肠道微生物代谢组学：靶向代谢和非靶向代谢服务介绍

代谢组学概述

代谢组学是研究生物体受刺激或扰动后内源性代谢物种类、数量及其变化规律的科学。

根据研究目标不同，分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学两大策略。

1. 靶向代谢组学

针对特定的某一个物质或某一类物质进行检测，通常以标准品为参照，对目标代谢物进行准确的定性定量分析。

特点：特异性强、灵敏度高、定量准确。

2. 非靶向代谢组学

不预先设定检测目标，采用全局性、无偏向的策略，尽可能多地检测生物样本中的小分子代谢物。

技术平台：通常使用高分辨质谱（如AB Sciex Triple TOF 6600、Thermo Q Exactive HF-X）。

定性定量方式：一级质谱（MS1）用于相对定量，二级质谱（MS/MS）结合数据库匹配用于定性。

靶向代谢组学20大产品汇总

以下为医学靶向代谢组学核心产品列表，涵盖定量方式、检测物质数及仪器平台：

总结：16个产品采用绝对定量（内标或外标），4个为相对定量（核酸修饰）。检测平台以LC-MS/MS为主（17个），3个使用GC-MS/MS。

3. 肠道菌常用的代谢组学

肠道菌群作为“第二基因组”，其代谢产物通过“肠-脑轴”、“肝-肠轴”等途径，影响宿主的生理功能和疾病状态。肠道菌群的主要代谢产物及功能：

短链脂肪酸 (SCFAs)： 由拟杆菌属、梭菌属等发酵膳食纤维产生。包括乙酸、丙酸、丁酸等。为结肠上皮细胞提供能量（占所需能量60-70%），增强肠道屏障，调节免疫，抑制炎症，甚至具有抗肿瘤作用。

胆汁酸 (Bile Acids)： 乳化脂肪促进吸收，通过FXR受体调节脂质代谢和昼夜节律，抑制肠道有害菌。

色氨酸 (Tryptophan) ： 肠道菌群可将其转化为吲哚及其衍生物（如IPA, IAA）。 激活芳香烃受体（AHR），调节免疫、血管生成及药物代谢；维持肠粘膜屏障完整性。

支链氨基酸 (BCAAs)： 与胰岛素抵抗和代谢综合征密切相关。

氧化三甲胺 (TMAO)： 高水平TMAO是心血管疾病（促进血小板聚集，增加心梗/中风风险）、认知障碍及肾病的潜在风险因子。

肠道菌群与疾病关联

代谢性疾病： 肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝。机制涉及能量 harvest（SCFAs）、胰岛素抵抗（BCAAs）及脂质代谢（胆汁酸）。

心血管疾病： TMAO是核心致病因子；SCFAs具有保护作用。

神经系统疾病： 帕金森、阿尔茨海默病、自闭症、焦虑。主要通过肠-脑轴（迷走神经、免疫、激素途径）调节神经递质（如5-HT, GABA）水平。

癌症： 肠道菌群代谢物影响肿瘤免疫微环境（如调节Treg细胞），影响化疗药物代谢（如吉西他滨）。

靶向代谢组重点产品详解

详细拆解了五大关键代谢通路的生物学意义，及其在疾病中的作用。

1. 能量代谢（80种物质）

能量代谢又称中心碳代谢，维持生命基本活动，包括糖酵解（EMP）、三羧酸循环（TCA）和磷酸戊糖途径（PPP）。

能量代谢的三大途径：

糖酵解
产生ATP、需氧/厌氧均可、发生在细胞质。
糖酵解是机体迅速获取能量的方式（虽然效率不如氧化磷酸化，但速度快）。
在缺氧情况下（如剧烈运动时的肌肉），它是获得能量的有效方式。
特定细胞的唯一/重要能源：
无线粒体细胞：如成熟红细胞，只能靠糖酵解供能。
高代谢活性细胞：如白细胞、骨髓细胞，即使在有氧环境下也高度依赖糖酵解。

TCA循环 (三羧酸循环 / 柠檬酸循环)
产生大量ATP、必须有氧参与、发生在线粒体。
最终氧化通路：是糖、脂肪、蛋白质三大营养物质彻底氧化分解的共同归宿。
代谢枢纽：连接三大营养物质的代谢，实现它们之间的相互转化。
提供原料：为其他物质（如氨基酸、血红素等）的合成提供小分子前体。
能量准备：产生还原当量（H+ + e-，即NADH和FADH2），为后续呼吸链产生大量ATP做准备。

磷酸戊糖途径
产生5-磷酸核糖和NADPH、需氧/厌氧均可、发生在细胞质。
合成核酸原料：生成5-磷酸核糖，这是合成DNA和RNA必不可少的成分（对生长旺盛的细胞尤为重要）。
提供还原力 (NADPH)：
生物合成：作为供氢体参与脂肪酸、胆固醇等合成代谢。
生物转化：参与体内的羟化反应（如肝脏解毒）。
抗氧化保护：维持谷胱甘肽(GSH)的还原状态，保护细胞膜免受氧化损伤（这对红细胞防止溶血尤为重要）。

能量代谢失调的相关疾病

2. 胆汁酸（82种物质）

肝脏由胆固醇合成的两性分子，促进脂肪消化吸收。绝大部分胆汁酸经由肝肠循环在小肠末端被重新吸收，约5%的胆汁酸将随粪便排出。

分类与转化：

初级胆汁酸： 肝脏以胆固醇合成（如胆酸CA、鹅脱氧胆酸CDCA）。

次级胆汁酸： 肠道细菌作用（如脱氧胆酸DCA、石胆酸LCA）。

结合型： 与甘氨酸或牛磺酸结合，增加溶解度和稳定性。

胆汁酸生理功能：

脂肪消化：乳化脂肪，促进其分解和吸收；

胆固醇代谢：帮助排泄胆固醇，维持其平衡；

抗菌作用：抑制肠道有害菌生长，维护肠道健康。

临床应用： 涉及消化内科（胃癌、肠癌、IBD）、肝病科（肝硬化、脂肪肝）、内分泌科（糖尿病、肥胖）及心血管疾病。

胆汁酸相关疾病

3. 色氨酸（38种物质）

色氨酸是8种必需氨基酸之一，因此必须在饮食中提供；色氨酸是唯一包含吲哚（即双环化合物）结构的氨基酸；在20种天然氨基酸中色氨酸分子质量最大；色氨酸是神经递质血清素、褪黑素和维生素B3的前体；

三大代谢分支：

血清素途径：

色氨酸经色氨酸羟化酶催化首先生成5-羟色氨酸，再经5-羟色氨酸脱羧酶催化成5-羟色胺（血管收缩素）。

5-羟色胺最早是从血清中发现的，又名血清素，广泛存在于哺乳动物组织中，特别在大脑皮层质及神经突触内含量很高，它也是一种抑制性神经递质。

功能：神经传递、神经保护，神经功能，大脑功能、脑-肠轴

犬尿氨酸途径 (KP)：

神经退行性疾病：喹啉酸在阿尔茨海默病(AD)斑块中积累，诱导神经退行性病变，而神经抑制性KP（犬尿氨酸途径）代谢物犬尿喹啉酸与精神分裂症的认知功能障碍有关。

感染性疾病：在丙型肝炎病毒感染患者中，KP活性的增加也与进行性肝硬化有关。在真菌感染下，IDO1可作为一种逃避机制，建立共栖或慢性感染。

自身免疫疾病：TDO的激活与IDO1催化相同的反应，通过抑制T细胞增殖、抑制肿瘤免疫浸润和抑制抗肿瘤免疫反应来影响免疫。

癌症：Trp代谢在癌症中发挥重要作用，通过抑制抗肿瘤免疫反应和增加癌细胞的恶性增殖来促进肿瘤进展。

吲哚途径：

代谢过程：肠道菌群能够将色氨酸转化为吲哚和吲哚衍生物，包括吲哚乳酸(ILA)和吲哚丙酸（ IPA ）等多种色氨酸代谢产物。果糖吸收障碍会导致肠道对色氨酸的吸收不正常、血液中色氨酸水平降低和抑郁症的发生；

功能：1. 吲哚乙醇、吲哚乙酸、吲哚丙酸具有抗氧化、抗炎的生物活性；2. AHR（芳香烃受体）的靶点可以调节多种生物过程，包括血管生成、造血、药物和脂质代谢、细胞运动和免疫调节，在发育、免疫和癌症等过程中都发挥着重要作用

色氨酸疾病关联：

免疫疾病：色氨酸代谢物减轻炎症和自身免疫性疾病；犬尿氨酸途径代谢物能够促进T细胞极化至抗炎T reg表型；•吲哚途径有助于肠粘膜屏障完整性，调控免疫细胞活性，T细胞、巨噬细胞、树突细胞等；

胃肠道疾病：微生物产生的T R P代谢物增强肠道屏障功能；

代谢性疾病肠道微生物TRP代谢物可预防MBS；

神经性疾病：肠道微生物群的T R P代谢物改变宿主神经递质池，5 - H T与多种精神疾病有关；•犬尿氨酸途径被认为是帕金森病（P D）发病机制的一部分；

肿瘤疾病：抑制抗肿瘤免疫反应促进肿瘤进展，并增加癌细胞的恶性特性； T r p降解在调节T r e g细胞和免疫细胞浸润癌症中的作用；

心血管疾病：吲哚及其代谢物促进动脉粥样硬化、动脉硬化、心衰等疾病发生发展；犬尿氨酸途径犬尿氨酸具有降血压功能

4. 短链脂肪酸（17种物质）

短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），也称挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs），根据碳链中碳原子的多少，把碳原子数为1-6的有机脂肪酸称为短链脂肪酸。

主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、己酸、异己酸、2-甲基丁酸。

90%SCFAs是由肠道难消化的碳水化合物（如膳食纤维），在结肠内经细菌发酵而产生， 余下部分则是由饮食摄入和蛋白质等代谢产生。

正常人体肠道每日可产生约50~100 mmol SCFAs，在结肠中乙酸、丙酸、丁酸占SCFAs总量的95%左右，三者比例大致为3:1:1。

短链脂肪酸生理作用：

1.提供能量：其所提供能量约占人体所需能量的5%~15%, 占正常结肠上皮细胞所需能量的60%~70%.其中丁酸含量占肠道SCFAs总量的85%, 为肠上皮细胞主要的能量来源

2.保护肠粘膜屏障：SCFAs可通过增加黏液层分泌、营养肠上皮细胞、增加紧密连接蛋白等增强肠机械屏障， 通过免疫调节作用增强肠免疫屏障， 还通过影响肠腔p H、电阻抗等影响肠化学屏障

3.调节免疫：SCFAs作用于单核吞噬细胞、淋巴细胞等免疫细胞， 通过影响炎症因子释放、免疫趋化反应、抑制免疫效应细胞增殖等参与肠道内免疫调节， 在肠道抵御致病菌中起重要作用

4.抗肿瘤作用：生理剂量的乙酸、丙酸、丁酸可抑制结直肠肿瘤细胞的生长增殖， 诱导肿瘤细胞分化及凋亡， 起到抗肿瘤作用

# 不同菌属的短链脂肪酸产物

拟杆菌属：乙酸、丁酸、琥珀酸

双歧杆菌属：甲酸、乙酸、乳酸

真杆菌属：乙酸、丁酸、乳酸

瘤胃球菌属 ：乙酸

消化链球菌属：乙酸、乳酸

梭菌属：乙酸、丙酸、丁酸、乳酸

链球菌属：乙酸、乳酸

疾病关联：改善自身免疫和过敏、预防IBD、调节肠脑轴、影响肥胖/T2D/心脏病、调节肿瘤进展。

短链脂肪酸相关疾病

5. 氨基酸（94种物质）

基于营养学的分类，依据人体（或动物）自身合成氨基酸的能力。以及是否必须通过食物摄取：

1. 必需氨基酸

机体自身不能合成，或者合成速度远不能满足机体需要，必需由食物供给的氨基酸。

包含种类（共8种）：缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。

(注：对于婴儿来说，组氨酸也是必需氨基酸，因此婴儿有9种)

记忆口诀：文档中提供了一个经典的谐音记忆法——“携一两本单色书来”（对应：缬、异、亮、苯、蛋、色、苏、赖）。

2. 半必需和条件必需氨基酸

人体虽然能合成，但在特定生理时期（如生长发育期、疾病恢复期、应激状态等）合成量不能满足正常的生理需要，需要通过食物额外补充的氨基酸。

包含种类：精氨酸：在体内合成速度较慢，特别是在婴幼儿期或创伤修复期往往供不应求。组氨酸：成人体内可以合成，但婴幼儿体内合成不足，需从食物中获取。

3. 非必需氨基酸

人体自身能够利用其他物质（如糖代谢中间产物）合成，不需要完全依赖食物直接供给的氨基酸。（注意：“非必需”并不代表它们不重要，而是指来源上非必须直接摄入）。

包含种类：包括甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸等。

基于化学结构的分类，根据氨基酸侧链（R基团）的化学结构特征来进行划分：

1. 脂肪族氨基酸

侧链具有脂肪族侧链官能团（即开链的碳氢结构）。

包含种类：中性氨基酸：如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸。酸性氨基酸：如谷氨酸、天冬氨酸。碱性氨基酸：如赖氨酸、精氨酸。

2. 芳香族氨基酸

侧链含有苯环结构（具有芳香性）。

包含种类：酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸（同时也属于杂环族，但在某些分类中因其吲哚环具有芳香性而被归入此类或单独讨论，此处文档将其归为杂环族，但苯丙氨酸和酪氨酸是典型的芳香族）。

3. 杂环族氨基酸

侧链含有环状结构，且环中除了碳原子外，还含有一个或多个杂原子（如氮、氧、硫等）。

包含种类：组氨酸（含有咪唑基）、色氨酸（含有吲哚基）、脯氨酸（含有吡咯烷环，属于亚氨基酸，有时也被归类于此或单独列出）

不同氨基酸的功能：

丙氨酸

• 促进酒精代谢：能够促进血液中酒精的分解，从而起到保护肝脏的作用。
• 风味物质：本身是一种甜味物质，常用于食品调味。

精氨酸

• 降低血氨：参与尿素循环，促进尿素生成，有助于降低血液中的氨含量（解氨毒）。
• 生殖与运动健康：能增加肌肉活力，并用于治疗精子减少症，对男性生殖健康有益。

天门冬氨酸

• 护肝与心血管：具有保护肝脏的功能，同时可用于治疗心绞痛及心肌梗死等心血管疾病。
• 风味增强：也是一种增加鲜味的物质。

胱氨酸

• 皮肤与毛发健康：主要用于治疗皮肤的损伤以及脱发问题。
• 肝脏健康：有助于治疗脂肪肝。

谷氨酸

• 解毒功能：参与体内的氨代谢，具有解氨毒的作用。
• 消化系统治疗：临床上常用于治疗胃溃疡、消化不良以及食欲不振等症状。

甘氨酸

• 慢性病防治：有助于防治高血压和糖尿病。
• 血液健康：具有防治血凝和血栓形成的作用。
• 风味物质：同样属于甜味物质。

组氨酸

• 造血与消化：能促进血液生成，并用于医治胃病及十二指肠疾病。
• 心脏功能：可用于治疗心功能不全。

异亮氨酸

• 精神与血液：可用于治疗精神障碍，并具有抗贫血的作用。
• 食欲调节：能够促进食欲。

赖氨酸

• 骨骼发育：能提高钙的吸收率，从而促进骨骼生长。
• 免疫与食欲：具有增强免疫能力和增加食欲的双重功效。

色氨酸

• 血液合成：促进血红蛋白的合成。
• 皮肤健康：用于防治癞皮病（烟酸缺乏症）。
• 风味物质：也是一种甜味物质。

蛋氨酸（甲硫氨酸）

• 心血管健康：有助于防治动脉硬化和高血脂症。
• 代谢调节：能提高肌肉活力，并促进胰岛素的合成。

酪氨酸

• 神经系统：用于防治老年痴呆症。
• 消化与食欲：具有增进食欲和治疗胃溃疡的作用。

6. 神经递质（55种物质）

成年人的大脑拥有1000亿个神经元，每个神经元可以长出2000至数万个树突，通过树突与其他神经元连接形成神经网络，神经元之间（或神经元与效应器之间）传递信号的化学物质叫神经递质。

根据化学性质分类

胆碱类：乙酰胆碱（Acetylcholine、Ach）；胺类：肾上腺素、多巴胺、组胺和5-羟色胺；氨基酸类：谷氨酸、天冬氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸和牛磺酸；肽类：神经肽（催产素、9肽）。

按生理功能分类

兴奋性递质：谷氨酸、多巴胺（增加神经元的活动性，促进神经信息的传递）。抑制性递质：γ-氨基丁酸、甘氨酸、血清素/5-羟色胺（降低神经元的活动性，抑制神经信息的传递）。

肾上腺素（Adrenaline, Epinephrine）

引发“紧张、心跳加速、增加血压、应激反应”，对应经典的 “战斗或逃跑反应”。

多巴胺（Dopamine, DA）

调节“愉悦感、运动控制”；失衡会导致精神分裂症（多巴胺过度活跃）或帕金森症（多巴胺不足），核心作用是传递 “愉悦感”。

血清素（Serotonin, 5 - HT）

影响“睡眠、情绪、食欲、焦虑”，是调节 “情绪” 的关键递质。

γ - 氨基丁酸（γ - Aminobutyric Acid, GABA）

“抑制兴奋、令人平静”，是大脑主要的抑制性递质，对应 “镇静” 作用。

乙酰胆碱（Acetylcholine, Ach）

参与“注意力、记忆、控制肌肉收缩”，对 “学习” 至关重要。

谷氨酸（Glutamate）

“激发兴奋、记忆形成、神经系统发育”，是大脑主要的兴奋性递质，核心作用与 “记忆” 相关。

去甲肾上腺素（Noradrenaline）

提升“专注力、警觉性”，帮助大脑集中注意力。

内啡肽（Endorphins）

产生“欣快感、镇痛”，是身体的天然“止痛剂”，对应 “愉悦感”。

7. 氧化三甲胺（6种物质）

氧化三甲胺（TMAO）是由饮食直接摄入或间接生成的肉碱、含磷脂酰胆碱及甜菜碱。

在微生物作用下转化为三甲氨（trimethylamine，TMA），再经门静脉循环，进入肝脏并被黄素单加氧酶（FMOs）氧化后生成TMAO。

氧化三甲胺-生理功能

1.氧化三甲胺会加速血小板的聚集，增加心梗和中风的风险；

2.氧化三甲胺可导致认知障碍，与神经性疾病发生相关；

3.氧化三甲胺影响社会行为，与自闭症的发生相关。

来源：饮食中的肉碱、胆碱经肠道菌群转化为三甲胺（TMA），再经肝脏氧化生成TMAO。

2011年，顶级心血管医疗中心之一的克利夫兰实验室在《Nature》报道：肠道细菌的代谢产物——氧化三甲胺（TMAO） 可诱发心脏病，从此TMAO进入大众视野。

（1）心力衰竭

慢性心衰患者中，血浆TMAO水平升高与以下因素独立相关：纽约心脏协会（NYHA）心功能分级（心功能越差，TMAO可能越高）；缺血性心衰的病因及不良后果；长期死亡风险（TMAO越高，预后越差）。

（2）动脉粥样硬化

血清TMAO水平与颈动脉内膜中层厚度增加独立相关（内膜增厚是动脉硬化的早期标志）；血浆TMAO水平可预测动脉粥样硬化性外周动脉疾病患者的长期不良事件风险（如截肢、心血管意外等）。

（3）冠心病

多个大型队列研究表明：TMAO是一种新的不良心血管事件风险预测指标（可辅助评估冠心病患者的发病/复发风险）。

非靶向代谢组学详述

非靶向代谢组，是一种旨在分析和鉴定生物样本中尽可能多的小分子代谢物的研究方法。

与“靶向代谢组”（只测特定物质）不同，非靶向采用全局性、无偏向的策略，不预先设定检测目标。

技术原理： 通常使用高分辨质谱技术（如LC-MS、GC-MS）来实现对大量代谢物的同时检测和相对定量。

1. 技术流程

样本前处理 → C18反相色谱分离 → 高分辨质谱（Q Exactive HF-X或Triple TOF 6600）数据采集 → 获得保留时间（RT）、精确质荷比（m/z）、强度及二级谱图。

2. 定性定量策略

定量 (Quantification)：

来源： 基于一级质谱数据（MS1）提取离子峰图。

局限性： 由于存在信号干扰抑制，且同分异构体通常被定量为混合物，因此非靶向的定量精度不如靶向。

定性 (Identification)：

二级定性： 依靠二级质谱碎片图谱与标准谱图的匹配度来推测物质身份（例如：推测为花生四烯酸 Arachidonic acid）。

一级定性： 依靠精确分子量（Exact Mass）来推测元素组成。

3. 核心参数（医学动物非靶）

4. 非靶向特点与适用

优势：覆盖广、发现能力强，适合挖掘新标志物和未知通路。

局限：定量精度低于靶向，同分异构体难以区分，低丰度物质检出受限。

适用样本：动物组织、血液、细胞、尿液、粪便等。

常见应用：疾病模型比较、药物毒性评估、营养代谢、肠道菌群宿主互作。

靶向与非靶向的协同应用

非靶向作为发现性工具，可筛选出差异代谢物；随后利用靶向产品对候选物进行精准验证，两者结合形成“发现-验证”研究闭环。

在实际项目中，建议先开展非靶向代谢组（覆盖广、成本相对低），锁定关键通路后，再选择对应的靶向产品（如能量代谢、胆汁酸、色氨酸等）进行绝对定量验证。

价格和周期

代谢组学检测价格表（# 起做量≥6个样）

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更新日期：2026-06-28

编制人：小藻

审稿人：小藻