基于代謝組學(xué)的中醫(yī)肺系疾病及證候研究進(jìn)展*

白菁安，姜淼，陳則旭，趙寧

1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)臨床基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京 100700；2.廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)院，福建 廈門 361102

中醫(yī)學(xué)是中國(guó)傳統(tǒng)文化和哲學(xué)觀念的集中體現(xiàn)。其中“辨證論治”為中醫(yī)學(xué)理論體系的基礎(chǔ)，具有整體性、聯(lián)系性和動(dòng)態(tài)性；“辨證論治”經(jīng)過(guò)醫(yī)家的長(zhǎng)期實(shí)踐，在中醫(yī)預(yù)防、診斷、治療等環(huán)節(jié)均有優(yōu)勢(shì)。在全球提倡精準(zhǔn)醫(yī)療的背景下，辨證論治逐漸成為引領(lǐng)未來(lái)醫(yī)學(xué)思維體系發(fā)展的重要方法［1］。在辨證論治的過(guò)程中，“證”是核心。近年來(lái)，中醫(yī)藥學(xué)者一直努力尋找具有高特異性、高靈敏性的指標(biāo)為辨證提供客觀化的物質(zhì)依據(jù)［2］。隨著系統(tǒng)生物學(xué)的到來(lái)，代謝組學(xué)這一擁有綜合性、集成性及整體性等特點(diǎn)的學(xué)科，可以從生物體的生化表型來(lái)判斷其整體功能狀態(tài)的研究思路［3-6］，這與辨證論治中“司外揣內(nèi)，見微知著”的思維方式有異曲同工之處，為深入探討中醫(yī)證候分類的物質(zhì)基礎(chǔ)提供新的研究角度和思路［7］。本文將對(duì)肺系疾病及證候相關(guān)代謝組學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。

1 代謝組學(xué)的簡(jiǎn)介

代謝組指存在于特定類型細(xì)胞或生物體內(nèi)的小分子代謝物的總集合，是代謝的最終下游產(chǎn)物。代謝組學(xué)是一種通過(guò)定性、定量研究生物體體液（如血漿、尿液及組織液等）中的內(nèi)源性代謝物，結(jié)合模式識(shí)別的信息學(xué)技術(shù)，分析獲得不同狀況下生物體的終端代謝物和相應(yīng)的代謝譜峰，能夠反映出生物體在特定階段、特定狀態(tài)下整體功能變化的學(xué)科［8-10］。與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)或蛋白質(zhì)組學(xué)等比較，代謝組學(xué)能更準(zhǔn)確地反映有機(jī)體當(dāng)前代謝狀態(tài)。由于代謝物具有覆蓋率高、分析性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)或生物標(biāo)志物篩選的研究［11-13］。代謝組學(xué)目前分析技術(shù)主要包括核磁共振技術(shù)（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography-mass spectrometer，GCMS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（liquid chromatographmass spectrometer，LC-MS）、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用儀（capillary electrophoresis-mass spectrometer，CE-MS）和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（high performance liquid chromatography-mass spectrometer，HPLC-MS）。通過(guò)靈活選用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，可以分析獲得機(jī)體在生理、病理等不同狀態(tài)下的終端代謝物差異，以及相應(yīng)的代謝譜峰的特點(diǎn)。這些差異代謝物能反映出生物體在特定階段、特定狀態(tài)下的功能變化［14］。該學(xué)科的應(yīng)用跨越多種技術(shù)手段，在疾病的預(yù)防、診斷、治療及藥物的開發(fā)等方面具有廣闊的發(fā)展前景［15-17］。

2 代謝組學(xué)與中醫(yī)證候研究的相關(guān)性

中醫(yī)學(xué)的證候包括“證”與“候”，證是疾病的本質(zhì)，候是其表現(xiàn)形式［18-21］。證候研究作為證型規(guī)范化的研究前提與基礎(chǔ)，也是中醫(yī)藥當(dāng)今研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。中醫(yī)的“證”是機(jī)體在致病因素作用下，機(jī)體內(nèi)外環(huán)境各系統(tǒng)之間相互關(guān)系發(fā)生紊亂所產(chǎn)生的病理生理狀態(tài)［22］，是一種綜合性的診斷概念。提示對(duì)證候的研究不可僅局限于某一具體臟腑組織器官，必須回歸到中醫(yī)學(xué)整體觀念上來(lái)。作為一種“自上而下”的策略，代謝組學(xué)能夠通過(guò)代謝網(wǎng)絡(luò)的最終產(chǎn)物反映生物的功能［23］。這種性質(zhì)與中醫(yī)學(xué)“整體觀念”的核心思想是一致的。代謝組學(xué)通過(guò)對(duì)代謝物的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，中醫(yī)不同證候的差異物代謝譜和干擾途徑［24］，有助于闡明中醫(yī)不同證候的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制［25-26］，為中醫(yī)理論的科學(xué)闡述提供客觀的物質(zhì)基礎(chǔ)，為證型的規(guī)范化提供新思路。

3 代謝組學(xué)與不同肺系疾病相關(guān)研究

藏象學(xué)說(shuō)是中醫(yī)基礎(chǔ)理論的重要組成部分，是研究機(jī)體各個(gè)臟腑組織器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理、病理及其相互關(guān)系的學(xué)說(shuō)［27-29］。藏象學(xué)說(shuō)認(rèn)為，肺為五臟之華蓋，外合皮毛，肺為嬌臟，故外感和內(nèi)傷因素都易損傷肺臟。肺主氣，司呼吸，故肺病多以氣機(jī)升降失常的證候?yàn)橹鳎?0］。中醫(yī)肺系疾病涉及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的肺炎、慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘、過(guò)敏性鼻炎及肺癌等。上述疾病普遍存在發(fā)病率高、病程長(zhǎng)、并發(fā)癥多及治療費(fèi)用較高等情況，嚴(yán)重影響患者的身心健康［31-35］。以下將簡(jiǎn)述代謝組學(xué)在中醫(yī)肺系疾病中的相關(guān)研究情況。

3.1肺炎Giovanni等［36］采用GC-MS技術(shù)對(duì)1至12歲獲得性肺炎患者與正常組的尿液中的代謝物含量進(jìn)行定量分析，同時(shí)運(yùn)用微生物和生化相結(jié)合的保守算法發(fā)現(xiàn)，與正常組比較，獲得性肺炎患者尿液中有20種代謝產(chǎn)物被鑒定并被認(rèn)為是潛在的生物標(biāo)志物。而腎上腺甾體合成和降解途徑的6種代謝產(chǎn)物是鑒別獲得性肺炎病因的最顯著的代謝產(chǎn)物。

3.2慢性阻塞性肺疾病Junto等［37］運(yùn)用LC-MS技術(shù)對(duì)慢性阻塞性肺疾病患者和健康人的血漿進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，與健康人群比較，慢性阻塞性肺疾病患者共有142種差異代謝物；通路富集分析表明，有5條代謝通路受到干擾，且全部涉及氨基酸代謝。這些差異代謝物可能作為慢性阻塞性肺疾病診斷或預(yù)后的候選生物標(biāo)志物，代謝通路可能為研究慢性阻塞性肺疾病的病理機(jī)制提供線索。

3.3支氣管哮喘Ho等［38］采用LC-MS和GC-MS聯(lián)用技術(shù)測(cè)定正常組和支氣管哮喘模型小鼠的肺泡灌洗液中的代謝物，并運(yùn)用正交投影-潛在結(jié)構(gòu)判別分析進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與正常組比較，模型組哮喘小鼠肺泡灌洗液中乳酸、蘋果酸和肌酐等代謝物增加，碳水化合物（如甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖）減少，磷脂酰膽堿、三酰甘油、膽固醇、皮質(zhì)醇和膽酸水平顯著降低，提示小鼠肺部的能量、氨基酸和脂質(zhì)代謝途徑的改變可能與支氣管哮喘的發(fā)生有關(guān)。

3.4過(guò)敏性鼻炎茍小軍等［39］將過(guò)敏性鼻炎患者和健康人群的血清運(yùn)用GC-MS技術(shù)進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)兩組人群的差異代謝物進(jìn)行了受試者工作特征曲線繪制并分析發(fā)現(xiàn)，曲線下面積大于0.5的物質(zhì)有甘油酸、絲氨酸、蘇氨酸等21種物質(zhì)，結(jié)合代謝通路分析，其變化反映了過(guò)敏性鼻炎的發(fā)生可能與能量代謝、氨基酸代謝、脂肪酸代謝等代謝有關(guān)。

3.5肺癌Rocha等［40］運(yùn)用NMR技術(shù)對(duì)肺癌患者和健康人群的血漿進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，與健康人比較，肺癌患者血漿中的高密度脂蛋白、葡萄糖、檸檬酸、甲酸鹽、醋酸鹽、氨基酸（丙氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、纈氨酸）和甲醇水平明顯降低，極低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及丙酮酸明顯升高，但這些變化只存在疾病的初始階段。提示肺癌的發(fā)生與糖酵解、谷氨酰胺分解、糖異生和脂質(zhì)分解代謝有密切關(guān)系。

4 代謝組學(xué)與肺系疾病不同證候相關(guān)研究

運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)在肺系疾病中的研究可能對(duì)肺系疾病的辨證分型提供客觀化依據(jù)，現(xiàn)將代謝組學(xué)在肺系疾病不同證型中的研究進(jìn)展做如下概括。

4.1（肺）寒證任靖等［41］采用GC-MS技術(shù)對(duì)病毒性肺炎風(fēng)寒郁肺證患兒與正常兒童的血漿進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，有丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等共14個(gè)差異性代謝產(chǎn)物。這些代謝物可影響到酸代謝、甘氨酸代謝、?；撬岽x等共5條代謝通路。另有研究對(duì)過(guò)敏性鼻炎肺虛感寒證患者和健康人血清中的內(nèi)源性小分子代謝物進(jìn)行分析，篩選出共23個(gè)差異代謝物，過(guò)敏性鼻炎肺虛感寒證患者血清中的丙氨酸、磷酸-甲酯、乙醇胺、甘油等9種物質(zhì)顯著上調(diào)，甘油酸、蘇氨酸、天冬酰胺等14種物質(zhì)顯著下調(diào)［42］。

4.2痰熱郁肺證邊遜等［43］運(yùn)用GC-MS技術(shù)對(duì)毛細(xì)支氣管炎患者和正常人的尿液樣本進(jìn)行測(cè)定和分析發(fā)現(xiàn)，與正常人比較，毛細(xì)支氣管炎患者共發(fā)現(xiàn)包括尿酸、乙酸、丙氨酸等15種差異代謝物。痰熱閉肺組與風(fēng)熱閉肺組間有13種表達(dá)代謝物具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，包括肉毒堿、1-賴氨酸、L-谷氨酰胺等。楊秀云等［44］納入30例痰熱壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者，采用1HNMR方法觀察患者治療前后血清差異代謝物發(fā)現(xiàn)，與治療后比較，治療前患者血清中谷氨酸、賴氨酸、丙酮酸等3種代謝物含量明顯升高，極低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及亮氨酸等9種代謝物含量明顯下降。提示痰熱壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者的能量代謝和蛋白質(zhì)代謝出現(xiàn)紊亂。

4.3腎虛痰瘀證吳燕等［45］應(yīng)用NMR技術(shù)對(duì)腎虛痰瘀型哮喘患者和健康人群的尿液進(jìn)行代謝物篩選發(fā)現(xiàn)，共8種差異性代謝物，其中β-羥丁酸、酪氨酸和馬尿酸共3種代謝物在腎虛痰瘀型哮喘患者的尿液中含量較健康人群顯著降低，葡萄糖、乳酸、二甲胺等5種代謝物的含量顯著升高。應(yīng)用HPLC技術(shù)對(duì)兩組尿液樣本進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，腎虛痰瘀型哮喘病患者尿液中的酪氨酸、天冬氨酸、胱氨酸等5種代謝物含量均明顯低于健康人。運(yùn)用不同技術(shù)檢測(cè)和分析得到的代謝物均涉及葡萄糖代謝、氨基酸代謝以及脂肪酸代謝，可能為診斷腎虛痰瘀型哮喘提供借鑒。徐衛(wèi)方等［46］應(yīng)用NMR對(duì)慢性阻塞性肺疾病腎虛痰瘀證患者和健康人的血漿進(jìn)行代謝物篩選發(fā)現(xiàn)，與健康人群比較，慢性阻塞性肺部疾病患者血漿中有異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸等14種差異性代謝物，所涉及異常的代謝通路包括氨基酸代謝、糖代謝及脂肪代謝。這可能為診斷慢性阻塞性肺部疾病腎虛痰瘀證提供借鑒。

4.4氣陰兩虛證通過(guò)使用HPLC-MS技術(shù)研究氣陰兩虛型慢性阻塞性肺疾病穩(wěn)定期患者和健康人的血清發(fā)現(xiàn)，肌苷酸、三磷酸鳥苷、3-甲基組氨酸等9種代謝物在患者血清中較健康人有降低趨勢(shì)，這些代謝物的變化涉及的代謝通路包括氮代謝、嘌呤代謝、氨基酰-tRNA生物合成、谷胱甘肽代謝及組氨酸代謝［47］。茍小軍等［48］運(yùn)用GC-MS技術(shù)對(duì)兒童哮喘氣陰兩虛型患者尿液進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，與健康受試者比較，氣陰兩虛證患者尿液中丁酸、丁二酸、L-脯氨酸、肌酐、2，4-二羥基丁酸、苯乙酸、4，5-三羥基戊酸、D-核糖、1H-吲哚、阿糖醇、甘氨酸、半乳糖酸、馬尿酸、假尿苷水平顯著升高；磷酸鹽、L-蘇氨酸水平顯著下降。這些差異性代謝物涉及能量代謝、腸道菌群代謝和核苷酸代謝等4條代謝通路，這可能為尋找兒童哮喘氣陰兩虛證的物質(zhì)基礎(chǔ)提供參考。

4.5肺氣虛證李博林［49］選擇肺氣虛型支氣管哮喘患者和健康人，運(yùn)用HPLC-MS技術(shù)對(duì)兩組的血漿代謝物進(jìn)行檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，與健康人比較，氣虛型支氣管哮喘患者血漿的代謝譜有明顯不同，其中有9個(gè)差異性代謝物被認(rèn)為是肺氣虛型支氣管哮喘的潛在代謝標(biāo)志物。Liu等［50］采用HPLC-MS／MS技術(shù)檢測(cè)慢性阻塞性肺疾病肺氣虛證穩(wěn)定期患者和健康人群的血漿代謝物發(fā)現(xiàn)，在慢性阻塞性肺疾病患者血漿中發(fā)現(xiàn)15種可能的疾病標(biāo)志物。二者全譜氨基酸代謝組學(xué)結(jié)果也顯示出不同的特點(diǎn)。

5 討論

綜上所述，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)研究肺系疾病方面已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展［51-53］。結(jié)合近期已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，肺系疾病的發(fā)生機(jī)制可能與氨基酸代謝、脂肪酸代謝、腸道菌群代謝及糖代謝有密切關(guān)系［54-55］。但是在運(yùn)用代謝組學(xué)探索疾病證候，特別是肺系疾病的證候的物質(zhì)基礎(chǔ)的相關(guān)研究中，雖然初步得到部分證候的典型代謝產(chǎn)物，但受限于臨床收集患者證型的典型度、樣本量、病種以及不同疾病人群人口學(xué)特征匹配度低等局限，故還有待于擴(kuò)大樣本量。此外，各證型的辨證標(biāo)準(zhǔn)尚未完全達(dá)成共識(shí)、納入及排除標(biāo)準(zhǔn)受臨床醫(yī)師主觀因素等影響，有待日后進(jìn)一步完善。

另外，中醫(yī)藥對(duì)于肺系疾病的研究多為非靶向代謝組學(xué)，進(jìn)一步驗(yàn)證靶向代謝組學(xué)還需結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)。隨著代謝組學(xué)的不斷發(fā)展，將蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)的研究有機(jī)結(jié)合勢(shì)必會(huì)成為下一步的發(fā)展趨勢(shì)。代謝組學(xué)在深入揭示肺系疾病與證候的標(biāo)志性代謝物，闡釋中醫(yī)證候的生物學(xué)本質(zhì)，闡明相關(guān)疾病的病因機(jī)制、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及早期診斷中發(fā)揮作用。