代谢组学及其在法医毒理学中的应用
【摘要】代谢组学是上世纪90 年代中期发展起来的研究细胞和生物体的所有代谢中间体和终产物的一门新兴学
科。其研究对象一般为分子量在1 000Da 以下的小分子。代谢组学通过对生物体系中的小分子化合物进行定性定量分
析，解析生物体系的代谢途径并揭示内源性小分子化合物与毒性、疾病、生命活动规律等的相互关系。本文综述代谢组
学的概况及其在法医毒理学中的应用现状，为相关研究和应用提供参考。
代谢组学是通过考察细胞和生物体内代谢中间
体和终产物的变化，研究生物体系的一门新兴学科。
代谢组学研究对象一般为分子量小于1 000Da 的小
分子，通过对其进行定性定量分析，揭示这些内源性
小分子化合物与毒性、疾病、生命活动规律等的相互
关系，可以看作是基因组学和蛋白组学的延伸［1］。
由于代谢物处于生物系统生化活动调控的末端，包
含更全面的生物标记物信息，能够准确反映生物体
系的状态。因此，代谢组学一经提出，便受到极大关
注，并已在疾病诊断、药物毒物、植物学、微生物学、
环境科学、法医学、中医学、食品领域等很多领域得
到广泛的研究和应用［2-5］。本文对代谢组学及其在
法医毒理学中的应用进行综述，并对代谢组学的发
展予以展望。
1 代谢组学概况
1. 1 代谢组学发展概状
代谢组学源于20 世纪70 年代初Horning 等［6］有
关代谢轮廓分析( metabolic profiling) 的论文，开创了
对复杂样品进行代谢轮廓分析的先河。随后，该技术
被广泛用于疾病筛选、诊断中对血和尿等样品中化合
物的定性和定量分析。进入上世纪80 年代，核磁共
振和高效液相色谱技术被用于代谢轮廓分析。上世
纪90 年代后期，基因组学被提出并迅速发展，Oliver
等［7］( 1997 年) 和Nicholson 等［8］( 1999 年) 分别提出
“metabolomics”、“metabonomics”概念，形成了代谢组
学的两大主流领域。一般认为前者是以细胞作为研
究对象，而后者则更注重体液和组织，而目前，两个概
念的区别已经模糊［9］。
1. 2 代谢组学与系统生物学
系统生物学是在细胞、组织、器官和整体水平研
究各种分子的结构、功能及相互作用的一门科学，其
主要的技术平台为基因组学、转录组学、蛋白质组学
和代谢组学［10］。生物信息的流向可描述为: 基因组学→转录组学→蛋白质组学→代谢组学。由于基因
组的变化不一定能够得到表达，蛋白可能不具备活
性，而基因或蛋白的功能补偿作用，使基因和蛋白的
变化不会对系统产生影响。代谢组学处于生命活动
调控的末端，比基因组学和蛋白质组学更接近表型，
能够更准确地反映生物体系的状态。与其它组学相
比较，代谢组学具有以下优点: 放大效应、容易检测;
不需建立全基因组测序及大量转录表达的数据库; 代
谢物的数目远小于基因和蛋白的数目; 采用的技术更
为通用等。代谢组学日益成为后基因组时代系统生
物学研究的热点领域。
1. 3 代谢组学的研究方法
代谢组学研究的流程一般包括: 样品的制备、数
据采集、数据分析和解释以及数据库的建立和模型的
构建等。样品的制备包括样品的采集及预处理，是代
谢组学研究的初始步骤，其使用方法根据研究对象、
目的和采用的分离技术不同而各异。分离技术通常
有气相色谱( GC) ，液相色谱( LC) ，毛细管电泳( CE)
等; 检测及鉴定技术有质谱、光谱、核磁共振( NMR) 、
电化学( EC) 等。不同分离和检测技术的联用为目前
代谢组学主要采用，其中较常使用的有: GC /MS，LC /
MS，CE /MS 以及NMR 等［11-14］。用于代谢组学研究数
据分析的手段主要为模识别技术，包括两类: ①非监
督学习方法，主要为主成分分析( PCA) 、簇类分析
( HCA) 、非线性影射( NLM) 等。②监督学习方法，主
要为人工神经网络( ANN) 、偏最小二乘－ 判别分析
( PLS-DA ) 、k-最近邻法( k-NN ) 和SIMCA ( soft
independent modeling of classanalogies) 等［15-16］。
2 代谢组学在法医毒理学中的应用
法医毒理学主要是研究与法律有关的自杀、他杀
和意外或灾害事故引起中毒以及药物滥用、环境污染
和医源性药物中毒的一门学科。当毒物作用于生物
体后，生物体原有的代谢机制会发生变化，代谢产物
也随之变化，而这种变化具有一定规律和稳定性，因
此代谢组学对法医毒理学研究具有重要价值，可应用
于毒( 药) 物的毒性评价、作用机制、靶器官及其生物
标志物和滥用药物成瘾的研究。
2. 1 毒( 药) 物毒性的评价
毒性是指毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒
物剂量与反应之间的关系，传统上主要通过动物实验
结合病理学和相关生化指标进行评价。然而这种评
价手段可受实验动物和人对毒物反应的种属差异的
影响，难以发现发生率低的毒性反应，且实验较费时、
费力［17-18］。因此，寻找准确、快速、敏感反映外源性化
合物对生物体毒性作用的技术是当前毒( 药) 物毒性
评价亟待解决的问题。代谢组学从研究生物体整体
代谢变化出发，通过高通量组学技术，可快速筛选出
许多毒物作用后特征性表达的代谢物群，全面反映毒
物作用后生物体的代谢变化。由5 家大制药公司和
伦敦帝国学院( Imperial College London) 发起成立了
毒物代谢组联盟( Consortium for Metabonomic
Toxicology，COMET) 计划，对多种化合物进行研究，
建立了相应的代谢组学平台和对化合物毒性效应进
行预测的专家系统，并对药物毒性在种属间的差异进
行研究［19-20］。目前，代谢组学已经被广泛地应用于候
选药物的毒性评价，美国食品与药品管理局( FDA) 已
经接受代谢组学研究的结果作为新药申报和注册的
重要参考指标［21］。
2. 2 确定毒物作用靶器官及相应的生物标志物
代谢物组成的变化是毒物对机体造成的最终影
响，能够反应毒性损伤特征的代谢物变化，可以作为
器官特异性的标志物。代谢组学技术可以直接反映
毒物对机体造成的影响，快速分析多条代谢通路，帮
助定位毒物作用靶器官及选择相应的生物学标志。
Boudonck 等［22］利用代谢组学方法研究药物引起的肾
毒性，寻找判别早期肾毒性的生物指标。Feng 等［23］
用代谢组学方法研究半乳糖胺结合脂多糖造成突发
性肝损伤的小鼠，结果表明血浆中的5-羟基吲哚乙
酸、β-羟基丁酸以及磷酸盐的浓度变化可作为突发
性肝损伤的早期诊断指标。West 等［24］运用代谢组学
方法对致畸和无致畸作用的药物分别作用于胚胎干
细胞的样品进行分析，结果显示许多小分子物质，如
γ-氨基丁酸、不对称二甲基精氨酸量的量发生显著变
化，可作为药物致畸作用的潜在生物标志物。利用代
谢组学方法研究机体代谢谱是否发生有规律的变化
和特异性的标记物，还可以为慢性因素致死的鉴定提
供新思路［25］。
2. 3 毒物作用机制的研究
毒性物质与细胞或组织发生作用使代谢物的浓
度、流量及相互比例发生的变化，代谢组学可在整体
水平上灵敏而全面的检测机体在毒物作用后各种代
谢物的这些变化，从而帮助对毒物毒性的作用机制进
行解析。Nicholso 等［8］应用代谢组学方法对不同药
物导致的肝脏毒性进行研究，发现代谢谱可作为肝脏
毒性严重程度的指标。Tsai 等［26］和Blasco 等［27］采用
代谢组学方法对环境中有机污染物的毒性作用机制
进行了研究。在国内，彭双清等［28］利用基于NMR 的
代谢组学技术，对异烟肼和利福平联合作用所致的肝
毒性进行研究，根据不同的代谢表型区分出不同药物的毒性作用机制。
2. 4 药物滥用及药物成瘾研究
药物滥用是指违背公认的医疗用途和社会规范
而使用任何某种药物，长期滥用药物可对使用者的身
心健康和社会产生极大影响。药物成瘾是滥用药物
的后果，是指由于习惯摄入某种药物而产生的依赖状
态，停药物后可引起一些特殊的戒断症状，而复吸是
药物成瘾的重要特征。毒品滥用成瘾是药物成瘾的
一种类型，科学判定吸毒成瘾对量刑、毒品滥用程度
评价、戒毒治疗方案制定及疗效评价等具有重要
意义。
现有毒品滥用成瘾判定标准和法令普遍较主观、
缺乏可操作性。代谢组学技术为判定吸毒成瘾提供
了新的思路。毒品滥用对机体代谢物产生一定具有
特异性和可重复性的影响，利用代谢组学方法检测相
关代谢物的变化，可用于筛选毒品成瘾的特异性生物
标记物，评价毒品滥用程度、推断滥用种类及推断复
吸史。如通过对初次吸毒人群和吸毒成瘾人群代谢
组的比较，可为吸毒成瘾的界定提供依据; 对戒毒一
段时间后复吸的认定和长期少量投毒致人中毒的鉴
定有一定帮助。因此，代谢组学在药物滥用及成瘾研
究中具有广阔的应用前景，有望为毒品成瘾提供科学
依据。
3 小结
作为一门新兴学科，代谢组学优势显而易见。但
总体来说，代谢组学仍处于初始的快速发展阶段，很
多概念尚存在争议，需要在实际应用中不断地完善和
提高。目前，国内外许多研究者都在进行代谢组学研
究，提出一些新的研究策略、方法和技术，不断扩大应
用的范围和领域。此外，代谢组学的发展不但能够带
动分析技术不断进步，也会促进数学、信息学、生物工
程学、营养学、统计学等相关学科的发展。代谢组学
技术在法医毒理学中的应用是一个值得探索的领域，
相信随着研究的深入，代谢组学将发挥更大的作用，
必将为法医学鉴定带来新的突破性进展。
