什么是代谢流？
代谢流是利用稳定同位素示踪技术析下游代谢产物的同位素标记模式，从而推算出该化合物在代谢通路中的流向和分布；通过对生物体进行代谢流分析，可得到生物体特定代谢通路的活跃程度。
常规代谢组学检测的是静态的代谢物浓度，但是静态的含量有时候不能完全说明问题，打比方说：街道上的车流量会随着车辆密度的增加而增加，直到交通拥堵，但这个时候道路上高密度的车辆（类比静态代谢物浓度）并不能说明高的车流量（图1）。同样，在新陈代谢中，代谢物的积累可能是由于产量的增加，也可能是由于消费量的减少。

代谢流能帮我们解决什么问题？

代谢流可以帮助人们解决代谢物从哪里来到哪里去的问题，相关的研究成果频繁登上高分杂志，仅过去一年时间，CELL杂志上运用到Isotope labeling & Metabolic flux的文章就有数十篇。

(1) 疾病研究领域：细胞能量来源、疾病代谢状态异质性、药物引起的代谢变化等。
如：将13C乳酸注入人非小细胞肺癌患者，发现TCA循环代谢物被广泛标记。并在小鼠中，证实了肿瘤细胞可以自主摄取乳酸。

(2) 生物工程领域：改造靶点鉴定和途径优化、发酵工艺的优化等。
如：应用13C- metabolic flux analysis (13C-MFA)技术，对甘油在大肠杆菌生物转化为乙酰乙酸过程中的瓶颈进行了研究，建立数学模型，获得了flux map，确定了NADPH再生工程化是一个有前途的靶点，充足的NADPH供应对乙酰乙酸生产至关重要。

基于质谱的代谢流分析流程和原理

完整的代谢流分析流程一般包括：稳定同位素标记样本的制备、色谱-质谱检测、标记和非标记代谢物定量、天然同位素丰度矫正和计算标记特征等几个步骤：

 

1）稳定同位素标记

根据实验目的选择合适的稳定同位素标记底物，通过置换标记培养基或者注入动物体内来实现下游代谢物的标记，后达到代谢稳态。如 [U-¹³C]glucose 可流入中心碳代谢途径（EMP/TCA/PPP）及其分支途径；[U-¹³C]glutamine 可流入 TCA 循环、谷氨酰胺和谷氨酸代谢、脂肪酸合成途径；[1,2-¹³C]glucose 可用于区分糖酵解途径和戊糖磷酸途径；[U-¹³C]lactate 可流入糖异生途径……

另外样本收集的时候要通过快速淬灭代谢酶来获得更准确的实验结果，一般可以通过液氮速冻或者快速加入低温预冷的挥发性有机溶剂来实现。

2）LC-MS 检测

通过靶向代谢组学方法，同时检测代谢物的非标记形式（M+0）和标记形式（M+n）来表征代谢的标记状态。针对目标代谢物的理化性质选择合适的检测方案有助于提高检测的灵敏度。

3）天然同位素矫正

天然稳定同位素也会造成较高的质量数。例如，测量得到的 M+1，有可能是 1 个碳原子被 ¹³C  标记，也有可能是 1 个氢原子被 ²H  标记，或者 1 个氧原子被 ¹⁷O 标记的所有可能情况的丰度总和。因此需要对数据矫正元素的天然同位素丰度，以获得真实的质量分布向量即 Corrected MDV（MDV 的解释见下文）。

4）计算标记特征 MDV／MID

质量分布向量 (mass distribution vector，MDV) 也叫做质量同位素分布向量 (mass isotopomer distribution vector, MID vector) ，描述的是标记模式下代谢物的每个同位素分布的比例，如下图所示，不同同位素标记形式（M+1，M+2…）反映了通过不同代谢途径得到的产物量，通过计算 MID 可以帮助比较不同代谢通路的活性。
 

Sarah-Maria Fendt etal., Current Opinion in Biotechnology, 2015

02 代谢流应用方向

03 中科新生命代谢流解决方案

中科新生命可提供完善的代谢流检测服务：
 

04 中科新生命代谢流技术优势

●深度覆盖：常见代谢流通路中代谢物覆盖全面
●高灵敏度：优质色谱-质谱方法平台保证检测灵敏度
●软著支持：数据分析成熟稳定且有软著支持
●快速交付：最快 18 工作日交付
●适用性广：支持细胞、组织、血、菌等多类型样本
●可定制方案：支持个性化定制标记底物；支持流量模型计算（需另行评估）

05 项目流程