代謝組學在中醫藥現代化研究中的應用

李先娜，董輝，孫暉

(黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

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代謝組學在中醫藥現代化研究中的應用

李先娜，董輝，孫暉*

(黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

代謝組學與蛋白質組學、基因組學、轉錄組學等組學技術共同組成系統生物學。近幾年，代謝組學作為繼后基因時代逐漸發展起來的一門新興學科，憑借其科學的研究理念及先進的研究技術平臺，通過對生物體整體代謝網絡及機體內復雜代謝物的動態變化進行分析，探究中醫藥治療疾病的藥效物質基礎及作用機制，被廣泛應用于中醫藥現代化研究過程。對代謝組學技術及其在中醫藥現代化研究過程中的廣泛應用作一綜述。

代謝組學；中醫藥現代化；中醫辨證施治；中藥整體藥效評價；中藥活性成分

中醫藥理論是我國臨床實踐經驗的總結與升華，在中華民族幾千年疾病治療過程中發揮了重要作用，闡明中藥及復方治療疾病的藥效物質基礎及體內作用機制是中醫藥現代化研究的核心與關鍵。1999年英國帝國理工大學Jeremy Nicholson教授首次系統地闡釋代謝組學是在機體新陳代謝的動態變化中，系統地研究代謝產物與機體病理及生理變化的相關性及變化規律的一門綜合學科，通過對機體特異性代謝標志物的檢測，有助于研究人員借助特異性代謝標志物揭示機體生命活動的本質[1]。近幾年，代謝組學憑借其先進的分析技術平臺結合多變量統計分析方法，廣泛應用于中醫藥現代化研究中，包括辨證施治理論研究、中藥整體藥效評價研究、中藥安全性評價研究與中藥質量標準研究等眾多中醫藥領域的研究過程，并取得了突出的研究成果。代謝組學為中藥現代化研究提供新的研究思路及科學的研究方法[2]。

1 代謝組學概述

代謝組學(Metabonomics/Metabolomics)是研究生物體整體變化規律的一門組學方法[3]。代謝組學的研究目標為通過對機體內源性代謝物的動態變化進行定性及定量分析，進而確定代謝物的變化規律與機體所產生的病理及生理過程的的相關性。目前代謝組學在國際上主要分為Metabonomics和Metabolomics兩大代謝組學領域，前者主要側重于對生物體體液及組織的研究，探究生物體在外界刺激下，機體內所有代謝物質在不同時間內的動態變化規律；后者主要側重于對細胞的研究，通過對代謝物的組成進行定性及定量分析，來探究機體的代謝途徑。代謝組學的研究對象主要是存在于生物體液(尿液、血液、腦脊液)、組織(腎臟、肝臟、心臟)、細胞(細胞提取物及其培養液)中分子量低于1000的內源性小分子化合物[4]。代謝組學的研究內容主要包括：代謝物靶標分析(Metabolite target analysis)：對生物體內某一個或某幾個代謝物進行定性或定量分析；代謝輪廓分析(Metabolic profiling)：運用某種特定分析技術，對生物體內特定代謝物進行定性或定量分析；代謝物指紋分析(Metabolite finger printing)：運用現代儀器分析技術，同時對細胞內、外多個代謝物進行定性或定量分析；代謝組分析(Metabolomics/Metabonomics)：研究機體在外界的刺激下，定性及定量分析生物體內全部代謝物隨著時間的動態變化及其變化規律[5-6]。

代謝組學研究過程主要包括：樣品采集與預處理、數據采集與分析、代謝物及代謝通路的研究。研究平臺主要包括：分析技術平臺與數據處理平臺。由于生物內代謝物種類繁多、理化性質復雜，單一的分析技術無法同時對生物體內所有代謝物進行分離和檢測，因此聯用技術在代謝組學研究過程中得到廣泛應用。代謝組學分析技術平臺主要包括：液相色譜-質譜聯用技術(liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)、氣相色譜-質譜聯用技術(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)、核磁共振技術(nuclear magnetic resonance，NMR)、毛細管電泳-質譜(Capillary Electrophoresis Mass Chromatography，CE-MS)、傅里葉變換-紅外光譜(Fourier Transform InfraRed， FT-IR)、電感耦合等離子質譜技術(Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)等儀器分析技術，其中氣相色譜-質譜聯用技術、液相色譜-質譜聯用技術、核磁共振技術為代謝組學研究過程的主要技術平臺[7-8]。研究者可根據被測代謝物的理化性質結合不同分析技術所具有的獨特優勢選擇合適的分析技術平臺對所測代謝物進行分離和檢測。

代謝組學的數據分析主要采用化學計量學與多元統計學分析方法相結合，以充分對機體內代謝物進行全面分析，表征特異性生物標志物，尋求特異性生物標志物與生物體產生的生理或病理變化的相關性[9]。化學計量學方法處理數據過程主要包括：數據提取、峰的提取和預處理、多維統計模式識別。多維統計模式識別技術是代謝組學的主要分析技術，主要特點為可以從多個角度較全面的分析代謝物數據信息，進而充分探究代謝物與生物體病理及生理變化的相關性。多元統計學分析方法主要分為無監督方法(unsupervised method)和有監督方法(supervised method)。無監督學習方法包括：主成分分析法(principal component analysis,PCA)、聚類分析(hierarchical cluster analysis,HCA)、典型相關分析(canonical correlation analysis，CCA)等。有監督方法包括：最小偏二乘法(partial least squares,PLS)、偏最小二乘判別分析(partial least squares projection to latent structures-discriminant analysis,PLS-DA)、正交最小偏二乘判別分析(Orthogonal PLS-DA,OPLS-DA)、線性判別分析方法(Linear discriminant analysis，LDA)、隨機森林法(Random Forest，RF)等[10]。

2 代謝組學與中醫辨證施治

我國中醫理論經過幾千年的發展與傳承，有其特有的科學理論體系，中醫理論的精髓在于運用整體的、宏觀的、辨證的診治方法去診治人類的健康與疾病。從古至今，中醫理論凝聚著醫學工作者的在診治過程中所積累的寶貴經驗，但卻由于缺乏現代科學對診治機理的闡釋，而制約了中醫藥現代化的發展。代謝組學是研究機體在外界因素如環境、食物、藥物、性別、年齡、基因等影響下，機體內小分子代謝物所發生的改變及其與生物體功能之間的關系。因此，代謝組學作為后基因組時代出現的一門新興組學技術，其研究理念與中醫藥多成分、多靶點、整體性研究理念相吻合。代謝組學研究過程不局限于單一組織或單一通路，其對生物體內代謝物由于受外界因素的改變而發生的一系列變化進行整體地、宏觀地、動態地分析。代謝組學的研究對象主要包括生物體液或細胞，是一種無創傷、自然地研究機體生理、病理過程的分析方法。簡而言之，充分、有效地將代謝組學運用到中醫藥的研究過程，基于生物體內整體代謝網絡的動態變化來闡釋中醫藥治療疾病的機理，推動中醫藥的現代化研究進程[11]。Wang等應用高分辨率UPLC-MS技術研究分析了黃疸癥、陰黃和陽黃整病人體內代謝輪廓的變化，運用代謝組學方法結合多變量統計學分析患者尿液發現了44個潛在標志性生物代謝物，研究結果顯示該癥發病機制主要與機體內丙氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、D-谷氨酸、酮體的合成和降解等途徑密切相關[12]。

3 代謝組學與中醫證候本質研究

中醫證候研究是指將中醫整體觀和中醫辨證施治觀相結合，綜合性的評價中醫診治疾病的本質與作用規律，是中醫基礎研究中的核心研究內容。中醫診治疾病有其獨有的特點，研究觀念具有整體性，通過人體在某個時期的整體狀態加以識別、分類并且有目的性地調控，進而整體的改變人體的生理與病理狀態，這點正是現代醫學所缺乏診治疾病的理念。中醫學觀點認為“視其外應，以知其內臟，則知所病矣”。通過對患者外在癥狀表現，推測其機體內可能產生的病理或生理性變化，進而對患者進行綜合診治。代謝組學研究理念與中醫證候研究思維方式有相似之處，代謝組學是指通過對機體受到外源性或內源性刺激后，探究機體在一定時間內代謝產物及代謝軌跡所發生的變化及變化規律。代謝組學可以探究機體內代謝物表達的終端信息，進而反映并解決中醫證候所關注的生物體內在變化的問題。與其他組學技術相比，代謝組學具有無侵入性及易獲得性等優點，可以在一段時間內檢測機體內代謝物表達水平的變化。充分運用代謝組學研究方法可以為中醫證候本質研究提供更多的、有效的、標準的研究途徑，為中醫藥現代化研究提供新的研究思路和方法。

4 代謝組學與中藥整體藥效評價研究

方劑是在中醫辨證、辨病理論基礎上根據組方原則由多味中藥組成，是中醫臨床治療疾病的主要用藥形式。方劑對人體疾病的診療是復雜化學成分相互作用的結果，中藥多成分進入體內發揮療效是一個多成分、多靶點、多途徑的復雜作用過程。由于中藥成分較為復雜，現代研究方法無法科學的揭示中藥藥效物質基礎及其在體內的作用機制。代謝組學技術通過對口服中藥或方劑后生物體內源性代謝物動態變化進行分析，確定中藥及方劑進入生物體后的作用靶點及作用受體[13]。代謝組學技術有利于闡明中藥及方劑治療疾病的作用機理及處方配伍的內在規律。近年來，越來越多的國內外學者運用代謝組學技術對中藥進行藥效評價研究，取得了滿意的結果[14]。Wang等運用UPLC-MS技術結合多變量統計學分析方法，研究溫心方治療心氣虛證的藥效物質基礎，表征17 個特異性生物標志物及其代謝網絡，特異性代謝物包括：硬脂酸、尿酸、左旋肉堿、3-羥基犬尿氨酸等。結果顯示溫心方治療心氣虛證的作用途徑主要與生物體內糖酵解、不飽和脂肪酸的合成代謝、糖異生代謝和嘌呤代謝密切相關，科學的闡釋了溫心方治療心氣虛證的作用機理[15]。

5 代謝組學與中藥安全性評價研究

近幾年，隨著中藥及其制劑在全世界得到廣泛的應用，有關中藥安全性報道逐漸增多，引起了國內外醫學工作者的廣泛關注[16]。許多國家先后限制了中藥及其制劑的進口及使用，致使傳統中藥在國際上的認知度逐年減低，制約了中藥在國際上的發展與地位[16]。運用現代分析技術，對中藥及其制劑的安全性進行科學研究，有助于推動中藥及其制劑的整體研究水平并積極地推動其在國際上的發展。近幾年，國內外學者運用代謝組學手段，研究口服中藥及其制劑后，生物體內源性代謝物及代謝譜隨時間的變化，識別機體內與毒性作用相關的特異性生物標志物、探究藥物毒性作用的靶器官、闡釋毒性反應的作用機理，為中藥毒性和安全性評價研究提供了新的思路和研究方法[17]。

6 代謝組學與中藥質量標準研究

中藥材質量的優劣取決于其所含成分的種類和含量，影響中藥材質量的主要因素包括：品種、氣候、產地、采集季節以及炮制方法等因素[18]。運用代謝組學技術，分析中藥所含化學成分的種類及其質量隨氣候、產地、采集時間的不同所產生的變化，可以對其進行定性及定量的評價，進而科學地對中藥質量進行控制[19]。

7 展望

中醫藥歷經幾千年的發展歷史，其診療效果與理念受到國內外醫療工作者的廣泛關注，但由于中醫藥治療疾病的機理缺乏科學性的闡釋，制約了中醫藥在國際的發展。中醫藥主要運用整體的、動態的、多靶點的、辨證的觀點對人類的健康與疾病進行調控，代謝組學的研究理念與中醫藥辨證論證的診療思維相一致[20-21]，為中藥現代化研究提供了新的思路及方法。因此，借助現代儀器分析手段并運用代謝組學技術從本質上闡釋中藥治療人體疾病的作用機理，有助于將中醫藥與現代生命科學技術相結合，進而推動中藥現代化研究的進程。

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哈爾濱市應用技術研究與開發項目(No.2014RFQXJ116);黑龍江中醫藥大學科研基金面上項目(No.201307)

李先娜(1988-)， 女，黑龍江中醫藥大學2014級藥物分析學專業博士研究生,主要研究方向：中藥體內成分分析及中藥質量標準研究。

孫暉*(1963-)，女，教授，博士研究生導師，主要研究方向：中藥體內成分分析及中藥質量標準研究。

2015-11-30

R285

A

1002-2406(2016)05-0114-03

修回日期：2015-12-10