代謝組學在獸醫學中的應用

李玫毅

（鄭州市動物衛生監督所，河南鄭州 450000）

1 代謝組學概述

代謝組學是繼基因組學，蛋白質組學，轉錄組學出現的新興“組學”。代謝組學是細胞在特定生理時期內所有小分子量（通常是指分子量小于1ku）代謝產物的總和，是全面認識一個生物系統不可或缺的一部分。如果說基因組學和蛋白組學研究的是可能發生的生物學事件，那么代謝組學研究的是已經發生了的生物學事件。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構或性質相關的預設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外全部代謝產物進行分析；第四個層次為代謝組分析，定量分析一個生物系統全部代謝物，其目前還難以實現。就研究方法而言，代謝組學可分為兩部分，主要包括靶向代謝組學和非靶向代謝組學。非靶向代謝組學是針對一定生理狀態下的全代謝組學，優勢是具有全面性。而靶向代謝組學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，優點是具有更好的準確度和靈敏度。

代謝組學的技術程序一般包括以下幾個流程：樣品的采集、生物反應滅活、預處理、樣品的配制與檢測、數據的分析等步驟。代謝組學最常用的主要技術有液質聯用技術（LC-MS），氣質聯用（GC-MS）技術和核磁共振技術（NMR）。各種技術有各自的優缺點，可結合研究目的和研究對象選擇不同的分析技術。

2 代謝組學在獸藥研發中的應用

針對動物機體疾病狀態下某些代謝產物的變化，通過獸藥調節代謝途徑，使動物體由病理狀態恢復到生理健康狀態，減少或消除病理反應。代謝組學在獸藥研發中的應用，具有重要的現實意義。Shen Y等通過體內藥物代謝實驗運用基于LC-MS的代謝組學的方法，闡釋了獸藥阿司匹林丁香酚酯是在比格犬體內和肝微粒體內是如何代謝的。Liu Y T運用代謝組學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。結果表明，與動脈粥樣硬化相關的20個潛在生物標記物均受到心可舒作用的顯著影響。這些研究結果通過對代謝產物或代謝途徑的分析，探究了藥物的作用機制，為藥物的研發奠定了理論基礎，提供了思路。代謝組學在獸藥研發中的應用雖然目前在實際中還未得到充分應用，但在藥代動力學，藥效動力學和動物疾病模型等方面均有很大的應用空間。

3 代謝組學在動物疾病診斷中的應用

機體發病的過程是機體內環境穩態被破壞的過程。任何疾病的發生和發展都會使機體的代謝發生變化，進而導致體液中代謝物質隨之而變。將機體生理與病理狀態下的代謝組分進行分析比較，有助于理解疾病的發病原因和過程，從而找到與疾病發生相關的標記物，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，代謝組學在動物營養代謝病方面的應用已有所進展。Bertram H C 等利用基于NMR的代謝組學的方法探究兩種不同的飼料對高膽固醇血癥豬內源性生化效應的影響，這兩種不同飼料的主要成分分別為黑麥和小麥，結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，并結合轉錄組學的研究方法，發現了腹水綜合征肉雞的脂類代謝物質發生了異常變化并找到了低溫誘導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病機制，從而為本病的防治提供了科學依據。另外，代謝組學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 的代謝組學技術對圍產期奶牛前后期的代謝產物分別進行分析對比，找到了預防奶牛圍產期疾病的標記物。Saleem F等通過代謝組學研究發現了在泌乳早期飼喂高谷物日糧容易導致奶牛體內產生大量炎性因子及氨基酸代謝紊亂。除此之外，代謝組學在奶牛酮病，脂肪肝的代謝標記物分析及發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。

4 代謝組學在動物營養研究中的應用

4.1 代謝組學在研究營養素與動物體的相互關系中的應用

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

4.2 代謝組學在研究飼料與動物體的相互關系中的應用

動物飼料所含的營養物質是動物進行正常代謝，生長發育和維持健康必不可少的條件。其潛在的營養價值和保健效果有很大的研究空間。代謝組學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，利用代謝組學方法證明了精氨酸對能量物質代謝有著重要影響。王小雪利用代謝組學的方法證實了蛋白質含量不同的貓糧對貓機體造成的影響。這些研究結果都為動物最佳飼料配方的研發提供了基本依據，具有非常重要的現實意義。

4.3 代謝組學在研究動物消化道菌群與宿主相互關系中的應用

動物腸道微生物群落是宿主與微生物長期協同進化過程中相互選擇和適應的結果。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物質，另一方面又可以促進機體健康，抵御疾病。Nicholson等運用代謝組學技術研究了宿主與腸道微生物的代謝產物，通過比較代謝產物的異同，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 代謝組學在動物性食品安全中的應用

目前我國動物源性食品正向著綠色安全的方向發展，獸藥殘留是動物食品安全中廣泛關注的問題。運用代謝組學技術，對動物體內相關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支撐。Courant等運用基于液相色譜-質譜技術的代謝組學方法，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-質譜技術的代謝組學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，通過發現違禁添加的獸藥在動物體內代謝后的相關潛在標記物，可作為指示物建立一個預警監督的平臺。

6 代謝組學存在的問題以及對未來的展望

作為組學家族最年輕的成員，代謝組學發展勢頭正勁。但要想在獸醫學中得到廣泛應用，還有一些瓶頸需要打破。

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

其次，代謝組學分析技術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，這將有礙于在獸醫學中的推廣應用。

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

隨著對代謝組學技術認識的不斷深入和研究方法的不斷優化以及與其他組學技術的聯用，諸多問題正在不斷得到解決。代謝組學在獸藥研發、動物疾病診斷、動物營養研究、動物性食品安全中的應用必將越來越廣泛，其在獸醫學中的應用也必將拓寬獸醫學的研究領域和方法。