重金属镉和黄曲霉毒素B1（AFB1）是2种最常见的环境致癌物,均被国际癌症研究机构（IARC）列为人类Ⅰ类致癌物。摄入这2种致癌物,会对人和动物的生命健康造成极大危害。应用代谢组学技术研究致癌物的毒性作用机制,能够无偏见、全景式地发现致癌物对机体代谢通路的影响,有利于更加深入、全面地理解致癌物对机体的损伤,找到预防和治疗致癌物损伤的作用靶点以及用于评价损伤的生物标志物。因此,本研究我们拟进行重金属镉暴露小鼠肾脏和AFB1暴露Hep3B细胞的非靶向代谢组学研究,探究重金属镉和AFB1的毒性作用机制及对机体代谢通路的影响,为预防和治疗镉及AFB1致机体损伤提供潜在靶点及实验依据。首先,我们以小鼠为研究对象,研究重金属镉在小鼠体内的蓄积及排泄途径,并根据肝肾组织中的镉浓度选择代谢组学研究对象。48只小鼠随机分为对照组,低浓度组（25 ppm）和高浓度组（100 ppm）,每组16只。小鼠通过自由饮水方式摄入镉,分别在第4周和第8周将每组各8只小鼠转移至代谢笼中收集尿液和粪便,然后经麻醉处死采集小鼠的肝脏和肾脏组织。我们应用电感耦合等离子体质谱技术（ICP-MS）测定小鼠尿液、粪便、肝脏和肾脏中的镉浓度。结果显示,镉暴露后小鼠粪便中的镉浓度远高于尿液中的镉浓度。在第4周和第8周,低浓度、高浓度组小鼠粪便中的镉浓度大约是尿液镉浓度的3680～9089倍,表明机体中的镉主要随粪便排出体外。因此,与传统的测定尿镉浓度相比,我们的研究表明采用ICP-MS测定动物或人粪便中镉浓度是筛查是否有镉暴露的高灵敏方法,值得推广。此外,测定结果表明,镉进入机体后在肝脏和肾脏中大量蓄积,小鼠肾脏中的镉浓度大约是肝脏镉浓度的2倍,说明肾脏是镉最主要的靶器官。镉在肝脏和肾脏中的蓄积会引起炎症、氧化应激等,从而造成肝肾损伤。其次,我们应用超高效液相色谱-四级杆飞行时间串联质谱（UPLC-QTOFMS/MS）技术对所有小鼠肾脏组织进行了非靶向代谢组学研究。色谱分离采用反相液相色谱（RPLC）和亲水作用色谱（HILIC）两种分离方法,质谱采集应用正离子（Positive）和负离子（Negative）两种离子化方式,共4种采集模式,简称为RPLC-POS、RPLC-NEG、HILIC-POS和HILIC-NEG。每个样本用上述4种模式采集数据,数据处理用Progenesis QI软件,代谢物鉴定通过检索Metlin和人代谢组数据库（HMDB）数据库实现。应用EZinfo软件进行多元统计分析,包括主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLSDA）和单因素方差（One-way ANOVA）分析等。根据ANOVA（p）＜0.05、变量投影重要性（VIP）＞1和差异倍数（FC）≥1.5或≤0.67三个条件筛选组间差异代谢物。应用软件Metabo Analyst 5.0对筛选出的差异代谢物进行通路分析。研究结果表明,镉暴露引起小鼠肾脏广泛的代谢变化。在四种模式下（RPLCPOS、RPLC-NEG、HILIC-POS和HILIC-NEG）分别鉴定的代谢物数量为1334、1040、934和756,共鉴定2287个代谢物。根据ANOVA（p）＜0.05,VIP＞1,FC≥1.5或FC≤0.67三个条件,给药第4周时共筛选出184个差异代谢物,给药第8周时共筛选出324个差异代谢物。将筛选出的差异代谢物进行通路分析,发现镉暴露主要引起组氨酸代谢、氨酰-t RNA合成、嘌呤代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、甘油磷脂代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等通路显著变化,其中镉暴露引起的氨基糖和核苷酸糖代谢紊乱是首次报道。每个代谢通路均有多个代谢物变化,且许多代谢物的变化趋势与文献报道一致,表明我们的数据覆盖率高,结果准确可靠。许多差异显著的代谢物可用于镉暴露引起肾脏损伤的早期评价,包括3-甲基-L组氨酸、L-色氨酸和尿酸等。最后,我们应用相同的UPLC-QTOF-MS/MS技术进行了AFB1暴露Hep3B细胞的非靶向代谢组学研究。Hep3B细胞经16μM和32μM AFB1处理6天后测定代谢组变化,对照组细胞用0.1%DMSO处理。结果表明,AFB1暴露的Hep3B细胞代谢轮廓发生显著变化。四种模式（RPLCPOS、RPLC-NEG、HILIC-POS和HILIC-NEG）下分别鉴定1227、665、825和840个代谢物,共鉴定2679个代谢物。根据ANOVA（p）＜0.05,VIP＞1,FC≥1.5或FC≤0.67筛选差异代谢物,去除重复值,四种分析模式共筛选出392个差异代谢物。将筛选出的差异代谢物进行通路分析,发现AFB1暴露于Hep3B细胞主要引起嘌呤和嘧啶代谢、甘油磷脂代谢、氨基己糖途径和唾液酸化、脂肪酸合成和氧化、TCA循环、糖酵解和氨基酸代谢等通路显著变化,其中嘌呤和嘧啶代谢的上调和氨基己糖途径和唾液酸化的下调是首次报道。另外,我们连续6天测定Hep3B细胞活力并在第6天时检测细胞的凋亡情况。结果显示,AFB1对Hep3B细胞增殖有显著的抑制作用,这种抑制与AFB1促进细胞凋亡相关。综上所述,本研究应用UPLC-QTOF-MS/MS技术分别对镉暴露小鼠的肾脏组织及AFB1暴露的Hep3B细胞进行了深度的非靶向代谢组学研究,发现了镉暴露及AFB1暴露引起的关键变化代谢通路,为预防和治疗镉及AFB1对机体损伤提供了潜在靶点及实验依据。鉴定和定量了一系列差异显著的代谢物,可用于评价镉及AFB1对机体的损伤或用于镉及AFB1暴露的早期筛查,这都值得进一步验证。另外,我们采用RPLC和HILIC两种色谱分离方法,结合正、负两种离子化模式,显著提高了代谢物的鉴定范围,有利于发现更多差异代谢物。因此,该技术可广泛应用于各种非靶向代谢组学研究。