泽平 清华大学药学院胡泽平教授：代谢组学与代谢流分析技术

问:代谢组学可以让我们对一个生物系统有一个全面的了解，可以为研究者提供很多功能信息。请说说目前代谢组学的主要研究方法。目前该领域的研究和临床应用情况如何？

胡泽平教授:新陈代谢是生物生命活动的基础。代谢紊乱已被证明与糖尿病、肿瘤、炎症等多种疾病密切相关。代谢组学是代谢研究的重要技术手段之一。

从研究目的和方法来看，代谢组学通常可以分为两种类型:非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向代谢组学侧重于尽可能全面地系统分析生物系统中所有内源性小分子代谢物，而靶向代谢组学侧重于分析研究人员感兴趣的特定代谢物组。此外，近年来，结合非靶向和靶向方法优势的“准靶向”代谢组学方法也有所发展。在分析方法上，代谢组学主要采用液相色谱-质谱(LC-MS)、气相色谱-质谱(GC-MS)、核磁共振(NMR)等分析平台，其中液相色谱-质谱(LC-MS)是最常用的平台。

近年来，随着人们对代谢研究重要性的日益认识，代谢组学已广泛应用于生命科学和医学研究，包括细胞代谢调控、新的代谢途径、疾病代谢机制、新药靶点的发现和确认、药物疗效和毒性评价、疾病诊断或预后的生物标志物、药物代谢组学、精确给药等领域。

问:我们可以看到，代谢组学在推动药物研发和实现精确治疗的过程中，越来越受到重视。它与其他研究方法相比有什么优势？还有哪些困难需要克服？

胡泽平教授:代谢产物在生物系统中处于生化活动的末端，所以反映的是已经发生的生物事件。此外，基因表达和环境因素对生物系统的影响可以反映在代谢物水平的最终表型上。因此，与其他组学相比，用小分子(通常指分子量

虽然代谢组学在上述研究领域得到了广泛的应用，但其自身的发展仍存在一些问题有待解决。代谢物的分析面临许多挑战，如基质效应、电离抑制、代谢物鉴定等。与其他基因组学相比，尤其是基因组学和转录组学在很大程度上已经标准化，代谢组学的应用受到不同实验室之间差异的阻碍。涉及大样本(如临床样本)的代谢组学研究需要高度可重复和可靠的代谢组学分析方法。因此，迫切需要进一步推进代谢组学的方法标准化，包括从样品采集、制备和处理到数据分析和解释的全过程，以实现实验室间更一致、更可重复的代谢组学研究。此外，检测和鉴定更多低丰度代谢物以实现更广泛的代谢组学覆盖是代谢组学的另一个技术挑战。在许多代谢研究中，如干细胞代谢、肿瘤代谢异质性、发育代谢、免疫代谢等。，可获得的样本量通常很小，这需要超灵敏的方法来实现准确的分析。此外，组学数据的整合正在成为代谢研究的主要需求和技术瓶颈。需要开发新的生物信息学工具，将代谢组学与其他组学(基因组学、转录组学和蛋白质组学)相结合，对组学数据进行数据整合和预测建模，以加快大数据组学的研究。

问:通过生物质谱技术开发超灵敏的新型微量代谢组学和代谢流分析技术，是你们课题组的研究方向之一。请告诉我们为什么要开发超灵敏的微量代谢组学方法。什么是代谢流分析？它的具体作用是什么？

胡泽平教授:如前所述，很多代谢研究中可及的样本量，如干细胞代谢、肿瘤代谢异质性、发育代谢、免疫代谢等。，通常很小，需要超灵敏的方法才能达到准确的分析。这将为理解干细胞、疾病、发育和免疫细胞的代谢分子机制提供必要的技术支持，也为捕捉早期癌症患者血液中细微的代谢变化，检测和鉴定更多的低丰度代谢物以实现更广泛的代谢物覆盖，寻找早期诊断的生物标志物提供技术基础。我们前期开发的基于三重四极杆质谱的超灵敏靶向代谢组学技术，首次使从小鼠分离出的5000-10000个造血干细胞中的代谢组学分析成为可能，从而取得了重要的生物学发现，充分证明了超灵敏微量代谢组学技术的重要性。

虽然代谢组学是研究代谢的重要技术手段，但由于代谢网络复杂、动态变化，代谢组学只能提供代谢物丰度的静态信息，因此仍然存在局限性。代谢流分析技术可以弥补这个局限。代谢流分析技术利用稳定同位素标记特定化合物，通过分析下游代谢物的稳定同位素标记方式，计算化合物在细胞内代谢途径中的周转速率、方向和分布，通过分析不同状态下生物体的代谢流，可以得到生物体特定代谢途径的活性程度，从而在动态水平上描述细胞的代谢活性。结合代谢组学和代谢流分析技术，可以更好地了解细胞内代谢网络的代谢水平、流量分布和周转率的变化，探索主要的代谢异常途径及其生物学功能，揭示其上下游相互调控的机制。这可以为了解疾病机制、药物靶标的发现和确认提供有力的科学依据。代谢流分析已被广泛用于研究糖尿病、癌症、免疫和神经退行性疾病等代谢相关疾病的发病机制。

问:我们得知你于2016年12月加入清华大学药科大学，成立了代谢组学与疾病代谢研究小组。你认为你的研究小组的主要特点是什么？到目前为止，课题组的进展如何？取得了哪些重要成就？

胡泽平教授:我们课题组多年来致力于疾病代谢机制的研究和新药靶点的发现和确认，重点是新药靶点的发现和确认的指导。通过开发新的微量代谢组学分析(包括代谢组学和代谢流)技术，揭示生理、疾病或耐药性的新代谢途径，并深入解释其新的分子机制，从而发现并确认新的药物靶点，逐步形成“开发新技术、揭示新机制、识别新靶点”具体为:

开发和验证基于色谱-质谱(LC-MS和GC-MS)的超灵敏痕量代谢组学方法，用于分析痕量样品(特别是干细胞和发育)中代谢物的变化；发展基于稳定同位素示踪的代谢流分析技术，分析代谢异常途径的动态周转率和方向；

利用已发展的代谢组学和代谢流分析技术，结合转录组学、生物信息学和分子/细胞生物学，探索与生理(干细胞、发育)、疾病(癌症、感染性疾病、心肌肥厚)或耐药性相关的代谢重编程途径和关键代谢酶，揭示其相应的功能和分子调控机制；

在上述功能和机制研究的基础上，发现与疾病和耐药性相关的代谢漏洞(代谢脆性)，确认其作为克服耐药性的新分子靶点的可行性，进而用于新药研发或联合用药；探索相应的生物标志物以指导临床用药。

目前，我们课题组已经开发了一系列基于色谱-质谱平台的代谢组学(靶向和非靶向)和代谢流分析技术。其中，上述超灵敏微量靶向代谢组学方法可用于极少数细胞(~ 5000)的代谢组学研究，与合作者共同使用该方法，揭示了造血干细胞不同于其他造血细胞群的代谢特征及其生物学意义。此外，基于已建立的代谢组学和代谢流分析方法，我们对多种疾病代谢机制进行了合作研究，包括解释癌细胞中新的代谢途径；非小细胞肺癌的发病机制、恶性黑色素瘤的转移、造血干细胞的代谢重编程及其分子机制为了解癌症的发病机制或转移以及发现新的治疗靶点提供了分子基础。

在我们2016年12月回国以来的工作中，我们有:1。首次揭示了次黄嘌呤脱氢酶(IMPDH)介导的ASCL1低表达小细胞肺癌(SCLC)亚型嘌呤从头合成的代谢机制，证实IMPDH可作为该亚型SCLC治疗的新药物靶点，并发现了特异性靶向IMPDH的新药咪唑立宾，突破了数十年来SCLC治疗缺乏有效靶向药物的瓶颈(Cell 2。首次揭示了“重症发热伴血小板减少综合征”(SFTS)病毒感染引起精氨酸代谢异常，导致血小板减少和T细胞免疫功能抑制的潜在致病机制。在临床试验中，已经证实“精氨酸补充疗法”可以促进患者的康复，为治疗这种死亡率一致在10-30%的病毒感染性疾病，降低死亡率提供了重要的新理论和新策略(Science Translational Medicine，2018)。此外，我们在非小细胞肺癌EGFR TKI抵抗和心肌肥厚代谢机制的研究方面也取得了一定进展，目前相关工作正在顺利开展。

问:我们知道很多代谢过程中代谢物的动态范围存在个体差异，容易受到饮食、环境、年龄等各种因素的影响，所以代谢物作为生物标志物有一定的局限性。高噪声背景下的代谢组学生物标志物难以检测。你在研究过程中遇到过类似的情况吗？针对这个问题，研究人员有什么对策？

胡泽平教授:作为精密医学的“关键词”之一，生物标志物的发现已成为当前医学领域的研究热点之一。包括代谢组学在内的组学技术的快速发展，为生物标志物的发现带来了更多的可能性。如前所述，代谢物是信号通路的终产物，因此代谢组学提供的信息更接近表型，更适合于疾病分类和标志物发现的研究。但在实际研究中，尤其是人体研究中，不同代谢产物的水平差异很大，容易受到年龄、性别、饮食、是否用药等其他因素的干扰。此外，代谢组学常用的技术手段如质谱等容易受到其他杂质的干扰，表现出较强的背景噪声，不同的检测分析系统有不同的噪声模式。因此，基于代谢组学的生物标志物的发现应特别注意排除人为因素，这一直是相关研究中的挑战和难题。从代谢组学分析的技术层面，我们可以对尽可能多的代谢物进行全覆盖分析，包括低丰度的次级代谢物，利用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)和高分辨率质谱等高特异性、高灵敏的平台，采用严格的质量控制，进行可靠的代谢物鉴定。从生物学角度来看，单一代谢物的增加可能是由于合成途径的增强或消耗途径的抑制。因此，我们可以通过分析代谢途径的上下游代谢产物，找到一组(不是单一的)相关生物标志物；尤其重要的是进一步验证相关生物标志物的生物学功能和作用机制，从而实现“功能性生物标志物”的发现，这将在疾病的准确诊断或预后中发挥更重要的作用。

问:你在清华大学药科大学学习代谢组学分析技术和疾病代谢。你认为代谢组学分析技术在药物研发中的作用是什么？未来可以应用在哪些领域？

胡泽平教授:多年的研究证实，代谢在疾病的发生发展中起着重要的作用。代谢组学研究的是生物体经病理生理学或基因修饰(包括基因或环境的改变)刺激后内源性代谢物的种类和数量，因此影响生物系统的所有因素都可以在代谢组学中得到反映。利用代谢组学技术分析代谢组学的静态和动态，有助于我们了解代谢异常的生物学变化过程，在疾病的病理机制、治疗靶点的发现和验证、药物作用和毒性的研究中发挥重要作用。

近年来，代谢组学在理解疾病(如肿瘤)的病理机制，以及对药物作用机制、毒性和耐药性的研究中的作用受到广泛关注。因此，代谢组学将在新药靶点的发现和确认、克服耐药性的研究以及相应的药物研发中发挥越来越重要的作用。此外，药物代谢组学将在指导临床用药方面发挥更令人鼓舞的作用。

胡教授的回答非常详细，从中我们对代谢组学的概念、功能和发展前景有了全面的了解。可以看出，药物代谢组学在指导临床精确用药方面发挥了更令人鼓舞的作用。相信随着研究者的不懈探索和代谢组学技术的逐步发展，它在未来的疾病治疗中将发挥更大的作用。

[专家介绍]

胡泽平，研究员

1995年至2000年就读于山东大学齐鲁医学院，获医学学士学位。2000年至2003年就读于中国食品药品监督管理局研究所，师从桑国伟院士，获得药理学硕士学位。2003-2009年就读于新加坡国立大学药学系，获得药学博士学位。2010年赴美国西北太平洋国家实验室，师从理查德·d·史密斯博士，在生物质谱和代谢组学领域担任博士后研究员。2012年受聘于德州大学西南医学中心，担任儿童研究所代谢组学平台研究助理教授、技术总监。2016年12月加入清华大学药科大学，成立代谢组学与疾病代谢研究组。该研究组的主要研究方向是代谢分析(代谢组学和代谢流)技术的研发、肿瘤和心脏病代谢机制的研究、相关新药的研发、基于药物代谢组学的精确治疗。目前已有40多篇论文发表在综合性或领域的权威期刊上。