代謝組學是生物體內(nèi)生化反應的集合，是生命維持生命的物質基礎，是研究生命活動的重要基礎。代謝組學是基于高通量分析和生物信息學技術，研究生命在內(nèi)、外環(huán)境影響下的內(nèi)源代謝活動，包括代謝物的類型、數(shù)量和變化的檢測和分析，從而研究集體生命。活動發(fā)生和發(fā)展的本質。

代謝物是生物過程的最終產(chǎn)物，其狀態(tài)變化可以準確反映細胞功能的變化。研究表明，包括癌癥在內(nèi)的多種疾病，如肝病、腎病、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等，都與細胞內(nèi)代謝狀態(tài)變化引起的生理紊亂或細胞功能喪失有關。代謝組學已成為后基因組學時代功能基因組學的研究工具，大規(guī)模篩選新生物標志物用于疾病早期預測、診斷和分型的重要手段，以及精準醫(yī)療的重要技術手段之一。

代謝組學優(yōu)勢

代謝物種類和數(shù)量的變化易于檢測；
與基因組學、蛋白質組學相比，技術手段更簡單；
與基因組學和蛋白質組學相比，代謝物數(shù)量少，易于檢測、驗證和分析；
代謝水平的變化可以實時揭示機體的生理和病理狀態(tài)。

代謝組學分類

根據(jù)研究目的不同，代謝組學又可分為非靶向代謝組學和靶向代謝組學。

非靶向代謝組學是指利用LC-MS、GC-MS、NMR技術對所有小分子代謝物（主要是細胞、組織、器官或生物體中刺激或擾動前后）進行公正的檢測。通過生物信息學分析篩選相對分子質量小于1000Da的內(nèi)源性小分子化合物的動態(tài)變化，并進行差異代謝物的通路分析，揭示其變化的生理機制。

靶向代謝組學是對特定類別代謝物的研究和分析。兩者各有優(yōu)缺點，常聯(lián)合使用用于差異代謝物的發(fā)現(xiàn)和定量，以及對后續(xù)代謝分子標志物的深入研究和分析，應用于食品鑒定、疾病研究、動物模型驗證等和生物標志物發(fā)現(xiàn)。在疾病診斷、藥物研發(fā)、藥物篩選、藥物評價、臨床研究、植物代謝研究、微生物代謝研究等方面發(fā)揮著重要作用。
代謝組學應用方向

1.生物樣品中復雜代謝物的檢測。
2. 尋找疾病的生物標志物。
3. 標記驗證和絕對定量研究。
4.研究代謝途徑的機制。

靶向代謝組學和非靶向代謝組
學之間的區(qū)別

靶向：關注目標代謝物，通常基于通路
非靶向：發(fā)現(xiàn)差異代謝物并尋找生物標志物

定性定量
靶向：定性定量同時進行，可檢測濃度
非靶向：可定性，相對定量

方法
針對性：需要先購買標準品，進行方法學驗證，然后進行測試，成本較高
非針對性：直接進樣即可分析，成本相對較低

代謝組平臺比較

非靶向代謝組學常用LC/MS、GC/MS、NMR三種檢測方法，優(yōu)缺點如下：

1、NMR（核磁共振）
優(yōu)點是對樣品無損，測量無偏差，即適用于血液、尿液等液體樣品，也適用于固體樣品如組織器官，測量速度快，可實現(xiàn)樣本代謝組的動態(tài)監(jiān)測。缺點主要是分辨率較低。

2、GC-MS（氣相色譜法）
GC-MS是一種代謝組學研究技術，具有技術成熟穩(wěn)定、分辨率高的特點。同時，由于數(shù)據(jù)庫比較完整，質量也較好。缺點主要是樣品處理復雜、衍生化困難。對物質進行表征和定量比較困難，影響了該技術在更大范圍內(nèi)的使用。

3、LC-MS（液相色譜）
優(yōu)點主要表現(xiàn)在樣品制備和預處理簡單、實驗重復性好、分辨率高、分離分析范圍寬。

非靶向代謝組分析技術

代謝組學通常需要使用多種分析技術來滿足不同的實驗需求。常見的代謝組分析技術包括核磁共振（NMR）、液相色譜-質譜（LC-MS）、氣相色譜-質譜（GC-MS）、毛細管電泳-質譜（CD-MS）、HILIC-MS等在。高分辨率質譜技術主要包括TOF-MS、FTICR-MS、Orbitrap-MS、Sector-MS等。

1. GC-MS（氣相色譜）是代謝組學研究中的經(jīng)典技術。具有技術成熟穩(wěn)定、分辨率高的特點。同時，由于數(shù)據(jù)庫比較完整，質量也更加準確。缺點主要是在樣本上。加工過程復雜，且不易衍生化的物質難以表征和定量，影響了該技術在更大范圍的應用。

2、LC-MS（液相色譜）的優(yōu)點主要表現(xiàn)在樣品制備和預處理簡單、實驗重復性好、分辨率高、分離分析范圍廣。

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)預處理：使用XCMS、MZmine、MarkerView等工具進行原始數(shù)據(jù)處理。
差異代謝物的鑒定：常見的分析方法包括主成分分析（PCA）、偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）。數(shù)據(jù)分析結果還需要通過t檢驗和投影變量重要性（VIP）值來篩選差異代謝物。一般認為同時滿足P<0.05且vip>1.0的變量為差異代謝物。
代謝通路分析：常見的代謝組通路數(shù)據(jù)庫包括HMDB、KEGG、Reactome、BioCyc、MetaCyc等數(shù)據(jù)庫，可用于代謝通路和相互作用網(wǎng)絡分析。
多組學分析：多組學分析已經(jīng)是組學發(fā)現(xiàn)的趨勢。可用的數(shù)據(jù)庫和工具包括 IMPaLA 網(wǎng)站、iPEAP 軟件、MetaboAnalyst 網(wǎng)站、SAMNetWeb 網(wǎng)站、pwOMICS、MetaMapR、MetScape、Grinn、WGCNA、MixOmic、DiffCorr、qpgraph、巨大等。

關于樣品

1. 微生物和細胞樣品：快速滅活代謝活性（猝滅），同時防止細胞裂解
2. 動物體液（如尿液、血液、組織、器官、唾液）：采樣后應迅速進行前處理，如添加抗凝劑和防腐劑，立即冷凍（-80℃）
3.植物樣品：采集后快速冷凍（液氮），然后轉至-80℃保存，200mg/箱
4.血清樣品：500ul/箱（不少于200ul/箱），必須避免反復凍融。 （將血液收集于離心管中，靜置30分鐘使其凝固，然后離心取上清液裝入干凈的離心管中，然后8000rpm離心5分鐘。-80℃冷凍保存送貨。）
5、尿液樣本：1ml/箱，原則上可以多取一點（尿液直接裝入離心管，每管1ml，加一滴（約10ul）1/100（w/v）疊氮hua鈉，冷凍-80℃）
6、瘤胃液：1ml/箱，原則上可以多取一點。收集步驟：瘤胃液6000×g離心15min，取上清液，等分，-80℃冷凍，干冰送樣。為了使樣品保持更長時間，可在取樣后加入一滴（約10μl）1/100質量體積（w/v）疊氮hua鈉溶液。