代謝組學(xué)技術(shù)在中藥有效性和毒性機(jī)制研究中的應(yīng)用進(jìn)展

吳漂女 周偉 齊煉文

（中國藥科大學(xué) 江蘇 南京 211100）

中藥是我國中醫(yī)防病治病的重要方式，體現(xiàn)了中醫(yī)辨證論治的特點(diǎn)[1]。在中醫(yī)藥理論指導(dǎo)下的中藥通過君臣佐使的配伍，有著顯著的治療效果，尤其是在預(yù)防疾病和治療疑難雜癥方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。在中藥的有效性逐漸被國際社會(huì)肯定的同時(shí)，中藥多成分造成的藥效物質(zhì)不明，質(zhì)量參差不齊，作用靶點(diǎn)復(fù)雜以及安全性問題也日益被關(guān)注。多成分和多靶點(diǎn)被認(rèn)為是中藥有效和毒副作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此只研究某一成分或某類成分的作用無疑是片面的，不能體現(xiàn)中醫(yī)藥理論的“整體性和系統(tǒng)性”[2-3]。

代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一門學(xué)科，通過分析血液、尿液和組織等生物樣品內(nèi)小分子代謝物（分子量小于1000）的變化情況，來揭示內(nèi)外因素對(duì)生物體的影響，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分[4-5]。對(duì)比基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)主要體現(xiàn)生物學(xué)上游信息，代謝組學(xué)主要揭示終端信息—代謝物的表達(dá)情況，可以整體、系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)的反應(yīng)生物體正在發(fā)生什么，與中醫(yī)藥理論的觀點(diǎn)不謀而合[6]。目前，代謝組學(xué)被廣泛應(yīng)用于疾病研究、藥物研發(fā)、藥物質(zhì)量控制、農(nóng)學(xué)、中醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域[7-15]。本文就代謝組學(xué)技術(shù)在中藥有效性和毒性方面的應(yīng)用做一綜述。

1.中藥的有效性作用機(jī)制

中醫(yī)藥經(jīng)過幾千年的臨床實(shí)踐證實(shí)其具有有效性和科學(xué)性。由于中藥含有的化學(xué)成分多，因此對(duì)應(yīng)的作用靶點(diǎn)也多，可見中藥是通過多種作用途徑對(duì)人體發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的[4]。代謝組學(xué)將機(jī)體視成一個(gè)整體，通過分析體內(nèi)代謝物的變化來反應(yīng)藥物對(duì)機(jī)體的作用，并發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物和中藥干預(yù)的代謝通路，有助于揭示中藥的分子機(jī)制。

吳茱萸湯是我國傳統(tǒng)中藥方劑，主要用于治療頭痛，但作用機(jī)制不明。Ran Liu[16]等用代謝組學(xué)技術(shù)揭示吳茱萸湯的作用機(jī)制。分別用大鼠的腦組織和血漿作為研究對(duì)象，將模型組與對(duì)照組比較，在腦組織中發(fā)現(xiàn)了12個(gè)發(fā)生紊亂的代謝物，而經(jīng)過吳茱萸湯治療后均轉(zhuǎn)歸，可作為潛在的生物標(biāo)志物；在血漿中發(fā)現(xiàn)了6個(gè)異常代謝物，其中3個(gè)在治療后轉(zhuǎn)歸。其中，精氨酸在腦組織和血漿中都被發(fā)現(xiàn)異常，而吳茱萸均發(fā)揮了轉(zhuǎn)歸作用。基于發(fā)生紊亂的代謝物，結(jié)合KEGG等通路分析軟件，發(fā)現(xiàn)頭痛主要干擾了谷胱甘肽代謝、煙酸和煙酰胺代謝、嘌呤代謝、精氨酸和脯氨酸代謝等，而吳茱萸湯則可以通過反向調(diào)節(jié)前三個(gè)代謝通路而發(fā)揮治療作用。

金匱腎氣丸是由10種中藥組成的中成藥，主要用于治療由糖皮質(zhì)激素停用之后引起的腎上腺功能不全。Linjing Zhao[17]等分別使用GC-Q-TOF/MS和UPLC-Q-TOF/MS技術(shù)進(jìn)行非靶向和靶向代謝組學(xué)研究以揭示金匱腎氣丸的分子機(jī)制。OPLS-DA模型發(fā)現(xiàn)服用金匱腎氣丸的大鼠血清代謝譜和正常組接近，說明金匱腎氣丸預(yù)處理有保護(hù)作用。在模型組中有13個(gè)顯著改變的代謝物，金匱腎氣丸對(duì)其中10個(gè)有顯著反向調(diào)節(jié)作用。其中，增加碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝被認(rèn)為是金匱腎氣丸發(fā)揮保護(hù)作用的干預(yù)通路。鑒于游離脂肪酸代謝是顯著改變的代謝途徑，因此，又靶向定量42個(gè)游離脂肪酸含量。結(jié)果表明，對(duì)腎上腺皮質(zhì)功能不全的大鼠，金匱腎氣丸能有效升高或轉(zhuǎn)歸模型組中大部分減少的游離脂肪酸。而在腎上腺皮質(zhì)功能正常情況下，金匱腎氣丸對(duì)游離脂肪酸代謝的調(diào)節(jié)作用則相反，說明在健康狀態(tài)下，金匱腎氣丸對(duì)游離脂肪酸代謝不利。

中醫(yī)傳統(tǒng)方劑葛根芩連湯對(duì)2型糖尿病有顯著的降糖效果。Qiyun Zhang[18]等采用非靶代謝組學(xué)技術(shù)研究葛根芩連湯可能的降糖機(jī)制。PCA得分圖發(fā)現(xiàn)，給藥組明顯向正常組接近，說明葛根芩連湯對(duì)2型糖尿病有轉(zhuǎn)歸作用。其中葛根芩連湯能顯著降低模型組中升高的甘氨酸、泛酸和煙酰胺，卻能升高模型組中顯著降低的鞘氨醇，說明葛根芩連湯可能通過干預(yù)鞘氨醇代謝、COA生物合成、初級(jí)膽汁酸代謝、煙酸合成途徑發(fā)揮治療2型糖尿病的作用，為葛根芩連湯作用機(jī)制的進(jìn)一步研究提供思路。

2.中藥的毒性作用機(jī)制

中藥取材于天然，絕大多數(shù)無毒害作用，但有部分中藥藥性強(qiáng)烈，治療的安全窗小，一旦超過安全劑量，就對(duì)人體有毒副作用。與中藥的有效性研究一樣，中藥毒性機(jī)制研究難點(diǎn)在于潛在毒性靶點(diǎn)多，涉及的靶器官、靶組織多，毒效關(guān)系不明[19-20]。代謝組學(xué)技術(shù)可以從整體角度評(píng)價(jià)中藥的毒性，有助于闡明中藥的毒性機(jī)制和毒效關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)可靠的生物標(biāo)志物作為毒性臨床診斷和預(yù)后判斷[2，21]。

仇守蓓等[21-22]基于代謝組學(xué)技術(shù)研究菊三七的肝毒性機(jī)制，分析菊三七誘導(dǎo)的肝中毒大鼠和正常大鼠的血漿和尿液的代謝物差異，總共鑒定發(fā)現(xiàn)11個(gè)潛在的生物標(biāo)志物，分別是精氨酸、脯氨酸、谷氨酸、肌酸、纈氨酸、亞油酸、花生四烯酸、吡咯琳羥基羧酸、鞘氨醇、植物鞘氨醇和檸檬酸，主要干擾了氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝等代謝通路，為進(jìn)一步研究菊三七的肝毒性機(jī)理提供了線索。

FangboXia等[23]研究安宮牛黃丸中其他中藥對(duì)由朱砂和雄黃引起的肝腎毒性的保護(hù)作用，采用UPLC-Q-TOF/MS的代謝組學(xué)分析方法，分析分別灌胃安宮牛黃丸、朱砂雄黃組合和生理鹽水的三組大鼠的血清代謝物。病理組織切片結(jié)果顯示，服用了朱砂雄黃組合的大鼠肝腎組織中毒現(xiàn)象明顯，但含有朱砂雄黃的安宮牛黃丸的肝腎幾乎和正常組無異。代謝組學(xué)層面發(fā)現(xiàn)，服用安宮牛黃丸與正常組的血清代謝譜接近，而與服用了朱砂牛黃組合的相差較大，與病理組織結(jié)果一致。并鑒定得到了41個(gè)潛在的生物標(biāo)志物，主要集中在甘油磷脂、亞油酸、花生四烯酸、鞘脂等與炎癥相關(guān)的代謝通路。提示安宮牛黃丸中的朱砂和雄黃可以引起肝腎的炎癥反應(yīng)引發(fā)毒性，而配方中的其他中藥則可以逆轉(zhuǎn)由朱砂和雄黃引起的肝腎毒性。

Tao Su等[24]研究半夏和姜半夏對(duì)大鼠的心臟毒性。首先通過病理組織切片發(fā)現(xiàn)半夏經(jīng)過生姜炮制之后對(duì)心臟的毒性大大降低。接下來利用代謝組學(xué)技術(shù)分析半夏的心臟毒性以及生姜炮制減毒的作用機(jī)制。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，生半夏組有7個(gè)差異代謝物，姜半夏組有8個(gè)差異代謝物。并用ingenuity pathway analysis（IPA）軟件進(jìn)行生物學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，前者主要干擾了脯氨酸，尿嘧啶，賴氨酸降解，mTOR和TGF-β信號(hào)通路以及血清素生物合成，后者主要干擾了酪氨酸生物合成，脯氨酸，尿嘧啶，色氨酸和賴氨酸降解。前期研究發(fā)現(xiàn)，mTOR信號(hào)通路的過度激活或者抑制和TGF-β信號(hào)通路的激活可能引發(fā)心臟毒性。因此本實(shí)驗(yàn)用Western blot驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)生半夏組mTOR的磷酸化水平顯著降低，TGF-β水平顯著增加，而姜半夏組則與對(duì)照組沒有顯著性差異，推測mTOR信號(hào)通路的抑制和TGF-β信號(hào)通路的激活是生半夏心臟毒性的部分作用機(jī)制；而用生姜炮制能減毒，部分原因可能是由于清除了自由基。

3.討論

中藥是我國傳統(tǒng)文化的瑰寶，已有幾千年的臨床實(shí)踐。多成分、多靶點(diǎn)是中藥藥效和毒性的物質(zhì)基礎(chǔ)，卻也給中藥現(xiàn)代化研究帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代醫(yī)藥“單藥、單靶”的研究模式對(duì)具有復(fù)雜體系的中藥而言無疑是片面的。代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，可以整體、動(dòng)態(tài)地表征機(jī)體代謝物的變化，從而反應(yīng)疾病或藥物對(duì)機(jī)體的作用，已成為研究中藥的有利手段。當(dāng)然代謝組學(xué)技術(shù)目前仍有一些不足有待解決和改進(jìn)，比如不能完全鑒定出生物體全部的代謝物；不同實(shí)驗(yàn)室不同儀器的結(jié)果有所偏差，對(duì)建立標(biāo)準(zhǔn)帶來難度[1]；影響檢測結(jié)果的因素多，可能出現(xiàn)假陽性和假陰性等等。但相信隨著代謝組學(xué)的不斷發(fā)展，這些問題也將被一個(gè)個(gè)擊破。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)中藥現(xiàn)代化，將中藥的藥效、毒理等用現(xiàn)代和科學(xué)的語言來詮釋，單是代謝組學(xué)技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要其他分析手段聯(lián)合使用，比如蛋白質(zhì)組學(xué)、血清藥物化學(xué)等等，形成有特色的中藥現(xiàn)代化研究模式。