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精神分裂症是一种重性精神病，目前其病因未明确，可能由多种因素共同导致。全球约有5亿人口患有不同程度的精神障碍，在全世界范围内，精神疾病已经成为重大的公共卫生和社会问题。奥氮平(OLZ)在临床上是治疗精神分裂症的一线用药，具有严重的代谢副作用:如泌乳素增加、体重增加、嗜睡、血脂异常和胰岛素抵抗等，目前对精神分裂症的发病机理及OLZ在体内的作用机制不清楚。因此临床上亟需解决OLZ的疗效评价问题，为其精准用药和个体化预后提供技术支持。药物代谢组学在疾病的个体化治疗与药物安全性评价等方面具有十分重要的应用，可以监测疾病进展和药物治疗过程中的代谢改变，研究疾病发病分子机制、药物药效机制和毒性机制;预测药物治疗预后效果;监测药物不良反应。根据以上结果，可以及时调整治疗方案，实现早期精准治疗和干预，提高医疗资源利用效率。
针对精神类疾病和精神类药物在体内作用特点，本研究采用二维超高效液相色谱与高分辨串联质谱联用(2D LC-HRMS/MS)技术，建立了一种靶向神经递质(NTs)定量分析和非靶向轮廓分析同时进行的代谢组学分析方法，实现了血液样本中强极性神经递质类代谢物高分离度、强专属性和高准确度的同步靶向定量与非靶向代谢组学轮廓分析。进一步采用上述代谢组学方法和脂质组学方法，深入分析服用OLZ前后的健康人和SD大鼠血浆样本，获取药物干预后体内整体代谢轮廓的差异变化;同时利用本课题组自主研发的常压敞开式空气动力辅助解吸电喷雾离子化一质谱成像技术(Air-Flow-Assisted Desorption Electrospray Ionization-Mass Spectrometry Imaging，AFADESI-MSI)，进一步开展了OLZ的空间分辨的药物代谢组学研究，获得药物在整体动物体内各器官和脑中微区的分布信息，并重点考察了药物干预后大鼠脑不同微区与作用机制相关的神经递质类物质分布及变化特征，分别从微区分布特征、差异代谢物和关键紊乱代谢途径等多个层面表征其代谢变化，呈现OLZ在体内和中枢神经系统中药物效应的分子表型，从空间代谢网络的角度解释OLZ的可能作用机制。
本论文的研究内容主要包括以下三个部分:
1.基于UPLC-HRMS对神经递质定量与非靶向代谢组学同步分析方法研究
近年关于精神分裂症及其治疗药物的代谢组学研究多采用非靶向代谢组学方法，其目标是尽量囊括体内所有内源性小分子化合物。目前只有少数报道是基于靶向代谢组学分析方法的研究，并且其所关注化合物多局限于氨基酸类化合物，较少关注神经递质代谢、脂肪酸代谢、能量代谢等机体重要的代谢网络。为获得准确、全面的奥氮平药物代谢组学信息，基于精神分裂症作用机制假说:Dopaminehypothesis、Glutamichypothesis、Serotoninhypothesis，本研究采用2DLC-HRMS/MS技术，开展了同步靶向NTs定量与非靶向代谢组学分析方法研究。以全扫描(Full MS)与目标选择离子监测扫描(tSIM)相结合的数据采集模式，尽可能不丢失低含量或离子强度低的代谢物，同时全面获取代谢物的靶向定量与非靶向相对定量的信息。进一步对方法学进行考察，结果表明本方法符合生物样品分析要求，具有良好的灵敏度、可靠性，精密度和稳定性，其中线性关系和准确度良好，能够满足靶向代谢组学研究的要求。本方法结合了非靶向代谢组学和靶向代谢组学分析的优势，弥补了两者的缺点，实现了针对同一份生物样本的单针分析，可同步采集靶向定量与非靶向数据，提高了代谢组学研究方法的敏感性、全面性、可靠性和针对性，能最大程度地利用有限的生物学样本来挖掘代谢组信息。
2.基于HPLC-HRMS代谢组学的奥氮平药物体内效应研究
采用上述建立的代谢组学分析方法，开展了健康人和SD大鼠服用OLZ前后血浆生物样本的药物代谢组学研究。通过靶向定量分析，发现药物干预后，色氨酸、5-羟基色氨酸、5-羟色胺、5-羟基吲哚乙酸、谷氨酸、谷氨酰胺、1-3，4-二羟基苯丙氨酸和氨基丁酸明显下调，而酪氨酸明显上调。提示OLZ可能促进5-羟基色氨酸的下游两相结合代谢，可能抑制酪氨酸羟化酶的活性，减少多巴胺的合成;并可能增加氨基丁酸转氨酶的活性。结合非靶向代谢组学分析，筛选了41个差异代谢物，这些代谢物对给药前后分组有很大的贡献，34个在给药后上调，7个下调，发生紊乱的差异代谢通路主要包括:丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢、谷氨酰胺和谷氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、色氨酸代谢、甘油磷脂代谢、酪氨酸代谢、鞘脂代谢、氨酰基-tRNA生物合成和氮代谢等多种代谢途径。脂质组学分析结果表明，药物干预后45个差异脂类代谢物发生显著变化，其中9个上调，36个下调，包括17个甘油磷脂、16个鞘磷脂、10个甘油磷脂、1个脂肪酰基、1个甾醇脂质。其中几种二酰基甘油酯和三酰基甘油酯的含量增加，这可能与OLZ的副作用肥胖和体重增加有关，揭示OLZ副作用的可能分子机制。
3.基于质谱成像代谢组学的奥氮平药物体内效应研究
本研究采用AFADESI-MSI技术，对SD大鼠脑组织和整体动物样本进行了OLZ给药的空间分辨代谢组学分析，旨在发现OLZ药物引起的生物体内代谢变化，寻找与其作用密切相关的代谢调控网络及其时空变化。建立了SD大鼠空白对照组和给药模型组，分别在给药前0h和给药后20min、50min、3h、12h时间点收集脑组织及整体动物样本;对脑组织与整体动物中OLZ及其代谢产物和内源性代谢物进行原位可视化，考察其体内各器官的分布和内源性代谢物的轮廓变化;重点关注神经递质类物质经OLZ干预后在组织微区中的时空变化信息。在给药20min后，OLZ的含量在脑、心、肝、脾、肺、肾中均有较高分布。随着给药后50min，OLZ在脑部中仍有较高含量的分布，这进一步说明OLZ的药物效应的主要靶器官是脑。神经递质类物质腺苷在海马区的分布含量最高，并随着给药时间逐渐增加。乙酰胆碱在大脑皮层区分布明显。组胺在脑中有特异性分布，主要分布在纹状体区和丘脑区，在给药20min后在纹状体区的含量逐渐下降，在丘脑区的含量逐渐升高。谷氨酸、谷氨酰胺、犬尿氨酸在脑部各微区中均有分布。奥氮平原位药物代谢组学研究发现，药物干预后发生紊乱的差异代谢通路主要包括:丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢，精氨酸和脯氨酸代谢，柠檬酸循环(三羧酸循环)，嘌呤代谢，鞘脂类代谢，甘油磷脂代谢，酪氨酸代谢，淀粉和蔗糖的代谢等多种代谢途径。这些结果表明，AFADESI-MSI技术可以探究药物干预后引起的生物体内代谢变化，实现药物在靶器官组织中的效应小分子检测与成像分析，通过分子信息挖掘药物在组织不同微区的作用差异性。
针对精神类疾病和精神类药物在体内作用特点，本研究采用二维超高效液相色谱与高分辨串联质谱联用(2D LC-HRMS/MS)技术，建立了一种靶向神经递质(NTs)定量分析和非靶向轮廓分析同时进行的代谢组学分析方法，实现了血液样本中强极性神经递质类代谢物高分离度、强专属性和高准确度的同步靶向定量与非靶向代谢组学轮廓分析。进一步采用上述代谢组学方法和脂质组学方法，深入分析服用OLZ前后的健康人和SD大鼠血浆样本，获取药物干预后体内整体代谢轮廓的差异变化;同时利用本课题组自主研发的常压敞开式空气动力辅助解吸电喷雾离子化一质谱成像技术(Air-Flow-Assisted Desorption Electrospray Ionization-Mass Spectrometry Imaging，AFADESI-MSI)，进一步开展了OLZ的空间分辨的药物代谢组学研究，获得药物在整体动物体内各器官和脑中微区的分布信息，并重点考察了药物干预后大鼠脑不同微区与作用机制相关的神经递质类物质分布及变化特征，分别从微区分布特征、差异代谢物和关键紊乱代谢途径等多个层面表征其代谢变化，呈现OLZ在体内和中枢神经系统中药物效应的分子表型，从空间代谢网络的角度解释OLZ的可能作用机制。
本论文的研究内容主要包括以下三个部分:
1.基于UPLC-HRMS对神经递质定量与非靶向代谢组学同步分析方法研究
近年关于精神分裂症及其治疗药物的代谢组学研究多采用非靶向代谢组学方法，其目标是尽量囊括体内所有内源性小分子化合物。目前只有少数报道是基于靶向代谢组学分析方法的研究，并且其所关注化合物多局限于氨基酸类化合物，较少关注神经递质代谢、脂肪酸代谢、能量代谢等机体重要的代谢网络。为获得准确、全面的奥氮平药物代谢组学信息，基于精神分裂症作用机制假说:Dopaminehypothesis、Glutamichypothesis、Serotoninhypothesis，本研究采用2DLC-HRMS/MS技术，开展了同步靶向NTs定量与非靶向代谢组学分析方法研究。以全扫描(Full MS)与目标选择离子监测扫描(tSIM)相结合的数据采集模式，尽可能不丢失低含量或离子强度低的代谢物，同时全面获取代谢物的靶向定量与非靶向相对定量的信息。进一步对方法学进行考察，结果表明本方法符合生物样品分析要求，具有良好的灵敏度、可靠性，精密度和稳定性，其中线性关系和准确度良好，能够满足靶向代谢组学研究的要求。本方法结合了非靶向代谢组学和靶向代谢组学分析的优势，弥补了两者的缺点，实现了针对同一份生物样本的单针分析，可同步采集靶向定量与非靶向数据，提高了代谢组学研究方法的敏感性、全面性、可靠性和针对性，能最大程度地利用有限的生物学样本来挖掘代谢组信息。
2.基于HPLC-HRMS代谢组学的奥氮平药物体内效应研究
采用上述建立的代谢组学分析方法，开展了健康人和SD大鼠服用OLZ前后血浆生物样本的药物代谢组学研究。通过靶向定量分析，发现药物干预后，色氨酸、5-羟基色氨酸、5-羟色胺、5-羟基吲哚乙酸、谷氨酸、谷氨酰胺、1-3，4-二羟基苯丙氨酸和氨基丁酸明显下调，而酪氨酸明显上调。提示OLZ可能促进5-羟基色氨酸的下游两相结合代谢，可能抑制酪氨酸羟化酶的活性，减少多巴胺的合成;并可能增加氨基丁酸转氨酶的活性。结合非靶向代谢组学分析，筛选了41个差异代谢物，这些代谢物对给药前后分组有很大的贡献，34个在给药后上调，7个下调，发生紊乱的差异代谢通路主要包括:丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢、谷氨酰胺和谷氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、色氨酸代谢、甘油磷脂代谢、酪氨酸代谢、鞘脂代谢、氨酰基-tRNA生物合成和氮代谢等多种代谢途径。脂质组学分析结果表明，药物干预后45个差异脂类代谢物发生显著变化，其中9个上调，36个下调，包括17个甘油磷脂、16个鞘磷脂、10个甘油磷脂、1个脂肪酰基、1个甾醇脂质。其中几种二酰基甘油酯和三酰基甘油酯的含量增加，这可能与OLZ的副作用肥胖和体重增加有关，揭示OLZ副作用的可能分子机制。
3.基于质谱成像代谢组学的奥氮平药物体内效应研究
本研究采用AFADESI-MSI技术，对SD大鼠脑组织和整体动物样本进行了OLZ给药的空间分辨代谢组学分析，旨在发现OLZ药物引起的生物体内代谢变化，寻找与其作用密切相关的代谢调控网络及其时空变化。建立了SD大鼠空白对照组和给药模型组，分别在给药前0h和给药后20min、50min、3h、12h时间点收集脑组织及整体动物样本;对脑组织与整体动物中OLZ及其代谢产物和内源性代谢物进行原位可视化，考察其体内各器官的分布和内源性代谢物的轮廓变化;重点关注神经递质类物质经OLZ干预后在组织微区中的时空变化信息。在给药20min后，OLZ的含量在脑、心、肝、脾、肺、肾中均有较高分布。随着给药后50min，OLZ在脑部中仍有较高含量的分布，这进一步说明OLZ的药物效应的主要靶器官是脑。神经递质类物质腺苷在海马区的分布含量最高，并随着给药时间逐渐增加。乙酰胆碱在大脑皮层区分布明显。组胺在脑中有特异性分布，主要分布在纹状体区和丘脑区，在给药20min后在纹状体区的含量逐渐下降，在丘脑区的含量逐渐升高。谷氨酸、谷氨酰胺、犬尿氨酸在脑部各微区中均有分布。奥氮平原位药物代谢组学研究发现，药物干预后发生紊乱的差异代谢通路主要包括:丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢，精氨酸和脯氨酸代谢，柠檬酸循环(三羧酸循环)，嘌呤代谢，鞘脂类代谢，甘油磷脂代谢，酪氨酸代谢，淀粉和蔗糖的代谢等多种代谢途径。这些结果表明，AFADESI-MSI技术可以探究药物干预后引起的生物体内代谢变化，实现药物在靶器官组织中的效应小分子检测与成像分析，通过分子信息挖掘药物在组织不同微区的作用差异性。