管貴珍，伊有琴，趙也，達(dá)瓦德吉，吳添舒

東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210009

量子點(diǎn)是零維的納米級別的半導(dǎo)體材料，通過控制對該材料施加的電場或光壓的強(qiáng)度，它們會發(fā)出不同顏色的光。因其具有限制電子和電子空穴(electron hole)的特性，使電子在三維空間的運(yùn)動受到限制，因此，又有“人造原子”和“超原子”之稱。代謝組學(xué)是近年來飛速興起的一門學(xué)科，主要目的是對生物的代謝小分子產(chǎn)物進(jìn)行定性或定量的研究，由于其具有信息庫簡單、易于分析和反映狀態(tài)精準(zhǔn)等優(yōu)勢，因此，存在很高的發(fā)展價值。筆者查閱了量子點(diǎn)和代謝組學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)，找出其中與量子點(diǎn)毒性研究有關(guān)的內(nèi)容，重點(diǎn)闡述了代謝組學(xué)在量子點(diǎn)毒性研究中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景，為以后相關(guān)的研究方向和研究內(nèi)容提供有價值的參考。

1 代謝組學(xué)方法(Methods of metabolomics)

代謝組學(xué)是一種利用分析化學(xué)來研究一個代謝組中小分子代謝相關(guān)物質(zhì)及其變化規(guī)律，并對這些物質(zhì)進(jìn)行定性或定量的測量，將其變化反映在圖譜上，通過圖譜研究內(nèi)外因變化對代謝的影響的科學(xué)，多用于組織、血液和尿液等的測量。相比于傳統(tǒng)的研究個體身體形態(tài)、身體素質(zhì)、單個元素或化學(xué)指標(biāo)對量子點(diǎn)的響應(yīng)等研究方法，通過圖譜研究生命變化的代謝組學(xué)更加精確、更加科學(xué)。例如，在肝臟疾病的研究中，代謝組學(xué)能夠不局限于機(jī)體受到外界影響后產(chǎn)生的變化細(xì)節(jié)，更關(guān)注機(jī)體在一系列變化后在代謝產(chǎn)物上的整體變化[1]。

代謝組學(xué)分為靶標(biāo)代謝組學(xué)和非靶標(biāo)代謝組學(xué)。靶標(biāo)代謝組學(xué)即利用特定的化學(xué)物質(zhì)和手段，測定樣本中特定物質(zhì)的變化規(guī)律，了解該特定物質(zhì)在代謝過程中的詳細(xì)變化。而非靶標(biāo)代謝組學(xué)是全面地、詳細(xì)地測量樣本中所有物質(zhì)的變化規(guī)律，并通過物質(zhì)的變化得到樣本整體代謝過程中詳細(xì)的信息。目前可使用的方法具體包括氣相色譜-質(zhì)譜分析(gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜分析(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)和核磁共振譜學(xué)分析(nuclear magnetic resonance, NMR)等[2]。這些研究方法各有利弊，均在納米毒理學(xué)研究中有所應(yīng)用。通常研究者們傾向于聯(lián)合運(yùn)用2種以上的代謝組學(xué)方法，以保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 代謝組學(xué)應(yīng)用于量子點(diǎn)毒性研究的進(jìn)展(Advance on the application of metabolomics in toxicity study of quantum dots)

2.1 用于量子點(diǎn)在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄(ADME)過程的研究

作為一種納米材料，目前的研究表明，量子點(diǎn)可通過吸入、皮膚接觸、經(jīng)口染毒以及靜脈或腹腔注射等方式進(jìn)入體內(nèi)。在研究中其毒性的暴露方式仍主要是注射給藥[3]。職業(yè)場所的工作人員、科研工作者和臨床病人等都有可能通過環(huán)境傳播、工作場所暴露以及疾病診療給予等途徑接觸到量子點(diǎn)等納米材料[4]。當(dāng)量子點(diǎn)進(jìn)入生物體后，通過體液流動滲透進(jìn)入體液循環(huán)，再通過內(nèi)循環(huán)進(jìn)入組織液、淋巴等。隨著體液流動，可到達(dá)或蓄積在肝臟、脾臟和肺部等器官或組織中，引起毒性作用[5]。此外，還可與血清蛋白或其他特異性蛋白結(jié)合參與血液循環(huán)；或經(jīng)腎代謝隨尿液或糞便排出體外，部分通過皮膚排出體外[1]。在排泄時也會對腎臟造成一定程度的損害。

而隨著研究的不斷深入，代謝組學(xué)亦成為量子點(diǎn)研究的一種新方向、新趨勢，為更加準(zhǔn)確地闡明量子點(diǎn)在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄過程提供了新思路。例如：Fan等[6]研究發(fā)現(xiàn)，CdTe/CdS655-MPA QD通過尾靜脈注射暴露進(jìn)入小鼠體內(nèi)后,電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析表明，有30%～40%的量子點(diǎn)分布在肝臟，26%～38%分布在脾臟，12%～20%分布在腎臟，7%～15%分布在肺部。李惠玲等[7]采用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜(SEC-HPLC-ICP-MS)監(jiān)測碲化鎘量子點(diǎn)(CdTe QDs)在體內(nèi)和體外的生物穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在染毒小鼠肝臟中CdTe QDs降解迅速，并產(chǎn)生Cd2+，說明量子點(diǎn)染毒后主要靶器官是肝臟。孫湖泊等[8]使用ICP-MS檢測血漿中Cd和Te的含量，發(fā)現(xiàn)隨著時間的延長Cd主要蓄積在肝和腎，Te主要蓄積在脾。Ma-Hock等[9]利用ICP-MS分析器官和糞便樣品的鎘離子含量，發(fā)現(xiàn)鎘離子基本存在于肺部和排泄物中。

2.2 用于檢測量子點(diǎn)毒性的特異性生物標(biāo)志物

代謝組學(xué)在關(guān)于肝臟毒物、腎臟毒物方面的應(yīng)用比較多見，也有涉及神經(jīng)毒性和遺傳毒性等的研究，其生物標(biāo)志物對于研究往往有著重要的意義。例如，在腎毒性研究中，通過對尿液的檢測，可以檢測出部分物質(zhì)的代謝在不同的情況下和其他物質(zhì)都有所區(qū)別，這部分物質(zhì)對于腎臟毒性的反應(yīng)較為靈敏，通過研究它們之間的關(guān)系有助于相關(guān)癥狀的研究；關(guān)于肝臟毒物，已知部分藥物容易引起肝中毒，因此面臨退出市場的窘境，甚至已有藥物退出市場，了解肝中毒的代謝生物標(biāo)志物可以確立新的檢驗(yàn)水準(zhǔn)，緩解這部分藥物退出市場的窘境；神經(jīng)毒性的研究中，一些在傳統(tǒng)研究中未被重視的物質(zhì)可能成為某些癥狀的特異性標(biāo)志物，進(jìn)而產(chǎn)生重大意義。在遺傳方面，可能通過DNA的損傷應(yīng)答和DNA修復(fù)，導(dǎo)致該基因的表達(dá)被遺傳毒性物質(zhì)誘導(dǎo)，成為遺傳毒性的標(biāo)志物。

代謝組學(xué)應(yīng)用到量子點(diǎn)毒性研究中，發(fā)現(xiàn)了許多在不同組織中對不同癥狀具有特異性的生物標(biāo)志物。例如，吳純啟等[10]確認(rèn)了新型生物標(biāo)志物Micro RNA 122在檢測何首烏肝毒性中的應(yīng)用價值；在HK-2細(xì)胞和RPTEC/TERT1細(xì)胞模型中，KIM-1、osteopontin和clusterin等新型生物標(biāo)志物的預(yù)測效能明顯高于傳統(tǒng)的細(xì)胞毒性指標(biāo)和傳統(tǒng)酶學(xué)生物標(biāo)志物[11]。在病理生理研究方面，與傳統(tǒng)的研究血液、腦脊液中單一代謝物相比，代謝組學(xué)描述了細(xì)胞、組織和器官等整體的代謝過程，這些信息可以更靈敏地反映特異性標(biāo)志物。例如，Zhou等[12]用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)和OPLS-DA模型，分析來自肺結(jié)核病患者和健康志愿者的血樣，篩選出了乙酰乙酸、丙酮等17種潛在生物標(biāo)志物。Zeng等[13]用77個血清樣本進(jìn)行肝細(xì)胞癌代謝組學(xué)研究，再用106個血清樣本進(jìn)行驗(yàn)證，建立了診斷肝細(xì)胞癌的“血清生物標(biāo)志物模型”，該模型包括色氨酸、谷氨酸鹽和羥基丁酸。

關(guān)于生物標(biāo)志物在評價毒性或預(yù)測毒性方面的優(yōu)異性，在確定特異性標(biāo)志物時可以進(jìn)行進(jìn)一步研究，探尋其與毒性反應(yīng)更加詳細(xì)精密的關(guān)系，也可以尋找多種對應(yīng)關(guān)系或者縮小研究范圍。例如，血清F蛋白、蘋果酸脫氫酶與等傳統(tǒng)肝毒性生物標(biāo)志物相比，這些新的標(biāo)志物具有較高的靈敏度及特異性。但這些新標(biāo)志物尚未得到廣泛認(rèn)可，還需進(jìn)一步研究[14]。在腎臟毒性研究方面，通過對特異性物質(zhì)的檢測與調(diào)查可以進(jìn)一步了解該物質(zhì)與毒性反應(yīng)的關(guān)系，從而制定相應(yīng)措施；在神經(jīng)毒性方面，不同的實(shí)驗(yàn)可能找到不同癥狀的特異性標(biāo)志物；在遺傳毒性方面，可以將特異性生物標(biāo)志物縮小到基因范圍。如cTn不僅在動物實(shí)驗(yàn)中可預(yù)測心臟毒性，而且在臨床中可評價藥物誘導(dǎo)的心臟毒性作用[15]。

2.3 用于量子點(diǎn)毒效應(yīng)參與的信號通路的研究

一定量的量子點(diǎn)暴露可通過抑制或激活相關(guān)生物分子行為使代謝紊亂，從而引起毒性效應(yīng)。吳添舒[14]的研究表明，CdTe量子點(diǎn)具有一定的神經(jīng)細(xì)胞毒性作用。對大鼠的研究表明，CdTe量子點(diǎn)暴露可以通過抑制PI3K-Akt信號通路和MAPK信號通路的關(guān)鍵生物分子蛋白AKT和ERK1/2的磷酸化，同時直接或間接下調(diào)核蛋白c-FOS表達(dá)，損傷突觸可塑性，抑制長時程增強(qiáng)(LTP)形成，影響大鼠的學(xué)習(xí)記憶活動。繼而發(fā)現(xiàn)CdTe量子點(diǎn)暴露可以通過激活MyD88/TLR2/NFκB信號通路和NLRP3炎癥小體，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞分泌促炎性因子IL-ιβ增加，誘發(fā)炎癥反應(yīng)。關(guān)于代謝組學(xué)應(yīng)用于量子點(diǎn)毒性研究的結(jié)果總結(jié)于表1。

3 代謝組學(xué)與傳統(tǒng)量子點(diǎn)毒性研究方法的比較(Comparison between metabolomics and traditional toxicological methods for quantum dot)

3.1 傳統(tǒng)的體外研究方法和結(jié)果

量子點(diǎn)體外毒性研究涉及3個方面，包括細(xì)胞、DNA和蛋白質(zhì)，在量子點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)的研究中，通常采用多個指標(biāo)的綜合研究以便更為深入全面地探究真相。

CCK-8法是一種檢測細(xì)胞毒性的重要手段，CCK-8試劑盒基于WST-8原理用以測定細(xì)胞存活率。袁潤等[24]通過CCK-8法檢測不同濃度ZnS外殼包裹的Cd/ZnS量子點(diǎn)對膀胱癌EJ細(xì)胞和前列腺PC-3細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)隨著量子點(diǎn)濃度的升高細(xì)胞存活率隨之下降。鄭至嘉[25]利用CCK-8法檢測出不同濃度硒化鎘/硫化鋅組中肝細(xì)胞活性均明顯下降，下降程度和量子點(diǎn)濃度以及作用時間呈正相關(guān)?；钚匝?ROS)是細(xì)胞在呼吸和代謝過程中產(chǎn)生的一系列物質(zhì)。研究表明，ROS含量升高會引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。流式細(xì)胞術(shù)測定ROS含量，結(jié)果顯示氧化應(yīng)激水平增加明顯。細(xì)胞調(diào)亡實(shí)驗(yàn)采用AnnexinV-FITCF/PI試劑盒檢測活細(xì)胞、早期調(diào)亡、晚期調(diào)亡和死亡細(xì)胞的含量，AnnexinV作為磷脂結(jié)合蛋白，可與磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine, PS)發(fā)生特異結(jié)合。FITC探針與調(diào)亡細(xì)胞結(jié)合后，能夠在藍(lán)色激發(fā)光條件下，產(chǎn)生綠色的熒光，從而可區(qū)分出死亡細(xì)胞與活細(xì)胞[26]。馬宇飛等[27]用WST、ROS活性氧和Annexin凋亡實(shí)驗(yàn)方法檢測出小粒徑石墨烯量子點(diǎn)生物安全性和生物相容性較好，能夠迅速從體內(nèi)代謝。

表1 量子點(diǎn)對機(jī)體代謝途徑的影響匯總Table 1 The summary of metabolic pathways influenced by quantum dots exposure

注：MPA表示巰基丙酸，GQDs表示石墨烯量子點(diǎn)，NMR表示核磁共振，GC-MS表示氣相色譜-質(zhì)譜，LC-MS表示液相色譜-質(zhì)譜，CD表示圓二色性光譜法。

Note: MPA stands for mercaptopropionic acid; GODs stands for graphene quantum dot; NMR stands for nuclear magnetic resonance; GC-MS stands for gas chromatography-mass spectrometry; LC-MS stands for liquid chromatography-mass spectrometry; CD stands for circular dichroism spectrometry.

分子水平上的檢測方法有熒光吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、圓二色性(CD)光譜法、等溫滴定量熱法、時間分辨光譜法、共振光散射技術(shù)和酶活性測定等。其中，熒光吸收光譜法具備靈敏度高和準(zhǔn)確度好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于物質(zhì)定性定量測定；紫外-可見吸收光譜法具有靈敏度高和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，是研究蛋白質(zhì)與小分子相互作用規(guī)律的一種重要手段。在不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件下，有針對性地選取上述方法。鄧邦蓮等[28]的研究中，熒光分光光度計測定出在激發(fā)光375 nm時，碳量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，并且熒光強(qiáng)度與其濃度正相關(guān)。Park等[29]用分子熒光成像技術(shù)提高了結(jié)腸鏡檢的檢測限度，分子熒光探針和甲酚紫-谷氨酸衍生物對癌癥具有互補(bǔ)診斷的作用。

3.2 傳統(tǒng)的體內(nèi)研究方法和結(jié)果

量子點(diǎn)體內(nèi)毒性的評價及檢測方法主要有血清生化指標(biāo)檢查、血液檢查和組織器官的病理檢查。血清生化指標(biāo)的變化可反映量子點(diǎn)對肝腎功能的影響。血液中細(xì)胞數(shù)量的變化則可反映量子點(diǎn)在血液中與細(xì)胞的相互作用情況以及量子點(diǎn)引起的炎癥反應(yīng)。檢測組織器官的病理改變可直觀地評價量子點(diǎn)對組織器官的損傷作用。肝功能指標(biāo)主要包括血清谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶、堿性磷酸酶、總膽紅素、直接膽紅素、白蛋白和球蛋白等；腎功能指標(biāo)主要有尿素氮、尿酸和肌酐等；常見的血液指標(biāo)有紅細(xì)胞計數(shù)、平均紅細(xì)胞血紅蛋白濃度、血小板數(shù)和白細(xì)胞數(shù)、淋巴細(xì)胞計數(shù)及中性粒細(xì)胞比例等[3]。邢瑞[30]研究了SiQDs對家蠶造血功能的影響，SiQDs能進(jìn)入顆粒細(xì)胞、小細(xì)胞和擬絳色細(xì)胞3種循環(huán)血淋巴中的血細(xì)胞中，高劑量SiQDs組循環(huán)血細(xì)胞數(shù)量減少。SiQDs暴露會引起ROS含量變化，造成造血器官生長緩慢或生長不良。

3.3 代謝組學(xué)應(yīng)用于量子點(diǎn)毒理學(xué)研究的優(yōu)勢

代謝組學(xué)的研究處于生物信息流的中游，介于基因、蛋白質(zhì)與細(xì)胞、組織之間，在生物信息的傳遞中起到承上啟下的作用。小分子的產(chǎn)生和代謝是基因表達(dá)的下游產(chǎn)物，生物體液的代謝產(chǎn)物分析能夠更直接、更準(zhǔn)確地反映生物體的病理生理狀態(tài)。利用代謝組學(xué)手段能夠獲得關(guān)于生物體或細(xì)胞響應(yīng)毒物或環(huán)境脅迫時受到擾動的小分子和代謝通路總體變化的有價值信息[31]。Zhao等[32]通過葉面噴灑的暴露方式，將萵苣在1 050～2 100 mg·L-1的Cu(OH)2納米農(nóng)藥暴露了一個月后，通過氣相飛行時間質(zhì)譜(GC-TOF-MS)測定代謝物含量變化，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行PLS-DA分析后，發(fā)現(xiàn)nano-Cu(OH)2在萵苣葉片的代謝物水平上發(fā)生了擾動作用，包括三羧酸(TCA)循環(huán)和一些氨基酸相關(guān)的代謝途徑，同時，抗氧化物含量與空白相比明顯降低，表明發(fā)生了明顯的氧化脅迫和抗氧化響應(yīng)。

4 量子點(diǎn)毒性研究中的代謝組學(xué)與其他組學(xué)的聯(lián)合運(yùn)用(The combination of metabolomics and other omics in toxicity study of quantum dots)

4.1 組學(xué)介紹

組學(xué)即從整體角度研究人類組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因、蛋白及分子間相互的作用，其涵蓋了基因、蛋白、代謝、轉(zhuǎn)錄、RNA和脂類等多個組學(xué)內(nèi)容[33]。基因組學(xué)為闡明整個基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)，以生物體內(nèi)基因組的全部基因?yàn)檠芯繉ο螅瑥恼w水平上探索全基因組在生命活動中的作用及其內(nèi)在規(guī)律和內(nèi)外環(huán)境影響機(jī)制的學(xué)科。蛋白質(zhì)組學(xué)則是從整體水平上認(rèn)識蛋白質(zhì)的存在及活動方式的學(xué)科[34]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)是在RNA水平上研究生物體中各基因轉(zhuǎn)錄情況及其調(diào)控規(guī)律，用以闡明生物表型與功能的一門科學(xué)。表觀遺傳學(xué)是對那些在不改變基因序列的前提下，所導(dǎo)致的基因表達(dá)水平改變的研究，即在另一維度上探究DNA和組蛋白的表觀修飾對基因表達(dá)的影響[35]。代謝組學(xué)是對某一生物體組分或細(xì)胞在一特定生理時期或條件下的所有代謝產(chǎn)物同時進(jìn)行定性和定量分析，以尋找出目標(biāo)差異代謝物[33]。

4.2 代謝組學(xué)與其他組學(xué)相比的優(yōu)勢

與其他組學(xué)技術(shù)相比，代謝組學(xué)在量子點(diǎn)毒性研究中占有一定的優(yōu)勢。首先，小分子代謝物的數(shù)量遠(yuǎn)小于基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的數(shù)量，因此更容易檢測。焦國正[36]利用質(zhì)譜分析技術(shù)研究石墨烯對HepG2細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)在石墨烯刺激HepG2細(xì)胞24、48和72 h后共獲得了12個可以作為石墨烯干預(yù)HepG2細(xì)胞的潛在代謝標(biāo)志物；其中，5個標(biāo)志物(M2、M6、M7、M10和M11)強(qiáng)度隨著石墨烯濃度的增加逐漸變低，其余7個標(biāo)志物(M1、M3、M4、M5、M8、M9和M12)強(qiáng)度隨著石墨烯濃度的增加而增強(qiáng)。

第二，代謝組學(xué)可以定性和定量地描述基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組變異的凈結(jié)果，代謝組的變化可以被認(rèn)為是器官ISM表型的最佳指標(biāo)。Zhu等[37]將ICP-MS和激光解析電離質(zhì)譜(LDI-MS)聯(lián)用，研究了量子點(diǎn)在Hela細(xì)胞中的含量，表征了不同種類的CdSe量子點(diǎn)在細(xì)胞中失去表面配體的程度。該研究采用ICP-MS測定進(jìn)入細(xì)胞中的量子點(diǎn)總量，LDI-MS測定配體完整的量子點(diǎn)總量；失去表面配體的量子點(diǎn)總量則由二者差減得到。他們對比了5種量子點(diǎn)失去配體的比例，發(fā)現(xiàn)粒徑較小的含雙齒配體的量子點(diǎn)丟失的配體比例更少，在細(xì)胞中具有更好的穩(wěn)定性。該研究表明，尺寸和配體的結(jié)構(gòu)都會影響量子點(diǎn)的生物穩(wěn)定性，這對量子點(diǎn)的生物成像應(yīng)用具有重要的參考價值。Bo等[38]采用代謝組學(xué)的方法研究了TiO2納米粒子的毒性，發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子干擾了L929細(xì)胞丙氨酸、甘氨酸等12種氨基酸的代謝，這些代謝誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的產(chǎn)生，損傷了能量代謝并抑制了DNA和RNA的合成，從而對L929細(xì)胞造成了損傷。任朝秀[39]在痕量氧化石墨烯(GO)對斑馬魚神經(jīng)功能障礙的誘導(dǎo)及其子代效應(yīng)的研究中，利用代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，子代斑馬魚氨基酸、脂肪酸和糖代謝被GO干擾，這一干擾與其神經(jīng)功能障礙密切相關(guān)。Li等[40]采用代謝組學(xué)的方法研究了銀納米粒子對水蚤代謝應(yīng)答表型的變化，發(fā)現(xiàn)氨基酸磷脂等相關(guān)標(biāo)志物影響了代謝表型的變化，并闡述了其可能擾動的代謝通路。

第三，從代謝組學(xué)獲得的信息更為通用，作為一種特定的代謝產(chǎn)物，不同于基因、轉(zhuǎn)錄物或蛋白質(zhì)，對擁有它的每一個生物體來說都是相同的[41]。歐陽少虎[42]在研究3種碳納米材料對小球藻的毒性效應(yīng)及其機(jī)理時，發(fā)現(xiàn)代謝物中的烷烴、賴氨酸、十八碳二烯酸和纈氨酸與細(xì)胞體內(nèi)活性氧產(chǎn)生相關(guān)，這些代謝物可能被視為活性氧新的生物標(biāo)志物。因此，代謝組學(xué)為探索3種碳納米材料對小球藻細(xì)胞的生物反應(yīng)提供了一種全新的視角。Huang等[43]研究了二氧化硅對肺纖維細(xì)胞的代謝影響特征，發(fā)現(xiàn)硅納米粒子主要干預(yù)了細(xì)胞氨基酸和酯類的代謝。Nazari等[44]研究了羧基包裹的鉍納米粒子對幽門螺桿菌的殺傷力，通過代謝組學(xué)的分析發(fā)現(xiàn)，鉍納米粒子干預(yù)了醋酸鹽、谷氨酸鹽、纈氨酸和尿嘧啶等代謝產(chǎn)物，擾動了三羧酸循環(huán)、氨基酸和核酸等的代謝通路。Li等[45]采用代謝組學(xué)的方法研究了MnO納米粒子對SD大鼠的毒性，發(fā)現(xiàn)MnO擾動了大鼠的能量、脂質(zhì)和氨基酸等的代謝，表明這些代謝異常打破了鼠的正常生理平衡。最后，與其他組學(xué)技術(shù)相比，代謝組學(xué)單次花費(fèi)的時間和成本較低[46]。綜上所述，代謝組學(xué)的特征使其成為研究不同分子水平下納米顆粒-生物相互作用的理想選擇。

4.3 量子點(diǎn)毒性研究中的代謝組學(xué)與其他組學(xué)的聯(lián)合運(yùn)用

近年來，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，多組學(xué)整合已經(jīng)成為組學(xué)發(fā)展的新趨勢，其結(jié)果更可靠，數(shù)據(jù)更豐富(圖1)。傳統(tǒng)的研究僅基于單一的數(shù)據(jù)類型來進(jìn)行，因此，可以解釋的生物系統(tǒng)和疾病的復(fù)雜性非常有限。而代謝組學(xué)與其他組學(xué)，如轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白組學(xué)等聯(lián)合運(yùn)用，有助于解決系統(tǒng)級的基本生物學(xué)問題。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，可以獲得基因表達(dá)的RNA水平的相關(guān)信息，可以探索基因表達(dá)與機(jī)體生理、病理等狀態(tài)下的生命現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系。蛋白組學(xué)分析可以從整體角度分析細(xì)胞和組織內(nèi)部不斷動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成成分及表達(dá)水平等，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用，旨在闡明全部蛋白質(zhì)的表達(dá)及功能模式。而代謝組學(xué)是轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的下游，代謝組分的變化是機(jī)體對遺傳、環(huán)境或是疾病影響的最終應(yīng)答反應(yīng)。生物學(xué)反應(yīng)往往不是單一因素引起的，而是基因、mRNAs、蛋白質(zhì)和代謝物等多種因素共同作用的結(jié)果。因此，整合不同平臺的組學(xué)數(shù)據(jù)成為必要的工作。

曾卓穎[47]運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等分析方法探討納米二氧化硅染毒對HaCaT細(xì)胞膜蛋白表達(dá)水平的影響，首先使用膜蛋白提取試劑盒提取HaCaT細(xì)胞的膜蛋白，后采用納升液相色譜-基質(zhì)輔助激光解析飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(nano-LC-MALDI-TOF-MS)鑒定HaCaT細(xì)胞膜蛋白，確定該方法測定膜蛋白的有效性。隨后，用不同濃度的15 nm的二氧化硅對HaCaT細(xì)胞進(jìn)行染毒處理，觀察細(xì)胞活力水平和細(xì)胞形態(tài)，確定蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)的染毒濃度。使用膜蛋白提取試劑盒提取染毒組和對照組的膜蛋白，用熒光差異雙向凝膠電泳(2D-DIGE)分析納米二氧化硅暴露前后膜蛋白質(zhì)組成的變化情況。最后，運(yùn)用生物信息學(xué)分析鑒定差異表達(dá)的膜蛋白的亞細(xì)胞定位和蛋白功能。該研究發(fā)展了一種有效可行的提取HaCaT細(xì)胞膜蛋白的方法，可用于膜蛋白質(zhì)組學(xué)研究；使用熒光差異雙向凝膠電泳(2D-DIGE)-基質(zhì)輔助激光解析飛行時間質(zhì)譜分析(MALDI-TOF-MS)聯(lián)用技術(shù)成功地鑒定出差異表達(dá)膜蛋白。由此可以推測，基于質(zhì)譜(MS)的蛋白質(zhì)組學(xué)分析方法可以更好地識別出所需蛋白。

柳志剛[48]運(yùn)用核磁共振、熒光定量PCR檢測等技術(shù)來研究不同表面修飾的金納米棒對A549及16HBE細(xì)胞代謝的影響。首先運(yùn)用核磁共振、氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)檢測相關(guān)代謝產(chǎn)物，然后為了驗(yàn)證一些關(guān)鍵代謝物的變化，特別是與氧化應(yīng)激、生物膜轉(zhuǎn)化和己糖胺途徑相關(guān)的代謝通路，并使用熒光定量PCR檢測了控制這些代謝反應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄水平。研究結(jié)果表明，GCLC、GSS和GSR基因在金棒處理的A549細(xì)胞中出現(xiàn)上調(diào)，這3個基因編碼谷胱甘肽(GSH)合成代謝途徑中的酶，這說明，細(xì)胞為應(yīng)對金納米棒產(chǎn)生的氧化應(yīng)激，提高了GSH這種抗氧化物質(zhì)的含量。同時，CHKA基因在金納米棒處理后出現(xiàn)變化，CHKA基因編碼CDP-膽堿代謝通路的第一個酶——膽堿激酶。該酶催化膽堿生成磷酸膽堿，它的變化表明金納米棒可能影響膽堿生物膜代謝。另外，控制己糖胺途徑限速酶即谷氨酞胺果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)移酶的基因GFPTI在16HBE細(xì)胞中出現(xiàn)下調(diào)，這與金納米棒處理后氨基己糖途徑的終產(chǎn)物水平降低相一致包括UDP半乳糖胺、UDP葡萄糖醛酸和UDP-葡萄糖。并且，OGT基因水平的下調(diào)，也與己糖胺通路的下調(diào)一致。由此可見，代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的聯(lián)合運(yùn)用，可以驗(yàn)證關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的變化，即利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)來驗(yàn)證代謝組學(xué)的結(jié)果。

雖然，目前多組學(xué)整合研究已經(jīng)成為一種組學(xué)發(fā)展的新趨勢，但其在量子點(diǎn)毒性研究中的運(yùn)用仍面臨著較大挑戰(zhàn)，相關(guān)研究也十分稀缺。當(dāng)前的量子點(diǎn)毒性研究基本都是基于單一的組學(xué)或者是其他組學(xué)的聯(lián)合運(yùn)用，比如蛋白質(zhì)組學(xué)與基因組學(xué)的聯(lián)合運(yùn)用。因此，如何將代謝組學(xué)與其他組學(xué)聯(lián)合運(yùn)用于量子點(diǎn)的毒性研究是未來努力探索的方向。

5 總結(jié)與展望(Conclusion and perspective)

作為量子點(diǎn)毒性研究中的一種新的組學(xué)技術(shù)，與傳統(tǒng)的研究個體身體形態(tài)、身體素質(zhì)、單個元素或化學(xué)指標(biāo)對量子點(diǎn)的響應(yīng)等研究方法相比，通過圖譜研究生命變化的代謝組學(xué)更加精確、更加科學(xué)。代謝組學(xué)的特異性生物標(biāo)志物在評價毒性或預(yù)測毒性方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性，為量子點(diǎn)毒性研究提供了新的思路和技術(shù)，也提高了毒理學(xué)研究的準(zhǔn)確度。但即使如此，代謝組學(xué)仍然還有許多基礎(chǔ)工作有待完善。

圖1 多組學(xué)聯(lián)合分析在量子點(diǎn)毒性研究中的應(yīng)用Fig. 1 The application of multi-omics combination analysis on the toxicity study of quantum dots

對于量子點(diǎn)毒性研究，代謝組學(xué)是一個潛在的途徑，用于識別各種生物體的新型解毒機(jī)制。此外，它還可以用來識別其他組學(xué)技術(shù)所忽略的代謝途徑的變化。細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和mRNA水平的變化不一定轉(zhuǎn)化為代謝途徑的變化，在代謝不穩(wěn)定的狀態(tài)下不能檢測到上述兩者的相關(guān)變化。代謝組學(xué)可提供其他技術(shù)不可獲得的信息。另外，代謝組學(xué)還可提供下游分析的目標(biāo)途徑。然而，盡管代謝組學(xué)作為一個獨(dú)立的領(lǐng)域正在發(fā)展，而且已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在著重大的挑戰(zhàn)。從技術(shù)上講，代謝組學(xué)是苛刻的。這主要是由于代謝組中存在豐富的化學(xué)多樣性以及快速的代謝產(chǎn)物周轉(zhuǎn)，這也導(dǎo)致其重復(fù)性較差。盡管如此，代謝組學(xué)仍然具有巨大的潛力，可以為量子點(diǎn)毒性研究和其他領(lǐng)域提供新的重要信息。通過良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計、有效的分析方法和與其他組學(xué)方法的整合，代謝組學(xué)可提供更加豐富的信息。