代謝組學(xué)及其在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

郭盧晉 魏文峰 霍金海 王偉明

（黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院·哈爾濱 150036）

1　代謝、代謝物組、代謝組學(xué)的概念

代謝是一切生物體內(nèi)發(fā)生的用于維持生命活動(dòng)的一系列有序的化學(xué)反應(yīng)的總稱(chēng)。代謝實(shí)質(zhì)上是生物體內(nèi)不斷發(fā)生物質(zhì)與能量之間的交換過(guò)程，一旦代謝過(guò)程停止，則無(wú)生命可言。即無(wú)生命，不代謝。生物體是由成千上萬(wàn)的生物大分子與小分子相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，因此，想要真正認(rèn)識(shí)到該系統(tǒng)的功能就需要從整體的、系統(tǒng)的角度去分析內(nèi)源性代謝物以及它們之間的相互作用關(guān)系。代謝組學(xué)由此應(yīng)運(yùn)而生。

代謝組學(xué)是上世紀(jì)90年代末發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的學(xué)科，是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)之后，在生物組學(xué)研究領(lǐng)域中又一重要的分支。它是對(duì)生物體的內(nèi)源性代謝物質(zhì)，尤其是相對(duì)分子質(zhì)量小于1000的小分子物質(zhì)，進(jìn)行檢測(cè)及定量分析，并探索代謝物的變化與機(jī)體生理病理變化之間的關(guān)系[1]。相比其他組學(xué)，代謝組學(xué)能更直觀、更直接的檢測(cè)到機(jī)體內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了什么，可以說(shuō)代謝組學(xué)研究是所有組學(xué)研究中的延伸和終端。

2　代謝組學(xué)與中醫(yī)藥學(xué)核心思想的不謀而合

中醫(yī)藥學(xué)以陰陽(yáng)平衡理論、整體觀念的思想為核心，《黃帝內(nèi)經(jīng)》曰：“陰平陽(yáng)秘，精神乃至?！笨梢?jiàn)，中醫(yī)認(rèn)為引起機(jī)體病理反應(yīng)的根本在于陰陽(yáng)失調(diào)。因此，中醫(yī)在診治疾病的過(guò)程中當(dāng)從整體出發(fā)，以調(diào)和陰陽(yáng)為根本思路。中醫(yī)的證候?qū)W說(shuō)與辯證論治的基本觀念是將每一個(gè)個(gè)體作為一個(gè)整體，并對(duì)該整體的某個(gè)疾病階段的病因、病機(jī)、病理、病位進(jìn)行概括總結(jié)，從而提出診療方案。代謝組學(xué)是針對(duì)生命體的內(nèi)源性標(biāo)志物進(jìn)行整體的、系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的分析，它是研究在外界因素影響下，機(jī)體的生理病理反應(yīng)，并以潛在的差異生物代謝標(biāo)志物為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行定性與定量分析。所以，代謝組學(xué)與中醫(yī)學(xué)一樣，都是用整體的眼光來(lái)分析疾病發(fā)生過(guò)程。因此，代謝組學(xué)研究是中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展的一個(gè)很好的切入口，它使中醫(yī)藥學(xué)由經(jīng)驗(yàn)科學(xué)向定量檢測(cè)和預(yù)測(cè)的科學(xué)發(fā)展[2]。

代謝組學(xué)與中醫(yī)藏象理論同樣吻合。細(xì)胞內(nèi)的代謝活動(dòng)是生命體存在的基礎(chǔ)，體內(nèi)代謝物的變化會(huì)對(duì)機(jī)體的整體狀態(tài)產(chǎn)生影響，正如《黃帝內(nèi)經(jīng)》所講的“有諸形于內(nèi)，必形于外”。中醫(yī)理論中所講的“藏”是指藏于體內(nèi)的各個(gè)臟腑及其功能狀態(tài)；“象”是指表現(xiàn)在外的生理病理現(xiàn)象。中醫(yī)運(yùn)用“司外揣內(nèi)”的思維方式來(lái)診斷疾病，即通過(guò)外部的形態(tài)（象）來(lái)推知內(nèi)在的情況（藏）。象的變化是基于臟腑的功能狀態(tài)，其根源其實(shí)是基于細(xì)胞內(nèi)的代謝情況，所以象反應(yīng)臟腑氣血多少的同時(shí)也反應(yīng)了細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)的代謝變化。

此外，代謝組學(xué)與中藥復(fù)方整體療效的作用機(jī)制相呼應(yīng)。中藥復(fù)方按照君、臣、佐、使的配伍規(guī)律組方，通過(guò)多組分、多靶點(diǎn)、有機(jī)的結(jié)合來(lái)對(duì)疾病進(jìn)行治療，因此針對(duì)中藥復(fù)方這一復(fù)雜體系的藥效研究就比較困難，只能從整體入手，宏觀把握。而代謝組學(xué)就是運(yùn)用整體觀的思路從代謝層面對(duì)經(jīng)藥物干預(yù)后機(jī)體狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，通過(guò)對(duì)機(jī)體代謝物譜的差異進(jìn)行研究來(lái)發(fā)現(xiàn)中藥復(fù)方的作用靶點(diǎn)，從而解釋其整體性的作用機(jī)制[3]。

3　代謝組學(xué)的研究方法

代謝組學(xué)的研究方法一般包括生物樣本的采集、生物樣本的預(yù)處理、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、代謝標(biāo)志物確定及代謝通路的分析等[4]。在生物樣本的采集和預(yù)處理過(guò)程中，要對(duì)生物樣本進(jìn)行及時(shí)的淬滅，以免受殘留酶或其它活性物質(zhì)的影響而發(fā)生改變。生物樣本的預(yù)處理，是將樣本中的大分子物質(zhì)和一些雜質(zhì)去除的過(guò)程，針對(duì)不同的生物樣本或者不同的化合物要選擇不同的溶劑進(jìn)行提取，并且還要對(duì)提取的方法進(jìn)行優(yōu)化，與此同時(shí)，要盡可能的保留代謝組分的完整信息[5,6]。

代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)采集有賴(lài)于科學(xué)儀器與分析技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)下用于代謝組學(xué)研究的儀器主要分為兩大類(lèi)：核磁（NMR）和質(zhì)譜(MS)，這兩種技術(shù)都可以提供對(duì)各種化合物的鑒定和定量信息。兩者在代謝組學(xué)的研究中各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)具體的情況來(lái)選擇相應(yīng)的分析手段。

潛在生物標(biāo)志物的篩選是數(shù)據(jù)處理的最終目的，面對(duì)龐大、多維的數(shù)據(jù)，需要借助特征篩選方法來(lái)進(jìn)行變量篩選。代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析處理是先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、降噪、峰對(duì)齊等，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別。常用的模式識(shí)別技術(shù)分為非監(jiān)督模式識(shí)別方法和監(jiān)督模式識(shí)別方法。

篩選出的潛在生物標(biāo)志物需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，并且還要查找與之相關(guān)的代謝通路，這就有賴(lài)于代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。當(dāng)前，已有一些代謝組學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站向公眾開(kāi)放，比如人類(lèi)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（Human Metabolome Database）、京都基因與基因組百科全書(shū)（KEGG）、小分子通路數(shù)據(jù)庫(kù)（Small Molecule Pathway Database）等。

4　代謝組學(xué)一些問(wèn)題的討論

代謝組學(xué)認(rèn)為其全局的、動(dòng)態(tài)的研究方法與中藥復(fù)方的“整體調(diào)節(jié)”、中醫(yī)理論的“整體觀念”相一致[2]。事實(shí)上，兩者之間確有相通之處。中醫(yī)“辨證論治”的思想是用“望、聞、問(wèn)、切”四診合參的技術(shù)手段對(duì)疾病的發(fā)生發(fā)展階段進(jìn)行概括性的總結(jié)，然后再進(jìn)行治療[7]。代謝組學(xué)的出現(xiàn)為研究中醫(yī)提供新的思路和方法，它是對(duì)機(jī)體生化網(wǎng)絡(luò)的整體反映，這與中醫(yī)的辯證觀念不謀而合。但是事實(shí)上兩者還是有出入的，在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者們往往是以找到某幾個(gè)代謝標(biāo)志物與與之相關(guān)的代謝通路而告終，這幾個(gè)代謝標(biāo)志物是否真的能夠概括生命系統(tǒng)所處的狀態(tài)還有待考察。

當(dāng)代謝組學(xué)研究進(jìn)入到數(shù)據(jù)分析的階段時(shí)，對(duì)差異標(biāo)志物根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理及相關(guān)生物學(xué)意義篩選之后，這些被篩選出的代謝標(biāo)志物對(duì)所研究的疾病是否具有特異性還有待考察。具有特異性的物質(zhì)可以是某幾個(gè)代謝標(biāo)志物，也可以是一組代謝標(biāo)志物的集合。如果不同的疾病所反應(yīng)出的差異代謝標(biāo)志物在定性與定量上具有相似性，即差異代謝標(biāo)志物不具有特異性，那就無(wú)法根據(jù)這些被篩選出的代謝標(biāo)志物對(duì)疾病做出確切的診斷。所以研究代謝組學(xué)在診斷學(xué)方面的研究其實(shí)還有相當(dāng)大的工作要做，需要全人類(lèi)的共同努力來(lái)建立相關(guān)的生理病理的數(shù)據(jù)庫(kù)，并不斷的更新完善。

代謝組學(xué)常用的多元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，只是對(duì)不同組別在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的聚類(lèi)情況進(jìn)行區(qū)分，并不能說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的成功，應(yīng)該與相關(guān)的生物學(xué)意義相結(jié)合來(lái)分析判斷，最終得出正確的結(jié)論。并且這些分析手段都是基于線性回歸的方法，而復(fù)雜多變的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，所以用以上方法得到的數(shù)據(jù)并不是對(duì)機(jī)體狀態(tài)的完美表達(dá)[9]。

總之，代謝組學(xué)是一個(gè)具有生命力的新興學(xué)科，其應(yīng)用廣泛、前景廣闊、意義深遠(yuǎn)，但同時(shí)也面臨著巨大挑戰(zhàn)，人類(lèi)對(duì)代謝組學(xué)的研究任重而道遠(yuǎn)。

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