最近几十年，各种组学的研究已经被生物医学领域所广泛应用，并为生物学和医学的发展做出了巨大贡献。组学的研究包括了基因组学、转录组学、蛋白质组学以及代谢组学。基因组学的研究目标是生物体的基因，它研究了细胞的可能潜在作用，但其结果是一幅静止的图片，到底最后是否发生了什么或者是怎样发生的，都不是很清楚。后来转录组学和蛋白质组学的研究，对于将来可能会发生的作用以及发生的机理做了一些研究。但最终生物体已经发生了什么作用，则需要从代谢组学来进行研究。代谢组学研究的对象是整个生命活动链的最终端，因此能够更灵敏、更有效地反映出生物体内所发生的生理、病理的各种变化，而且其分析样本易得、分析成本较低，在临床医学领域有着很好的发展与应用前景。

    一、代谢组学概述

    代谢组学主要是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢产物进行定量分析，并寻找代谢产物与生理病理变化相对关系的一种研究，是系统生物学的组成部分。代谢组学的研究可以追溯至上世纪80年代，Van De Greef研究小组和Nicholson研究小组分别利用质谱技术（MS）和核磁共振（NMR）技术分析了尿液。1999年，Nicholson提出了代谢组学的概念。

    代谢组学研究的是一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，尤其是小分子物质，一般分子质量为1,000以下的小分子。代谢组学系统研究了新陈代谢的动态过程中代谢产物的变化规律揭示了机体生命活动的代谢本质。

    二、代谢组学的国内外研究现状

    在当前的国际舞台上，代谢组学研究非常活跃。美国、英国、加拿大、德国、荷兰、比利时、日本以及韩国等国家的许多大学和公司都开展了代谢组学的研究工作，其中有些小组已经开始将代谢组学、转录组学和蛋白质组学整合在一起来进行研究。SpringerLink出版社出版了名为Metabolomics的新杂志。代谢组学的研究工作小组分别在2004、2005和2007年制定了代谢组学的标准。2007年1月，人类代谢组学计划完成了人类代谢组的第一张草图，包含了2500种代谢产物、1200中药物和3500种食物成分。

    在我们国内，军事医学科学院、中国科学院、中国林业科学院以及北京植物所等科研单位也已开展了代谢组学的研究工作。上海长征医院肾内科也已经在肾脏病领域开展了多项代谢组学的研究工作。

    三、代谢组学的研究技术

    代谢组学的研究首先要解决的一个问题是：什么是代谢产物？代谢产物简单的说就是生物体内任何可以检测得到的有机分子，分子量一般小于1000Da。代谢产物包括了各种糖、脂类、多肽、氨基酸、核苷等，同时也包括了酮体、醛类、胺类、有机酸、生物碱等，当然也包括各种药物和毒物。

    代谢产物所研究对象的是单个细胞、组织或器官中所有的小分子成分及其波动规律，对生物体液和组织可以进行系统的测量和分析，并研究完整的生物体中代谢产物随时间改变的情况，以了解生物体的病理生理过程，确定生物标志物。先进的分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。

    代谢组学研究的一般过程包括：
    （1）前期的样品采集；
    （2）样品的处理；
    （3）代谢产物检测、鉴定和数据获得；
    （4）后期的数据分析和模型建立。

    样品采集、制备方法根据不同的分析方法，采取不同的样品制备方法，但需要遵循同性质样品和条件标准化的原则，切实保证众多样本的一致性。样品的处理，即代谢产物的分离，包括了SPE、LLE和ASE等方法，其关键问题是防止样品的变质和污染。常用的检测与鉴定方法包括质谱分析（MS）、核磁共振（NMR）以及联合分析平台，如气相色谱/MS、液相色谱/MS、毛细管电泳/MS以及液相色谱/NMR等，各种方法优势互补，需要按照不同要求采用不同的分析方法。数据获得后要进行数据分析和模型建立，需要利用生物学和化学知识（生物信息学、化学信息学），并应用一定的分析方法（化学计量学、计算生物学）来对大量数据进行整合分析研究。

    四、代谢组学的应用

    代谢组学在系统生物学的研究中已广泛应用。如监测基因和环境的相互作用，也可以监测基因突变的后果。在植物的选择中也有很多应用，可以利用代谢产物的识别来进行优质品种的选择。在医学领域，还能确定一些未知基因的功能，通过监测或测量代谢产物的量来了解人体的病理生理过程，也可以把代谢产物作为疾病或追踪毒物、药物的生物标记。

    1、生物学研究领域

    代谢组是基因型与表型之间的桥梁，代谢组学将代谢产物和基因关联起来，从而实现基因功能的鉴定。通过将代谢组学方法和基因组学技术结合起来，以检测代谢产物的变化，可以成功推断相关基因的功能。

    2、农业和食品领域

    代谢组学技术通过促进植物基因功能组学的研究工作，可以加快农作物的品质改良进程，从而加快得到优良的品种。代谢组学研究还可以通过对转基因和野生型生物代谢产物差异的比较，来对转基因生物及其食品进行安全性评估。

    3、医药领域

    人体中各种体液成分的变化反映了人体生理过程，也可反应代谢损害或毒物引起的细胞功能异常。应用代谢组学的研究方法可检测血浆、尿液、胆汁等人体体液中具有特殊意义的异常微量物质成分，也可以对所有代谢产物进行定量分析，从而对新化合物进行筛选，为新药临床前安全性评价提供可靠的技术支持与保障。因此，早期的代谢组学研究在毒物药物学和新药筛选方面有较多的应用。美国食品与药品管理局（FDA）已经接受代谢组学的研究结果作为新药申报和注册的重要参考指标。

    在疾病的诊断方面，尤其是一些先天性疾病，也已开始应用代谢组学来进行诊断。如应用NMR技术来分析患者尿液中尿黑酸的量，可以用来筛查尿黑酸病。对于早期无症状的肿瘤，可应用高敏感性的代谢组学综合检测手段来进行诊断。另外，冠心病的发病率逐年上升，常规的X线血管造影方法确诊率高，但存在创伤、副作用多以及花费高的情况。有学者通过NMR技术来分析血清样本，建立相应的模型，通过此模型对可疑冠心病患者进行高灵敏性和高特异性的诊断，还可以判断冠心病的严重程度和累及血管的数目。NMR技术还正在应用于其他疾病，如糖尿病的诊断和预后判断，各种关节炎（骨关节炎、类风湿性关节炎和创伤性关节炎）的鉴别诊断等。

    4、在肾脏疾病研究中的应用

    代谢组学研究在肾脏病领域的应用也逐渐增多。肾脏疾病有其特点，相对来说人体的尿液标本很容易采集，且能很好的反应肾脏方面的问题，所以代谢组学研究在肾脏病领域的应用近年来越来越多。文献检索结果发现，在最初的几年，代谢组学在肾脏病领域的文章发表较少，但近年来关于肾脏疾病代谢组学的研究越来越多，发表的文章也呈明显上升趋势。

    代谢组学研究已涉及了肾脏病领域的很多方面，包括肾毒性药物的监测分析、肾脏疾病生物标记物的检测、急性肾缺血、糖尿病肾病、肾小球肾炎、慢性肾衰竭、多囊肾病以及肾移植排斥反应的监测、预后判断等。

    五、代谢组学存在的问题和展望

    代谢组学的研究需要先进的仪器、技术和各种分析方法，同时也获得了大量的数据。目前存在的问题主要是用非常先进的技术和分析方法，也不能全面的描述代谢组，且无法获得成千上万的代谢产物并进行分析，所以只有通过有选择性的提取某些化合物、并结合各种分析技术来进行分析，从而解决这个问题。

    另外，由于化学物质的复杂性导致了代谢产物的差异，给检测和鉴定分析带来了不确定因素。不同的质谱分析技术，得到的数据也各有不同，如何通过不同的方法学来对所有的数据整合起来进行分析，从而达到正确解释代谢组研究所得到的数据，这也是一个问题。生物体非常复杂，代谢组学的研究结果也只是其中一个方面，还需要和基因组学、转录组学以及蛋白质组学的研究结合起来，从而给生物学作用一个更好的解释。

    代谢组学的研究还处在初生阶段，如果能了解代谢产物的5%～10%，就已经很幸运了。我们相信随着代谢组学技术和方法的不断完善和优化，这种研究方法必将使人类对生物体的了解更加清晰、更加深刻，也必将成为人类更高效、更准确诊断疾病的一种有力手段。