基于质谱信号的正交投影方法及其在中药代谢组学研究中的应用

摘要

代谢组学的研究对象是生物体内所有的内源性小分子代谢物，由于药物的干预作用，代谢组学样本（如尿液）中不可避免地会存在大量的药物及其代谢产物（即外源性代谢物）。尤其是中药，它们的代谢产物更多、更复杂，更重要的是，这些众多的外源性代谢物是未知的组分，难于用化学药物代谢组学的方法加以消除，这样会严重影响中药代谢组学模型的准确性和稳健性，从而导致中药毒性评价的准确性降低，甚至毒性评价错误。针对此问题，本文提出了一种基于质谱信号正交性消除外源性代谢物信号的方法，并用模拟数据、标准样本数据和对乙酰氨基酚给药大鼠尿液样本数据对此方法进行了系统考察和验证，最后应用此方法开展了中药黄药子水提物的肝毒性代谢组学研究。
　　 基于质谱信号的正交性提出了一种消除外源性代谢物干扰信号的方法——质谱信号正交投影法（MassSpectrum-basedOrthogonalProjection，即MSOP法）。首先模拟LC-MS数据对此方法的条件进行了考察：然后利用标准样本数据对此方法的有效性和可行性进行了验证。所有考察和验证结果均表明基于MSOP方法可以很有效地得到外源性代谢物干扰信号并将其消除。另外，基于质谱信号正交性还提出了一种新的基线漂移校正方法，这种方法可以获得真实的色谱基线。
　　 基于UPLC-ESI-MS代谢组学分析平台并结合传统药物毒性评价手段建立了标准毒物对乙酰氨基酚（APAP）的大鼠肝毒性代谢组学模型，并利用给药大鼠尿液样本数据进一步验证了MSOP法用于外源性物质信号去除的可行性。用上述的MSOP法从APAP给药组大鼠样本数据中计算获得对乙酰氨基酚及其代谢产物信号，并对其中强度高的几个正离子峰进行了物质确证，包括APAP、APAP-sulfate、NAC-APAP、APAP-S-S-APAP、APAP-glucuronide及其异构体。在去除外源性代谢物信号之后的代谢组学主成分分析(PCA)模型得分图中可以发现正常组与给药组样本完全分开，表明给药组大鼠发生了一定的肝毒性反应，这与两组大鼠的血清生化指标和组织病理学检查结果相一致。
　　 利用UPLC-ESI-MS代谢组学分析平台和MSOP方法，开展了中药黄药子水提物的肝毒性代谢组学研究。从PCA得分图中可以看出，外源性代谢物信号消除之前，黄药子给药一天尿液样本与正常组样本完全分开，各给药组大鼠尿液样本之间亦完全分开，且随给药时间的延长，分开越明显；而用MSOP法消除外源性代谢物信号之后，黄药子给药一天与正常组样本部分重叠，表明外源性代谢物信号对中药代谢组学模型的产生了很大影响。黄药子给药三天样本虽然与正常组之间的距离拉近，但仍然完全分开，表明黄药子给药三天后大鼠肝脏确实出现了明显的肝损伤，这与大鼠的血清生化指标和组织病理学检查结果是相一致的。
　　 MSOP法能够有效地用于复杂药物（特别是中药）的代谢组学样本中外源性代谢物信号的消除，这对于代谢组学应用于药物毒性筛选，尤其是中药的毒性评价和预测具有积极意义。

目录

声明

引言

1 代谢组学

1.1 代谢组学的起源和概念

1.2 代谢组学的特点和优势

1.3 代谢组学的研究方法和技术

1.4 代谢组学在中药安全性研究中的应用

2 药源性肝损伤及肝毒性代谢组学研究

2.1 药源性肝损伤

2.2 肝毒性代谢组学研究

3 本文研究内容与目标

第一章 质谱信号的正交投影方法及数据验证

第一节 质谱信号的正交投影理论与算法

1 理论与方法

2 算法

3 结论

第二节 基于模拟数据验证MSOP方法

1 实验

2 结果与讨论

3 结论

第三节 标准样本数据对MSOP方法的验证

1 实验

2 结果与讨论

3 结论

第二章 对乙酰氨基酚肝毒性代谢组学模型及其MSOP方法的验证

1 实验

1.1 仪器与试剂

1.2 动物分组与尿液样本制备

1.3 样本预处理

1.4 尿液样本的检测

1.5 尿液样本数据处理

1.6 体重和血清指标的数据分析

2 结果与讨论

2.1 体重及血清生化指标分析

2.2 肝脏组织病理学检查

2.3 尿液样本数据分析及代谢组学模型建立

2.4 对乙酰氨基酚及其代谢产物对MSOP方法的验证

3 结论

第三章 中药黄药子水提物的肝毒性代谢组学研究

1 实验

1.1 仪器与试剂

1.2 中药黄药子水提物制备

1.3 动物分组与样本制备

1.4 样本预处理

1.5 尿液样本检测及数据处理

1.6 体重和血清指标的数据分析

2 结果与讨论

2.1 体重及血液生化指标分析

2.2 肝脏组织病理学检查

2.3 尿液样本数据分析及代谢组学模型建立

3 结论

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢