空间代谢组学研究思路解析｜基础版

2022年，Nature将空间多组学（Spatial multi-omics）列入值得关注的年度七大生物技术榜单，取得了许多令人瞩目的成果，并对各个研究领域产生了重要的影响。空间代谢组学作为其中最接近表型的组学，是多组学研究中不可或缺的重要组成部分。

为了给科研人员提供更多的思路和启示，科技君整理了基础版、进阶版和高阶版三种空间代谢组学的研究思路及应用案例，将持续为大家放送，期望借助空间代谢组学技术，推动各个研究领域的发展。

基础版

空间代谢组学研究思路

基础版空间代谢组学研究思路是指在进行空间代谢组学之后，结合生理生化、病理学（组织学分析、细胞学检查）、分子生物学等方法进行分析。研究思路可分为以下三种：

1

空间代谢组学筛选得到差异代谢物后，借助ROC分析或者机器学习找到生物标志物，可作为疾病治疗靶点和诊断生物标志物。

2

空间代谢组学的代谢空间特征结合生理生化和病理学分析，探索疾病代谢变化和病理变化之间的关联，为疾病的预防和治疗提供新的视角。例如，根据H&E染色结果对样本进行区域划分，找到药物发挥作用的区域。

3

空间代谢组学筛选得到差异代谢物，进一步找到对应的差异代谢通路，利用分子实验对该通路上可能的关键基因或者酶进行验证，以揭示疾病可能的发生发展机制。分子实验验证方法，包括基因相关的验证，如基因敲除、抑制、过表达、qRT-PCR等方法；以及与蛋白相关的的验证，如免疫组化IHC、免疫荧光IF、原位杂交Fish、蛋白质印迹WB、酶联免疫吸附试验ELISA等方法。

图1 基础版-空间代谢组研究思路图解

目前，空间代谢组学研究成果丰硕，我们精选了2篇文献供各位老师参考👇

01

案例一：空间代谢组学揭示糖尿病肾病中具有组织异质性的代谢重编程^[1]

研究背景：

糖尿病肾病（DN）是糖尿病的并发症之一，但其发病机制仍未完全阐明，并缺乏有效的治疗药物。

研究思路：

采用AFADESI+MALDI并结合组织生化分析、病理学检查和分子生物学手段，研究了DN大鼠模型肾脏中代谢物的含量与空间变化以及中药活性成分黄芪甲苷-IV（AST）对DN的干预作用。

主要结果：

DN大鼠肾脏糖酵解和PPP活性增加、线粒体功能障碍、AMPK抑制、脂质代谢紊乱、肉碱、氧化还原和渗透平衡破坏均以区域特异性方式发生。通过反复口服AST，这些区域特异性代谢紊乱得到改善。根据空间代谢组学结果，新发现PS（36:2）可用于定位肾小球和作为寻找DN的肾小球特异性生物标志物。

02

案例二：空间分辨代谢组学方法揭示食管癌相关代谢变化^[2]

研究背景：

对食管癌（ESCC）进行带有空间信息的代谢表征有助于理解复杂的癌症代谢重编程，促进发现肿瘤治疗靶点。

研究思路：

利用AFADESI技术获取256名ESCC患者不同组织（癌症组织、上皮组织和肌肉组织）空间特定区域的代谢物谱图，获得癌症和正常组织间的差异代谢物，通过代谢通路分析选出可能与癌症相关的酶。最后通过IHC技术用癌旁组织对与ESCC相关的酶进行验证，筛选出6种癌症相关的代谢产物、代谢酶、代谢途径。

主要结果：

该研究开发了一种基于空间解析的MSI代谢组学方法，用于高通量发现与肿瘤相关的代谢物和酶的变化。使用这种方法，在ESCC中发现了脯氨酸合成、谷氨酰胺代谢、尿苷代谢、组氨酸代谢、脂肪酸（FA）合成和多胺合成途径的变化。进一步发现了6种异常表达的代谢酶，包括吡咯烷酮-5-羧酸还原酶2（PYCR2）、谷氨酰胺酶（GLS）、尿苷磷酸酶1（UPase1）、组氨酸脱羧酶（HDC）、FA合成酶（FASN）和鸟氨酸脱羧酶（ODC），这些酶直接与途径中的代谢物变化相关。

下期预告

《空间代谢组学研究思路解析｜进阶版》

参考文献：

[1] Wang Z, et al. Spatial-resolved metabolomics reveals tissue-specific metabolic reprogramming in diabetic nephropathy by using mass spectrometry imaging. Acta Pharm Sin B. 2021 Nov;11(11):3665-3677.

[2] Sun C, et al. Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Jan 2;116(1):52-57.

供稿：肖玲

编辑：市场部

近期热文

🔍点击图片即可阅读