2.1may1.3不同疾病胆汁的UFLC—ESI—MS代谢轮廓分析方法液相色谱条件:色谱柱为C18柱(2.1×100mill,粒径2.2pan);流动相包括10ram醋酸铵(A)与乙腈(B),采用如下梯度洗脱条件分析胆汁样品:0—5分钟,70%-64%A;5—8分钟,64%一53%A;8—10分钟,53%一10%A;10一13.5分钟,10%A;13.5—17分钟平衡至70%Ao检测波长:200rim;流速:0.4mL/min;柱温:40℃;进样体积:5此o1.3.1质谱条件优化液相色谱一质谱联用仪配有离子源和三重四级杆质谱检测器,对样品离子化影响较大的参数主要有毛细管电压、源温、脱溶剂气温度、锥孔气流等,其中尤以毛细管电压、源温对样品的离子化影响最大,本课题重点对这两个参数进行了考察。1.3.1.1毛细管电压优化毛细管电压是影响电喷雾过程中带电液滴表面电荷的主要。在其他参数相同的条件下,改变毛细管电压,观察毛细管电压对样品电离的影响,分别得到ESI一(4.0kv、4.2kv)的直接进样图谱,见图2.1。发现毛细管电压为4.0kv时,电离效果较好。图2.1ESI一模式下毛细管电压分别为4kv、4.2kv时总离子流图Figure2.1Typicaltotalioncapillaryvoltagecurrent汀Ic)chromatogramofESI.atdifferent1.3.1.2源温优化源温是影响物质电离的重要因素之一,当源温过高时有的化合物的分子离子可能被打碎,当源温过低时有的物质可能无法被电离。在其他参数相同的条件下,改变源温,观察源温对样品代谢物图谱的影响,分别比较源温200。C、275。C的离子化效果,发现在源温为275℃时,效果较好。最终确定质谱分析条件:在负离子化条件下检测;扫描范围:m/z200—8000其它质谱参数包括:毛细管电压,4kv;离子源温度,275℃;锥孔反吹气(N:),50L/小时;去溶剂气温度,350aC;去溶剂气流量(N2),800ted,时o1.4数据选择及数据分析选择代谢轮廓分析获得的9种胆汁酸及其在两种肝胆疾病分布信息(ND代表未检测到;+代表微量;++代表中等含量;+++代表高含量)为研究基础数据,构成原始数据集。数据采用簇类分析(HierarchicalComponents11.0,SPSSagebetweenClusterAnalysis,HCA)及主成分分析(PrincipalforwindowslinkAnalysis,PCA)构建不同病人系统发生树。使用SPSS软件(SPSSIne.,US)开展簇类类分析及主成分分析,并选择平均关联方法(averagegroups)及Pearson关联分析(Pearsoncorrelation)用于相关性研究。PCA作图借助MATLAB7.0完成o2结果与讨论2.1不同肝胆疾病代谢轮廓分析及整体化学分布特征16AB从八一.~~,、,、图2.2两种疾病胆汁负离子模式下的总离子流图(A胆结石病人;B胆囊炎病人:)Figure2.2Representativetotalionchromatograms(negative)ofhepatobiliarydisease(A,bileofcholelithiasispatient;B,bileofcholecystitispatient)在过去二十多年中,LC—MS技术被广泛用于不同生物样品的化学分析中‘凹-331,且已有研究发现ESI源更适于胆汁中胆汁酸类化合物的分析阻】。本研究应用UFLC—ESI—MS代谢轮廓分析方法对胆囊炎7例、胆结石13例患者的胆汁进行了检测分析,得到其原始谱图和数据并系统开展了两种肝胆疾病胆汁的化学成分分析。结果显示,在ESI正离子及ESI负离子模式下,胆汁酸类化合物均可被离子化,并获得相应的分子离子峰用于化合物分子量的确定,但在负离子模式下离子化的效果更好。在负离子模式下ESI源对胆汁酸分析几乎不产生碎片离子,全部产生分子离子峰,这些分子离子峰对于胆汁酸类的结构归属非常重要。在优化后的检测条件下,15种胆汁酸的检测限在0.05到0.1ng之间,说明该UFLC—ESI—MS代谢轮廓分析方法适于复杂生物样品微量化学成分的分析。图2.2中显示了两种肝胆疾病病人胆汁样品提取物在负离子模式下的总离子流图(负离子流图更加接近UFLC—DAD色谱图)。从中可以看出,两种疾病的胆汁样品具有完全不同的代谢轮廓。进一步开展了胆汁样品中胆汁酸的鉴定与归属,表2.2及2.3列出了两种肝胆疾病胆汁样品中分布的9种胆汁酸分布信息,从中可以看出不同疾病的胆汁具有不同的胆汁酸分布情况。在负离子模式下,胆汁样本中的多数成分显示了显著的分子离子峰[M—H].。由于在负离子模式下,中等的ESI一级锥体电压可使所有胆汁酸类化合物产生特征分子离子峰,这些可帮助我们确定胆汁酸类化合物的结构归属(负离子流图更加接近UFLC—DAD色谱图)。因此,本研究中胆汁中所含胆汁酸成分的鉴定与归属主要依托负离子模式下的质谱信息来完成。表2.2基于UFLC—MS分析获得的胆结石疾病胆汁化学成分的归属及分布信息Table2.2CharacterizationanddistributionofcholelithiasispatientsbyUFLC—MSIdeafifi—PmduetNo.t-‘M.W.o嘞011●a暗lm7zJ1345678910111213l234562.6982.823515465499449499449眦GcA514464++++++++4-+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++3.9674.194-I【Dc^498aJD(=^4481Dc^498GDCA448++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++4.1944.525++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++^DNO表2.3基于UFLC—MS分析获得的胆囊炎疾病胆汁化学成分的归属及分布信息2.73262.824.10515’I℃A465GCA514464++++++++++++++++4-4-+4-4-++++++++++4-4-+++4-++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ND++++++96.67躬3GLcA432ND++4-‘tR,保留时间(分钟)6M.W.,分子量;ND表示未检测到;+、++及+++分别代表微量成分、中等含量成分及高含量成分;。负离子模式下检测。‘tR,retentiontime(rain);“M.W..molecularweight;NDmeallsnotdetected,+represents+++standsforabundant;。Innegative—ionmode.traceamount,++mea[Ismediumamount;and2.2数据分析及结果借助UFLC—ESI—MS代谢轮廓分析技术从两种肝胆病人胆汁中共发现了9种胆汁18囱鐾直匡堂睦亟±堑窒生堂焦迨塞!兰塑生2酸(表2.2,表2.3)o本课题应用MicmmassMarkerlynx软件对原始数据进行归一化处理,对处理后的数据应用SPSS统计学软件进行PCA分析和HCA分析。PCA分析图上每一个点代表一个样本,每—个样本的位置有其代谢特点决定,处于相似病理生理状态的样本通常具有相似的组成,因此在图上也处于相似的位置,距离越远表示其病理生理状态差距越大。而HCA分析图中每一类样本相似度越大会聚为一类,样本相似度越小,距离越远。从中可以看出:№1一13胆结石病人聚为一类,而No14-20号胆囊炎病人聚为一类。同时本研究也基于两种不同肝脏疾病20个病例胆汁酸分布信息开展了主成分分析,以期找到对分型影响最大的胆汁酸峰,作为潜在代谢标识物。图2.5是基于主成分的病人样品分类结果,从中可以看出,两种疾病明显的分为两个部分,各自聚为一类。以PCA计算这20例患者胆汁中检测到的9种胆汁酸,得到结果为胆结石患者胆汁中的TCDCA,GUDCA,GDCA及胆囊炎患者胆汁中的TDCA,GLCA,TLCA能够解释88.2%的整体变量信息,所以把它们作为选择的主成分,暗示它们应该为这两种疾病分型的代谢标志物。图2.3基于UFLC/MS代谢轮廓分析的肝胆疾病关系图Figure2.3DendrogramatthehepatobiliarydiseasebasedidentifiedusingUFLC/MSonchemicalprofiles图2.4基于成分因子对20个胆汁样品分类图(口)胆囊炎患者胆汁样品(◇)胆结石患者胆汁样品Figure2.4ThePCAplotbasedtheprincipalcomponents:(口)thebilesimpleofcholecystitispatient(◇)thebilesimpleofcholelithiasispatienton19囱鐾直匿堂医亟±塑壅生堂焦迨塞(兰塑!生2.2.3胆汁酸类代谢标志物的质谱鉴定借助UFLC—ESI—MS技术从胆结石病人胆汁中中共发现13个化合物其中鉴定了6个化合物,为6种胆汁酸(详见表2.2),从胆囊炎病人中发现13个化合物其中鉴定了9种胆汁酸(详见表2.3)。由此可见,胆汁酸类化合物是病人胆汁中的主要成分,因此对胆汁酸类化合物的鉴定及归属是明晰不同肝胆疾病化学成分的关键步骤。通过与标准品保留时间及质谱规律的对比,胆结石病人胆汁样品中显著存在的4个胆汁酸被归属为TCA,CCA,TCDCA,CUDCA,保留时间分别为2.70,2.82,3.97,及4.20分钟(表2.2)。胆囊炎病人胆汁样品中显著存在3个胆汁酸被归属为TCA,GCA及TDCA其保留时间分别为2.70,2.82及4.10分钟(表2.3)o通过多种统计分析技术,本课题对上述胆汁酸中对分组有重要贡献的代谢标志物进行了具体分析,经三重四级杆质谱检测,借助标准品来完成(对照色谱保留时间及质谱信息),得到了其中6种代谢标志物(胆汁酸)的精确分子量,并据此推断了其分子式及结构,见表2.4及图2.5。表2.4对分组有贡献的胆汁酸Table2.4A吼m如诅ryofcharacteristicbileacidsAB一.·]jj—叩一一‘Iij—I|:j.-|.jl二.一。●1l‘。图2.5两种肝胆疾病病人胆汁中五种重要的胆汁酸(A,TCA,GCA;B,TDCA;C,GDCA,GCA;D,GLCA)Figure2.5Negative·-ionESI··MSspectraoffiveimportantbileacidsfrombileofhepatobiliarydisease(A,TCA,GCA;B,TDCA:C,GDCA,GCA;D,GLCA)20囱蓥查匡兰瞳亟±堑塞生堂焦迨塞!兰Q塑生2.3小结在本章研究中应用胆汁代谢物分析方法分别检测分析了胆囊炎病人7例、胆结石病人13例,并运用代谢组学研究方法对这20例胆汁样本所获得的代谢物信息进行了统计学分析,得到以下结果:负离子模式下,胆结石组与胆囊炎组呈现聚类型分布,两组之问未见任何交叉与重叠得到了有效的分离;PCA和HCA两种方法对结果的判断分析基本一致,PCA分离效果更好。通过两种软件作出的分析结果,本课题对位两组分离贡献作出的胆汁酸进一步分析,经ESI—MS检测,得到其精确的分子量,并据此推断了其可能的分子式及结构。本研究所建立的代谢组学方法应用于两种重大肝脏疾病的分型,比较了不同疾病胆汁中的胆汁酸浓度及种类的分布差异,实现了两种疾病的有效区分,初步发现与疾病诊断、治疗相关的代谢标记物,为两种疾病的分型、诊断、治疗打下基础。第三部分UFLC—MS血浆分析方法的建立及其在疾病分析中的应用.本章开展了血浆的UFLC—MS代谢轮廓分析(图3.1)。由于伦理的原因,我们不能取得正常人及大量取得不同肝胆疾病的胆汁样本,而且取得血浆的方法简单,成本低廉,所以建立UFLC—MS血浆分析方法是十分必要的。与胆汁中成分相比,血浆中成分更为复杂,即血浆样本具有相对复杂的代谢轮廓。由于血浆中含有大量不同的酶类、蛋白及微量的胆红素等成分,所以对其前处理要更加严谨口L剐。针对血浆成分复杂且多为微量成分等特点,本章初步开发了适于血浆样品的前处理及UFLC—MS代谢轮廓分析方法,并采用该方法系统考察了不同疾病病人血浆中的化学组成。表3.1Table3.1UFLC—MS疾病分析所用的8个病人血浆样品AsuInlll8I)rofplasmasamplesusedinthisstudy21内蒙古医学院硕士研究生学位论文(2009年)1实验材料与方法1.1仪器与试剂本研究使用的仪器与试剂与2.2.1相同1.2样品信息及制备不同疾病的样本信息见表3.1样品前处理方式:将血浆样本室温解冻取适量加入9倍体积的甲醇,旋涡混合器振荡、混合均匀,14000rpm离心10rain,取上清液即为供试样品溶液。1.3不同疾病血清的Ub'LC—ESI—MS代谢轮廓分析方法本研究采用的代谢轮廓分析方法同2.2.3。2结果与讨论2.1不同肝胆疾病血浆的代谢轮廓分析图4.1中显示了两种肝胆疾病病人血浆样品在负离子模式下的总离子流图。从中可以看出,两种疾病的血浆样品具有不完全相同的代谢轮廓oAB图3.1病人血浆总离子流图(八胆结石病人血浆;B,胆囊炎病人血浆)Figure3.1Representativetotalionchromatograms(negative)ofhepatobiliarydiseaseplasma(A,plasmaofcholelithiasispatient;B,plasmaofcholecystitispatient)对两种疾病病人的胆汁和血浆样本比较后发现,胆汁中的胆汁酸种类和浓度明显多于血浆中的胆汁酸种类和浓度,这可能是由于胆汁酸是由肝脏合成并形成肝肠循环,在疾病的程度未达到严重时,在血中只是微量存在。但是,在血浆中发现许多胆结石及胆囊炎患者血浆中共有的物质,如m/z为281,379及255,353的物质,对这类物质的鉴22凼鏊查匡堂眭亟±班塞垒堂焦迨塞(兰Q塑生2定,仍需进一步的实验研究o3小结本研究利用已建立的复杂样品代谢轮廓分析的超高效液相一电喷雾质谱(UFLG—ESI—MS)方法。利用该轮廓分析方法系统考察了不同肝胆疾病血浆代谢物的分布情况。通过对8例不同肝胆疾病病人血浆样品的分析发现,两种疾病的血浆样品具有不完全相同的代谢轮廓,同种病人血浆与胆汁比较,发现血浆中胆汁酸的种类及含量远远低于胆汁中的胆汁酸种类及含量。第四部分结论与展望1结论胆汁酸的生物合成是以胆固醇为原料在肝脏中合成,是人体中重要的内源性物质,它反映了人体胆固醇类物质的代谢路径,从而反映了动物及人体的肝胆状况。本研究针对生物样品的特殊性,运用代谢组学的研究方法建立了UFLC—DAD及UFLC—MS两种不同的分析方法并应用于胆汁酸种属差异研究及胆汁及血清中代谢物分析,并基于不同肝胆疾病的胆汁酸化学分布差异开展了疾病分型研究。得到以下结果:建立了复杂生物样品的代谢指纹分析方法并将其用于不同种属胆汁酸分布差异的考察。首先基于代谢指纹相似性对比了不同种属胆汁样品,借助主成分分析提取了胆汁中分布的12个特征标记物,进而基于特征代谢物的分布相似性开展了针对胆汁酸的种属差异研究且获得了种间界限清晰的分类结果。建立适于复杂样品的UFLC—MS代谢轮廓分析方法,该方法具有快速、灵敏及分离度高等优点。通过胆结石及胆囊炎病人胆汁的代谢组学对比研究发现,20个病人病例中鉴定出9种胆汁酸类化合物,且发现不同疾病来源的生物样品具有不同的代谢轮廓,提示不同的肝胆疾病中存在不同的代谢框架。运用代谢组学的研究方法进一步分析了对两组分离做出较大贡献的六种胆汁酸,应用质谱技术得到其精确分子量并推测其可能的分子式及结构。对两组疾病血浆中含量变化较大的其他代谢物,本课题也进行了初步的分析,为下一步的结构鉴定奠定了基础。综上所述,应用本课题工作建立两种代谢组学方法,对胆汁酸的种属差异及疾病分型进行了代谢组学研究,取得了预期的效果,为下一步的研究奠定了基础。我们相信随23内蒙古医学院硕士研究生学位论文(2009年)着代谢组学的深入,胆汁酸代谢它必将在疾病诊断以及药物开发等领域发挥更大的作用。2后续工作建议本研究所鉴定出的生物标志物需要通过更多的病例分析以进一步确认,重要的是对病人胆汁、血浆及尿液的代谢物进行监测,尤其是对血浆样品的代谢组学分析,对其中含有的化合物通过查阅文献及实验进行鉴定,并需要深入探讨其相应的生物反应途径。胆汁酸类代谢产物种类及数量繁多,且这些化合物的结构差异很大。因此单单基于LC—MS技术无法实现胆汁酸合成过程的全监测。未来应采用不同的分析技术如C,C—MS、NMR方法等,相互映证,得到更为全面的认识和结论。生物体系复杂,胆汁酸的分布及含量对外界干扰的敏感性差,未来可结合动物细胞培养等技术开展胆汁酸代谢组学研究及代谢物的动态监测。3参考文献[1】AgellonLB,TorchiaEC.BiochimBiophysActa,2000,1486:198—209,YWang,PJH.Jones,LAWoolet,eta1.TramRes,2006,148:37-44[2】YWang,PJH.Jones,LAWoolet,eta1.TramRes,2006,148:37-44M,BalasubramanianN,MakishimaM,eta1.JBiolChem,2001,276:28857[3]AnantlIanaraysnan..28865[4]Parks[5]RossiDJ,BlanchardSG,BlcdsoeRK,eta1.Science,1999,284:1365—1368CSS,HofraannJL,A.F.JLipidRes,1987,28:589—595Technologiesapplicationnote,2005,5989—5908ENa1.A[6]Henderson,J.W.Agilent[7]PlumbBS。Grangerm,StumpfCL,etrapid鲫傥ningapproachtOmembonomicsusingUP·LCandOa—TOFmassspectrometry:applicationtoage,genderanddiurnalvariationinnormal/ZuckeroJ)eseratsandblack,whiteandnudemice.Analyst,2005,130(6):844-9On[8]YinP,ZhaoX,LiQ,eta1.MetabonomlcsstudyofintestinalfisuthsbasedultrapefformaneeProteomeliquidchromatographycoupledwithQ—TOFmassspectrometry(vPLc/Q-TOFMS).JRes,2006,5(9):2135-43[9]Yu—aK,LittleD。PlumbR,eta1.Hi【出一throughputquantificationforadrugmixtureinratplasmacomparisonofUltraPerformanceliquidehromatography/tandemmarl8spectrometrywithhigh—performanceliquidchromatography/tandem脚tassspectrometry.RapidCommunMassSpectrom,2006,20(4):544—52[10:WagnerS,ScholzK,SieberM,eta1.Toolsinmembonomies:anintegratedvalidationapproachforLC—MSmetabolicprofilingofmercapturicacidsinhumanurine.AnalChem.2007,7924痊蓥直匿堂医堕主受塞生堂焦迨塞(圣塑生2(7):2918229261[I1]HolmesE,A丑ttiH.ChemometriecontributionstOtheevolutionofmetabonomies:mathematicalsolutionstocharacterisingandinterpretingcomplexbiologicalNMRspectra.Analyst,2002,127(12):1549—1557[12]KeuaHC,EbbelsTMD,BotlardME,eta1.Geometrietrajeetoryanalysisofmetabolicresponsestotoxicity锄definetreatmentspecificprofiles.ChemResToxieol,2004,17(5):579—587[13]WeljieAM,NewtonJ,MercierP,eta1.TargetedPfolding:quantitativeanalysisofH—NMRmetabolomicsdata.AnalChem,2006,78(13):“30-4442[14]TessierE,NeirinekL,Zhuz.JChromatogrB,2003,798:295—302[15]BurkantIE,RentschA.JChromatogrB,2005,826:147—159[16]MassartB,GuoQ,QuestierF,eta1.Datastruc缸jtresanddatatransformationsforclusteringchemicaldata.TrendsAnal[17]协R.MultivariateChem,2001,20:35-41classificationofconstraineddata:problemsandalternatives.知lalChimActa,2004,527:45-51[18]DIldaR0,HartPE,PauemClassificationandSceneAnalysis.WileyToronio,1973[19]se晒∞Theodoridis,KonstantinosKoutroumbas,PattemReeognition(SecondEdition).北京:机械工业出版社,2003。163[20]ⅥzB,YuY,IAangYz,eta1.EvaluationoftheanfimicrobialmodeofberberinebyI.£/ESI—MScombinedwithprincipalcomponentanalysis.JPharmBiomedAnal,2007.44:301—304[2t】DreassiE,ZizzariAT,ArezmSD。ete1.AnalysisofguazatinemixturebyLcandLC—MSandantimycofieactivitydeterminationofprincipalcomponents.JPharmBiomodAnal,2007,43:1499一1506[22]WinkM.Evolutionofsecondarymetabolitesfrom皿ecologicalandmolecularphylogeneticper-spective.Phytochemistry,2003,“:3一19[23]NymanT,Julkunen—TiittoR.Chemicalvariationwithinandamongsixnot'themwillowspecies.Phytoehemistry,2005,66:2836—43[M]VanErpeeumKJ,VanBeigeHenegouwenGp啦ofP,DigestLiverDis,2003,35:8一ll[25]hlag如S,NodaT,MinJZ,eta1.Metabolicrathairand∞碳:niⅡgbiomarkersusing111吨performanceliquidchromatographywithelectrosprayionizationlime—of—flight皿腿spee·trometry.JChmmamgrA,2007。1176:94—99[26]uL,PabbisettyD,CarvalhoP。eta1.Ultra—performanceliquidchromatography—tandemmassspectrometricmethodforthedeterminationofArtemisinininratsenlmanditsapplicationinphar-macokinetics.JChromatogrB,2008,867:131—13725囱鐾直匡堂医亟±受塞生堂垡迨塞(三塑生2[27]DanM,SuM,GaoX,eta1.MetaboliteprofilingofPanaxnotoginsengusingUPLC—ESI—MS.Phytochemistry,2008,69:2237—22“[28]XinLa,XinjieZhao,ChangminBai,eta1.LC—MS—basedmetabonomicsanalysis.JChroma-togrB,2008,866:64-76[29]BhyPIgS,ThibauhP,ThihergeN,eta1.Analysisoftaxoland咒铡taⅪm船fromortaxuscana-densisusingliquidchromatographycombined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le甘氨酸或牛磺酸结合的产物,称结合型胆汁酸(conjugatedacid),主要包括甘氨胆酸(glycocholieacid,GCA)、甘氨鹅去氧胆酸(glycochenodeoxycholicacid,GCDCA)、牛磺胆酸(taurocholieacid,TCA)及牛磺鹅去氧胆酸(taurochenodeoxycholicacid,TCDCA)等。从来源上可分为初级胆汁酸(primarybileacids)和次级胆汁酸(secondarybileacids)o肝细胞内以胆固醇为原料直接合成的胆汁酸称为初级胆汁酸,包括胆酸和鹅去氧胆酸。初级胆汁酸在肠道中受细菌作用,进行27位脱羟基生成的胆汁酸,称为次级胆汁酸,包括去氧胆酸和石胆酸。胆汁酸为双亲性分子,其环戊烷多氢菲核Q侧的羟基(一OH)、羧基(一COOH)、磺酰基(一SO,H)是亲水性基团,B侧的甲基(一CH,)、烃核是疏水性基团。因此胆汁酸又可以分为亲水性胆汁酸(hydmphilic(hydrophobicbilebileacids)和疏水性胆汁酸acids)‘241。胆汁酸合成主要有两种合成途径:一为经典途径(中性途径),在限速酶胆固醇7a一羟化酶(cholesterol70r—hy妇)咖,CYPTAl)的催化下,肝细胞内胆固醇转化为7a一羟胆固醇。而后经过固醇核的还原、羟化、侧链的断裂和加辅酶A等多步反应,最后生成具有24碳的初级胆汁酸,主要是胆酸(CA)和去氧胆酸(DCA)以及其与甘氨酸和牛磺酸结合形成的结合胆汁酸。另一途径为替代途径(酸性途径),其第一步反应由限速酶27et一羟化酶(cholesterol270t—hydroxylase,CYP27A1)催化,把胆固醇转化为”一羟化胆固醇。2.2胆汁酸分泌及吸收胆汁酸的分泌是一个复杂的过程。肝细胞基侧膜通过依赖牛磺胆酸共转运体(NT-CP)将结合胆汁酸盐重吸收肝细胞这部分胆汁酸与肝细胞内新合成的初级胆汁酸在肝细胞毛细胆管膜一系列转运蛋白(主要是ABC—ATP结合的蛋白质超家族蛋白以及一种ATP酶HCl)的作用下,克服浓度梯度差,以胆盐形式进入毛细胆管。这个过程包括:①胆汁内成分通过肝细胞面向肝窦基膜和侧膜进入肝细胞。②在肝细胞内将相关物质输送到毛细胆管。③毛细胆管腔膜的转运体,将有关物质排入管腔(图2)‘冽。31直鐾直匿芏壁亟±堑塞垒芏堡垒塞f2Q塑生2图2肝细胞膜和小胆管膜的主要转运分子Figure2theprimarytransporterinlivercellmembrane肠道中的各种胆汁酸平均有95qo被肠壁重吸收。由肠道重吸收的胆汁酸(包括初级和次级胆汁酸;结合型和游离型胆汁酸)均由门静脉进入肝脏,在肝脏中游离蛩胆汁酸再转变为结合型胆汁酸,再随胆汁排人肠腔。此过程称为”胆汁酸的肠肝循环”。正常人每天产生胆计酸约02—069,肝胆的胆汁酸池共约3—59,这些胆汁酸即使全部倾人小肠也难满足饱餐后小肠内脂类乳化的需要。因此,肠肝循环可以补充肝合成胆汁酸能力不足和人体对胆汁酸的生理需要。人体每天约进行4—12次肠肝循环,每餐后约2—3次,从肠道吸收的胆汁酸总量可达12—249/d(30—60衄ol/d)。正常人肝脏每小时约可重吸收189(45019n01)的胆汁酸胆汁酸在肠中通过两种机制被机体重新吸收:(1)主动运输:主要发生在回肠远端。在回肠远端,所有类型的胆汁酸都通过这一机制进行运输,但速率不同.主要取央于羟基的数目,以及胆汁酸分子是结合态还是游离态。羟基数目多.且为游离态的胆汁酸易被吸收.如胆酸;(2)被动运输:主要发生在32囱鐾直匡堂医亟主婴窒垒堂焦迨塞(兰Q塑至2小肠和结肠。这种被动的、选择性的重吸收速率取决于胆汁酸的离子化程度及极性。未结合的胆汁酸和二羟基胆汁酸的甘氨酸结合物(以非离子化的形式存在),也通过简单扩散的方式被重吸收。这种通过小肠膜的非离子化扩散可在小肠的任何部位及结肠发生。胆汁酸在肠道的重吸收主要依靠主动重吸收方式汹】o石胆酸及其复合物可溶性差,因而大部分不被吸收而排出。胆汁酸重吸收入血液后,和白蛋白或HDL结合,由门静脉进入肝脏。在肝细胞基底膜上有Na+依赖性的牛磺酸/钠共同转运蛋白,这是主要的胆盐摄取系统。参与肝细胞基底侧膜钠离子依赖性胆盐摄取的另一个蛋白是微粒体环氧化物水解酶(mEH),其作用仍在进一步研究中。非Na+依赖的胆盐转运与№+依赖的胆盐摄取不同,并非单一的转运蛋白在起作用。目前已经证实它由数个系统协同构成,因此命名为”多特异性胆酸转运蛋白”,其中包括BSP/胆红素结合蛋白,有机阴离子结合蛋白(OABP)以及自血窦摄取胆红素的胆红素转运酶(bili—translocase,BTL)o胆汁酸被肝细胞重吸收后,与胞质液蛋白结合降低胆盐的潜在毒性。研究表明,蛋白结合胆盐向毛细胆管膜的运输主要是通过快速扩散完成的,胆盐与蛋白结合后由脂性囊泡沿微管运送至毛细胆管膜面而排出。最近也有研究表明尚有另一途径,系直接从高尔基体运送至毛细胆管膜,有关的转运蛋白可能有多耐药糖蛋白MDRl,MRP2等Ⅲ】o2.3胆汁酸功能胆汁酸分子内既含有亲水性的羟基及羧基或磺酸基,又含有疏水性烃核和甲基。亲水基团均为d型,而甲基为P型,两类不同性质的基团恰位于环戊烷多氢菲核的两侧,使胆汁酸构型上具有亲水和疏水的两个侧面。胆汁酸具有较强的界面活性,能降低油水两相间的表面张力,促进脂类乳化,同时扩大脂肪和脂肪酶的接触面,加速脂类的消化。胆汁酸还具有防止胆石生成的作用,胆固醇难溶于水,需掺人卵磷脂一胆汁酸盐微团中,使胆固醇通过胆道运送到小肠而不致析出。如胆汁酸及卵磷脂与胆固醇比值降低,则可使胆固醇过饱合而以结晶形式析出形成胆石。不同胆汁酸对结石形成的作用不同,鹅去氧胆酸及熊去氧胆酸可使胆固醇结石溶解,而胆酸及脱氧胆酸则无此作用汹’271胆汁酸保护内脏不受细菌感染,正常情况下,人小肠中菌群数量较低(104—105菌落/m1),结合胆汁酸浓度较高(10mmol/L)。在人体及动物体肝硬化中,胆汁酸分泌降低,细菌过量生长。将动物胆管结扎也会导致小肠内细菌过量生和宿主粘膜损伤,导致细菌穿越机体粘膜屏障并造成系统感染,对实验小鼠进行经口饲喂胆汁酸,可抑制由胆管阻抑引发的细菌过量增长,对黄疸病人提前进行胆汁酸口服,可抑制肠道细菌产生过量内毒素。这些都提示,在胆汁酸和肠道细菌之间存在着某种联系。体外实验表明,结33囱鐾直匡堂医亟±堡壅垒堂丝迨塞(兰塑生2合及非结合的胆汁酸均可抑制细菌生长。Inagaki等基于小鼠的实验表明,结合胆汁酸在末端小肠中的抗菌效果是受由法尼酯衍生物X受体(nuclearreceptorfarnesoidXreceptor,FXR)参与的细胞途径调控的,FAR被结合胆汁酸活化,进而激活血管生成素I(angio-poietinI,AngI)、一氧化氮合成酶(inducibleNOsynthase,iNos)和白细胞介素l8(inter-leukin一18,11.一18)等基因的表达,这些基因的表达可发挥抑菌作用。将胆管结扎,饲喂FXR的激活剂GW4064仍可抑制细菌生长.但In鳄出的实验设计仍有不足,如未验证在将FXR敲除的小鼠中,饲喂胆汁酸是否抑制细菌生长(这种结果容易与胆汁酸累积引起的细胞凋亡混淆);尽管用微阵列分析表明了FXR激活了一些基因表达(如iNos),但缺乏iNos基因的小鼠并未在小肠中呈现细菌过量生长汹瑚】。尽管如此,Inagaki的实验仍有助于人们合成一些FXR的激活剂应用于胆汁流阻塞或降低的病人,或者是一些对细菌过度增殖较敏感的人群,这仍有待于进一步研究。近年来,人们研究发现,胆汁酸也可作为一种信号分子汹’3¨,其主要参与的3种信号分子途径机制已被人们阐明:激活有丝分裂激活的蛋白激酶(mitogen—activatedteinpro-kinase,乩心K)途径;作为信号分子与G蛋白偶联的受体(G—protein—eoupledre.famesoidXrecep-eeptor,GPCR)TGR5结合;激活法尼酯衍生物X受体(nuclearreceptortor,FXR)的表达.通过激活这些不同的信号传导途径,胆汁酸可以分别起到调节体内能量代谢平衡、控制肥胖的作用以及抑制肠道细菌过度增殖。3结语一方面,代谢组学并不是特殊假设驱动的代谢整体分析方法,而是一门分析遗传和环境变化如何导致代谢产物的水平发生变化并根据有关实验结果(数据)产生新的假说的一门科学。在应用方面,代谢组学要生存和发展,必然要有特色,从表型着手回答其他组学不能回答的生物问题。与其他组学一样,如何克服瓶颈从大量的代谢产物中找出特异性的生物标记物(特别是低丰度的标记物)是决定此技术能否在药物和临床领域广泛应用的—个重要因素。另一方面,胆汁酸是由肝脏合成的一类重要的内源性物质,它们具有如脂类吸收、药物的重吸收和排泄、毒素的排泄等重要的生理功能。对胆汁酸的系统分析不但可用于考察胆汁酸不同种属及不同组织中的代谢物分布差异并可基于化学分布差异开展胆汁的种属鉴定。还可在明晰各种属胆汁酸种类及含量的基础上探讨胆汁酸代谢网络的组成及胆汁酸的累积和分布规律。胆汁酸作为动物胆汁中主要的的特征次生代谢产物,其在胆汁中中的生物合成路径已基本明确,因此其代谢路径的分析将有助于揭示各种次生代34囱蓥直匿堂睦亟±受塞垒堂鱼途塞【垫塑生2谢产物之间的相互关系,以及胆汁酸类化合物的生物合成规律及调控机制。4参考文献[1]NicholsonJK,Bollard舰,LindonJC,eta1.Metabonomies:aplatformfor咖d她drugtoxicityMolBid,2002,48:155andgenefunction.OrusDiscovery,2002,1:153[2】Fiehn—-1710.Metabolomies:thelinkbetweengenotypeandphenotypes.Plant[3]SummerLW,MendesP,DixonRA.Plantmetabolomies:昧scalephytoehemistryinthefame.tionalgenomics.Phytoehemistry,2003,62:817-836[4]HominsMG,MurakamiS,HomingEC.Analysesofphospholipids,eeramides,andeerebrosidesbygaschromatographyandgaschromatography懈spectrometry.AmJmetabolic皿衄ngbasedonOlinNutr,1971,24(9):1086—1096[5]GatesSC,SweeleyCC.Quantitativegaschromatography.ClinChem,1978,24:1663—1673[6]OliverSG.Yeast鹪anarigationaltoolingenomeanalysis.Microbiology1997。143:1483—1487on[7]Field[8]FiehnD,SansoneSA.Aspecialissuedatastandard.Onlics,2006,10(2):84—93andO,KristalB,VanOrnmenB,eta1.Establishingreportingstandardsformetabolomiemetabonomicstudies:acallforparticipation.Omies,2006,10(2):158—163E,eta1.Summaryrecommendationsforstandardization【9]LindonJC,NieholsonIK,Holmesportingofmetabolicanalyses.Natand静Bioteehnol,2005,23(7):833—838[10]ettmerK,AwnovPA,HammockBD.Massspectrometrybasedmetab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作者:
学位授予单位:
斯日古楞内蒙古医学院
1. 李晓芳 超快速液相色谱联合质谱分析法对胆道疾病的胆汁酸分析[学位论文]2009
2. 斯日古楞.葛广波.李晓芳.毛玉玺.梁思成.官爱霞.杨凌 不同肝胆病人胆汁的UFLC-MS代谢轮廓分析[会议论文]-2009
引用本文格式:斯日古楞 代谢组学在胆汁酸种属差异及肝胆疾病分析的应用[学位论文]硕士 2009
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