中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳若虹）近年來(lái)，代謝組學(xué)越來(lái)越多地應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境健康等領(lǐng)域，是研究疾病的發(fā)生發(fā)展和物質(zhì)毒性機(jī)理的有力手段。高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用是目前代謝組學(xué)分析的主流平臺(tái)，可高通量精準(zhǔn)測(cè)定代謝物水平，靈敏指示機(jī)體的生理病理狀態(tài)，有助于發(fā)現(xiàn)污染物暴露和疾病發(fā)生的代謝差異，揭示關(guān)鍵代謝通路擾動(dòng)，對(duì)解釋毒性效應(yīng)或疾病特征的作用機(jī)制，發(fā)掘潛在生物標(biāo)志物具有重要意義。中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院欒天罡教授團(tuán)隊(duì)圍繞代謝組學(xué)分析技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用開(kāi)展了一系列研究工作，主要包括：開(kāi)發(fā)了Ref-M 代謝組學(xué)批次效應(yīng)消除策略并應(yīng)用于早期肺腺癌血清代謝研究；基于非靶向代謝組學(xué)和代謝流技術(shù)探究了全氟辛酸（PFOA）和無(wú)機(jī)砷的毒性效應(yīng)機(jī)制；聯(lián)合高內(nèi)涵分析與代謝組學(xué)技術(shù)探明了氯代多環(huán)芳烴（Cl-PAHs）的免疫毒性機(jī)制。

成果一：Ref-M代謝組學(xué)批次效應(yīng)消除策略及其在早期肺腺癌血清代謝中的研究

大規(guī)模代謝組學(xué)可以對(duì)生物體內(nèi)的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的研究，還可以為相關(guān)疾病的診斷和治療提供更加準(zhǔn)確的參考。然而，在大規(guī)模代謝組學(xué)研究中，多批次的樣本前處理和數(shù)據(jù)采集不可避免，這使代謝數(shù)據(jù)處理和分析也變得更加困難和復(fù)雜。因此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于參比材料的消除代謝組學(xué)批次效應(yīng)的分析策略（Ref-M策略，圖1），Ref-M策略是一種基于參比材料建立的多批次代謝組學(xué)分析策略：將參比材料嵌入研究樣品的前處理和數(shù)據(jù)采集過(guò)程，通過(guò)同位素內(nèi)標(biāo)（IS）和質(zhì)控樣本（QC）進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，最后研究樣品中每種代謝物通過(guò)對(duì)應(yīng)參比材料中的代謝物進(jìn)行歸一化校正。該策略有效地消除了多批次代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中不必要的批次差異，提高發(fā)現(xiàn)代謝標(biāo)志物準(zhǔn)確性。該論文成果是欒天罡教授和中山大學(xué)腫瘤防治中心胡寓旻研究員為論文的通訊作者，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生姚瑤為論文的獨(dú)立第一作者。（Analytical Chemistry, 2023）

圖1 Ref-M策略概要圖

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與中山大學(xué)腫瘤防治中心及中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院代謝平臺(tái)的黃蓬教授、胡寓旻研究員團(tuán)隊(duì)合作，利用Ref-M策略找到了早期肺腺癌血清中30多種代謝標(biāo)志物，揭示了色氨酸代謝在肺腺癌糖酵解活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用。研究還直接利用Ref-M校正后的數(shù)據(jù)建立并驗(yàn)證了一種血清代謝分類(lèi)器，該分類(lèi)器在區(qū)分LDCT掃描到的肺結(jié)節(jié)的良惡性中具有高特異性和敏感性，提高了血清代謝標(biāo)志物在CT結(jié)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)了個(gè)性化診斷工具的發(fā)展。Ref-M方法靈活準(zhǔn)確，也為早期腫瘤的精準(zhǔn)診斷提供了快速可靠的分析策略（圖2）。該論文成果是中山大學(xué)腫瘤防治中心胡寓旻研究員、劉萬(wàn)里主任技師以及生命科學(xué)學(xué)院欒天罡教授為論文的通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院博士生姚瑤、中山大學(xué)腫瘤防治中心王雪萍副主任技師和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)鍵副主任醫(yī)師為論文共同第一作者。研究工作也得到廣東工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)藥學(xué)院張暉特聘研究員、中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院代謝平臺(tái)俞甜甜老師等合作者的大力支持。（Nature Communications, 2023）

圖2 Ref-M策略在早期肺腺癌和良性結(jié)節(jié)血清代謝研究中的應(yīng)用

成果二：非靶向代謝組學(xué)和代謝流技術(shù)對(duì)全氟辛酸（PFOA）和無(wú)機(jī)砷（As）的毒性效應(yīng)及機(jī)制研究

團(tuán)隊(duì)提出了非靶向代謝組學(xué)可用于評(píng)價(jià)PFOA因不同暴露途徑引起的差異性毒性，發(fā)現(xiàn)相同的毒性效應(yīng)由不同的代謝途徑調(diào)控（Journal of Hazardous Materials, 2021）；運(yùn)用非靶向代謝組結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，揭示As暴露促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞遷移的潛在分子機(jī)制（Environment International, 2023）。此外，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了穩(wěn)定培養(yǎng)14天的三維肝細(xì)胞球模型，運(yùn)用非靶代謝組學(xué)分析PFOA暴露后三維肝細(xì)胞的代謝譜，觀(guān)察到PFOA引起三維肝細(xì)胞的代謝變化更接近人群流行病學(xué)的調(diào)查結(jié)果（Science of the Total Environment, 2022）。為了示蹤代謝通路的變化過(guò)程和評(píng)價(jià)代謝通路活性，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用13C-代謝流技術(shù)研究PFOA暴露對(duì)肝細(xì)胞葡萄糖代謝的影響，發(fā)現(xiàn)PFOA是通過(guò)抑制三羧酸循環(huán)代謝，而非糖酵解，造成糖代謝紊亂（Science of the Total Environment, 2021），并且團(tuán)隊(duì)以綜述論文形式詳細(xì)介紹代謝流技術(shù)和總結(jié)了代謝流技術(shù)在環(huán)境健康中應(yīng)用（Trends in Analytical Chemistry, 2023）。團(tuán)隊(duì)的一系列研究工作表明，環(huán)境污染物引起機(jī)體代謝譜的變化是環(huán)境污染物毒性的一種重要特征，發(fā)現(xiàn)的活性代謝物具有減弱環(huán)境污染物毒性的能力。綜上所述，非靶向代謝組學(xué)和代謝流技術(shù)是環(huán)境健康領(lǐng)域的具有前景的重要研究手段（圖3）。

以上發(fā)表的論文成果是欒天罡教授和中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院陳保衛(wèi)教授為論文的通訊作者，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘副研究員張睿佳為論文的獨(dú)立第一作者。研究工作也得到廣東工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)藥學(xué)院張暉特聘研究員、中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院代謝平臺(tái)俞甜甜老師、中山大學(xué)腫瘤防治中心盧文華實(shí)驗(yàn)師等合作者的大力支持。

圖3 非靶向代謝組學(xué)和代謝流技術(shù)在闡明PFOA和As毒性效應(yīng)機(jī)制中的應(yīng)用

成果三：高內(nèi)涵分析-代謝組學(xué)聯(lián)合分析氯代多環(huán)芳烴（Cl-PAHs）的免疫毒性機(jī)制

免疫系統(tǒng)作為外源污染物暴露的首道屏障和必經(jīng)之路，也是其攻擊的敏感靶標(biāo)。但免疫毒性難以甄別，損傷程度難以定量，如何高通量、精準(zhǔn)分析環(huán)境污染物的免疫毒性，一直是環(huán)境健康領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。目前，環(huán)境污染物的免疫毒性檢測(cè)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法，而傳統(tǒng)方法主要基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，周期長(zhǎng)、通量低、不夠靈敏，難以滿(mǎn)足當(dāng)前的研究需求與發(fā)展趨勢(shì)。因此，開(kāi)發(fā)免疫毒性的系統(tǒng)篩查與準(zhǔn)確定量方法，對(duì)環(huán)境污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。團(tuán)隊(duì)以綜述論文的形式系統(tǒng)總結(jié)了目前免疫毒性的體外檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)展望（Trends in Analytical Chemistry, 2023）。2019年，免疫學(xué)家Medzhitov在Science中提出“免疫反應(yīng)的核心是對(duì)代謝資源（能量和中間產(chǎn)物）的靈活調(diào)配”，強(qiáng)調(diào)了利用代謝物精確變化解析免疫過(guò)程的可能性，這拓寬了免疫毒性的傳統(tǒng)分析模式。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)提出了“高內(nèi)涵分析—代謝組學(xué)”兩種高通量技術(shù)協(xié)同篩選環(huán)境污染物免疫毒性的全新分析策略，并以氯代多環(huán)芳烴（Cl-PAHs）這一新興的持久性有機(jī)污染物為案例成功進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4 高內(nèi)涵篩選系統(tǒng)檢測(cè)免疫毒性的一般工作流程

Cl-PAHs主要來(lái)源于垃圾焚燒、冶金加工和電子拆解等過(guò)程，在多種環(huán)境介質(zhì)甚至人體血清中被檢出，因此對(duì)Cl-PAHs的暴露風(fēng)險(xiǎn)和毒性研究已成為迫切需要。研究表明部分Cl-PAHs表現(xiàn)出類(lèi)似二噁英的特性，這意味著其具有免疫毒性潛力，但缺乏直接證據(jù)，且具體機(jī)制不明。團(tuán)隊(duì)通過(guò)前期建立的免疫毒性高內(nèi)涵分析方法（如圖4），成功發(fā)現(xiàn)了9-氯蒽和2,7-二氯芴在不引起芳香烴受體效應(yīng)（Aryl hydrocarbon receptor effects, AhR effects）的低濃度下，可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞發(fā)生免疫抑制的直接證據(jù)。聯(lián)合非靶向代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)Cl-PAHs暴露后的THP-1巨噬細(xì)胞代謝物進(jìn)行全面分析，并利用Spearman相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)了代謝組學(xué)與免疫損傷的關(guān)聯(lián)，確定氨基酸代謝重編程為Cl-PAHs/PPAHs誘導(dǎo)免疫毒性的潛在原因，并將植物鞘氨醇和L-犬尿氨酸確定為Cl-PAHs誘導(dǎo)免疫抑制的生物標(biāo)志物（如圖5）。研究提示了僅依賴(lài)AhR效應(yīng)的毒性檢測(cè)很可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)多環(huán)芳烴及其鹵代衍生物毒性風(fēng)險(xiǎn)的低估，并證實(shí)了免疫代謝機(jī)制在開(kāi)發(fā)環(huán)境化學(xué)品毒性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估新方法中的有效潛力。（Environmental Science & Technology, 2022）

以上發(fā)表的論文成果是欒天罡教授為論文的通訊作者，廣東工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院博士后李心硯為論文的獨(dú)立第一作者。研究工作也得到中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心馬梅研究員和李娜副研究員，以及中山大學(xué)測(cè)試中心質(zhì)譜與生命分析平臺(tái)方玲老師等合作者的大力支持。

圖5 氯代多環(huán)芳烴的免疫抑制毒性與氨基酸代謝紊亂特征

以上研究工作得到了科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

成果一：

Analytical Chemistry, 2023：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04188

Nature Communications, 2023：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37875-1

成果二：

Environment International, 2023：https://doi.org/10.1016/j.envint.2023.107860

TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2023：https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116909

Science of the Total Environment, 2022：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150438

Journal of Hazardous Materials, 2021：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.125017

Science of the Total Environment, 2021：https:// doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145329

成果三：

Environment Science & Technology, 2022：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c06471

TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2023：https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116901