供稿 | 脑怼怼 复旦大学博士后

排版 | AiBrain 编辑团队

代谢异常通常会导致组织功能的缺失，近年来不断涌现的新技术以及对现有技术的改进，使代谢的研究尺度广泛到包含从细胞器到种群。DeBerardinis和Keshari于近日在Cell期刊上发表了题为Metabolic analysis as a driver for discovery, diagnosis, and therapy的综述。

代谢分析在神经代谢领域非常重要。AiBrain整理了相关报道，欢迎大家点击阅读：

在本文中，作者梳理了近年来代谢分析技术的发展，其中包括针对细胞器和少数细胞类型的小规模代谢组学分析技术，通过功能扫描探究细胞对代谢压力响应的技术，以及非侵入式观察疾病状态下代谢扰动的成像技术。此外本文阐述了代谢组学在孟德尔和非孟德尔疾病的基因组学分析之外所提供的信息维度。

人类和其他物种的许多表型都涉及到代谢的重编程，疾病相关的代谢改变可以是长期固定的（如基因突变引起的改变），也可以是暂时性且可逆的（如营养缺乏和短暂的组织缺氧）。

许多造成死亡的原因，如心脏病、中风、糖尿病和癌症等疾病中都发现代谢的异常是组织功能失调的重要原因。随着代谢分析技术的发展，以及新型技术在代谢研究中的应用，使详细描绘与疾病相关的代谢改变成为可能，例如利用稳定同位素示踪的技术，在体测定代谢变化。这些进展增进了我们对代谢疾病机制的了解，也催生了多种疾病的新疗法。

一个典型的例子就是异柠檬酸脱氢酶-1或-2（IDH1，IDH2）在胶质瘤和其他恶性肿瘤中发生了突变，代谢组学的分析显示突变体IDH1和IDH2将a-酮戊二酸转化为d-2-羟基戊二酸（D-2HG），导致这种正常状态下稀缺的代谢物大量积累。

如今的技术手段可以达到在临床上跟踪D-2HG水平来跟踪疾病进展，并且抑制该突变酶的药物被用于白血病的治疗。这很好的显示出疾病相关的代谢研究对临床诊疗的关键作用。

对大块组织的代谢组学分析丰富了人们对疾病中代谢紊乱的认知，然而这缺失了复杂微环境中单个细胞的信息。由于同一组织中的不同类型细胞发挥的作用不同，细胞所处的位置会影响其代谢，并且在单细胞水平中不同细胞器对代谢的精细调节使其在同一细胞也存在差异，因此对细胞亚群的小规模代谢组学分析至关重要。

传统代谢组分析需要10⁵–10⁶个细胞，而小规模代谢组学可以将少数细胞通过流式富集后进行分析，大大削减了分析所需的细胞量。代谢组学与高敏感性的超极化核磁共振（NMR）同位素示踪结合，可以分析代谢周转率，这种方法可以在仅9000个细胞下进行测量。

尽管我们对代谢网络有一定的了解，但是机体如何建立依赖环境的代谢需求还存在许多未知的问题，筛选的方法在代谢研究中运用得越来越普遍。

在人体中代谢相关的基因超过2000个，这意味着对代谢基因进行分析需要很高的通量。哺乳动物细胞功能基因组学为代谢研究提供了高通量、无偏倚的筛选方法，研究人员通过这种方法发现了磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）在癌症中的重要性。基于CRISPR的筛选技术也被用于识别多种代谢缺陷，并有望解决细胞生物学领域内长期存在的难题。

上百种代谢酶和营养转运体的抑制剂已经成为工具化合物，有的成为了临床药物。这些抑制剂的化学库对揭示细胞响应其他过程时的代谢变化有重要意义。

研究人员用这种筛选方法阐释了谷胱甘肽缺失与去泛素酶抑制的协同作用。此外，研究人员通过利用平衡透析和质谱检测方法，寻找出文库中与蛋白结合的代谢物来发现代谢-蛋白质相互作用的新调节模式。

识别代谢异质性和疾病中的关键基因组变异是长期以来的挑战，基因组学和代谢组学的结合使我们可以对代谢变异的遗传基础进行全面、综合的了解。

在小鼠水平，研究人员将8个实验室常用的小鼠进行杂交，创建多样性远交系种群（DO），在DO小鼠中存在的数百万个单核苷酸多态性中用遗传学识别与代谢特征相关的变异。类似地，利用人群中的自然变异，将全基因组关联代谢组，发现了与冠心病、高血压和糖尿病等多因素疾病相关的基因。

临床生化检测通常集中于几十种代谢物，但现代代谢组学可以同时检测数百种代谢物，使我们能在非特异性表型患者中观察到罕见的代谢异常模式，结合全外显子测序（WES）和全基因组测序（WGS），从而促进人类对于罕见疾病的研究。

研究代谢机制的大多数方法都具有伤害性且需要长期采集数据，限制其在临床诊疗的应用，在体代谢成像提供了运用人体进行代谢研究的方法，例如核医学（正电子发射断层扫描，PET）和磁共振。

PET扫描已被用于检测葡萄糖代谢的变化，在肿瘤学和心脏病学中也得到广泛应用，尽管其放射性剂量较低，但在儿童中的使用仍然受限。近期研究改进了PET，提高了灵敏度并将放射性剂量降低了10倍。此外研究人员对示踪剂也进行了探索和改进，使其衰变特性和放射性更适用于在体营养物质和代谢物的成像。

PET灵敏度高，但空间定位性和特异性低，磁共振MRI虽能够提供精确的空间分辨率和特异性，但缺乏对代谢过程的敏感性。近期，稳定同位素标记营养物质的方法揭示了疾病相关的代谢活动，且该方法能够非入侵式的跟踪营养物质的代谢转化。

将稳定同位素示踪剂与MRS结合能够研究大脑中小视野的代谢变化，开发MRI检测线圈和脉冲序列来克服扫描时间长、运动伪影和信噪比差是极具价值的新兴研究领域。

目前，同位素示踪代谢活动成像领域最令人兴奋的进展是超极化磁共振的发展，这一技术是在给定磁场下，目标核的自旋极化在玻尔兹曼态后大量增加，这些超极化自旋被核磁共振系统检测，并将信号放大数千倍，达到成像的目的。

因此通过产生超极化的营养物质，注入活系统就可以测量酶的转化，这项技术已经被用于跟踪许多底物的代谢转换，包括葡萄糖、果糖、谷氨酰胺、丙酮酸等。

识别和量化代谢驱动了我们对疾病的理解，鉴定患者的代谢扰动是我们解决疾病问题的关键。临床代谢成像已经得到快速发展，我们预计新的发展将使我们以前所未有的方式阐明代谢通路。利用互补的临床成像工具，如MRI和PET的融合，加上代谢探针的广泛使用，能够提供系统代谢的整体视图，促进从细胞器到患者各个规模的代谢研究，改变我们对代谢疾病的诊断和治疗。

DeBerardinis博士是霍华德休斯医学研究所和德州西南医学中心儿童医学研究院的主任，他的研究聚焦于癌症和孟德尔疾病的代谢改变，利用基因组学和代谢组学解析通过影响代谢酶从而损伤组织功能的新突变位点，同时关注肿瘤和癌变过程中代谢的重编程，旨在为癌症和新生儿代谢异常疾病提供治疗策略。

另一位通讯作者是纪念斯隆凯特琳癌症中心的Keshari博士，他致力于研究癌症中的代谢异常，并发展出利用代谢进行非介入式诊断和治疗的方法。团队利用多模态-全尺度的方法（特别是超极化磁共振），力图将代谢诊断、治疗癌症的方法带向临床。