栾天罡教授团队在代谢组学方法及临床和环境应用研究的新进展
近年来，代谢组学越来越多地应用在临床医学、生物学和环境健康等领域，是研究疾病的发生发展和物质毒性机理的有力手段。高效液相色谱-质谱联用是目前代谢组学分析的主流平台，可高通量精准测定代谢物水平，灵敏指示机体的生理病理状态，有助于发现污染物暴露和疾病发生的代谢差异，揭示关键代谢通路扰动，对解释毒性效应或疾病特征的作用机制，发掘潜在生物标志物具有重要意义。
600全讯白菜官方网站栾天罡教授团队围绕代谢组学分析技术的优化与应用开展了一系列研究工作，主要包括：开发了Ref-M 代谢组学批次效应消除策略并应用于早期肺腺癌血清代谢研究；基于非靶向代谢组学和代谢流技术探究了全氟辛酸（PFOA）和无机砷的毒性效应机制；联合高内涵分析与代谢组学技术探明了氯代多环芳烃（Cl-PAHs）的免疫毒性机制。
成果一：Ref-M代谢组学批次效应消除策略及其在早期肺腺癌血清代谢中的研究
大规模代谢组学可以对生物体内的代谢网络进行全面的研究，还可以为相关疾病的诊断和治疗提供更加准确的参考。然而，在大规模代谢组学研究中，多批次的样本前处理和数据采集不可避免，这使代谢数据处理和分析也变得更加困难和复杂。因此，团队开发了一种基于参比材料的消除代谢组学批次效应的分析策略（Ref-M策略，图1），Ref-M策略是一种基于参比材料建立的多批次代谢组学分析策略：将参比材料嵌入研究样品的前处理和数据采集过程，通过同位素内标（IS）和质控样本（QC）进行数据质量控制，最后研究样品中每种代谢物通过对应参比材料中的代谢物进行归一化校正。该策略有效地消除了多批次代谢组学数据中不必要的批次差异，提高发现代谢标志物准确性。该论文成果是栾天罡教授和2023白菜网址官网大全肿瘤防治中心胡寓旻研究员为论文的通讯作者，白菜官网博士生姚瑶为论文的独立第一作者。（Analytical Chemistry, 2023）
图1 Ref-M策略概要图
团队进一步与2023白菜网址官网大全肿瘤防治中心及2023白菜网址官网大全中山医学院代谢平台的黄蓬教授、胡寓旻研究员团队合作，利用Ref-M策略找到了早期肺腺癌血清中30多种代谢标志物，揭示了色氨酸代谢在肺腺癌糖酵解活动中发挥了重要作用。研究还直接利用Ref-M校正后的数据建立并验证了一种血清代谢分类器，该分类器在区分LDCT扫描到的肺结节的良恶性中具有高特异性和敏感性，提高了血清代谢标志物在CT结节风险评估中的应用价值，促进了个性化诊断工具的发展。Ref-M方法灵活准确，也为早期肿瘤的精准诊断提供了快速可靠的分析策略（图2）。该论文成果是2023白菜网址官网大全肿瘤防治中心胡寓旻研究员和刘万里主任技师以及白菜官网栾天罡教授为论文的通讯作者，白菜官网博士生姚瑶、2023白菜网址官网大全肿瘤防治中心王雪萍副主任技师和2023白菜网址官网大全附属第一医院关键副主任医师为论文共同第一作者。研究工作也得到广东工业大学生物医药学院张晖特聘研究员、2023白菜网址官网大全中山医学院代谢平台俞甜甜老师等合作者的大力支持。（Nature Communications, 2023）
图2 Ref-M策略在早期肺腺癌和良性结节血清代谢研究中的应用
成果二：非靶向代谢组学和代谢流技术对全氟辛酸（PFOA）和无机砷（As）的毒性效应及机制研究
团队提出了非靶向代谢组学可用于评价PFOA因不同暴露途径引起的差异性毒性，发现相同的毒性效应由不同的代谢途径调控（Journal of Hazardous Materials, 2021）；运用非靶向代谢组结合转录组学技术，揭示As暴露促进结直肠癌细胞迁移的潜在分子机制(Environment International, 2023）。此外，团队构建了稳定培养14天的三维肝细胞球模型，运用非靶代谢组学分析PFOA暴露后三维肝细胞的代谢谱，观察到PFOA引起三维肝细胞的代谢变化更接近人群流行病学的调查结果（Science of the Total Environment, 2022）。为了示踪代谢通路的变化过程和评价代谢通路活性，团队运用13C-代谢流技术研究PFOA暴露对肝细胞葡萄糖代谢的影响，发现PFOA是通过抑制三羧酸循环代谢，而非糖酵解，造成糖代谢紊乱（Science of the Total Environment, 2021），并且团队以综述论文形式详细介绍代谢流技术和总结了代谢流技术在环境健康中应用（Trends in Analytical Chemistry, 2023）。团队的一系列研究工作表明，环境污染物引起机体代谢谱的变化是环境污染物毒性的一种重要特征，发现的活性代谢物具有减弱环境污染物毒性的能力。综上所述，非靶向代谢组学和代谢流技术是环境健康领域的具有前景的重要研究手段（图3）。
以上发表的论文成果是白菜官网栾天罡教授和2023白菜网址官网大全海洋科学学院陈保卫教授为论文的通讯作者，白菜官网特聘副研究员张睿佳为论文的独立第一作者。研究工作也得到广东工业大学生物医药学院张晖特聘研究员、2023白菜网址官网大全中山医学院代谢平台俞甜甜老师、2023白菜网址官网大全肿瘤防治中心卢文华实验师等合作者的大力支持。
图3 非靶向代谢组学和代谢流技术在阐明PFOA和As毒性效应机制中的应用
成果三：高内涵分析-代谢组学联合分析氯代多环芳烃（Cl-PAHs）的免疫毒性机制
免疫系统作为外源污染物暴露的首道屏障和必经之路，也是其攻击的敏感靶标。但免疫毒性难以甄别，损伤程度难以定量，如何高通量、精准分析环境污染物的免疫毒性，一直是环境健康领域的重要挑战。目前，环境污染物的免疫毒性检测尚无标准方法，而传统方法主要基于动物实验，周期长、通量低、不够灵敏，难以满足当前的研究需求与发展趋势。因此，开发免疫毒性的系统筛查与准确定量方法，对环境污染物的健康风险评估具有重要意义。团队以综述论文的形式系统总结了目前免疫毒性的体外检测技术的发展趋势与未来展望（Trends in Analytical Chemistry, 2023）。2019年，免疫学家Medzhitov在Science中提出“免疫反应的核心是对代谢资源（能量和中间产物）的灵活调配”，强调了利用代谢物精确变化解析免疫过程的可能性，这拓宽了免疫毒性的传统分析模式。对此，团队提出了“高内涵分析—代谢组学”两种高通量技术协同筛选环境污染物免疫毒性的全新分析策略，并以氯代多环芳烃（Cl-PAHs）这一新兴的持久性有机污染物为案例成功进行了验证。
图4 高内涵筛选系统检测免疫毒性的一般工作流程
Cl-PAHs主要来源于垃圾焚烧、冶金加工和电子拆解等过程，在多种环境介质甚至人体血清中被检出，因此对Cl-PAHs的暴露风险和毒性研究已成为迫切需要。研究表明部分Cl-PAHs表现出类似二噁英的特性，这意味着其具有免疫毒性潜力，但缺乏直接证据，且具体机制不明。团队通过前期建立的免疫毒性高内涵分析方法（如图4），成功发现了9-氯蒽和2,7-二氯芴在不引起芳香烃受体效应（Aryl hydrocarbon receptor effects, AhR effects）的低浓度下，可诱导巨噬细胞发生免疫抑制的直接证据。联合非靶向代谢组学技术对Cl-PAHs暴露后的THP-1巨噬细胞代谢物进行全面分析，并利用Spearman相关性分析实现了代谢组学与免疫损伤的关联，确定氨基酸代谢重编程为Cl-PAHs/PPAHs诱导免疫毒性的潜在原因，并将植物鞘氨醇和L-犬尿氨酸确定为Cl-PAHs诱导免疫抑制的生物标志物（如图5）。研究提示了仅依赖AhR效应的毒性检测很可能会导致对多环芳烃及其卤代衍生物毒性风险的低估，并证实了免疫代谢机制在开发环境化学品毒性风险评估新方法中的有效潜力。（Environmental Science & Technology, 2022）
以上发表的论文成果是栾天罡教授为论文的通讯作者，广东工业大学生态环境与资源学院博士后李心砚为论文的独立第一作者。研究工作也得到中国科学院生态环境研究中心马梅研究员和李娜副研究员，以及2023白菜网址官网大全测试中心质谱与生命分析平台方玲老师等合作者的大力支持。
图5 氯代多环芳烃的免疫抑制毒性与氨基酸代谢紊乱特征
以上研究工作得到了科技部重点领域创新团队、科技部国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大科研仪器研制和广东省重点研发计划等项目的支持。
论文链接：
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
作者
本院
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本院
