代謝組學(xué)在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

趙 丹，徐建良，2*，肖明中，2

(1.湖北中醫(yī)藥大學(xué) 中醫(yī)臨床學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.湖北省中醫(yī)院 肝病科，湖北 武漢 430061)

代謝組學(xué)概念首次由Nicholson[1]教授提出，代謝組學(xué)通過檢測生物體在不同生理病理?xiàng)l件下內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的變化，確定其變化規(guī)律與病理生理過程的相關(guān)性。作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，其特有的整體觀、動(dòng)態(tài)觀與中醫(yī)學(xué)理論的整體觀不謀而合，推動(dòng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究快速發(fā)展。近年來，代謝組學(xué)已廣泛應(yīng)用于臨床前藥物開發(fā)研究，在中醫(yī)理論指導(dǎo)下用于中醫(yī)證候研究、中藥安全性評價(jià)、復(fù)方配伍研究及中藥藥理研究等方面?，F(xiàn)將代謝組學(xué)的特點(diǎn)和在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用綜述如下。

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)整體描述內(nèi)源性代謝物的動(dòng)態(tài)變化，通過對內(nèi)源性小分子代謝物進(jìn)行定性定量分析，反映機(jī)體外源性和內(nèi)源性變化和整體功能狀態(tài)[2]。代謝組學(xué)可分為4個(gè)層次：代謝輪廓分析、代謝指紋分析、代謝物靶標(biāo)分析和代謝組學(xué)分析[3]，研究對象主要為生物體內(nèi)的如體液、器官組織和細(xì)胞等。采集樣品，對樣本進(jìn)行簡單預(yù)處理，提取并檢測樣品上清液，收集、分析數(shù)據(jù)，檢測代謝物及分析代謝通路，動(dòng)態(tài)描述生物系統(tǒng)表型。研究者可根據(jù)被測代謝物的理化性質(zhì)結(jié)合不同分析技術(shù)的優(yōu)勢，選擇合適目標(biāo)代謝物的技術(shù)平臺進(jìn)行檢測[4]。近年來一系列分析平臺的快速發(fā)展，包括核磁共振(NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)和毛細(xì)管電泳質(zhì)譜(CE-MS)等，可以實(shí)現(xiàn)對代謝產(chǎn)物及其相關(guān)代謝途徑的分離、檢測、表征和定量[5]。由于代謝組學(xué)得到的原始圖譜復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行充分解讀是代謝組學(xué)的關(guān)鍵問題，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和信息挖掘[6]。與基因組學(xué)和其他組學(xué)不同，代謝組學(xué)與疾病表型直接相關(guān)，其能夠鑒定代謝表型以及代謝紊亂和疾病之間的相關(guān)性。

2 代謝組學(xué)在中醫(yī)理論研究中的應(yīng)用

代謝組學(xué)對整個(gè)有機(jī)體進(jìn)行研究，與中醫(yī)學(xué)理論的整體觀、辨證論治相一致，反映了人體在多因素相互作用下的整體狀態(tài)。中醫(yī)藥在疾病治療中具有多成分、多靶點(diǎn)的特點(diǎn)，闡明中醫(yī)的作用機(jī)制是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。代謝組學(xué)通過對生物體液、細(xì)胞和組織中的代謝物的分析，可以檢測到生物途徑的細(xì)微改變，從而為深入了解各種生理和病理過程(包括疾病)的機(jī)制提供依據(jù)[7]。

2.1 中醫(yī)體質(zhì)研究

中醫(yī)體質(zhì)學(xué)說淵源于《黃帝內(nèi)經(jīng)》，認(rèn)為體質(zhì)形成與先天及后天因素有關(guān)，飲食不節(jié)、情志變化、用藥不當(dāng)及所處社會環(huán)境不同致機(jī)體失調(diào)等病理變化，從而影響體質(zhì)變化，體內(nèi)代謝物也隨之變化。利用代謝組學(xué)技術(shù)研究可以通過體內(nèi)代謝產(chǎn)物和代謝通路的變化推斷出各種外源性因素引起的最終結(jié)果[8]，實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析生物體的代謝產(chǎn)物，能夠較準(zhǔn)確得到中醫(yī)不同體質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而將體質(zhì)判定在代謝物水平上進(jìn)行量化和標(biāo)準(zhǔn)化[9]。

李英帥[10]應(yīng)用1H-NMR技術(shù)比較分析了陽虛體質(zhì)和陰虛體質(zhì)血清與尿液中的內(nèi)源性代謝差異，結(jié)果顯示陽虛質(zhì)血液中乳酸、谷氨酰胺、葡萄糖、丙氨酸、高密度脂蛋白水平較陰虛質(zhì)升高；尿液中肌酐、乳酸、二甲胺、檸檬酸、馬尿酸含量增多，甘氨酸、葡萄糖含量降低。DU等[11]通過代謝組學(xué)方法分析結(jié)腸腺瘤息肉陽虛質(zhì)和無結(jié)腸腺瘤息肉平和質(zhì)患者的血清內(nèi)源性代謝物，共鑒定出59個(gè)差異生物標(biāo)志物，主要存在于甘油磷脂代謝途徑，生物標(biāo)志物膽汁酸3-氧-4，6-膽二烯酸對陽虛質(zhì)結(jié)腸腺瘤性息肉患者可能有潛在診斷價(jià)值。

2.2 中醫(yī)證候研究

證候是對疾病過程中某一階段或某一類型的病理概括，是中醫(yī)臨床診治的核心[12]。中醫(yī)證候研究是利用整體觀和辨證施治，對中醫(yī)診斷和治療疾病的本質(zhì)和作用規(guī)律進(jìn)行綜合評價(jià)。利用代謝組學(xué)方法研究不同病證之間內(nèi)源性物質(zhì)的差異，尋找潛在的生物標(biāo)志物，有助于理解其病理生理機(jī)制，從而確定新的診斷方法和治療目標(biāo)[13]。LI等[14]應(yīng)用液相色譜質(zhì)譜法研究銀屑病(PV)不同中醫(yī)證型的血清代謝特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)血瘀證組血脂代謝異常，表現(xiàn)為磷脂酰膽堿(PC)水平低、溶血磷脂酰膽堿(LPC)水平高，磷脂酰膽堿有望被用作診斷和鑒別血瘀證銀屑病的潛在生物標(biāo)志物，其水平表明銀屑病的中醫(yī)證候鑒別有客觀的物質(zhì)基礎(chǔ)；LIN等[15]應(yīng)用代謝組學(xué)方法檢測氣虛證大鼠尿液代謝物，結(jié)果鑒定出包括黃嘌呤酸、泛酸等在內(nèi)的15個(gè)潛在生物標(biāo)志物，主要涉及色氨酸代謝、牛磺酸和亞?；撬岽x、檸檬酸循環(huán)等。金艷濤等[16]運(yùn)用高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測了艾滋病脾腎虧虛證患者和健康人群的血液，確定了11種差異代謝物，主要涉及膽汁酸代謝途徑。一項(xiàng)多中心大樣本研究[17]采用UPLC-Q-TOF/MS代謝組學(xué)技術(shù)檢測冠心病不同證型受試者的尿液生物標(biāo)志物，結(jié)果找到15個(gè)痰瘀互結(jié)證生物標(biāo)志物和12個(gè)氣陰兩虛證生物標(biāo)志物，且兩證型差異明顯，表現(xiàn)為痰瘀互結(jié)證患者糖代謝明顯升高，氣陰兩虛證患者能量代謝紊亂。孫琛琛[18]應(yīng)用GC-MS方法探尋血脂異常不同中醫(yī)證候間的血清差異代謝物及代謝通路，結(jié)果分別篩選出14種肝腎陰虛證、氣滯血瘀證、陰虛陽亢證各14種、33種、20種差異代謝物，識別血脂異常的代謝途徑有ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、脂肪酸生物合成、β丙氨酸代謝。

2.3 中藥安全性評價(jià)

中藥及其制劑廣泛應(yīng)用于臨床治療各種疾病并取得良好療效，因中藥引起的肝腎損傷等安全性問題，導(dǎo)致中藥國際認(rèn)可度逐年下降，制約了其在世界范圍內(nèi)的發(fā)展與地位[20]。

目前對中藥毒理研究選擇的指標(biāo)主要為組織形態(tài)學(xué)及生化指標(biāo)，焦點(diǎn)在中藥的急性毒性和長期毒性，檢測的結(jié)果尚不能闡明毒性物質(zhì)基礎(chǔ)的變化規(guī)律[20]。代謝組學(xué)是一種旨在全面分析生物樣品中所有代謝物的“組學(xué)”方法，與中醫(yī)整體觀一致，在中醫(yī)藥療效和毒性評價(jià)方面顯示出了巨大潛力[21]，為中藥研究開發(fā)提供了技術(shù)手段，并得到廣泛應(yīng)用[22]。

唐丹丹[23]應(yīng)用UPLC-HDMS代謝組學(xué)技術(shù)結(jié)合藥理學(xué)的方法，檢測馬兜鈴腎病(AAN)大鼠不同階段的尿液代謝產(chǎn)物，結(jié)果鑒定出早期AAN和晚期AAN的不同生物標(biāo)志物，檸檬酸循環(huán)、腸道菌群代謝、氨基酸代謝、嘌呤代謝和膽汁酸合成等紊亂與馬兜鈴導(dǎo)致的腎損傷有關(guān)。王旭彬等[24]使用NMR技術(shù)研究烏頭堿對大鼠的糞便提取物代謝物的影響，結(jié)果共鑒定出包括短鏈脂肪酸、氨基酸在內(nèi)的40種生物標(biāo)志物，給藥組大鼠α-氨基戊酸、谷氨酸、苯丙氨酸的含量顯著降低，烏頭堿使大鼠腸道菌群代謝異常及分解胃腸道食物的能力下降。吳昊等[25]應(yīng)用LC-MS技術(shù)結(jié)合代謝組學(xué)方法，觀察了甘草炮制雷公藤對小鼠血清中代謝物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甘草炮制雷公藤組小鼠血清ALT、AST、TNF-α、IL-6水平較雷公藤小鼠組顯著降低，共篩選出脂肪酸、磷脂酸、甘油酯等在內(nèi)的12個(gè)潛在生物標(biāo)志物，涉及9個(gè)代謝通路，其中脂肪酸代謝通路是甘草炮制可降低肝毒性的關(guān)鍵代謝通路。DONG H等[26]利用UPLC-Q-TOF-HDMS對川烏(CW)誘導(dǎo)毒性的尿液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果鑒別出了與CW毒性相關(guān)的17個(gè)生物標(biāo)志物，配伍使用甘草、白芍、干姜后篩選出的相關(guān)毒性標(biāo)志物表達(dá)水平被有效地調(diào)節(jié)到正常范圍。表明代謝組學(xué)對于評價(jià)中藥毒性和尋找解毒方法具有重要意義。

2.4 中藥復(fù)方研究

中藥復(fù)方是臨床用藥的主要形式，按照“君臣佐使”“升降浮沉”理論將不同單味中藥配伍通過不同的組合形成了復(fù)方，達(dá)到了單味藥不能達(dá)到的治療效果，具有多組分、多靶點(diǎn)、整體性的復(fù)雜特點(diǎn)，且藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制不明確。

代謝組學(xué)憑借其高通量、高靈敏的優(yōu)點(diǎn)，可以客觀且無差別地反映出機(jī)體內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的代謝狀況，從而反映出其生理狀態(tài)，是中藥復(fù)方研究復(fù)雜的“量效關(guān)系”與“組效關(guān)系”的最有效的分析方法[27]。通過對機(jī)體代謝產(chǎn)物進(jìn)行系統(tǒng)的分析，已被應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物和干擾通路，從而闡明中藥的作用機(jī)制[28]。ZHANG等[29]基于NMR的代謝組學(xué)和綜合藥理學(xué)研究防己黃芪湯(FHD)治療腎病綜合征的作用機(jī)制，多因素分析顯示16種異常代謝物中13種可被FHD逆轉(zhuǎn)；綜合藥理學(xué)分析發(fā)現(xiàn)FHD有93個(gè)潛在靶點(diǎn)，F(xiàn)HD對腎病綜合征的保護(hù)作用可能與免疫調(diào)節(jié)、能量代謝和脂肪酸代謝有關(guān)。王海峰[30]應(yīng)用1H-NMR技術(shù)研究朱砂的肝腎毒性以及朱砂安神丸配伍的合理性，檢測不同給藥組的大鼠尿液代謝物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)朱砂安神丸組恢復(fù)朱砂給藥組引起的TMAO、Citrate、Succ和2-oxogluarate代謝下降，對朱砂引起牛黃酸和乙酸丙氨酸的升高也有一定的抑制作用。YANG等[31]利用超高效液相色譜法檢測腎氣丸治療皮質(zhì)酮誘導(dǎo)腎陽虛證大鼠模型的血清差異生物標(biāo)志物，結(jié)果鑒定出腎陽虛組27種潛在生物標(biāo)志物，主成分分析顯示運(yùn)用腎氣丸治療后這些代謝物的變化恢復(fù)正常水平。CUI等[32]應(yīng)用于UPLC-Q-TOF-MS技術(shù)研究黃芩(SR)、黃連(CR)配伍治療T2DM大鼠血漿和尿液的代謝變化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃芩、黃連和聯(lián)合提取物能改善2型糖尿病大鼠高血糖、血脂異常和胰島素抵抗。YUE C等[33]利用UHPLC-FTICR-MS技術(shù)從代謝組學(xué)角度研究甘遂甘草配伍機(jī)理和甘遂半夏湯的配伍作用，初步鑒定出20個(gè)生物標(biāo)志物，主要涉及7條與肝腎毒性相關(guān)的代謝途徑，甘遂半夏湯組將差異生物標(biāo)志物含量調(diào)整至正常水平。

3 結(jié)語

中醫(yī)學(xué)以整體恒動(dòng)觀為指導(dǎo)原則，將人體看成一個(gè)整體，隨證施治，辨證處方，在治療各疾病方面取得確切療效。然而中醫(yī)認(rèn)識疾病的方法、理論尚缺乏合適的現(xiàn)代科學(xué)表達(dá)體系，難以檢測中藥的有效成分，與西醫(yī)相比缺少可測量的指標(biāo)或數(shù)據(jù)，因此闡明中醫(yī)藥的作用機(jī)制具有重大挑戰(zhàn)，使得中醫(yī)理論的科學(xué)價(jià)值及中醫(yī)臨床經(jīng)驗(yàn)的實(shí)用價(jià)值難以被現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)乃至于生命科學(xué)家所認(rèn)可和接受，難以被現(xiàn)代社會理解和接受，其在國際上的地位和發(fā)展受限。

運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)，不僅可以解釋中醫(yī)證候的本質(zhì)和“辨證論治”的理論，而且可以闡明中藥的現(xiàn)代科學(xué)內(nèi)涵。通過代謝組學(xué)研究，尋找與中醫(yī)治療相關(guān)的代謝物和差異性生物標(biāo)志物，闡述疾病的發(fā)病機(jī)制，深化中醫(yī)藥療效評價(jià)。