Metabolic analysis as a driver for discovery, diagnosis, and therapy
简介¶
人类和其他生物体中的许多表型都涉及代谢的重新编程。与疾病相关的代谢扰动可以是固定的（例如，由生殖系突变决定的）或可逆的（例如，营养缺乏、暂时的组织缺氧），并且可能涉及特定细胞类型的简单缺陷或系统稳态的复杂改变。发达国家的大多数常见死亡原因——心脏病、中风、糖尿病、癌症等——都以代谢变化为特征，这些变化会导致组织功能障碍。代谢在基本细胞过程中的重要性以及基因组中大量用于代谢网络的部分解释了为什么代谢改变在疾病中如此突出。
这些联系使得识别与表型变异相关的代谢特征变得具有吸引力。最近的进展使得详细描述与疾病相关的代谢改变成为可能。这涉及将新兴技术应用于代谢研究，并重新利用如稳定同位素追踪等成熟技术来探查与疾病相关的代谢扰动。这些努力产生了新的治疗靶点和对代谢疾病机制基础的新见解。一个例子涉及具有异柠檬酸脱氢酶 -1 或 -2（IDH1，IDH2）突变的人类癌症。IDH1 和 IDH2 的癌症相关突变发生在胶质瘤和其他恶性肿瘤中。代谢组学分析揭示，突变的 IDH1 和 IDH2 将α- 酮戊二酸转化为 D-2- 羟基戊二酸（D-2HG），导致这种通常稀有的代谢物大量积累。D-2HG 干扰使用α- 酮戊二酸作为共底物的组蛋白和 DNA 去甲基化酶，并且未能激活分化所需的基因表达程序，被认为在 IDH 突变细胞中促进恶性肿瘤的发生。现在可以临床上跟踪 D-2HG 水平以追踪疾病进展，并使用抑制突变酶的药物来治疗白血病。因此，发现与疾病相关的代谢改变提供了对病理生理学的见解并改变了临床护理。
本综述旨在为生物学家提供代谢学中最近方法学进展的概述，重点介绍四种与人类疾病特别相关且有潜力在未来十年内推动许多新发现的方法。我们还讨论了需要解决的挑战，以推动下一波突破的产生。
进展 1：小规模代谢组学以评估离散、生物学重要的细胞亚群中的代谢物水平¶
对整体组织的代谢组学研究为疾病中的代谢扰动提供了丰富的知识。然而，从单细胞 RNA 研究中可以看出，理解复杂微环境中单个细胞的代谢对于理解病理发生至关重要。这一点很重要有四个原因。首先，同一组织中的不同细胞类型具有专门的代谢特性。大脑中神经元和星形胶质细胞之间的代谢分隔是这一概念的一个例子。其次，细胞在微环境中的位置影响它们的代谢。例如，在肝小叶内分隔的代谢流量，以及血液供应的接近度对肿瘤中癌细胞代谢的影响。第三，一些稀有细胞，例如干细胞和祖细胞，被认为在代谢上与组织的其余部分不同，但几乎不可能从整体分析中推断其代谢活动。第四，即使在单个细胞内，代谢也在细胞器和其他结构中进行分隔，以实现精确调节。最近的进展解决了小规模评估代谢的挑战。
单细胞和稀有细胞群¶
鉴于传统的代谢组学方法需要 105–106 个细胞，小规模代谢组学是由表征稀有细胞群的需要驱动的。稀有细胞可以通过流式细胞术在低温下快速富集，直接排序到提取介质中，然后进行质谱分析，在造血干细胞和循环肿瘤细胞中可检测到多达 160 种代谢物。这种方法揭示了许多代谢物在 12 分钟制备过程中的惊人稳定性，并表明当黑色素瘤细胞进入循环系统时，嘌呤单磷酸盐会耗尽，可能反映了逃离肿瘤后遇到的应激反应。
代谢组学可以与敏感的代谢流量测量相结合，包括使用超极化核磁共振（NMR）的同位素追踪。这提供了代谢物周转的定量速率的洞察。最近的工作表明，这可以在少至 9000 个细胞中提供流量测量，并在与微线圈系统结合时应用于流动分选的癌症干细胞研究。
除了直接的代谢物测量外，其他分析方法可以提供关于代谢网络的信息，有时可以达到单细胞分辨率。单细胞 RNA 测序可以确定复杂组织中与代谢相关的基因水平。蛋白质组学方法如时间飞行质谱（CyTOF）可以更丰富地理解免疫细胞群中的代谢异质性。其他工作利用光学方法使用 FRET 传感器定量代谢物如氨基酸和氧化还原辅因子。结合活细胞成像，这提供了关于代谢特征如何与细胞生物学相关的实时信息。这些方法需要细胞工程，通常不适合高通量筛选。传统的光学成像（例如，双光子显微镜）对内源性代谢物提供了一种“无探针”策略，可以用于检测氧化还原辅因子如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸。尽管这些方法需要进一步发展，但将它们与快速发展的空间质谱成像（MSI）方法结合起来可以有助于在小规模应用中评估实时流量。
空间分辨的代谢¶
分离提供了一种富集感兴趣细胞的方法，但消除了在组织内空间映射代谢物的能力。在过去的 10 年里，开发了多种方法来解决这一需求。利用现代质谱系统的灵敏度提高，许多成像方法被串联起来以光栅扫描并生成空间代谢组学数据。基质辅助激光解析电离（MALDI）已成为最广泛使用的空间质谱方法，通常通过将样品切片至 5–10 微米厚度并将切片放置在移动平台上，其中以光栅化方式记录质谱以重建三维数据集（二维空间和一维光谱）。空间分辨率（50–100 微米）仍然限制了真正的单细胞分析。对于培养中的细胞和组织切片应用，开发了推测单细胞测量的有趣方法（例如，SpaceM），这是进一步发展的关键领域。
使用 MALDI 的空间分辨 MSI 在评估正常大脑功能和疾病中的新陈代谢方面起到了重要作用。在令人惊讶地发现葡萄糖胺构成小鼠大脑中糖原的显著部分后，MALDI MSI 揭示了糖原分解缺陷导致 N- 连接糖基的糖原积累和耗竭。在遗传小鼠鳞状细胞癌模型中，MALDI MSI 提供了含有增加的谷胱甘肽丰富性的 CD34+ 细胞亚群的证据，这些细胞在体内赋予了抗氧化应激和肿瘤形成潜力。MALDI MSI 已推进到同位素追踪，最近的研究标注了小鼠大脑区域中的代谢物标记。鉴于这些实验的静态性质，推断真正的代谢流量仍然具有挑战性，但现在可以在同一区域进行大量比较。
代谢流量由细胞内不同隔室中的底物和辅因子浓度驱动。尽管空间 MSI 方法的圣杯将是亚微米分辨率，以评估细胞内不同隔室，但这目前是不可能的。然而，已经开发出中间方法并被证明是信息丰富的。在“拉下”感兴趣细胞的方法上，多个研究小组利用免疫纯化来富集细胞器进行代谢分析。线粒体免疫纯化（MITO IP）量化线粒体内代谢物的丰度。使用离心等技术进行常规、耗时的线粒体富集所带来的假象被 MITO IP 使用的快速（不到 15 分钟）免疫纯化方法最小化。线粒体代谢组学有助于发现谷胱甘肽和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的线粒体转运蛋白。该技术已扩展到溶酶体和过氧化物酶体。这些方法需要大量细胞（例如，10^7 个细胞），尽管有可能通过一些在稀有细胞应用中使用的高灵敏度质谱方法来改进这一点。
总之，本文讨论的方法通过使探索离散细胞群和细胞亚室的代谢特征成为可能，提高了我们对代谢的理解。这些研究的概念性进展是，尽管在整体组织上进行代谢分析具有不可否认的效用，但通过允许研究人员专注于复杂环境中的代谢独特区域的先进技术，一些关键的代谢方面才得以观察。
进展 2：开放式技术识别新的代谢调控机制¶
构成代谢网络的反应已经被人们了解了几十年。然而，关于如何建立上下文依赖的代谢需求的问题仍然存在。筛选方法在代谢研究中变得越来越普遍，这些方法的开放性产生了许多非直观的发现。本节讨论两种筛选技术：优化以探查代谢的功能基因组学和旨在识别代谢脆弱性的化学库筛选。
功能基因组学¶
大量的“代谢”基因——人类中有超过 2000 个——意味着彻底分析需要高通量方法。哺乳动物细胞功能基因组学技术允许研究人员以无偏见的方式识别代谢脆弱性，而无需预先假设哪些途径最重要。一个早期的例子使用了一个针对代谢酶和转运蛋白的慢病毒短发夹 RNA 库。该库在乳腺癌细胞中表达；然后将这些细胞在小鼠中进行原位植入。肿瘤形成后，进行大规模平行测序，揭示编码磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）的基因在此模型中对肿瘤生长是必需的。PHGDH 所在的基因组区域在超过一半的雌激素受体阴性乳腺癌和其他一些癌症中扩增。PHGDH 催化丝氨酸和甘氨酸的从头合成中的一个反应，这些中间体有助于癌细胞的生长。许多后续研究探索了 PHGDH 在癌症中的重要性，包括最近发现大脑微环境中的丝氨酸匮乏增加了对 PHGDH 的依赖，使得脑转移对 PHGDH 抑制敏感。
使用 CRISPR 的筛选已被用来识别许多代谢负担，有时解决了细胞生物学中的长期难题。尽管电子传递链（ETC）通过氧化磷酸化（OxPhos）支持许多代谢功能，但如果提供外源丙酮酸，ETC 缺陷细胞可以增殖。为什么在这些情况下丙酮酸如此重要一直令人困惑。在含有针对约 3000 个代谢基因的向导 RNA（gRNA）的 Jurkat 细胞中进行的 CRISPR 筛选揭示，产生天冬氨酸的细胞质谷氨酸 - 草酰乙酸转氨酶（GOT1）在 OxPhos 抑制期间变得必需。当缺乏丙酮酸时，天冬氨酸水平下降，但外源天冬氨酸补偿了丙酮酸耗竭或 GOT1 缺乏。这导致了一个令人惊讶的结论，即在增殖细胞中 ETC 的主要功能是产生天冬氨酸而不是能量。丙酮酸作为电子受体，最终使得草酰乙酸用于转氨作用。后续研究揭示，肿瘤的缺氧区域含有不足以支持细胞生长的天冬氨酸水平。类似的筛选识别了产生致命毒素诱导的氧化应激的酶和新的氧化还原稳态机制。所有这些发现都依赖于功能基因组学提供的代谢依赖性的无偏全局评估。
图 1 高通量筛选以识别细胞应对代谢应激的机制 (A) 此处，导向 RNA (gRNA) 库诱导对代谢基因的功能丧失突变。将该库引入培养的细胞中，产生混合群体。细胞在存在或不存在代谢应激的条件下生长，测序识别在应激下丰度发生选择性变化的 gRNA。在这个例子中，几个 gRNA 在标准培养过程中被耗尽（丢失）。这些 gRNA 靶向在标准条件下生长所需的基因。蓝色细胞数量增加（增益），因为这些细胞中的 gRNA 靶向一个抑制生长的基因。在暴露于代谢应激的细胞中出现不同的分布，用虚线框突出显示，只有在应激下某些 gRNA 丢失（紫色）或增益（绿色）。 (B) 细胞使用红色途径产生生长所需的代谢物 M5。该途径还产生轻微有毒的 M6。紫色途径在常规培养中是可有可无的，但当营养水平增加时，例如 E1 突变或被抑制剂阻断时，可以产生 M5。类似于 (A) 中的 CRISPR 筛选会生成如右图所示的结果。
肿瘤微环境 (TME) 影响代谢，因此在体内生长所需的许多酶在培养中是可有可无的，反之亦然。两项最近的研究比较了在培养和小鼠中进行的胰腺导管腺癌 (PDAC) 细胞的平行筛选的负担。在引入库后，这些细胞被允许在培养中增殖或皮下移植到免疫健全的小鼠体内形成肿瘤。令人惊讶的是，在体内生长期间的许多负担在培养中也观察到了。然而，其他途径在体内生长中是选择性需要的。在这些途径中，血红素生物合成被两组检测到，表明血红素的可用性限制了 PDAC 细胞在体内的生长，但在培养中则不受影响。
使用小分子调节代谢¶
目前存在几百种针对代谢酶和营养物质转运蛋白的抑制剂，作为工具化合物或在某些情况下作为临床药物。富集这些抑制剂的化学库已被用来识别合成致死的相互作用，揭示代谢在细胞响应其他过程阻断中的意外作用。例如，这种化学筛选方法揭示了谷胱甘肽耗竭与去泛素化酶抑制在乳腺癌中协同作用，可能反映了去泛素化在缓解氧化应激期间错误折叠蛋白积累中的重要性。抑制烟酰胺磷酸核糖转移酶 (NAMPT) 是 NAD+ 再生途径中的一种酶，使三阴性乳腺癌细胞对 B 细胞白血病/淋巴瘤 -2 同源域 (BH3) 模拟物诱导的凋亡敏感。NAMPT 抑制引起的 NAD+ 耗竭降低了腺嘌呤水平，并使细胞对凋亡产生敏感。
代谢物与酶的变构位点结合，这是调节途径活性的常见机制。虽然已经知道许多这样的相互作用，但一种无偏见的方法来搜索代谢物 - 蛋白质相互作用可能会发现新的调控模式。一种最近的方法使用平衡透析和质谱检测可以与纯化蛋白质结合的库中的代谢物。筛选 33 种蛋白质发现了数百种相互作用，并通过包含代谢物和蛋白质的原子分辨率共晶结构解析了几个新的调控位点。在其中一种相互作用中，发现长链酰基辅酶 A 结合乳酸脱氢酶 A (LDHA) 并在低微摩尔浓度下抑制其活性。这些发现暗示了一种在 LDHA 水平上乳酸和脂肪酸代谢之间的新调控模式。由这种筛选测定发现的许多其他蛋白质 - 代谢物相互作用有待进一步探索。
这些遗传和化学筛选方法在过去十年的主要概念进展是，它们能够在没有关于相互作用和负担的先验假设的情况下，详细、有效地查询代谢网络。在这些无偏见的筛选中，成功的标准是它们能够产生不会纯粹从现有知识中得出的发现。上述的发现展示了无偏见筛选如何丰富我们对代谢的理解。
进展 3：结合基因组学和代谢组学以了解代谢变异和疾病的遗传基础¶
异质群体包含大量的代谢异质性，其中许多是基因定义的，有些与疾病相关。识别导致代谢异质性的基因组变异并将其与疾病联系起来一直是一个长期的挑战。测量一些关键代谢物是代谢病工作中的长期组成部分。然而，最近在基因组学和代谢组学方面的分析进展使得能够对代谢变异的遗传基础进行整体和综合评估成为可能。本节描述了这一领域的概念和实际进展。
小鼠和人类代谢的遗传修饰因子¶
近交小鼠在定义代谢表型的基础方面起到了重要作用。然而，这些品系在个体之间缺乏基因组和代谢异质性，因此具有特定的用途。为了利用小鼠作为理解代谢遗传决定因素的模型系统，将代表常用实验室小鼠中大部分遗传多样性的八个近交品系进行杂交，创建了多样性杂交 (DO) 库。个体 DO 小鼠之间存在数百万个单核苷酸多态性（SNP），使得可以使用遗传学来识别与代谢特征相关的变异。超过 300 只 DO 小鼠被表型化，以获得超过 3000 种血浆脂质组学特征。脂质丰度随后被映射到基因组中的数量性状位点，揭示了许多脂质种类的来源并识别了新的调控方面。在另一项研究中，DO 小鼠的胰岛在体外分析了它们对分泌激动剂的胰岛素释放能力，揭示了几个导致胰岛素分泌变异的位点。
类似的方法已在人类中使用，利用跨人群的自然变异，结合全基因组关联研究和代谢组学。这些努力表明，编码代谢酶的基因中的多态性占了健康人血浆中代谢物丰度自然变异的很大一部分。许多影响在代谢物丰度之外表现为表型沉默，但一些基因型 - 代谢物关联涉及以前与冠状动脉疾病、高血压和糖尿病等常见多因素疾病相关的基因。
达拉斯心脏研究 (DHS) 是一个大型多种族人群基础的概率样本，20 年来一直使用深度代谢表型和全基因组关联研究来检测导致疾病相关代谢扰动的变异。这一方法导致发现了编码前蛋白转化酶枯草杆菌蛋白酶/枯草菌素 9 型 (PCSK9) 的基因中的功能丧失变异与降低血浆低密度脂蛋白水平和冠心病保护相关。这一发现促进了 PCSK9 抑制剂的发展，这些抑制剂现在用于治疗难治性高胆固醇血症。另一个 DHS 的进展是发现了编码含磷脂酶样域蛋白 3 (PNPLA3) 的基因中的变异与肝脏脂肪含量和肝炎症相关，这是非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 的标志。这一发现引发了数百项研究，调查 PNPLA3 与肝脏脂肪之间的机制联系，以及如何通过靶向 PNPLA3 来开发 NAFLD 疗法。
罕见人类疾病中的代谢组学¶
随着全外显子组测序和全基因组测序（WES，WGS）在临床上诊断孟德尔疾病的应用，代谢组学越来越多地用于表征罕见人类表型。WES 和 WGS 在检测潜在致病基因组变异方面无可匹敌。然而，序列优先方法的一个挑战是解释意义不明的变异——即序列变异与共识不同，但其对基因功能的影响未知。在这种情况下，代谢组学提供了深度表型的有用维度。临床生化实验室对先天性代谢异常的常规工作重点是几打代谢物，但现代代谢组学可以一次报告数百种代谢物。这使得可以在具有非特异性表型的患者中观察到罕见的代谢异常模式，并将这些与 WES/WGS 发现的罕见基因组变异联系起来。
图 2 整合代谢组学和基因组学以识别代谢异常的分子基础
广泛的代谢组学分析为全外显子组和全基因组测序提供了一种正交方法，适用于那些表型使得难以确定责任基因或途径的患者。当不确定意义的序列变异与相关途径中的代谢异常同时出现时，这特别有价值，从而增加了这些序列变异改变基因功能的信心。在所示情景中，外显子组/基因组测序显示患者在编码酶 E2 的基因中存在不确定意义的变异。在患者的血液中，E2 上游代谢物 M1 和 M2 的积累以及 E2 下游代谢物 M3 的减少暗示该变异削弱了 E2 的功能。可以通过在细胞和小鼠中进行直接测试 E2 变异影响的实验，并识别其他具有相同代谢组 - 基因组发现的患者来验证这一假设。
在一个最近的例子中，我们观察到血浆代谢异常的模式，这些异常难以归因于任何单一酶的缺陷。全外显子组测序 (WES) 揭示了 LIPT1 的变异，LIPT1 编码添加共价结合辅因子到几种 2- 酮酸脱氢酶的脂酰基转移酶。然后，代谢组学异常的模式很容易识别为依赖于脂酰化的酶的组合缺陷，并在患者来源的细胞中通过功能测定得到确认。基于血浆代谢组学分析的代谢组辅助途径筛选 (MAPS) 是一种临床诊断测试，被设想为 WES/WGS 的伴侣。在一系列 170 名患者中，既进行了 WES 也进行了 MAPS，代谢组学数据在超过 40% 的病例中有助于解释基因组变异。确认序列变异的代谢效应（或缺乏效应）具有诊断价值，因为它有助于解释未来具有未解释表型的患者中的这些变异。
新生儿筛查通过检测所有婴儿的诊断生物标志物（通常是代谢物）来识别可治疗的先天性错误和其他疾病的无症状患者。因为这些计划涵盖的大多数疾病具有遗传基础，所以将 DNA 分析与常规代谢物检测的诊断产率进行比较是合理的。对超过 1000 名代谢异常新生儿的样本重新分析发现，生化分析作为单独测试在敏感性和特异性方面均优于测序。DNA 分析的缺乏敏感性主要是由于缺乏可以通过 WES 检测到的变异患者，这是个问题，因为新生儿筛查的目标是识别每个符合治疗条件的婴儿。对已知先天性错误的患者进行代谢组学分析有助于发现适合新生儿筛查的新生物标志物。这在可治疗但未包含在新生儿筛查中的疾病以及未来可能变得可治疗的疾病中非常有用。
总的来说，这些结合基因组学和代谢组学的例子提供了对遗传代谢异质性的基础的洞察，在某些情况下还引发了对常见代谢疾病（如血脂异常）的新疗法的开发。在罕见单基因疾病的情况下，广泛的代谢组学分析提高了临床基因组学的实用性，提供了一个深度表型维度，阐明了基因组变异的意义。
进展 4：转化代谢成像¶
尽管代谢机制可以在实验模型中很容易地被解读，但大多数分析方法是破坏性的或需要长时间的数据采集，限制了在患者中的可行性。新的体内代谢成像方法提供了一种利用这些代谢变化更好地理解人体生物学的方法。这些方法包括核医学（主要是正电子发射断层扫描 [PET]）和磁共振的方法，能够解析人体内的代谢流量。
用于代谢成像的放射性方法¶
历史上，PET 一直是探测人体代谢的标准。从最广泛使用的示踪剂 18F- 氟脱氧葡萄糖（FDG）开始，PET 扫描已被用来推断葡萄糖代谢的变化，特别是在肿瘤学和心脏病学中。尽管 PET 扫描所施用的放射剂量相当低，但它限制了在某个患者（特别是儿童）中使用的 PET 扫描次数。最近的工作开发了全身 PET 扫描仪（EXPLORER），提供了增强的灵敏度和 10 倍的放射剂量减少。信号强度的增加可以用来获取时间依赖性数据，而不是传统 PET 中积累离子计数的总和。此外，通过身体内的时间变化信号和改进的灵敏度，可以使用时间飞行（TOF）PET 成像更好地定位信号。由于放射性核素的定位是测量在 PET 探测器 180 度相距的重合光子的准确性的函数，TOF PET 成像利用了对光子检测时间（以皮秒为单位）的高度准确测量来提高定位。将这些进展结合起来，并用新的重建方法补充，EXPLORER 中的 TOF PET 有潜力在系统级别上适应广泛组织的动力学速率模型，提供全身测量的可能性。
FDG PET 检测放射性核素的摄取和保留，但在解析特定的代谢反应方面能力有限，导致其解释上的模糊性。FDG 在被己糖激酶磷酸化后“代谢捕获”，由于缺乏转变为果糖 -6- 磷酸（F6P）所需的 C2 羟基而不通过糖酵解继续代谢。这导致其积累为葡萄糖 -6- 磷酸（G6P），进一步代谢进入戊糖磷酸途径（PPP）或去磷酸化和外排。最近的工作集中于开发新的示踪剂，能够探测其他可能更特定的代谢反应（例如 18F- 谷氨酰胺，18F-FACBC 和 18F- 乙酸）。理解这些示踪剂如何积累是解释这些图像的关键。例如，18F- 谷氨酰胺不会代谢转变为其他产物，而是提供谷氨酰胺丰度的信息，而不是谷氨酰胺代谢。在谷氨酰胺酶抑制的情况下，18F- 谷氨酰胺在靶向抑制反应中积累，表明池大小增加。具有适当的背景，这样的读数可以用来提供体内扰动的代谢后果的信息，但关键是需要对探针的作用机制有全面的生化理解。
18F 类似物，尽管具有相当长的寿命，但受限于它们不表现为代谢反应天然底物的相同代谢。出于这个原因，13N 和 11C 类似物已被重新探索用于代谢成像研究。例如，11C 乙酸不仅可以提供关于脂肪酸代谢的信息，还可以提供关于乙酰化程度的信息，考虑到表观遗传学与代谢的联系，现在对此越来越感兴趣。此外，尽管这种方法尚未得到充分利用，但在特定位置的放射性同位素标记可以进一步提供流量选择的信息，以更好地解释代谢图像。例如，在乳酸的 C1 位置掺入 11C 在具有大乳酸池的组织中保留，但在产生丙酮酸并通过丙酮酸脱氢酶（PDH）代谢后，它会作为 11CO2 丢失，大大增加信号对乳酸池大小的权重。相比之下，在乳酸的 C3 位置掺入 11C 提供了一种将乳酸代谢引入三羧酸循环（TCA）的手段，因为该标签在 PDH 之后保留。这些方法有潜力在体内提供高灵敏度的代谢捕获，尽管它们的核半衰期可能是限制因素（13N t1/2 约为 10 分钟，11C t1/2 约为 20.3 分钟）。这使得这些示踪剂必须在现场进行放射合成成为必要。最终，位置很重要，并且需要复杂的化学方法来快速合成和纯化这些前体。
图 3 同位素选择性体内 PET 成像揭示差异代谢的手段
许多分子成像方法针对体内代谢注释。尽管放射性方法极其敏感，但它们无法区分特定代谢物。这可以通过使用同位素标记来克服，其中放射性核素位于分子内的不同位置，设计用于报告代谢活动的不同方面。在这个例子中，乳酸在 C3 位置（示踪剂 1，蓝色）或 C1 位置（示踪剂 2，橙色）用 11C 标记，以说明当 PDH 介导的脱羧反应发生时，11C1 信号的丢失，释放 11CO2。这将在同一患者的不同位置产生不同强度的 11C PET 图像，例如在疑似恶性病变的个别病灶中。蓝色病灶将具有最高强度，而橙色病灶的相对强度将反映通过 PDH 而不是总乳酸氧化进入 TCA 循环的通量百分比。
稳定同位素方法用于代谢成像¶
PET 方法提供高灵敏度，但特异性和空间定位相对较低。相比之下，MRI 提供了精确的空间分辨率和特异性，但缺乏定量代谢过程所需的灵敏度。近年来，几种 MR 方法应运而生，以应对研究人类代谢的日益增长的需求。稳定同位素追踪是一种多功能方法，可提供体内代谢活动的信息。最近使用稳定同位素标记的营养物质的努力揭示了疾病相关代谢活动的新方面，包括在小鼠肝脂生成中丝氨酸的意外作用以及在侵袭性人类肺肿瘤中乳酸作为燃料的使用。方便的是，用于追踪的同位素（2H、13C 和 15N）可通过 MRI 和磁共振波谱 (MRS) 检测。尽管这些追踪方法的灵敏度仍然有限，但在癌症和其他疾病环境中的工作已证明能够非侵入性地输注同位素标记的营养物质并追踪其代谢转化。例如，在大脑中，可以使用 13C- 乙酸盐和 13C- 葡萄糖等底物的通量来测量谷氨酰胺和谷氨酸的循环率。这可以进一步扩展到测量人类肝脏中的 TCA 循环通量和补充。2H 从 2H- 葡萄糖转移到 2H- 乳酸在人体脑肿瘤中，而 2H-glx（谷氨酰胺、谷氨酸和 GSH 的组合）在正常大脑中是更突出的产物。虽然这些方法提供了一种测量速率的方法，如传统的 MRS，但由于信噪比（SNR）低，它们在空间分辨率和数据获取时间方面仍然存在问题。将稳定同位素追踪与间接 1H MRS 检测相结合的最新方法可能能够在大脑的小视野中克服这一问题，尽管扩展到大脑以外的领域仍然极具挑战性。长扫描时间、运动伪影和场不均匀性会严重限制 SNR，并使这些方法在大视野中的应用具有挑战性。尽管这是一个新兴的代谢研究领域，但需要更多工作来开发克服这些限制所需的 MRI 检测线圈和脉冲序列。
迄今为止，使用同位素示踪剂进行原位代谢活动成像领域最令人兴奋的进展是超极化磁共振成像的发展。超极化是指目标核的自旋极化在给定磁场下大幅增加超过其玻尔兹曼状态。使用常规 MRI 系统检测这些超极化自旋，将信号增强数千倍。虽然现在有许多方法可以产生超极化核，但所有这些方法的最终目标是产生一种可以输注到活体系统中以测量酶促转化的超极化营养物质。最近的工作表明，这些方法可以用来追踪许多底物的代谢转化，包括葡萄糖、果糖、谷氨酰胺，最重要的是肿瘤中的丙酮酸。13C 在 C1 位置标记的丙酮酸已被证明能够揭示还原为乳酸和氧化为 CO2 以及进一步平衡为体内碳酸氢盐的通量，提供了在空间分辨率上可与放射性核素方法媲美的反应速率常数测量的潜力。最值得注意的是，13C 丙酮酸还原为乳酸已被证明与癌症等级相关，而氧化为碳酸氢盐提供了心脏功能的精细图，具有心脏病应用的潜力。其他方法正在翻译过程中，包括 13C 脱氢抗坏血酸以成像氧化应激和 13C 富马酸以评估坏死。HP MRI 的主要限制是底物及其在体内产物的寿命，目前在几分钟的量级，因此限制了可以探测的分子范围和可观察的反应动力学寿命。
总之，这些快速发展的核磁共振方法正在接近成熟。在过去的 10 年中，这些技术的真正突破为研究疾病的代谢维度提供了新的机会。使用氘 MRI 在大脑中进行的稳定同位素追踪提供了一种无需放射性即可注释糖酵解利用的方法。HP MRI 创建了一个平台，可以在体内测量到特定产物的通量，定义了致癌代谢物 2-HG 的来源，将改变的代谢通量与前列腺癌患者中 PTEN 的丧失联系起来，并揭示了 FOXM1 在乳腺癌中对 LDH 表达的控制。
未来发现的机会¶
基于定义人类代谢网络的发现遗产，上述技术和概念进展提供了对代谢与疾病之间界面的新见解。这些进展发生在各个尺度上，利用工具从亚细胞水平到人类群体研究代谢。未来在这些尺度上也有许多令人兴奋的发现机会，以下是其中的一些讨论。
将途径定位到如线粒体等膜包裹的细胞器是代谢调节的一个众所周知的组成部分。然而，人们越来越意识到，一些途径也与“代谢体”相关联，这些大分子复合物并未从细胞的其余部分隔离出来。以这种方式组织途径很有吸引力，因为它暗示了几种调节通量的方法。催化顺序反应的酶的紧密共定位可以促进底物通道化或通过消除中间体从一个酶扩散到下一个酶的需要来提高途径效率。翻译后修饰可以调节蛋白质的包含或排除到这些代谢体中，从而改变途径活性。例如，嘌呤体是从头嘌呤生物合成酶的生物分子凝聚体。它通过液 - 液相分离在培养细胞中形成，旨在促进代谢物通道化。我们不知道完整的功能哺乳动物代谢体，它们是如何调节的以匹配代谢供需，以及哪些（如果有的话）与疾病相关。对生物分子凝聚体和其他有助于代谢的亚细胞定位机制的研究可能会得到先进细胞成像方法的帮助，以评估活组织中的蛋白质定位和大分子结构，以及可以可视化代谢物分布的新细胞内传感器。
了解代谢在组织内的调节方式，特别是功能不同的细胞类型之间的代谢相互作用如何影响组织的整体性能，将需要更好地在原位解析代谢和正交特性。MALDI 和相关的 MSI 技术已经允许一些代谢特征在组织切片内进行定位，但在复杂组织中将特征分配给特定细胞类型仍然很困难。代谢 MSI 将受益于进一步的方法开发，以在同一样本中叠加几个空间分辨特征，实质上将转录组学、蛋白质组学、代谢组学，甚至同位素富集特征与高分辨率组织学数据多重化。原则上，这可以提供关于代谢的信息，可能在单细胞水平并分配给个别细胞类型。
最后，因为识别和量化代谢机制推动了我们对疾病的理解，在患者中定位代谢扰动是我们利用这些发现解决疾病的关键。临床代谢成像的快速进展已经开始，我们预计新的发展将使我们能够以前所未有的方式照亮途径。考虑到临床成像工具的互补性，例如代谢 MRI 和 PET，将这些模式与广泛的代谢探针融合使用可以提供系统代谢的整体视图。促进跨尺度的代谢调查，从细胞器到患者，有可能改变我们在代谢疾病中的研究、诊断和治疗方法。