代謝組學(xué)是生物體內(nèi)生化反應(yīng)的集合，是生命維持生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是研究生命活動的重要基礎(chǔ)。代謝組學(xué)是基于高通量分析和生物信息學(xué)技術(shù)，研究生命在內(nèi)、外環(huán)境影響下的內(nèi)源代謝活動，包括代謝物的類型、數(shù)量和變化的檢測和分析，從而研究集體生命。活動發(fā)生和發(fā)展的本質(zhì)。

代謝物是生物過程的最終產(chǎn)物，其狀態(tài)變化可以準(zhǔn)確反映細(xì)胞功能的變化。研究表明，包括癌癥在內(nèi)的多種疾病，如肝病、腎病、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等，都與細(xì)胞內(nèi)代謝狀態(tài)變化引起的生理紊亂或細(xì)胞功能喪失有關(guān)。代謝組學(xué)已成為后基因組學(xué)時代功能基因組學(xué)的研究工具，大規(guī)模篩選新生物標(biāo)志物用于疾病早期預(yù)測、診斷和分型的重要手段，以及精準(zhǔn)醫(yī)療的重要技術(shù)手段之一。

代謝組學(xué)優(yōu)勢

代謝物種類和數(shù)量的變化易于檢測；
與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)相比，技術(shù)手段更簡單；
與基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝物數(shù)量少，易于檢測、驗(yàn)證和分析；
代謝水平的變化可以實(shí)時揭示機(jī)體的生理和病理狀態(tài)。

代謝組學(xué)分類

根據(jù)研究目的不同，代謝組學(xué)又可分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。

非靶向代謝組學(xué)是指利用LC-MS、GC-MS、NMR技術(shù)對所有小分子代謝物（主要是細(xì)胞、組織、器官或生物體中刺激或擾動前后）進(jìn)行公正的檢測。通過生物信息學(xué)分析篩選相對分子質(zhì)量小于1000Da的內(nèi)源性小分子化合物的動態(tài)變化，并進(jìn)行差異代謝物的通路分析，揭示其變化的生理機(jī)制。

靶向代謝組學(xué)是對特定類別代謝物的研究和分析。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，常聯(lián)合使用用于差異代謝物的發(fā)現(xiàn)和定量，以及對后續(xù)代謝分子標(biāo)志物的深入研究和分析，應(yīng)用于食品鑒定、疾病研究、動物模型驗(yàn)證等和生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)。在疾病診斷、藥物研發(fā)、藥物篩選、藥物評價、臨床研究、植物代謝研究、微生物代謝研究等方面發(fā)揮著重要作用。
代謝組學(xué)應(yīng)用方向

1.生物樣品中復(fù)雜代謝物的檢測。
2. 尋找疾病的生物標(biāo)志物。
3. 標(biāo)記驗(yàn)證和絕對定量研究。
4.研究代謝途徑的機(jī)制。

靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組
學(xué)之間的區(qū)別

靶向：關(guān)注目標(biāo)代謝物，通常基于通路
非靶向：發(fā)現(xiàn)差異代謝物并尋找生物標(biāo)志物

定性定量
靶向：定性定量同時進(jìn)行，可檢測濃度
非靶向：可定性，相對定量

方法
針對性：需要先購買標(biāo)準(zhǔn)品，進(jìn)行方法學(xué)驗(yàn)證，然后進(jìn)行測試，成本較高
非針對性：直接進(jìn)樣即可分析，成本相對較低

代謝組平臺比較

非靶向代謝組學(xué)常用LC/MS、GC/MS、NMR三種檢測方法，優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1、NMR（核磁共振）
優(yōu)點(diǎn)是對樣品無損，測量無偏差，即適用于血液、尿液等液體樣品，也適用于固體樣品如組織器官，測量速度快，可實(shí)現(xiàn)樣本代謝組的動態(tài)監(jiān)測。缺點(diǎn)主要是分辨率較低。

2、GC-MS（氣相色譜法）
GC-MS是一種代謝組學(xué)研究技術(shù)，具有技術(shù)成熟穩(wěn)定、分辨率高的特點(diǎn)。同時，由于數(shù)據(jù)庫比較完整，質(zhì)量也較好。缺點(diǎn)主要是樣品處理復(fù)雜、衍生化困難。對物質(zhì)進(jìn)行表征和定量比較困難，影響了該技術(shù)在更大范圍內(nèi)的使用。

3、LC-MS（液相色譜）
優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在樣品制備和預(yù)處理簡單、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、分辨率高、分離分析范圍寬。

非靶向代謝組分析技術(shù)

代謝組學(xué)通常需要使用多種分析技術(shù)來滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。常見的代謝組分析技術(shù)包括核磁共振（NMR）、液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）、氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（CD-MS）、HILIC-MS等在。高分辨率質(zhì)譜技術(shù)主要包括TOF-MS、FTICR-MS、Orbitrap-MS、Sector-MS等。

1. GC-MS（氣相色譜）是代謝組學(xué)研究中的經(jīng)典技術(shù)。具有技術(shù)成熟穩(wěn)定、分辨率高的特點(diǎn)。同時，由于數(shù)據(jù)庫比較完整，質(zhì)量也更加準(zhǔn)確。缺點(diǎn)主要是在樣本上。加工過程復(fù)雜，且不易衍生化的物質(zhì)難以表征和定量，影響了該技術(shù)在更大范圍的應(yīng)用。

2、LC-MS（液相色譜）的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在樣品制備和預(yù)處理簡單、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、分辨率高、分離分析范圍廣。

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)預(yù)處理：使用XCMS、MZmine、MarkerView等工具進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理。
差異代謝物的鑒定：常見的分析方法包括主成分分析（PCA）、偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）。數(shù)據(jù)分析結(jié)果還需要通過t檢驗(yàn)和投影變量重要性（VIP）值來篩選差異代謝物。一般認(rèn)為同時滿足P<0.05且vip>1.0的變量為差異代謝物。
代謝通路分析：常見的代謝組通路數(shù)據(jù)庫包括HMDB、KEGG、Reactome、BioCyc、MetaCyc等數(shù)據(jù)庫，可用于代謝通路和相互作用網(wǎng)絡(luò)分析。
多組學(xué)分析：多組學(xué)分析已經(jīng)是組學(xué)發(fā)現(xiàn)的趨勢?？捎玫臄?shù)據(jù)庫和工具包括 IMPaLA 網(wǎng)站、iPEAP 軟件、MetaboAnalyst 網(wǎng)站、SAMNetWeb 網(wǎng)站、pwOMICS、MetaMapR、MetScape、Grinn、WGCNA、MixOmic、DiffCorr、qpgraph、巨大等。

關(guān)于樣品

1. 微生物和細(xì)胞樣品：快速滅活代謝活性（猝滅），同時防止細(xì)胞裂解
2. 動物體液（如尿液、血液、組織、器官、唾液）：采樣后應(yīng)迅速進(jìn)行前處理，如添加抗凝劑和防腐劑，立即冷凍（-80℃）
3.植物樣品：采集后快速冷凍（液氮），然后轉(zhuǎn)至-80℃保存，200mg/箱
4.血清樣品：500ul/箱（不少于200ul/箱），必須避免反復(fù)凍融。 （將血液收集于離心管中，靜置30分鐘使其凝固，然后離心取上清液裝入干凈的離心管中，然后8000rpm離心5分鐘。-80℃冷凍保存送貨。）
5、尿液樣本：1ml/箱，原則上可以多取一點(diǎn)（尿液直接裝入離心管，每管1ml，加一滴（約10ul）1/100（w/v）疊氮hua鈉，冷凍-80℃）
6、瘤胃液：1ml/箱，原則上可以多取一點(diǎn)。收集步驟：瘤胃液6000×g離心15min，取上清液，等分，-80℃冷凍，干冰送樣。為了使樣品保持更長時間，可在取樣后加入一滴（約10μl）1/100質(zhì)量體積（w/v）疊氮hua鈉溶液。