空间代谢组学作为代谢组学与空间分析技术交叉融合的新兴领域,正推动食药同源研究范式发生根本性变革。该技术通过保留代谢物在生物组织中的原位空间分布信息,实现了从“成分定性”向“时空定位”的认知跃迁。以质谱成像(Mass Spectrometry Imaging, MSI)为核心的技术体系,能够可视化解析食药物质在生物体内的吸收、分布、代谢动态轨迹,为破解传统研究中的“黑箱效应”提供了全新工具。当前,该领域正以8.7%的年复合增长率快速扩张,预计2031年市场规模将达3.48亿美元,其中中国市场的创新活力尤为突出。
在食药同源研究的核心科学挑战中,多组分互作机制不明是首要难题。传统代谢组学虽能通过血液或尿液分析整体代谢轮廓,却难以捕捉特定成分在器官原位的互作过程。空间代谢组学通过“成分-菌群-宿主”三元对话的空间解析,为这一挑战提供了突破口。与此同时,食药物质功效的时空特异性长期缺乏精准表征。例如,红景天苷在高原缺氧环境下的组织特异性富集规律,及其随时间演变的代谢网络动态,亟需四维(空间+时间)代谢图谱的构建。更值得关注的是环境-物质-机体的三角传递关系。例如特殊生长环境诱导的植物特异性成分合成如何通过空间代谢路径增强机体适应性,这一问题的解决需要建立“环境因子-空间分布-药效强度”的定量关联模型。
面对产业化进程,空间代谢组学已形成三大战略方向:其一,在组分时空轨迹追踪方面,通过构建空间代谢分布与生物活性的定量构效关系,推动食药产品从经验配方向数据驱动的精准设计转型;其二,针对肠道微生物领域代谢研究,揭示微生物代谢微环境的异质性特征,有望催生新一代靶向益生元制剂;其三,在道地性评价领域,基于环境响应成分的空间分布模式建立化学标志物体系,为道地药材认证提供客观标准。然而,当前技术转化仍面临单样本检测成本高、检测基质干扰成像精度、多组学整合标准缺失等瓶颈。对此,未来在开发国产高分辨质谱设备、生物可降解基质涂层技术,以及建设食药空间代谢组学共享数据库等有望成为突破路径。
展望未来,空间代谢组学将催生三大突破性场景:首先,基于AI图像识别与超灵敏探针技术绘制的人体食药成分空间代谢图谱,有望实现跨器官代谢定位的可视化;其次,结合个体肠道代谢微环境特征构建的个性化膳食推荐系统,将推动精准营养干预进入空间维度;最后,通过环境因子调控活性成分组织富集的智能栽培技术,将重塑中药材生产方式。这些突破与“健康中国2030”战略对中医药现代化的要求深度契合,将推动千年食药智慧从经验传承向空间精准医学范式跃迁。
当质谱成像技术揭示出红景天抗缺氧成分在根茎特定维管束中的富集规律,当山楂黄酮穿越肠屏障的空间路径被精确捕捉,我们正在见证"食尽其用,药尽其效"的传统理念转化为可量化的科学现实。空间代谢组学不仅重构了食药物质的作用认知框架,更将为中国引领全球健康科技创新提供核心驱动力。
【作者介绍】
朱博冉,南京中医药大学中医学院,讲师,江苏省“青年科技人才托举工程”资助对象(省青托)、江苏省药膳研究会常务理事、南京市秦淮区第三批非物质文化遗产项目张简斋中医温病医术代表性传承人。现为Journal of Future Foods、Traditional Medicine Research、Food & Medicine Homology等学术期刊青年编委。任Advanced Science、Phytomedicine、Food & Function等多本SCI审稿专家。主要研究方向为中医药心脑疾病基础研究、饮食与健康相关的现代生物学研究、小分子成像技术在中医药科研领域应用等。主持包括国家自然科学基金,江苏省自然科学基金,江苏省中医药科技计划发展项目等六项。以第一/通讯作者发表包含Food Science and Human Wellness、Phytomedicine等SCI论文11篇累积影响因子54.4。
原文链接:
https://www.sciopen.com/article/10.26599/FMH.2025.9420116