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代谢组学主要考察生物体系受扰动(环境因素、遗传因素等)条件下的代谢物种类及数量上的变化情况,是系统生物学的重要组成部分。从研究内容而言,代谢组学可分为代谢指纹分析和代谢足迹分析,其中代谢足迹分析(Metabolic footprinting analysis)考察生物体细胞外介质代谢组特征,通过分析组织细胞对环境/培养基中营养物的消耗以及代谢物分泌情况,可实时动态无损监控其代谢特征,对生物标志物(Biomarker)的发现和确认具有重要意义。本研究建立了基于LC-MS代谢组学技术的细胞氨基酸代谢足迹分析方法,并以肺癌和支气管上皮细胞为生物模型,获得其氨基酸代谢轮廓特征差异。研究首先基于高分辨质谱技术对肺癌细胞和非肿瘤对照细胞——支气管上皮细胞的细胞外液进行非靶向代谢组学分析,通过检测样本中的小分子代谢物(相对分子量≤1000Da),结合主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘法(OPLS-DA)和分层聚类分析(HCA)等化学计量学及模式识别手段,采用多标准评价(VIP排序、Pearson相关常数及Jack-Knife置信区间等参数)对差异代谢物进行鉴定和解释,结果提示肺癌细胞和对照细胞的脂代谢和氨基酸/多肽代谢产物表现出明显差异。基于课题组分子细胞生物学前期研究结果并结合肿瘤氨基酸代谢相关文献调研,我们采用靶向代谢组学手段对肺癌细胞和支气管上皮细胞的细胞外液进行了氨基酸代谢足迹分析。为避免基质中待测物干扰,实验有针对性地开发并建立了氨基酸替代分析物法,将待测氨基酸对应的稳定性同位素作为替代分析物加入到正常的生物基质中建立标准曲线,从而更加准确地定量检测细胞培养液中的多种氨基酸;此外,方法采用亲水作用色谱(HILIC),避免采用传统氨基酸检测方法中所需的衍生化试剂和离子对试剂,大大简化了样品前处理步骤,缩短了分析时间并提高了检测灵敏度。方法学验证结果表明此方法表现出较好的准确度(91.54%≤RE≤114.31%)、重复性(0.87%≤RSD≤14.48%)和较高的回收率(Recovery≥75.35%)。应用该方法对肺癌细胞予以检测,主成分组学分析(PCA)结果提示生长48、72小时后肺癌细胞与对照细胞之间氨基酸代谢足迹出现明显差异,前者对于精氨酸的需求量明显增加,达5-9倍;同时肺癌细胞消耗而对照释放谷氨酰胺。综上所述,本研究建立了基于LC-MS代谢组学技术的细胞氨基酸代谢足迹分析方法,并以肺癌和支气管上皮细胞为生物模型,获得其氨基酸代谢轮廓特征差异,为肿瘤氨基酸代谢研究和生物标志物的发现提供方法学技术手段和实验线索。