代謝組學(xué)在心血管藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

王會(huì)琳，高建平

(上海中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，上海 201203)

代謝組學(xué)的概念來(lái)源于代謝組，代謝組是指某一生物或細(xì)胞在特定生理時(shí)期內(nèi)的所有低分子代謝產(chǎn)物，代謝組學(xué)則是對(duì)這些低分子量代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行定性或定量分析的一門(mén)新學(xué)科，這個(gè)概念是2000年德國(guó)馬普所的Fiehn等［1］提出的。代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后系統(tǒng)生物學(xué)的又一重要組成部分，從宏觀層面上更準(zhǔn)確地把握生命體代謝活動(dòng)所蘊(yùn)含的信息，明確基因和蛋白質(zhì)的變化在生命體代謝產(chǎn)物的具體表現(xiàn)，是組學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，也被視為組學(xué)研究的“終點(diǎn)”。近年來(lái)，隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展和完善，代謝組學(xué)的方法將有可能成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的有力工具。

心血管疾病是威脅人類(lèi)生命健康的重大疾病之一，也是世界范圍內(nèi)常見(jiàn)的致死原因之一，因此受到專(zhuān)家學(xué)者們的關(guān)注。隨著核磁共振和質(zhì)譜等技術(shù)的發(fā)展，以及主成分分析法(principal component analysis，PCA)等能夠?qū)Υx組數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析的方法的應(yīng)用，帶動(dòng)代謝組學(xué)迅速發(fā)展成熟，而心血管疾病所引起的體內(nèi)代謝物的變化，為代謝組學(xué)以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)心血管疾病的發(fā)生發(fā)展以及研究藥物的效應(yīng)和作用機(jī)制提供有效的方法［2－5］。本文通過(guò)查閱近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于代謝組學(xué)技術(shù)在心血管藥理學(xué)研究中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)加以綜述。

1 代謝組學(xué)在抗高血壓藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

高血壓是心血管系統(tǒng)的常見(jiàn)病，截至2012年10月，我國(guó)高血壓患者已逾2.5億。另外高血壓也是其他心腦血管等疾病的一個(gè)主要危險(xiǎn)因素［6］，血壓升高可使腦卒中、充血性心力衰竭及腎功能衰竭等的發(fā)生率增加。然而，目前高血壓的發(fā)病機(jī)制仍不十分清楚，這為高血壓的根治帶來(lái)一定的困難。隨著代謝組學(xué)的發(fā)展，代謝組學(xué)技術(shù)在高血壓的預(yù)測(cè)及抗高血壓藥物治療的研究中逐步得到應(yīng)用。

Jiang等［7］采用超高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究復(fù)方中藥平肝方對(duì)自發(fā)性高血壓大鼠的干預(yù)作用，PCA結(jié)果顯示，對(duì)血漿中的3種比率的溶血卵凝脂22∶6，20∶4和18∶1的異常有調(diào)節(jié)作用，另外，對(duì)膽酰甘氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷酸鞘氨醇、2，4－甲硫基苯酚丁酸也有調(diào)節(jié)作用，而這些代謝物與鞘脂類(lèi)代謝和脂肪類(lèi)代謝有關(guān)，提示平肝方對(duì)高血壓的干預(yù)作用可能與干擾脂質(zhì)代謝有關(guān)。

Wang等［8］采用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)β受體阻滯劑卡維地洛的對(duì)映體S－卡維地洛和R－卡維地洛對(duì)高血壓大鼠的血管平滑肌細(xì)胞(A7r5)的作用進(jìn)行了研究，對(duì)細(xì)胞的內(nèi)應(yīng)答、分泌代謝物以及鈣離子變化進(jìn)行分析。對(duì)A7r5細(xì)胞的32個(gè)代謝物的檢測(cè)結(jié)果顯示，只有S－卡維地洛處理組細(xì)胞內(nèi)的肌糖、5－羥色胺、L－蘇氨酸顯著下降，棕櫚酸、肉豆蔻酸、乙醇酸、乳酸以及L－絲氨酸顯著上升。細(xì)胞分泌代謝物的檢測(cè)結(jié)果顯示，S－卡維地洛組的 L－丙氨酸、L－亮氨酸、L－纈氨酸和琥珀酸4個(gè)代謝物顯著上升，說(shuō)明S－卡維地洛的降壓作用可能與調(diào)控3種支鏈氨基酸的合成以及降低琥珀酸脫氫酶活性有關(guān);對(duì)A7r5細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的檢測(cè)結(jié)果顯示，只有S－卡維地洛組細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度顯著降低。這些結(jié)果提示，S－卡維地洛對(duì)高血壓大鼠血管平滑肌細(xì)胞的作用可能優(yōu)于R－卡維地洛。

Wikoff等［9］研究了不同種族高血壓人群在接受藥物治療中的機(jī)體代謝組情況。分別給予黑種人和白種人高血壓患者β受體阻滯劑阿替洛爾，給藥后第9周，收集患者的血漿進(jìn)行機(jī)體代謝物分析，發(fā)現(xiàn)白種人服藥后血漿中飽和棕櫚酸、單不飽和油酸、棕櫚油酸、多不飽和花生四烯酸、亞麻酸以及游離脂肪酸水平顯著下降，酮體3－羥基丁酸水平的下降尤其明顯，但黑種人則不顯示這種變化。此項(xiàng)研究提示，可以借助代謝組學(xué)技術(shù)從機(jī)體代謝物入手追蹤不同種族或個(gè)體的遺傳基因的差異，來(lái)判斷藥物對(duì)不同高血壓患者治療效果的差異性。

2 代謝組學(xué)在抗高脂血癥藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

高脂血癥是由于脂肪代謝或運(yùn)轉(zhuǎn)異常而引起的一種全身性疾病，表現(xiàn)為血中總膽固醇或甘油三酯過(guò)高，或高密度脂蛋白過(guò)低，該病對(duì)身體的損害是隱匿、進(jìn)行性和全身性的。同時(shí)脂代謝紊亂也是動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病、腦卒中、糖尿病并發(fā)癥和代謝綜合征等人類(lèi)重大疾病的重要危險(xiǎn)因素。高脂血癥往往涉及機(jī)體的代謝異常，因此可以利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)藥物的作用進(jìn)行研究。

Zhang等［10］以高脂血癥大鼠為研究對(duì)象，對(duì)銀杏葉提取物的抗高脂血癥作用進(jìn)行了代謝組學(xué)研究。結(jié)果顯示，無(wú)論是預(yù)防性給藥還是治療性給藥，銀杏葉提取物均能顯著降低大鼠體內(nèi)總膽固醇和低密度脂蛋白的水平，升高高密度脂蛋白水平。給藥后大鼠血漿中山梨醇、酪氨酸、谷氨酰胺以及葡萄糖含量明顯上升，檸檬酸、半乳糖、棕櫚酸、花生四烯酸、乙酸、膽固醇、丁酸鹽、肌酸酐、亞油酸、鳥(niǎo)氨酸以及脯氨酸水平顯著下降，說(shuō)明銀杏葉可翻轉(zhuǎn)淀粉樣β蛋白阻礙谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，并降低膽固醇水平，提示銀杏葉對(duì)高脂血癥的作用體現(xiàn)在對(duì)某些機(jī)體代謝物的改善作用。Liu等［11］結(jié)合代謝組學(xué)與金屬組學(xué)對(duì)注射小檗堿后的高脂血癥大鼠尿液進(jìn)行研究，高脂血癥大鼠體內(nèi)的檸檬酸循環(huán)、膽固醇代謝以及滲透調(diào)節(jié)過(guò)程被擾亂，給藥后大鼠體內(nèi)琥珀酸鹽、三甲胺以及肌酸酐水平上升，丙酮酸鹽和谷氨酸鹽水平下降。金屬組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一些金屬元素發(fā)生變化，其中釩的上升說(shuō)明給藥后血糖和膽固醇代謝的變化，錳的下降提示脂質(zhì)代謝可能被擾亂。結(jié)合代謝組和金屬組的方式為尋找高血脂癥潛在標(biāo)志物以及藥物的研究提供一個(gè)新思路。

Sun 等［12］利用代謝組學(xué)研究 2'，3'，5'－三乙?；璑6－(3－羥基苯胺)腺苷(WS070117)對(duì)高脂血癥倉(cāng)鼠的影響。與對(duì)照組相比，WS070117使甘油三酯、膽固醇、乳酸以及丙氨酸水平上升，而膽堿磷酸、卵磷脂和甘油磷酰膽堿等化合物以及甜菜堿水平下降，說(shuō)明WS070117具有促進(jìn)極低密度脂蛋白的合成，同時(shí)促進(jìn)甘油三酯從肝中排除，從而預(yù)防脂肪在肝和血漿中的蓄積，達(dá)到控制高脂血癥的目的。Patterson等［13］對(duì)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator－activated receptor α，PPARα)誘導(dǎo)脂肪酸β氧化作用進(jìn)行了代謝組學(xué)分析，高血脂患者連續(xù)14 d給予貝特類(lèi)藥物，分析患者尿液中與脂肪酸β氧化作用有關(guān)的潛在生物標(biāo)記物的變化。結(jié)果顯示，與對(duì)照組比較，給藥后患者尿液中泛酸和乙酰肉堿水平明顯下降，血清膽固醇、甘油三酯和尿酸以及尿中丙肉毒堿、異丁酰肉毒堿、甲基丁酰肉堿和異戊酰肉堿水平均呈下降趨勢(shì)，提示貝特類(lèi)藥物可能促進(jìn)輔酶A的合成，進(jìn)而促進(jìn)脂肪代謝。

3 代謝組學(xué)在抗動(dòng)脈粥樣硬化藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

動(dòng)脈粥樣硬化是指動(dòng)脈血管中的脂質(zhì)沉淀形成內(nèi)膜粥樣斑塊，以動(dòng)脈壁增厚、變硬和彈性減退為特征的動(dòng)脈硬化性疾病。動(dòng)脈粥樣硬化是多種心血管疾病的主要誘發(fā)因素之一，根據(jù)心血管疾病預(yù)測(cè)結(jié)果［14］以及動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)性研究［15］顯示，心血管疾病的致死病例中，多數(shù)伴隨動(dòng)脈粥樣硬化或動(dòng)脈局部硬化。而動(dòng)脈粥樣硬化往往伴有脂質(zhì)代謝的異常，因此，代謝組學(xué)研究為動(dòng)脈粥樣硬化的診斷和藥物作用的評(píng)價(jià)提供了幫助。

Jové等［16］利用代謝組學(xué)與脂類(lèi)組學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)倉(cāng)鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型的早期血漿中的生物標(biāo)志物進(jìn)行探索。結(jié)果顯示，高脂飲食改變了主動(dòng)脈脂質(zhì)中的甘油磷脂、鞘脂類(lèi)、甘油糖脂以及一些游離的脂肪酸和甾醇類(lèi)的水平，增加血管緊張素酶抑制劑的活性，誘導(dǎo)PPARγ，使DNA損傷修復(fù)標(biāo)記物γ－H2AX水平上升。在模型動(dòng)物的飼料中補(bǔ)充葡萄柚種子提取物，發(fā)現(xiàn)該給藥組倉(cāng)鼠的主動(dòng)脈中牛黃膽酸含量與游離膽固醇量呈正相關(guān)，驗(yàn)證了牛黃膽酸可作為動(dòng)脈粥樣硬化的潛在生物標(biāo)志物，這為其進(jìn)一步治療奠定基礎(chǔ)。

脂質(zhì)代謝在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，而載脂蛋白則在脂質(zhì)代謝中扮演重要角色。Leo等［17］對(duì)小鼠進(jìn)行載脂蛋白E基因敲除以制備動(dòng)脈粥樣硬化動(dòng)物模型，并對(duì)其用卡托普利干預(yù)。通過(guò)PCA顯示，治療組的尿囊素水平顯著升高，提示尿囊素水平可作為卡托普利治療效果評(píng)價(jià)的依據(jù)。Ou 等［18］對(duì)載脂蛋白 AI模擬肽(D－4F)抑制動(dòng)物動(dòng)脈粥樣硬化作用進(jìn)行了相關(guān)探討。復(fù)制LDLr－/－小鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型，腹腔注射D－4F進(jìn)行干預(yù)，血漿代謝組分析結(jié)果顯示，模型組動(dòng)物的一系列磷脂代謝產(chǎn)物，包括溶血卵磷脂、溶血磷脂酰乙醇胺、卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂和二?；视停绕涫情L(zhǎng)鏈的溶血卵磷脂含量急劇上升，而D－4F治療組動(dòng)物上述代謝物含量減少。提示D－4F可能通過(guò)調(diào)節(jié)血漿磷脂類(lèi)代謝產(chǎn)物特別是減少長(zhǎng)鏈溶血卵磷脂來(lái)抑制動(dòng)脈粥樣硬化。

4 代謝組學(xué)在抗心肌缺血藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

心肌缺血是各種原因引起心臟血液灌注減少，心肌對(duì)氧的供需失去平衡，心肌能量代謝不正常，不能支持心臟正常工作的一種病理狀態(tài)。心肌缺血最常見(jiàn)的原因是心肌梗死，另外動(dòng)脈粥樣硬化、高血脂、高血壓和高血糖等心血管疾病也是其重要危險(xiǎn)因素。心肌缺血會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)活性氧缺乏，機(jī)體內(nèi)相應(yīng)的代謝物也會(huì)發(fā)生變化［19－20］，所以代謝組學(xué)為在抗心肌缺血藥理學(xué)方面的研究提供了一個(gè)平臺(tái)。

Jiang等［21］在對(duì)麝香保心片對(duì)心肌梗死性心肌缺血大鼠的藥效學(xué)研究中，利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)尿液進(jìn)行分析，結(jié)果顯示有16種代謝物包括2－脫氧－d－核糖－5－磷酸、肌酸、尿苷、3，4－二羥基杏仁酸、色氨酸、半胱氨酸－高半胱氨酸、二硫化物、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、馬尿酸、煙酰胺單核苷酸、褪黑素、苯乙酰甘氨酸、11－脫氫皮質(zhì)酮、黃嘌呤核苷以及3－甲基尿苷可以用來(lái)評(píng)價(jià)心肌梗死的發(fā)生發(fā)展以及麝香保心丸的作用效果，其中肌酸、尿苷、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、煙酰胺單核苷酸、苯乙尿酸、黃嘌呤核苷與ATP的生成有關(guān)，即這8個(gè)代謝物與能量代謝途徑有關(guān)，而能量代謝的異常能顯著影響心肌梗死的生物學(xué)進(jìn)程。

Li等［22］用心肌梗死模型對(duì)可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑的藥理作用進(jìn)行研究，進(jìn)行生物代謝組分析發(fā)現(xiàn)模型組小鼠體內(nèi)環(huán)氧二十碳三烯酸與二羥基－20碳三烯酸比例上升，并且炎性細(xì)胞因子如干擾素γ、單核細(xì)胞趨化蛋白1、白細(xì)胞介素6和白細(xì)胞介素10水平上升。在模型小鼠飲水中加入1－金剛烷胺基－3－{5－〔2－(2－乙氧基－乙氧基)－乙氧基〕－戊基}－尿素或反式－4－〔4－(3－金剛烷基－1－尿基)－環(huán)己氧基〕－苯甲酸兩種類(lèi)型的可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑，則均能減小心肌梗死面積和降低炎性細(xì)胞因子水平，說(shuō)明可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑對(duì)于治療心肌缺血具有一定的可靠性。

5 展望

代謝組學(xué)作為一門(mén)新興技術(shù)，呈現(xiàn)了生物體內(nèi)小分子代謝物系統(tǒng)而又全面的特征。如今，代謝組學(xué)在疾病以及藥理學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。心血管疾病嚴(yán)重影響人類(lèi)健康，對(duì)該類(lèi)疾病的治療和研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。心血管疾病的發(fā)病機(jī)制迄今仍有很多不明確的方面，而很多類(lèi)型的心血管疾病與機(jī)體的代謝異常有關(guān)，因此，代謝組學(xué)這一技術(shù)手段為心血管藥理學(xué)研究提供了一個(gè)較好的切入點(diǎn)。隨著代謝組學(xué)生物信息分析檢測(cè)手段等的不斷創(chuàng)新，對(duì)疾病狀態(tài)下內(nèi)源性代謝譜中生物標(biāo)志物或生物標(biāo)志群的確定會(huì)更靈敏和準(zhǔn)確，這將為心血管疾病藥物的療效評(píng)價(jià)以及尋找有效的作用靶點(diǎn)研究提供更可靠的研究手段。

然而，代謝組學(xué)的研究還有很多有待解決的問(wèn)題。首先，基于生物標(biāo)本的復(fù)雜性，從中找出特異性的生物標(biāo)志物已成為代謝組學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。其次，體內(nèi)生物代謝物會(huì)受到很多因素如飲食、環(huán)境因素、機(jī)體狀態(tài)以及取樣時(shí)間等的影響，這對(duì)結(jié)果的重現(xiàn)性具有較大的影響。目前各種分析技術(shù)的分辨率、靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍等的限制，尚不能完全做到將所有代謝產(chǎn)物同時(shí)定性定量地檢測(cè)出來(lái)，只能通過(guò)各種分析技術(shù)的結(jié)合來(lái)解決部分問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)代謝組學(xué)分析技術(shù)可以得到大量的差異代謝產(chǎn)物，而對(duì)這些差異代謝物與疾病發(fā)病的相關(guān)性以及藥物作用機(jī)制的關(guān)聯(lián)性分析還很欠缺，這些問(wèn)題的解決需要借助于分析技術(shù)的不斷進(jìn)步、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善以及代謝產(chǎn)物與疾病發(fā)病機(jī)制的深入研究。

未來(lái)的科學(xué)研究中，代謝組學(xué)仍有很大的發(fā)展空間，相信這門(mén)技術(shù)將能大大推動(dòng)心血管藥理學(xué)研究領(lǐng)域的進(jìn)一步完善。

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