代谢组学与健康——一场革命的前沿

想象一下，在未来，送出一份尿样就能准确预测你是否会在十年后患上糖尿病。或者你的癌症外科医生有一把高科技的刀，可以实时告诉他们该切哪里。这些只是快速发展的代谢组学领域所承诺的一些潜在的临床应用。在这里，我们就其改变医疗保健未来的潜力请教了权威专家。

伦敦弗朗西斯克里克研究所代谢组学主任詹姆斯麦克雷博士说:“代谢组学是测量细胞或生物系统中所有代谢物的尝试。”

他解释了为什么他觉得这是一个如此强大的方法:“你有数万个基因，其中数万个将被表达——你也有从它们表达的蛋白质，然后这些蛋白质也会以不同的方式被修改。所有这些都只影响相对较少的代谢物——几千个，而不是几万个。正因为如此，它对样本的健康或生理状况是非常敏感的输出。”

他补充说:“考虑到这一点，代谢组学在大多数(如果不是全部的话)疾病——从糖尿病、心脏病、癌症、艾滋病毒、自身免疫性疾病、寄生虫学和宿主-病原体相互作用——中具有巨大的应用潜力。”

概括了代谢组学的力量和挑战

但研究人员面临的主要挑战是在任何一个实验或项目中尽可能广泛地覆盖代谢物。

麦克雷说:“我们正在处理的代谢物在化学性质上存在巨大差异，这意味着你需要多平台方法和各种类型的仪器。”“我们可以使用一种非靶向的方法——尽可能多地测量，生成代谢剖面。或者是一种更有针对性的方法，我们专注于特定的代谢物或途径，”他补充道。

研究人员强调，代谢组学不应被视为一个独立的实体，而应作为其他方法的补充。麦克雷说:“把所有的东西放在一起——代谢分析、靶向分析、标签合并和计算模型——并试图将所有这些与蛋白质组学、基因组学和转录组学数据联系起来——这确实概括了代谢组学的力量和挑战。”

帮助释放个性化医疗的力量

因为它可以提供人体的动态表型，代谢组学有许多潜在的临床应用。

伯明翰大学代谢组学高级讲师沃里克·邓恩博士解释说:“我们的基因组通常是静态的，它预示着未来可能发生的事情。而另一端的代谢组则相反——非常动态，告诉你刚刚发生了什么或可能发生了什么。”

“因此，我们可以将其应用于识别预后生物标志物，例如，预测某人是否在五到十年后患糖尿病的风险更大。如果你知道这一点，你就可以改变他们的生活方式或环境来试图预防它，”他补充道。

它也有可能帮助释放个性化医疗的力量。邓恩解释说:“我们知道我们都是非常不同的，我们对药物的反应不一样，所以我们可能会使用代谢组学来帮助每个人选择最好的治疗方法。”研究还在确定与疾病有关的新的代谢途径，从而解锁潜在的新药物靶点。

基于小型化技术的潜在新应用也令人兴奋不已。例如，伦敦帝国理工学院的一个团队正在开发一种用于癌症治疗的新型手术刀。麦克雷解释说:“当它切割时，它会烫伤组织，这会释放出烟雾，烟雾上升到一个由质谱仪检测到的小管中，因此外科医生可以识别生物标志物，表明它是肿瘤组织还是健康组织。这可能是一个非常强大的工具。”

克服样本可变性

但在代谢组学的全部潜力转化为临床效益之前，还需要克服许多关键挑战。

与受控的实验室环境相比，在临床中如何收集样本的现实存在差异。麦克雷解释说:“新陈代谢的变化非常快——我说的是几秒钟、几分钟——所以你必须非常小心它们是如何获得的，以及之后如何治疗。”

为了解决这个问题，研究人员在能量计算上投入了大量精力，以确保他们收集到足够多的样本，以获得统计上可靠的结果。但这可能意味着要分析数千个样本，这往往超出了单个实验室的能力。Dunn解释说:“我们需要能够从不同的实验室获取数据，并能够将这些数据整合在一起，这是我们目前无法做到的。好消息是，解决这个问题的工作已经开始了——这是国际表型组中心网络的一个关键目标。”

推进代谢组学技术

另一个问题是，许多代谢物仍然未知。邓恩说:“在尿液中，可能有10,000种代谢物，而在一次典型的跑步中，我们可能只识别出2,000或3,000种。”

但技术和数据库正在迅速发展，灵敏度和分辨率不断提高。但这本身就带来了新的挑战，即如何解释难以置信的庞大而复杂的数据集。耶鲁大学公共卫生学院助理教授Caroline Johnson博士解释了基于系统生物学的新工具是如何提供帮助的:“你可以上传你的非靶向代谢组学、转录组学和蛋白质组学数据，它将帮助你确定代谢途径，这将为你提供一些关于生物学上可能发生什么的线索。”

新的质谱成像技术的发展也令人非常兴奋，这可能会改变游戏规则，在分析之前消除对样品的研磨。麦克雷兴奋地说:“你可以取一片组织，对其进行代谢组学研究，这样你就可以看到组织内代谢发生的复杂本质。”

“这是全新的技术，还有很多工作要做。但在未来十年，随着越来越多的应用，它将变得越来越重要。”

成年

随着越来越多来自不同领域的研究人员将代谢组学应用到他们的工作中，代谢组学正在走向成熟，这让人感到非常兴奋。与此同时，该领域内也有很大的愿望，希望看到这些发现被推进到临床实践中。

正如约翰逊总结的那样:“我认为它真正是关于人类健康的应用，以及实现这一目标的步骤，这是最令人兴奋的——我认为它将在未来十年内实现。”