代謝組學是對生物體內所有代謝物進行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的相對關系的研究方式。作為代謝組學常用的檢測方法，質譜 (MS) 和核磁 (NMR) 可以檢測機體某一特定時刻代謝物在體內完成復雜代謝后的總量，而無法精確到代謝物所處的具體代謝通路。

目前，可通過在代謝組學分析中引入放射或穩定同位素標記物示蹤劑去推斷其代謝路徑。但放射性同位素對人體有一定危害，穩定同位素無放射性、物理性質穩定、對人體無害，因此更受科研人員的歡迎。

基于穩定同位素和代謝組學的穩定同位素示蹤代謝組學充分發揮二者優勢，可更加準確地研究某一特定代謝物質在代謝網絡中的具體代謝通路。

圖 1. 代謝組學 (穩定同位素標記) 流程圖
通過 LC-MS 檢測被標記葡萄糖在機體內的代謝過程，確定穩定同位素標記的葡萄糖在相關代謝通路中的代謝路徑，確定其代謝機制 (紅點表示13C)

結合案例分析

■ 穩定同位素標記物在阿爾茨海默癥 (AD) 生物標志物研究中的應用
武漢大學馮鈺锜教授團隊，通過用穩定同位素標記的液相色譜質譜分析方法 (CIL-LC-MS)，對小鼠糞便樣品中四種類型代謝物 (羧基、羰基、胺和硫醇代謝物) 進行了測定，代謝物通過與含有穩定同位素標記的物質 (如 DMED-d4、HIQB-d7、DMAP-d4、BQB-d7) 衍生化 (化學反應) 以提高代謝物檢測的靈敏度，共檢測到了 2302 種潛在代謝物，其中有 1388 種代謝物可被推測，通過化學標記標準庫和質譜分析，確定了 308 種代謝物。

圖 2. 穩定同位素與不同官能團代謝物的衍生化反應

通過對小鼠糞便中代謝物的鑒定，發現有 211 種代謝物在阿爾茨海默病 (AD) 模型小鼠和野生型 (WT) 小鼠之間存在顯著差異，這也提示了這些糞便代謝物與 AD 病理密切相關，為 AD 的診斷提供了新的潛在生物標志物。

圖 3. AD 潛在生物標志物研究方法

L：常規衍生化后的代謝物 MS;H：用穩定同位素標記衍生化后的代謝物 MS

■ 穩定同位素標記物在癌癥代謝組學研究中的應用

穩定同位素分析代謝組學 (Stable Isotope Resolved Metabolomics，SIRM) 是一種利用先進的 NMR 和 MS 分析方法，分析穩定同位素富集的前體到產物的單個原子的的過程，根據穩定同位素原子的跟蹤，可以揭示一些新的代謝途徑及治療靶點，SIRM 在腫瘤代謝研究中發揮了重大作用。DeNicola GM 等人用 U-13C-glucose 通過對非小細胞肺癌 (NSCLC) 細胞株的代謝跟蹤，研究了 NSCLC 中 Serine/Glycine 代謝路徑，對 NSCLC 的診斷和治療發揮了重要作用。