中醫(yī)藥防治阿爾茨海默病的代謝組學(xué)研究*

李全，張健，王琪，周妍妍

1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040

阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是一種以認(rèn)知功能障礙為臨床表現(xiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病［1］。β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉積、Tau蛋白過度磷酸化是AD的主要病理改變。AD早期主要以輕度認(rèn)知功能障礙為臨床表現(xiàn)，發(fā)病多具有隱匿性，因此AD的早期診斷較為困難，并且目前AD發(fā)病原因尚未確切，治療難度較大，針對單一靶點的藥物治療效果不甚理想，因此評價其治療效果大多以改善認(rèn)知功能為標(biāo)準(zhǔn)，并不能徹底逆轉(zhuǎn)該病。近年來，代謝組學(xué)技術(shù)已檢測出多種與AD相關(guān)的生物代謝標(biāo)記物，并基于代謝組學(xué)技術(shù)探究中藥對相關(guān)代謝標(biāo)記物的調(diào)控作用。因此，本文就中藥防治AD的代謝組學(xué)實驗研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，總結(jié)近年來AD的代謝組學(xué)實驗研究成果以求對AD的生物代謝標(biāo)記物及代謝途徑有更深刻的認(rèn)識，為防治AD提供新的思路。

1 代謝組學(xué)技術(shù)

自系統(tǒng)生物學(xué)出現(xiàn)后，組學(xué)技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點，系統(tǒng)生物學(xué)下分多種組學(xué)技術(shù)，主要包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等，而不同種組學(xué)技術(shù)之間又可相互聯(lián)合形成新的分析方法［2］。代謝組學(xué)基于高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometr，GCMS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（liquid chromatographymass spectrometr，LC-MS）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等技術(shù)平臺，以尿液、血液、糞便、細(xì)胞作為檢測樣品，并結(jié)合主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘判別分析（partial least-squares discrimination analysis，PLS-DA）、正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least-squares discrimination analysis，OPLSDA）等數(shù)據(jù)處理方法，通過比對代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫篩選出差異代謝物［3］，這種技術(shù)可將基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的微小變化在代謝產(chǎn)物上放大，從而使檢測更加便捷［4］，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析流程見圖1。

圖1 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析流程

2 AD與相關(guān)代謝途徑

2.1 AD與氨基酸代謝氨基酸具有合成神經(jīng)遞質(zhì)、維持突觸功能的作用，人的記憶認(rèn)知功能和神經(jīng)元信號傳導(dǎo)可受不同種氨基酸代謝影響［5］。如色氨酸參與5-羥色胺的代謝，5-羥色胺能夠提高記憶功能并激活小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬Aβ，有研究發(fā)現(xiàn)在輕度認(rèn)知功能障礙和AD患者體內(nèi)的5-羥色胺含量下降以及轉(zhuǎn)運體功能中斷的發(fā)生［6］。絲氨酸、甘氨酸參與乙酰膽堿的代謝，乙酰膽堿負(fù)責(zé)神經(jīng)元電信號的傳導(dǎo)并且同樣具有維持人記憶功能的作用，當(dāng)腦內(nèi)乙酰膽堿水平下降，其學(xué)習(xí)記憶能力亦受到影響。

2.2 AD與脂質(zhì)代謝脂質(zhì)代謝紊亂同樣是誘發(fā)AD的危險因素之一，脂質(zhì)能夠儲存能量，并參與神經(jīng)元細(xì)胞的生長發(fā)育、損傷修復(fù)及信號傳導(dǎo)過程。脂質(zhì)類物質(zhì)中膽固醇以及載脂蛋白E與AD的發(fā)病密切相關(guān)，有研究表明膽固醇代謝產(chǎn)物能促進(jìn)Tau蛋白過度磷酸化和Aβ的沉積［7］，同時在AD患者的血液代謝產(chǎn)物中同樣發(fā)現(xiàn)了高密度游離膽固醇、高密度脂蛋白磷脂及甘油磷脂等代謝標(biāo)記物［8］。載脂蛋白E的等位基因載脂蛋白E4能夠與小膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)合并使小膠質(zhì)細(xì)胞過度活化，促進(jìn)炎癥介質(zhì)的釋放并介導(dǎo)神經(jīng)炎癥的發(fā)生。

2.3 AD與葡萄糖代謝葡萄糖可為大腦提供能量支持，保證腦組織代謝正常進(jìn)行。但既往研究表明糖代謝異常也存在誘發(fā)AD的風(fēng)險，體內(nèi)葡萄糖代謝主要有兩種途徑，即葡萄糖轉(zhuǎn)運和細(xì)胞內(nèi)葡萄糖降解，當(dāng)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白不能通過血腦屏障將葡萄糖轉(zhuǎn)運出去而滯留于腦內(nèi)則易引發(fā)Aβ沉積和Tau蛋白過度磷酸化，進(jìn)而加快AD發(fā)?。?］。細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝所產(chǎn)生的乙酰輔酶A是合成乙酰膽堿的前體物質(zhì)，若細(xì)胞內(nèi)糖代謝發(fā)生紊亂則乙酰膽堿的合成同樣會受到影響并出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶功能減退的癥狀。有趣的是，胰島素抵抗同樣會導(dǎo)致AD的發(fā)生，甚至有AD為“3型糖尿病”的說法［10］。

2.4 AD與其他代謝途徑除上述代謝途徑之外，AD的發(fā)生還與腸道菌群、神經(jīng)遞質(zhì)、能量、維生素代謝密切相關(guān)。涉及腸道菌群代謝的雙歧桿菌、乳酸桿菌、類桿菌；合成神經(jīng)遞質(zhì)的γ-氨基丁酸、乙酰輔酶A、5-羥色胺；涉及能量代謝的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）以及合成維生素的煙酸、煙酰胺均在既往的AD代謝組學(xué)研究中被檢測出過。

3 中藥防治AD的代謝組學(xué)研究

3.1 中藥復(fù)方防治AD的代謝組學(xué)研究

3.1.1 定志小丸王義民［11］通過尿液代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在AD模型大鼠尿液代謝分析共鑒別出了牛磺酸、尿酸、檸檬酸、肌酐、半胱氨酸等28種內(nèi)源性生物標(biāo)記物，涉及12條代謝途徑，經(jīng)定志小丸給藥后這些差異代謝物水平均有所回調(diào)，這提示定志小丸可通過改善氨基酸、能量及腸內(nèi)菌群代謝提高大鼠學(xué)習(xí)記憶功能。

3.1.2 補陽還五湯汪白云等［12］在APP／PS1小鼠的尿液代謝產(chǎn)物中鑒別出花生四烯酸、神經(jīng)胺、L-棕櫚酰肉毒堿、甘油磷脂酰膽堿等四種生物代謝標(biāo)記物，并發(fā)現(xiàn)補陽還五湯對花生四烯酸、L-棕櫚酰肉毒堿、甘油磷脂酰膽堿具有明顯抑制作用，而這些生物代謝標(biāo)記物與氧化應(yīng)激、免疫炎癥、Aβ沉積的發(fā)生密切相關(guān)。

3.1.3 開心散Chu等［13］基于血液代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在AD模型大鼠血液代謝物中檢測出48種潛在生物標(biāo)記，開心散可回調(diào)其中36種生物代謝標(biāo)記物，并提高AD模型大鼠細(xì)胞凋亡抑制因子Bcl-2和膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)合成，減少細(xì)胞凋亡。

3.1.4 恒清Ⅱ號方孟勝喜等［14］在APP／PS1小鼠尿液代謝產(chǎn)物中鑒別出α-生育三烯酚、鞘氨醇激酶、多巴胺、膽固醇等四種生物標(biāo)記物，經(jīng)恒清Ⅱ號方給藥后小鼠的多巴胺、α-生育三烯酚、鞘氨醇激酶等標(biāo)記物的表達(dá)提高，膽固醇含量降低，這提示恒清Ⅱ號方能夠促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的合成，減少神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡。此外，在APP／PS1小鼠糞便代謝分析中共鑒別出了10種潛在生物標(biāo)記物，涉及6條代謝途徑。經(jīng)恒清Ⅱ號方給藥后小鼠體內(nèi)的乳酸、焦谷氨酸、L-谷氨酸等9種物質(zhì)的含量上升，L-酪氨酸、L-色氨酸含量降低，其防治AD機制可能與該方調(diào)節(jié)氨基酸生成與代謝途徑有關(guān)［15］。

3.1.5 補腎填髓方Zhang等［16］基于血清代謝分析，在AD模型大鼠血清代謝物中共鑒別出78個潛在生物標(biāo)記物，這些生物標(biāo)記主要涉及亞油酸、色氨酸、甘油磷脂等6條代謝路徑，經(jīng)補腎填髓方給藥后這些潛在生物標(biāo)記物大多被調(diào)節(jié)到正常水平，并且該方可通過磷脂酰激醇3激酶／蛋白激酶B信號通路減少神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，這與給藥后大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的提高相印證。

3.2 中藥藥對防治AD的代謝組學(xué)研究李卉［17］以人參及遠(yuǎn)志提取物對AD模型大鼠進(jìn)行干預(yù)治療，通過尿液、血清、腦組織代謝組學(xué)分析鑒別出3-甲基二氧辛醇、脫氧鳥苷、5-磷酸核糖基-N-甲酰甘氨酸酰胺等8種潛在生物標(biāo)記物，涉及9條代謝途徑，并且人參皂苷配伍遠(yuǎn)志皂苷可回調(diào)上述差異代謝標(biāo)記物含量，這提示人參皂苷配伍遠(yuǎn)志皂苷可提高AD模型大鼠抗氧化能力，并減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡。

3.3 中藥提取物防治AD的代謝組學(xué)研究

3.3.1 人參皂苷Re李菁媛［18］基于血漿代謝組學(xué)研究表明，經(jīng)人參皂苷Re給藥后AD模型小鼠的血漿代謝物中苯丙氨酸的含量降低；色氨酸、16碳鞘氨醇、植物鞘氨醇、溶血磷脂酰膽堿的含量上升。這提示人參皂苷Re可通過調(diào)節(jié)AD小鼠體內(nèi)氨基酸、卵磷脂和鞘脂代謝，進(jìn)而起到防治AD的作用。

3.3.2 丹參提取物張民勇［19］以Aβ誘導(dǎo)細(xì)胞損傷形成AD細(xì)胞模型，通過細(xì)胞代謝組學(xué)鑒別出色氨酸、L-苯丙氨酸、L-精氨酸等33種潛在生物標(biāo)記物，涉及丙氨酸-天冬氨酸和谷氨酸代謝、谷胱甘肽代謝等9條代謝途徑，并且經(jīng)丹參提取物給藥后，其中15種生物標(biāo)記物可恢復(fù)到正常水平，這說明丹參提取物可通過減少氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)的發(fā)生達(dá)到防治AD的作用。

3.3.3 益智仁提取物張夢雅［20］基于腦組織、血漿代謝組學(xué)技術(shù)探討益智仁提取物對AD模型大鼠干預(yù)機制。經(jīng)代謝組學(xué)檢測共鑒別出29種血漿代謝標(biāo)記物和11種腦組織代謝標(biāo)記物，并且益智仁有效成分可使23種血漿代謝標(biāo)記物和9種腦組織代謝標(biāo)記物恢復(fù)正常水平，這些代謝標(biāo)記物主要通過氨基酸代謝、脂類代謝和能量等代謝途徑減少Aβ在腦組織的沉積。

3.3.4 黑水纈草提取物王喆等［21］通過血漿代謝分析發(fā)現(xiàn)，在AD模型小鼠血漿代謝物中共鑒別出組氨酸、溶血磷脂酰膽堿、二氫神經(jīng)鞘氨醇等10種潛在生物標(biāo)記物，并且經(jīng)黑水纈草提取物給藥后可回調(diào)這些代謝差異物至正常水平，這與給藥后小鼠行為學(xué)測試結(jié)果相符合。這說明黑水纈草提取物具有促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的合成，改善認(rèn)知功能的作用。

3.3.5 白藜蘆醇ATP是維持機體糖代謝平衡的重要物質(zhì)，隨著年齡的增加ATP含量逐漸減少，導(dǎo)致腦組織能量代謝異常，這與AD的認(rèn)知障礙密切相關(guān)。張玉霖等［22］基于腦組織代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，AD模型大鼠腦內(nèi)ATP含量降低、ADP含量升高；而經(jīng)過白藜蘆醇給藥后的大鼠腦內(nèi)ATP、ADP含量均回歸正常水平，并且大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力得以改善，這說明白藜蘆醇可通過調(diào)節(jié)能量代謝達(dá)到防治AD的目的。

3.3.6 五味子木脂素韋夢瑩［23］基于血漿代謝組學(xué)檢測共鑒別出17種潛在生物標(biāo)記物，這些潛在標(biāo)記物主要涉及脂肪酸、鞘脂類、甾醇類代謝等5種代謝途徑。并且五味子木脂素可對其中15種生物標(biāo)記物起到正向調(diào)節(jié)作用，這提示五味子木脂素可通過減輕氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎癥介導(dǎo)的神經(jīng)毒性損傷，發(fā)揮防治AD的作用。

3.3.7 五味子多糖Liu等［24］基于尿液代謝組學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)，經(jīng)五味子多糖給藥后的AD模型大鼠超氧化物歧化酶、γ-氨基丁酸、乙酰膽堿、5-羥色胺、多巴胺等含量顯著上升；糖原合成酶激酶-3β、乙酰膽堿酯酶、一氧化氮合酶含量顯著下降，這表明五味子多糖可通過降低氧化應(yīng)激水平、保護(hù)中樞神經(jīng)、調(diào)節(jié)能量代謝和腸道微生物代謝等方式發(fā)揮防治AD的作用。

3.3.8 蛇床子素閆宇輝［25］基于腦組織代謝組學(xué)在APP／PS1模型小鼠中鑒別出腺苷、黃嘌呤5-三磷酸、5-氨基咪唑核糖核苷酸等10余種潛在生物標(biāo)記物，這些代謝標(biāo)記物主要涉及嘌呤、維生素、脂質(zhì)等代謝途徑，蛇床子素可通過磷脂酰激醇3激酶／蛋白激酶B信號通路調(diào)節(jié)上述代謝途徑，降低氧化應(yīng)激水平，減少細(xì)胞凋亡數(shù)量，從而發(fā)揮防治AD的作用。

3.3.9 巴戟天低聚糖巴戟天具有補腎壯陽，祛風(fēng)除濕，強健筋骨之功效，Yang等［26］探討中藥巴戟天的提取物巴戟天低聚糖防治AD的腸道菌群機制，經(jīng)血清代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與模型組相比給藥組有14種代謝標(biāo)記物被上調(diào)，8種代謝標(biāo)記物被下調(diào)，主要涉及脂質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)等代謝途徑，巴戟天低聚糖可減少APP／PS1小鼠腦內(nèi)不飽和脂肪酸的合成，降低氧化應(yīng)激水平，并改善小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)揮改善AD癥狀的作用。

3.3.10 燈盞花素吳玲玲［27］通過血漿代謝分析發(fā)現(xiàn)，在AD模型大鼠血漿中共鑒別出3-吲哚丙烯酸、C16二氫神經(jīng)鞘氨醇、溶血磷脂酰乙醇胺等10種代謝標(biāo)記物。經(jīng)燈盞花素給藥后，這些差異代謝物水平均有恢復(fù)正常的趨勢，這提示燈盞花素可能通過調(diào)控脂質(zhì)代謝，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的合成，降低膽固醇的含量實現(xiàn)防治AD作用。

綜上，本研究從藥物類型、研究對象、樣品、技術(shù)和防治AD作用機制等方面，大致概述了近年來代謝組學(xué)在中藥防治AD研究中的相關(guān)文獻(xiàn)，為此類研究提供一定借鑒，詳見表1、表2。

表1 中藥復(fù)方防治AD的代謝組學(xué)研究

表2 中藥提取物、中藥藥對提取物防治AD的代謝組學(xué)研究

4 總結(jié)與展望

本文綜述了5種中藥復(fù)方、10種中藥提取物、1組中藥藥對防治阿爾茨海默病的代謝組學(xué)研究，經(jīng)過大量的實驗研究表明AD潛在生物代謝標(biāo)記物大多為色氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、膽固醇、花生四烯酸、神經(jīng)鞘氨醇、溶血磷脂酰膽堿等，并涉及氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、神經(jīng)遞質(zhì)代謝、腸道菌群代謝、能量代謝等途徑。目前，中藥對阿爾茨海默病的代謝標(biāo)記物調(diào)控作用以及認(rèn)知功能改善效果顯著，這些潛在生物標(biāo)記物為阿爾茨海默病的早期診斷和治療方案提供了參考依據(jù)，合理利用代謝組學(xué)技術(shù)可充分發(fā)揮中藥防治AD的優(yōu)勢。

但是，代謝組學(xué)在阿爾茨海默病研究中也存在一些問題。一者，AD的代謝組學(xué)技術(shù)研究大多集中在動物實驗上，臨床研究相對較少；二者，AD的代謝組學(xué)研究的樣品多為尿、血漿等，腦組織、糞便代謝研究并不多見；三者，代謝組學(xué)技術(shù)雖然可檢測出與AD相關(guān)的代謝標(biāo)記物，但缺少對中藥調(diào)控代謝標(biāo)記物的機制研究；四者，代謝組學(xué)樣品檢驗昂貴，這在一定程度上制約了AD代謝組學(xué)研究的開展；五者，缺少中藥與針灸、中藥與西藥聯(lián)合防治AD的代謝組學(xué)研究；六者，代謝組學(xué)與其他組學(xué)聯(lián)用的AD研究亦鮮有報道。因此，未來代謝組學(xué)在阿爾茨海默病的中醫(yī)藥研究仍需解決這些問題。