稳定同位素，如何联动代谢组学研究？| MCE

代谢组学是对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式 (见：最接近生物表型的组学——代谢组学)。作为代谢组学常用的检测方法，质谱 (MS) 和核磁 (NMR) 可以检测机体某一特定时刻代谢物在体内完成复杂代谢后的总量，而无法精确到代谢物所处的具体代谢通路。

目前，可通过在代谢组学分析中引入放射或稳定同位素标记物示踪剂去推断其代谢路径。但放射性同位素对人体有一定危害，稳定同位素无放射性、物理性质稳定、对人体无害，因此更受科研人员的欢迎。

基于稳定同位素和代谢组学的稳定同位素示踪代谢组学充分发挥二者优势，可更加准确地研究某一特定代谢物质在代谢网络中的具体代谢通路。

图 1. 代谢组学 (稳定同位素标记) 流程图[1]

通过 LC-MS 检测被标记葡萄糖在机体内的代谢过程，确定稳定同位素标记的葡萄糖在相关代谢通路中的代谢路径，确定其代谢机制 (红点表示13C)

说的再多，都不如结合案例分析来得简单，让我们跟着小 M 往下看吧。

稳定同位素标记物在阿尔茨海默症 (AD) 生物标志物研究中的应用

武汉大学冯钰锜教授团队，通过用稳定同位素标记的液相色谱质谱分析方法 (CIL-LC-MS)，对小鼠粪便样品中四种类型代谢物 (羧基、羰基、胺和硫醇代谢物) 进行了测定，代谢物通过与含有稳定同位素标记的物质 (如 DMED-d4、HIQB-d7、DMAP-d4、BQB-d7) 衍生化 (化学反应) 以提高代谢物检测的灵敏度，共检测到了 2302 种潜在代谢物，其中有 1388 种代谢物可被推测，通过化学标记标准库和质谱分析，确定了 308 种代谢物。

图 2. 稳定同位素与不同官能团代谢物的衍生化反应[3]

通过对小鼠粪便中代谢物的鉴定，发现有 211 种代谢物在阿尔茨海默病 (AD) 模型小鼠和野生型 (WT) 小鼠之间存在显著差异，这也提示了这些粪便代谢物与 AD 病理密切相关，为 AD 的诊断提供了新的潜在生物标志物。

图 3. AD 潜在生物标志物研究方法[3]

L：常规衍生化后的代谢物 MS；H：用稳定同位素标记衍生化后的代谢物 MS

稳定同位素标记物在癌症代谢组学研究中的应用

稳定同位素分析代谢组学 (Stable Isotope Resolved Metabolomics，SIRM) 是一种利用先进的 NMR 和 MS 分析方法，分析稳定同位素富集的前体到产物的单个原子的的过程，根据稳定同位素原子的跟踪，可以揭示一些新的代谢途径及治疗靶点，SIRM 在肿瘤代谢研究中发挥了重大作用。DeNicola GM 等人用 U-13C-glucose 通过对非小细胞肺癌 (NSCLC) 细胞株的代谢跟踪，研究了 NSCLC 中 Serine/Glycine 代谢路径，对 NSCLC 的诊断和治疗发挥了重要作用。

图 4. 用 SIRM 对 NSCLC 代谢路径的研究[4]

跟着小 M 看了这么多稳定同位素标记物在在代谢领域的贡献，您目前肯定对稳定同位素标记物有了更深刻的印象了吧？

参考文献

1. Jang C, Chen L, Rabinowitz JD. Metabolomics and Isotope Tracing. Cell. 2018 May 3;173(4):822-837

2. Liang L, Sun F, Wang H, Hu Z. Metabolomics, metabolic flux analysis and cancer pharmacology. Pharmacol Ther. 2021 Aug;224:107827.

3. Yuan BF, Zhu QF, Guo N, Zheng SJ, Wang YL, Wang J, Xu J, Liu SJ, He K, Hu T, Zheng YW, Xu FQ, Feng YQ. Comprehensive Profiling of Fecal Metabolome of Mice by Integrated Chemical Isotope Labeling-Mass Spectrometry Analysis. Anal Chem. 2018 Mar 6;90(5):3512-3520

4. DeNicola GM, Chen PH, Mullarky E, Sudderth JA, Hu Z, Wu D, Tang H, Xie Y, Asara JM, Huffman KE, Wistuba II, Minna JD, DeBerardinis RJ, Cantley LC. NRF2 regulates serine biosynthesis in non-small cell lung cancer. Nat Genet. 2015 Dec;47(12):1475-81.