代謝組學(xué)相關(guān)研究可追溯到始于上世紀70年代的代謝譜分析，這類代謝譜分析通常采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對患者體液中代謝物進行定性、定量分析及對疾病進行篩選和診斷。這種在臨床上利用代謝譜分析診斷有關(guān)疾病的方法一直延用至今。1983年，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織在國際上首先采用質(zhì)譜對尿中代謝指紋進行研究，并陸續(xù)有不少科學(xué)家開始應(yīng)用高效液相色譜和核磁共振技術(shù)進行代謝譜分析。90年代后，研究目標主要集中在藥物在體內(nèi)的 代謝等方面。1997年研究人員提出了通過定量分析盡可能多的代謝產(chǎn)物評估酵母基因的遺傳功能及其冗余度的必要性，首次將代謝產(chǎn)物和生物基因的功能聯(lián)系起來。1999年，N icholson等提出metabonom ics的概念，將代謝組學(xué)定義為生物體對病理生理或基因修飾等刺激產(chǎn)生的代謝物質(zhì)動態(tài)應(yīng)答的定量測定。2000年，德國馬普所的Fiehn等提出了metabolom ics的概念，將其定義為對限定條件下的 特定生物樣品中所有代謝產(chǎn)物的定性定量分析。在21世紀的前幾年，植物和微生物領(lǐng)域應(yīng)用色譜質(zhì)譜技術(shù)進行細胞的代謝組學(xué)研究，用 metabolom ics的較多，而在藥物研發(fā)和疾病研究等領(lǐng)域，用NMR以動物體液或組織樣品為研究對象的，則用metabonomics較多。隨著研究的深入，現(xiàn)在對這兩個名詞的區(qū)分已越來越少，基本等同使用。
代謝組學(xué)研究一般包括代謝組數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、多變量數(shù)據(jù)分析、標記物識別和途徑分析等步驟。生物樣品(如尿液、血液、組織、細胞和培養(yǎng)液等)采集后進行生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理。運用核磁共振、質(zhì)譜或色譜等檢測其中代謝物的種類、含量、狀態(tài)及其變化，得到代謝譜或代謝指紋，而后使用多變量數(shù)據(jù)分析方法對獲得的多維復(fù)雜數(shù)據(jù)進行降維和信息挖掘，并研究相關(guān)代謝物變化涉及的代謝途徑和變化規(guī)律，以闡述生物體對相應(yīng)刺激的響應(yīng)機制、發(fā)現(xiàn)生物標記物。
樣品采集與制備樣品的采集與制備是代謝組學(xué)研究的初始步驟也是最重要的步驟之一，代謝組學(xué)研究要求嚴格的實驗設(shè)計和合適的分析精度。首先需要采集足夠數(shù)量的樣本，從而可有效減少源于生物樣品個體差異對分析結(jié)果的影響，得到有統(tǒng)計學(xué)意義的分析數(shù)據(jù)。實驗設(shè)計中對樣品收集的時間、部位、種類、樣本群體等應(yīng)給予充分考慮。在研究人類樣本時，還需考慮飲食、性別、年齡和地域等諸多因素的影響。此外，分析過程要有嚴格的質(zhì)量控制，需要考察如樣本的重復(fù)性、分析精度、空白等。代謝產(chǎn)物的變化對分析結(jié)果有較大的影響，在處理生物樣本時要特別注意避免由于殘留酶活性或氧化還原過程降解代謝產(chǎn)物、產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物。通常需對所收集樣品進行快速淬滅。滅活的方法很多，如液氮冷凍、酸處理等。
在代謝組學(xué)研究中，根據(jù)研究對象、目的和采用的分析技術(shù)不同，所需的樣品提取和預(yù)處理方法各異。如采用NMR的技術(shù)平臺，只需對樣品做較少的預(yù)處理即可以分析;采用M S進行“全”成分分析技術(shù)時，樣品處理方法相對簡單，但不存在一種普適性的標準化方法。代謝產(chǎn)物通常用水或有機溶劑(如甲醇、己烷等)分別提取，獲得水提取物和有機溶劑提取物，從而把非極性相和極性相分開，以便進行分析。對于代謝輪廓譜或靶標分析，還需要做較為復(fù)雜地處理，如常用固相微萃取、固相萃取、親和色譜等預(yù)處理方法。用氣相色譜或氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用時，常常需要進行衍生化，增加樣品的揮發(fā)性。由于特定的提取條件往往僅適合某些類化合物，目前尚無一種能夠適合所有代謝產(chǎn)物的提取方法。應(yīng)該根據(jù)不同的化合物選擇不同的提取方法，并對提取條件進行優(yōu)化。
代謝組學(xué)是進行生物表型研究的主要手段之一，是系統(tǒng)生物學(xué)研究不可或缺的部分。在疾病分型、藥物毒性評價、植物基因功能和表型的研究等方面取得了極大的成功，但從總體來看，它仍然處于發(fā)展階段，在方法學(xué)和應(yīng)用兩方面均面臨著的極大挑戰(zhàn)，需要其他學(xué)科的配合和交叉。在平臺技術(shù)和方法學(xué)研究方面，生物樣本的復(fù)雜性使得代謝組學(xué)研究對分析技術(shù)的靈敏度、分辨率、動態(tài)范圍和通量提出了更高的要求。代謝組學(xué)研究的深入得益于分析技術(shù)的不斷發(fā)展，如高分辨質(zhì)譜、超高效液相色譜/質(zhì)譜、毛細管液相色譜/質(zhì)譜、多維色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和多維核磁共振技術(shù)等的使用。生物標記物的結(jié)構(gòu)鑒定也是目前代謝組學(xué)研究的重點和難點問題之一，由于缺乏標準的可通用的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，一定程度上制約了基于LC-MS技術(shù)在代謝組學(xué)研究中的應(yīng)用。理論上講，LC-M S、NMR可提供較好的關(guān)于組分結(jié)構(gòu)的信息，但儀器復(fù)雜，操作繁瑣，靈敏度和通量急需改進和提高。
