Phenome中心追求黄金

安迪·埃文斯将为您带来英国研究人员如何将奥运反兴奋剂设施改造成世界领先的设施，以了解新陈代谢、化学物质和健康之间的联系

每天我们都把有价值的信息冲下马桶。尿液揭示人体内部活动的能力至少在500年前就被首次认识到，当时医生们用尿液的颜色、气味甚至味道来诊断疾病。今天，尿液的力量可能是最常见的体育作弊测试，例如在2012年伦敦夏季奥运会。这是因为它是科学家可以用来获取代谢产物(代谢反应中产生的小分子)信息丰富的物质之一。现在，这些数据将揭示我们的基因和环境之间的相互作用是如何影响健康的，因为伦敦奥运会使用的药物检测设施成为首个国家级的现象学中心．

分析化学，包括核磁共振波谱学和色谱耦合质谱法，将为该中心提供动力，该中心位于伦敦帝国理工学院的汉默史密斯医院。结合多元统计分析和模式识别-包括中心主任开创的方法杰里米·尼科尔森的团队，他们已经提供了有益的医学见解。但现在，科学家们必须实现Phenome中心每年检查10万个样本的目标，帮助识别更多的疾病生物标志物，以实现新的诊断工具和个性化药物。

建立Phenome中心的想法在尼克尔森的脑海中萦绕了多年，数百万英镑的仪器费用让他感到沮丧。然后,奥运会反兴奋剂实验室成立在英国制药公司葛兰素史克的帮助下，由伦敦国王学院运营。在现有的环境健康合作伙伴关系的基础上，尼克尔森与国王学院的研究人员合作，为这些设施提出了“壮观”的持续遗产。尼克尔森说:“遗留下来的是接近法医标准的高通量分析。”目前没有其他实验室有这样的人员流动率和质量。”

由于大部分设备成本已经列出，科学家们估计，再花1000万英镑就能建成一个最终能够自给自足的中心。令尼科尔森满意的是国家卫生保健研究所(NIHR)是英国国家医疗服务体系的一部分医学研究委员会(MRC)认为这一出价“壮观”，足以支持。可以说是代谢组学领域的一部分，它测量和绘制通常低于1000 Da的组织和细胞生物化学物，MRC-NIHR Phenome中心的名字反映了它更广泛的关注(见下面的“了解你的ome”框)。尼克尔森解释说:“单个细胞代谢组是生理学和生物化学综合活动的快照结果。”“表型更广泛地反映了基因、环境和生活方式如何相遇和相互作用的结果，以及这些相互作用在生化和物理方面的表达。”另一个不同之处在于，我们包括了外源性化学物质，比如药物和污染物，也就是所谓的暴露物。”

了解自己

代谢组:生物样品中不断变化的小分子代谢物的完整集合。

代谢组学:分析生物样品组成，以鉴定代谢物并确定其浓度。

表型:由基因和环境相互作用而产生的生物体可观察到的特征或特征。

现象学:所有表型性状的总和。“表型组”中心将分析的“表型组”将是体内的代谢组加上来自外部来源的化合物。

Phenomics:研究现象如何变化以响应基因突变和环境影响。通常是指使用多种技术收集单个生物体的表型数据。

制药公司的新产品

代谢组学建立在尼克尔森和他的帝国理工学院同事所开发的精确定位区分生物反应的代谢物的方法之上约翰Lindon20多年前。林登在惠康研究实验室(Wellcome Research Laboratories)的团队为这些早期实验提供了技术诀窍和计算能力。惠康研究实验室是合并后成立GSK的公司之一。林登回忆说:“我们发表了第一篇使用核磁共振和模式识别来根据模型药物毒性对大鼠尿液样本进行分类的论文。”

人们希望这将是一种按钮式技术

如今，这些方法有助于在整个人群中发现糖尿病和癌症等疾病的风险因素，这是Phenome中心的目标。类似的分析技术也在伦敦圣玛丽医院的一个独立的临床表型中心跟踪个体的“患者旅程”。¹林登说，这包括研究可以预测人们健康状况如何变化的生物标志物。他补充说:“在患者表型研究过程中，我们试图对患者进行分层，以便他们根据我们希望找到的预后标志物获得最佳治疗。”

总部位于纽约的百时美施贵宝(Bristol-Myers Squibb)制药公司的研究员唐·罗伯逊(Don Robertson)指出，威康等制药公司对代谢组学的兴趣很早就开始了。制药公司希望生物标记能够在药物发现过程的早期显示药物的作用，以及它是否有毒以及为什么有毒。这后来促使尼克尔森的帝国团队与五家制药公司合作，罗伯逊也参与其中。这个程序，被称为彗星他试图开发一种可以预测毒性的系统。²

如今，代谢组学在药物发现方面的早期热情已有所缓和。罗伯逊说:“人们曾希望这将成为一种按钮式技术:按下一个按钮，一个生物标志物就会跳出来。”“但你仍然需要一个懂生物化学的人。我认为，当他们看到这一点时，许多公司减少了他们的参与。罗伯逊认为，虽然COMET系统达到了其主要目标，但由于同样的原因，它在工业界几乎没有获得什么吸引力。“我们实现了我们想要的吗?”没有，但我们学到了很多关于技术以及如何使用它的知识。”

母亲、情人、伴侣?

通过分析35000个样本来研究COMET大鼠现象中的生物标志物，帝国理工学院团队目前的工作也得以开展。根据帝国理工学院的伊恩·威尔逊(Ian Wilson)的说法，发现能说明问题的生物标志物将是Phenome中心的早期工作重点。这首先需要“非靶向”代谢组学策略，利用各种分析方法，平衡低浓度敏感性和检测可靠性。

威尔逊说:“打个比方，核磁共振就像你的母亲:通常不敏感，但通常不会对你撒谎。”“光谱中的峰值意味着化合物在那里;如果没有峰值，它就不会以可检测的浓度存在。质谱，因为需要化合物电离来实现检测，更像一个情人:它一直在说谎，但说的是你想听的谎言。换句话说，化合物可能以高浓度存在，但未被检测到，峰值大本身并不意味着存在大量代谢物。但因为它显示了如此多的峰值，你相信你看到了一切。你必须了解它的局限性，这样你就能知道它什么时候在说谎，并能弥补它，把LCMS从恋人转变为伴侣。”

因此，在非靶向研究中，尿液样本将通过至少3次NMR和6次LCMS分析来全面覆盖代谢物。然后，在描述了反映所研究条件的“代谢表型”代谢物集之后，科学家们可以转向更有针对性的方法。威尔逊说:“也许我发现两组人的饮食差异在分子上的影响是由胆汁酸或磷脂引起的。”“我现在会使用一种非常可靠的分析方法来量化这些组中的胆汁酸或磷脂，忽略代谢组的其他部分。”“这意味着质谱仪从更适合分析更大范围分子的四极飞行时间(QTOF)切换到提供可靠定量测量的三重四极。”

苏珊·萨姆纳他强调了这种分析方法的优点。她解释说，它可以潜在地检测到许多以前未识别的表型化学物质，并适用于从血液到粪便等非侵入性样本来源。Sumner将通过领导在该国建立的三个区域综合代谢组学资源核心(RCMRCs)之一，帮助美国研究人员从这些能力中受益。

得到美国的支持美国国立卫生研究院Sumner说，计划中还有“两到三个”rcmrc，总投资将达到6000万美元(3690万英镑)。她说，我们希望建立代谢组学的国家标准。“我们还希望提高国家代谢组学分析和数据分析服务能力，并利用这些方法促进转化研究的合作。”“能力建设很重要，因为许多研究小组只做了大约100个样本的小规模研究。改进设施将有助于将研究成果转化为实际应用。Sumner强调:“我们必须建立这些中心来进行更大规模的研究。”

现象回归

MRC-NIHR Phenome中心的挑战来自一个更高级的点。在他们迄今为止最大规模的人类研究中，叫做INTERMAP，帝国理工大学的研究小组分析了近5000名患者的两份样本，以调查饮食如何影响血压。^3.Phenome中心希望从年产25000个样本开始，每个样本都要经过3到10个分析程序。该公司计划在第一年年底将样本量增加到每年5万辆，在第二年年底增加到10万辆。此外，该中心还将举办代谢组学分析方法方面的雄心勃勃的培训项目。一旦最初五年的资金用完，其他为这些能力买单的组织将支持该中心。

这需要奥运会反兴奋剂实验室的14台仪器(超高效液相色谱-质谱仪;UPLC-MS)的功能超出了它们原来的、非常有针对性的角色。因此，Nicholson和他的同事们与色谱设备供应商Waters合作，将QTOF光谱仪添加到他们原来的三重四分之一的能力，并进一步增加了四个UPLC-MS系统。尼克尔森说:“作为战略联盟的一部分，我们将不断升级仪器，沃特斯在这方面投入了大量的开发工作。”与布鲁克类似的安排将提供三个相同的600MHz核磁共振光谱仪。两家公司将共同向该中心提供2000万英镑的实物捐助。

但这一进展已经受到了暂时的打击，运行成本迫使意料之外的搬家原来的奥林匹克实验室就在这里。Phenome中心在汉默史密斯医院(Hammersmith Hospital)定制设计的替代实验室花费了三个月时间和100万英镑，由帝国理工自费。尼克尔森说:“令人欣慰的是，这种方法在科学和医学上都要好得多。”

这一切意味着什么?

林登说，当该中心开始产生数据时，理解这一切将是一个重大挑战。他说:“生物标记物鉴定仍然是主要的瓶颈。”研究人员可以只寻找他们知道光谱性质的分子，但他们永远不会用这种方法找到新的生物标志物。然而，那些可能成为新型生物标志物的神秘分子很难被识别。为了简化这项任务，帝国理工学院的研究人员采用了一种叫做统计全相关光谱的技术。⁴林登解释说:“在核磁共振光谱中，单个分子的峰值之间的强度比总是相同的。”“在一组光谱中，你要寻找峰值强度的相关性，看看哪些峰值来自同一分子。”然后，我们还可以将核磁共振和质谱之间的峰值交联起来，从两者中获取结构信息，从而构建出它的图像。”

一旦被发现，生物标记物可以帮助医生对患者进行“分层”，并告诉制药公司他们的药物对哪些人最有效。林登说，这种轰动一时的药物想法在未来是行不通的。“制药公司将在‘代谢增强’临床试验中进行分层用药，为试验选择合适的患者，监测和预测每个患者的反应。”

这种重磅药物的想法在未来是行不通的

罗伯逊说，百时美施贵宝目前正在临床试验中使用代谢组学，这将迅速消耗资源。他说，这将这项技术的重要性提升到了一个新的高度。他强调，该公司致力于在其药物发现过程中使用代谢组学，从寻找生物标志物到研究基因敲除试验动物的整个表型。

例如，当罗伯逊和他的同事在两项单独的研究中发现一些对照组大鼠的尿液光谱变化时，代谢组学显示了它的力量。他说:“如果你把受感染大鼠的核磁共振谱与正常大鼠的核磁共振谱叠加起来，就会发现它们有很大的不同。”由于制药公司需要仔细记录，他们发现一个大鼠群的肠道细菌与供应商提供的所有其他大鼠群完全不同。⁵罗伯逊说:“我们很容易就能把它确定在这家特殊机构的这个特定房间里。”

发现之旅

威尔逊强调，Phenome中心也必须采用这种谨慎的追踪方法。威尔逊说:“我们将努力向那些向我们提供宝贵样本的人证明，他们获得了高质量的数据，这些数据可以从日常生活中重复使用。”我们打算在该领域设立最高标准，并在其他地方提高质量。

Sumner说，使结果可重复也是NIH项目的核心，特别是记录分析如何运行和解释的元数据。她说:“仍然会使用各种方法，但报告和存储数据将是标准化的。”“如果我的色谱方法和伊恩·威尔逊的不一样，那也没关系，只要我们都了解各自使用的所有参数和数据处理。”

尼克尔森强调，在Phenome中心平行安装相同的设备可以使标准化更加顺利。然而，一旦生物标志物被发现，更简单的技术可以监测它们如何影响患者的健康。因此，尽管代谢组学可能会为医院带来更多的核磁共振和色谱工具，但它们不应该成为开发它的先决条件。尼克尔森说:“我们正在努力创造一种芯片实验室或试纸设备。”“你需要一个大的中心和高级仪器来进行发现，但不一定是在你发现了它们之后。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家