基于GC-MS代谢组学的肝脏毒理研究及数据处理方法

论文摘要

代谢组学（Metabonomics）是一门系统研究代谢物在外界刺激或遗传修饰下机体代谢应答的改变及其随时间变化规律的学科,旨在揭示有机体生命活动的代谢本质。代谢组学往往需要了解和分析十分复杂的和同时产生的系统代谢物轮廓的信息,以反应生物体在外源物质、环境及遗传改变时生理状态的变化。本论文构建了基于GC-MS代谢组学分析技术,以及合适的数据处理、模式识别以及统计学习的方法,应用于四氯化碳（CCl4）肝损模型、水飞蓟宾的肝保护实验的肝组织匀浆和血浆代谢物谱分析,以及HBV病人血清的代谢物谱分析:一、本论文构建了小鼠肝组织匀浆和血浆样本的GC-MS代谢组学分析方法,并将该分析方法应用于CCl4肝损模型。本文提出了一种简单实用的GC-MS代谢组分析峰排列算法,并提出了将模式识别技术（主成分分析（PCA）与偏最小二乘判别分析（PLS-DA））与代谢物相关性同时进行分析的数据处理思路。同时,所应用的GC-MS分析方法学考察表明该方法具有较好的实验精密度、线性和稳定性。随着CCl4损伤的进行,小鼠肝组织中苹果酸、延胡索酸,以及四种脂肪酸的含量上升。CCl4染毒的血浆生物学效应表现在谷氨酸、柠檬酸、丝氨酸和苏氨酸的含量上升,以及磷酸甘油、DHA、棕榈酸和油酸的含量下降。这些变化都与小鼠体内生理状况的改变密切相关。二、基于对CCl4肝损模型的认识,本文继续探究了水飞蓟宾的肝保护作用机理。使用正交偏最小二乘判别分析法研究正常组与CCl4模型组之间的代谢物谱差异,并通过变量重要性投影（VIP）选取肝组织与血浆中各12种标志性代谢物。使用主成分分析法研究水飞蓟宾预防性及治疗性给药对CCl4肝损的干预效果。结果表明,水飞蓟宾能有效缓解CCl4所造成的体内线粒体功能及氨基酸代谢紊乱,但是对脂类代谢紊乱干预有限。三、以HBV肝衰竭疾病为研究对象,运用GC/MS分析患者血清代谢物谱的化学组成。据此进行K近邻（KNN）法,以及模糊支持向量机（FSVM）方法进行统计学习建模。建模使用5-fold交叉验证法,结合穷举搜索（ES）的思想,试图寻找具有较优预测效果的生物标记物。经过T-检验对数据进行初筛选后,对47样本19特征的3类分类数据集进行统计学习。获得一个9特征的预测正确率为89.36%的KNN-ES建模结果,以及一个6特征正确率93.62%的FSVM-ES建模结果。发现血清中的甘油酸以及柠檬酸具有很好的分类预测能力,可以作为潜在的生物标记。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 第一章 绪论
• 1.1 代谢组学及其应用
• 1.1.1 代谢组学的概念
• 1.1.2 代谢组学的应用领域
• 1.1.3 代谢组学的分析技术
• 1.1.4 代谢组学的数据处理方法
• 1.2 肝脏毒理学研究价值及临床应用
• 1.2.1 中毒性肝损伤（肝衰竭）
• 1.2.2 代谢组学技术应用于肝脏毒理研究
• 1.3 本论文立论依据和研究内容
• 参考文献
• 第二章 氧化应激下小鼠急性肝衰竭的代谢组学研究
• 2.1引言
• 2.2 实验方法描述
• 2.3 实验与仪器
• 2.3.1 仪器与试剂
• 2.3.2 动物实验
• 2.3.3 GC-MS分析
• 2.4 数据分析方法
• 2.4.1 模式识别算法简述
• 2.4.2 峰挑选与排列
• 2.4.3 代谢组数据的模式识别
• 2.4.4 相关性分析
• 2.5 代谢物鉴定
• 2.6 结果与讨论
• 2.6.1 方法学考察
• 2.6.2 代谢物谱分析与物质鉴定
• 2.6.3 代谢物相关性分析
• 2.6.4 肝组织匀浆代谢物谱数据处理
• 2.6.5 肝组织匀浆代谢物含量的改变
• 4染毒对肝组织的影响'>2.6.6 CCl₄染毒对肝组织的影响
• 2.6.7 血浆代谢物谱分析
• 2.6.8 血浆代谢物谱数据处理
• 2.6.9 回归分析研究小鼠血浆代谢物变化
• 4染毒对血浆代谢物谱的影响'>2.6.10 CCl₄染毒对血浆代谢物谱的影响
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 4致小鼠急性肝损的保护作用研究'>第三章 水飞蓟素对CCl₄致小鼠急性肝损的保护作用研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 动物实验与样本收集
• 3.2.3 样本预处理与GC-MS分析
• 3.2.4 数据处理
• 3.2.5 代谢物鉴定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 GC-MS代谢物谱分析
• 4染毒小鼠代谢物谱差异'>3.3.2 常和CCl₄染毒小鼠代谢物谱差异
• 3.3.3 表征代谢物谱差异的生物标记物
• 4致小鼠肝损的防治作用'>3.3.4 水飞蓟宾对CCl₄致小鼠肝损的防治作用
• 3.4 本章小节
• 参考文献
• 第四章 基于统计学习建模的HBV肝毒代谢组学数据处理方法
• 4.1 引言
• 4.2 实验与方法
• 4.2.1 血清样本收集
• 4.2.2 质谱数据获取
• 4.2.3 数据处理方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 特征筛选与预处理
• 4.3.2 KNN/SVM方法寻找代谢标记物
• 4.3.3 HBV代谢物谱分析生物靶标
• 4.4 本章小节
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 基于GC-MS技术的代谢组学研究方法
• 4诱导肝损机理探索'>5.1.2 CCl₄诱导肝损机理探索
• 5.1.3 水飞蓟宾肝保护作用研究
• 5.1.4 代谢组学方法肝病诊断临床应用
• 5.2 展望
• 5.2.1 基于质谱代谢组学分析方法学
• 5.2.2 组学中的数据处理方法改进
• 5.2.3 肝毒性与肝保护作用研究
• 5.2.4 代谢组学的临床应用
• 作者简历