综述：基于核磁共振（NMR）的代谢组学：我们目前处于什么阶段，未来又将走向何方？

《Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy》：NMR-based metabolomics: Where are we now and where are we going?

代谢组学通过分析生物样本中复杂小分子代谢物，为理解生物系统提供重要信息，尤其在疾病机制和标志物发现中作用显著。NMR和MS是两大核心技术，前者以高可靠性和定量优势见长，后者则以高灵敏度和多代谢物检测为特色。近年NMR通过超极化技术提升灵敏度，与MS结合形成互补分析范式，显著增强了代谢物鉴定、定量及疾病相关代谢通路解析能力，推动精准医疗和药物研发发展。

　　

G.A. Nagana Gowda | Wentao Zhu

美国华盛顿大学麻醉学与疼痛医学系，西北代谢组学研究中心，邮编98109

摘要

快速发展的代谢组学领域专注于分析生物样本中存在的复杂小分子混合物。迄今为止，代谢组学已经为生物系统提供了大量信息，并影响了基础科学和生命科学的众多领域。代谢组学的一个主要研究方向是生物医学，其目标是生物标志物的发现、药物发现以及更好地理解许多人类疾病的发病机制。分析方法在代谢组学中起着关键作用，其中最广泛使用的两种技术是核磁共振（NMR）光谱法和质谱法（MS）。在多种互补能力中，NMR通常具有更高的重现性和定量性，而MS则更灵敏。NMR技术的最新进展带来了多方面的改进，包括灵敏度、分辨率和速度的提升，以及代谢物鉴定和定量的扩展，这些共同为未来的研究带来了令人兴奋的潜力。除了NMR的发展外，NMR与MS的结合也带来了越来越多的好处，这些好处随着时间的推移变得越来越明显。因此，越来越多的研究和应用将NMR与MS结合起来，应用于未知化合物的鉴定、代谢物定量、疾病生物标志物的发现、疾病发病机制的理解以及疾病的饮食风险因素等方面。本报告描述了基于NMR的代谢组学领域的最新方法现状、最新进展和未来前景，特别强调了NMR与MS结合的优势。

引言

代谢组学领域专注于研究生物样本中存在的复杂小分子化合物（代谢物）混合物，这些样本可以来自细胞系、动物模型、人类、植物、食物或环境。在生物学中，基因组学[1]和蛋白质组学[2]为理解调节细胞生理和病理的因素提供了大量信息，而代谢组学通过研究代谢物的浓度和流动也提供了对生物系统功能的深刻见解。代谢组学的一个重要作用在于，与基因组或蛋白质组相比，代谢组更接近生物表型。过去十年中，代谢组学的重要性日益得到认可，目前涉及代谢组学的出版物数量（每年超过8000篇）已经与其他“组学”领域相当（见图1A）。

广义上讲，代谢物包括分子量约为1000 amu的化合物，既包括水溶性化合物也包括脂质。通常，暴露组学（研究环境暴露，包括毒素、外源物质以及它们对人类健康的影响[3]）也被归入代谢组学领域。从生物学角度来看，代谢物是由基因、转录本或酶产生的下游产物；因此，它们的水平反映了上游分子物种的作用、无作用或过度作用。测量代谢物浓度及其变化为理解生化网络的功能提供了重要信息，并为解决与人类健康和疾病相关的许多重要问题提供了途径[[4],[5],[6]]。代谢组学的一个关键特点是能够快速测量生物样本中的数百到数千种代谢物，这为揭示由于饮食、药物、环境暴露或疾病等因素引起的生化变化提供了宝贵的途径。基因、转录本或蛋白质表达的微妙变化可能导致下游代谢物水平的显著变化。因此，代谢物水平被认为是衡量生化途径变化的敏感指标。包括生物学、生物医学、药理学、药物开发、毒理学以及环境科学、植物科学和营养科学在内的许多领域都受益于代谢组学的研究。这些研究的大部分集中在生物医学领域，旨在理解重大疾病的发病机制、诊断、预后和治疗开发。代谢物谱反映了个人的基因特征和环境暴露（包括饮食），因此代谢组学为个性化疾病风险评估和治疗提供了重要途径。

核磁共振（NMR）光谱法和质谱法（MS）是代谢组学中使用的两种主要分析技术平台。这两种技术中的多种方法被用来获取有关生物样本中代谢物身份、数量和动态的信息。NMR光谱法的灵敏度低于MS，因此通常需要更高浓度的代谢物（通常≥1 μM）。然而，包括超极化在内的技术进步正在将灵敏度限制提升到更接近MS的水平。重要的是，NMR具有许多独特的特点，即使不需要内标也具有出色的重现性和定量性，这对代谢组学领域非常有益[5],[7],[8],[9]]。MS本身具有很高的灵敏度，可以在单个样本中检测到数百到上千种可鉴定的代谢物。通常，使用MS检测代谢物之前会先通过液相色谱（LC）、气相色谱（GC）或最近的离子迁移率技术对代谢物进行分离。虽然LC可以在不需要化学修饰的情况下分离代谢物，但GC通常需要对生物混合物进行化学衍生处理以将其转化为挥发性分子。目前，每年大约有1000篇关于基于NMR的代谢组学的文章发表；然而，使用MS的文章数量几乎是NMR的四倍[7]（见图1B）。NMR光谱法因其能够通过非破坏性分析提供结构信息而备受青睐，仍然是代谢组学研究中的主流选择。同时，MS的持久流行性源于其高灵敏度和检测多种代谢物的能力。图1B中的一个值得注意的趋势是NMR和MS技术结合使用的增加。这两种分析方法的结合增强了代谢组的全面性和互补性分析。这一趋势反映了科学界对每种技术独特优势和局限性的认识，促使人们共同努力采用协同方法来提高代谢组学研究的效率，并通过分析代谢物谱获得更全面和整体的代谢理解。

在这篇综述中，我们描述了目前常用的基于NMR的代谢组学方法，以及我们认为将推动该领域发展的未来NMR技术。我们还重点介绍了正在开发的NMR与MS结合的方法，以及一些从这种结合方法中受益的应用。此外，我们还指出了这些方法在未来代谢组学研究中可能带来的新机会。

代谢组学的标准方法

高分辨率光谱法与易于使用的统计软件的结合使得代谢组学领域在过去二十年里呈指数级增长（见图1A），NMR和MS方法的发展以及多方面的应用都取得了显著进展。代谢组学的主要步骤包括适当的实验设计、样本采集和制备、代谢物检测（必要时进行未知化合物的鉴定）、定量等

基于NMR的代谢组学方法的现状

NMR光谱法具有一些独特的优点，非常适合分析复杂生物样本中的代谢物。重要的是：（1）NMR具有很高的重现性；（2）它具有很高的定量性；（3）单个内标就足以确定单次实验中所有检测到的代谢物的绝对浓度，因为所有代谢物都以相同的灵敏度被检测到；（4）该内标可以是外部的[14]；（5）它特别适合

超极化

利用核超极化技术的分析由于显著提高了灵敏度而成为研究的重点。超极化引起的核自旋种群短暂增加可以将灵敏度提高几个数量级。目前，许多超极化方法包括自旋交换光泵浦、动态核极化（DNP）、旁氢诱导极化（PHIP）和信号放大等

质谱法如何改进基于NMR的代谢组学？

质谱法是一种高度灵敏的方法，与NMR互补。将NMR与MS结合使用可以提高代谢物的鉴定、定量和代谢组学研究的成果。因此，人们对NMR和MS联合使用的兴趣日益增加也就不足为奇了。

结论与未来展望

NMR在代谢组学应用中展现了众多无与伦比的优势。随着对扩大代谢物覆盖范围需求的增加，NMR方法正在经历多方面的发展，以提高分辨率、灵敏度和定量能力。一些最新的超极化技术为缩小NMR和MS之间的灵敏度差距提供了新的途径。对台式NMR的兴趣正在增长，这可能为将生物标志物研究转化为实际应用提供途径

CRediT作者贡献声明

G.A. Nagana Gowda：撰写——原始草稿、方法学、资金申请。Wentao Zhu：撰写——原始草稿。Daniel Raftery：撰写——审稿与编辑、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢NIH提供的资金支持，包括R01GM138465、R01GM131491、R01CA119171、P30CA015704、P30AR074990和P30DK035816等资助。