核磁共振代谢组学方法及其在代谢综合症方面的应用研究

摘要

代谢组学方法是上世纪90年代中期发展起来的一门新学科，它借助高通量、高灵敏度与高精确度的现代分析技术，分析细胞、组织和生物体液中内源性代谢物的整体组成，并通过代谢物复杂的、动态的变化，辨识和解析被研究对象的生理病理状态。与其它化学分析技术相比，NMR技术具有预处理过程简单、测试手段丰富、无损伤性、无偏向性等优点，因此被广泛地应用于代谢组学研究。
　　 本文将NMR代谢组学方法应用于2型糖尿病动物模型的研究，还综合考察了饮食因素对糖尿病发生发展过程的影响，分析了长期素食者以及高脂饲料喂养的肥胖大鼠模型的体液样品。本论文主要内容归纳如下：
　　 一、简要介绍了系统生物学和代谢组学的基本概念，引出了基于NMR的代谢组学方法及其应用领域。概述了NMR代谢组学方法在糖尿病研究方面的一些进展。详细介绍了NMR代谢组学的研究方法，包括各种生物样本的预处理和实验参数、NMR数据预处理的基本要点、各种常见的模式识别方法以及对特征代谢物的识别和生物分析。
　　 二、应用高分辨液体1H NMR谱学与多元统计分析方法，研究了2型糖尿病小鼠模型的尿液和血清。结果表明，与正常小鼠相比，糖尿病小鼠的尿液中柠檬酸、丙氨酸、乙酸、氮氧三甲胺、马尿酸、牛磺酸、肌氨酸酐、琥珀酸、丙酮酸和甘氨酸等代谢物含量明显升高；糖尿病小鼠的血清中乳酸、三羟基丁酸、谷氨酸、谷氨酰胺和胆碱含量明显升高，而亮氨酸、缬氨酸含量降低。除了尿液和血清，我们还将2型糖尿病动物模型的离体组织作为研究对象，采用高分辨魔角旋转谱学技术与多元统计分析相结合的方法，探讨2型糖尿病发病早期肝肾组织的受损情况。
　　 三、应用1H NMR谱学结合模式识别方法，研究了长期摄入奶素食的健康人群的尿液代谢显型，并根据饮食因素和性别因素，建立了4个主成分分析模型，从中考察了这两个因素引起的样本组之间的分类，进而识别特征代谢物。此外，通过测量谱线积分值与谱图总积分面积的比值，我们对尿液中一些主要代谢物的浓度进行了定量分析。这种手动定量分析作为代谢组学研究的一种补充手段，使生物标记物的识别更精确更可靠。
　　 四、应用1H NMR谱学结合模式识别方法，研究了高脂喂养大鼠模型的尿液和血清代谢显型。血清和尿液谱的偏最小二乘判别式分析(PLS-DA)模型中，高脂组和正常对照组清晰地区分。我们还考虑了长期饲养过程中伴随着的大鼠衰老对代谢显型的影响，采用方差-主成分分析(ANOVA-PCA)方法对肥胖或衰老引起的特征代谢物进行区分。我们将找到的这些代谢物全部导入TICL工具中，从全局的系统的角度理解它们的生化功能、分子机制以及受扰动的信号通路。
　　 五、计算了NMR尿液和血清谱的代谢组学数据集的血尿相关系数矩阵，研究同一个谱变量在不同生物体液中的共变性。表现出高血尿相关度的变量被挑选作为一维统计全相关谱的“激励”变量，并与PLS回归系数分析结果相结合。该工作提供了一种新的理解代谢组学数据的方式。