基于代謝組學的針灸作用機制研究進展

鐘歡　邵湘寧　胡舒寧　佘暢　劉霞　劉密　劉邁蘭　常小榮　譚曉文

摘要?代謝組學是新近興起的一種系統生物學研究手段，具有整體性、動態性反應生物體接受刺激時所作出的代謝物層面的變化，與中醫整體觀十分吻合，因此廣泛用于中醫中藥學的研究中，在針灸學機制的研究中早已將代謝組學作為一種有效的研究手段，近年來針灸代謝組學的研究日趨增多，在揭示針灸作用機制方面也取得了一定的成果，故對現今的研究做一綜述，以愿能為代謝組學廣泛應用于針灸的現代化研究提供新思路。

關鍵詞?針灸;代謝組學;作用機制;神經遞質;能量代謝;氨基酸;綜述

Review on the Research of Acupuncture and Moxibustion Action Mechanism Based on Metabonomics

Zhong Huan1，2，Shao Xiangning1，Hu Shuning1，She Chang1，Liu Xia1，Liu Mi1，Liu Mailan1，Chang Xiaorong1，Tan Xiaowen2

（1 College of Acupuncture and Moxibustion，Hunan University of Chinese Medicine，Changsha 410208，China; 2 Xiangxi Hospital of Chinese Medicine of Tujia and Miao Ethnic Group，Xiangxi 416000，China; 3 Liuyang Hospital of Chinese Medicine，Liuyang 410300，China）

Abstract?Metabolomics is a kind of newly emerged systematic biology research method，with integrity and dynamic nature. It can reflect the changes of metabolins when stimulating the living organism. Due to its accordance with the holism in traditional Chinese medicine（TCM），it is widely used in TCM and Chinese materia medica. In the research of acupuncture mechanism，metabonomics has been taken as an effective method of research for a long time. There are more researches of metabonomics on acupuncture and moxibustion in recent years with certain achievements in terms of revealing the mechanisms of acupuncture and moxibustion. This paper made a review on current studies，wishing to provide new ideas for metabonomics being widely used in modern acupuncture research.

Key Words?Acupuncture and moxibustion; Metabonomics; Mechanism; Neurotransmitter; Energy metabolism; Amino acid; Review

中圖分類號：R245文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2019.03.006

代謝組學和其他“組學”是分析化學的基本學科，是對某一生物、細胞在某一特定生理時期內所有低分子量代謝產物同時進行定性和定量分析的一門科學，是繼基因組學、轉錄組學、蛋白質組學之后系統生物學的另一重要分支與研究領域[1-2]，由于代謝組學能夠反應機體或細胞在病理生理的刺激或基因水平的修飾下所出現的代謝物質變化，且該研究具有整體性和動態性的特點，因此代謝組學廣泛應用于醫學科學、生命科學等領域[3-4]。代謝組學的應用為疾病的早期診斷、探索機體病理生理規律提供了一個恰當的方法[5-8]。

針灸學是中醫學的重要分支，是中醫最重要的外治方法之一，針灸作用于人體避免了藥物的不良反應，是世界公認的綠色療法，在世界上有較高的知名度，然而礙于其作用機制尚未完全揭示，使得針灸的廣泛傳播受到了極大的限制[9]。針灸刺激人體穴位時，機械刺激信號產生的生物學效應是針刺效應的基本原理，然而由于針刺的生物學效應是多途徑、多環節、多層次的復雜調節作用，因而整體的反應針灸的普遍生物學效應十分重要[10]。代謝組學是通過對機體小分子代謝物進行定性和定量分析的一種方法，具有高通量、高靈敏度、高精確性的優勢，能定性或定量動態檢測人體分子量<1 000的小分子代謝物的變化，能夠反應外界刺激對生物體內源性代謝物的整體影響[11-13]，是現代系統生物學的重要組成部分。目前代謝組學技術已在中醫藥研究領域得到初步應用并有廣闊發展前景，而結合針灸學的特點，代謝組學十分符合針灸的現代化研究，能更加全面的反應針灸的作用機制。本文就前期針灸學代謝組學的研究做一綜述，以期對針灸學的現代化研究提供新思路。

1?針灸對神經遞質代謝的影響

在針灸的現代研究中，神經系統對刺激信號的傳導一直是針灸研究的熱點，代謝組學為針灸效應的神經學基礎做了較全面的闡釋，李姝婧等[14]進行了隔藥餅灸臍法和針刺三陰交2種方法治療原發性痛經的血漿代謝組學研究，采用LC-MS患者血漿及尿液進行檢測，發現兩者在神經遞質的代謝中所起的作用有差異，這也解釋了兩者臨床療效的差異性。在對隔藥餅灸組血漿及尿液代謝組學結果分析時發現，其影響的相關的神經遞質代謝物有4-羥基丁酸、多巴胺（Dopamine，DA）、多巴胺-4-硫酸鹽、L-酪氨酸、L-苯丙氨酸、Methylimidazoleacetic acid、咪唑-4-乙醛、腦啡呔L，而針刺三陰交所影響的神經遞質代謝物有羥色氨酸、γ-氨基丁酸、L-酪氨酸、L-苯丙氨酸、多巴胺醌、高香草酸、3，4-二羥基苯乙酸、3-Methoxy-4-Hydroxyphenylglycol sulfate、3，4-Dihydroxyphenylglycol O-sulfate[15]。該課題組也比較了隔藥灸與隔淀粉灸對脾虛型腸易激綜合征患者代謝的影響[16-18]，結果發現兩者均對5羥色胺的代謝有影響，然而隔藥灸組對其影響是直接影響到5羥色胺神經遞質的前體物質，而隔淀粉灸則是間接通過影響色氨酸而影響5羥色胺的代謝，兩者差異說明其作用方式的差異，且證明了隔藥物灸可能促進藥物透皮吸收，從而加強灸效。而該課題組在與匹維溴銨的對比研究中證實了隔藥灸臍能增強兒茶酚胺代謝，通過降低內臟敏感性從而改善患者癥狀。由此可見，針灸治療疾病的神經學基礎已初見倪端[19]。吳巧鳳等[20]對潰瘍性結腸炎的研究中發現針刺足三里、天樞、上巨虛對大鼠腦皮層代謝有明顯影響，在腦內乳酸、磷酸肌酸、N-乙酰天冬氨酸酰谷氨酸明顯升高，分析發現，這些物質的升高能夠提高神經元的能量代謝，能增強神經信號在某些感覺和運動神經通路中的傳導，而與非經非穴比較發現，針刺穴位的效應更加明顯，從而也證明了經穴特異性的存在。另有研究發現針刺對快速老化小鼠磷脂酰膽堿有顯著影響，這也說明了針刺效應的物質基礎可能與神經信號轉導相關，而膽堿的集聚也說明了針刺的神經修復作用，而乳酸在腦內的升高也說明了針刺對腦內神經元的保護作用[21]。Guangli Yan等[22]的研究采用針刺足三里觀察治療后針刺影響的代謝通路，結果維生素B6途徑顯著受到影響。維生素B6是多個代謝反應的輔酶，且對神經功能有著重要的作用，這也表明針灸效應的神經基礎是存在的，針刺可以通過影響神經的代謝而起效。Zishan Gao等[23]的研究利用電針治療偏頭痛大鼠，發現電針治療后大鼠血漿中肌酸、膽堿變化明顯，且穴位與非穴位對比有較明顯的差異，由此說明針灸刺激能給機體一定的刺激，但刺激在穴位能有特異性的效果。

以上均為針灸對神經遞質的影響，從所影響的代謝物中分析發現，這些物質多能影響神經信號的傳導，或能修復神經細胞，或能增強神經細胞的能量代謝。4-羥基丁酸[24-25]是γ-氨基丁酸（GABA）的前體和代謝物，而GABA是哺乳動物中樞神經系統中廣泛分布的最重要的抑制性神經遞質，中樞中大部分的神經突觸部位以GABA為遞質[26]。GABA與受體結合不僅可抵抗缺血缺氧，且可改善痛經癥狀[27]。另外GABA能結合到抗焦慮的腦受體并使之激活，然后與另外一些物質協同作用，阻止與焦慮相關的信息抵達腦指示中樞從而根本上鎮靜神經起到抗焦慮的作用[28]，可減輕痛經患者的焦慮癥狀。由此可見，針刺與隔藥灸均能影響神經遞質GABA的代謝，從而緩解疼痛患者的臨床癥狀，或改善患者焦慮狀態，這也可能是針灸治療痛癥患者的神經物質基礎。

多巴胺-4-硫酸鹽參與多巴胺代謝，多巴胺醌和Normetanephrine參與酪氨酸代謝[29]，酪氨酸、L-苯丙氨酸是神經遞質多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素合成的前體。多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素3種胺類神經遞質統稱為兒茶酚胺[30]。兒茶酚胺在機體應激中發揮著重要作用，有利于提高人體的應激性[31]。腎上腺素可提高痛閾，多巴胺和去甲腎上腺素均與精神和情緒活動有關。多巴胺參與精神和情緒活動，多巴胺存在于大腦中，在中腦-大腦皮質、中腦-邊緣葉系統中較多，與人類的精神和情緒活動關系密切，而在外周組織中其受體的激活也發揮著舒張平滑肌的作用[32]，而針刺效應也可能通過刺激這些受體的表達而發揮。去甲腎上腺素是神經系統的重要遞質，其神經元胞體位于腦干，軸突發出分支，形成額葉/顳葉-基底節-腦干腹側環路，該環路負責調控情緒、睡眠和認知等，上述神經遞質的改變為針灸的神經相關性奠定了基礎。

Methylimidazoleacetic acid和咪唑-4-乙醛參與組氨酸代謝，組氨酸[33]是組胺合成的前體，組胺有很強的舒張血管的作用[34]，在研究中針刺上調了其濃度，因此針刺可能通過增強組氨酸的代謝，從而起到擴張血管，改善循環的作用。

腦啡呔L是一種內源性的阿片肽[35]，廣泛分布于外周和中樞神經系統，是中樞神經系統重要的鎮痛遞質。阿片肽在神經-內分泌系統和免疫系統之間起著重要的橋梁作用，尤其是腦啡呔、內啡呔均對免疫系統發生影響，亦可通過調節免疫系統來緩解疼痛。針灸對腦啡肽L的影響足以說明針灸對神經遞質的影響。針灸改變的神經遞質的代謝物質中，對5羥色胺的影響較為重要，因5羥色胺在體內廣泛分布[36]，且在外周組織中是一種重要的致痛物質，但是在中樞卻又表現出鎮痛作用，因此針灸的局部感覺可能是通過影響5羥色胺的合成，從而發揮中樞效應。

綜上所述，針灸可能通過神經系統而發揮重要的調節作用，對神經系統的影響以調節神經遞質的代謝為主，涉及到的代謝包括GABA、DA、組胺、腦啡肽、5羥色胺等，這也是針灸調控神經-內分泌-免疫系統的物質基礎。

2?針灸對能量代謝的影響

糖是人體的主要功能物質，人體所需能量的70%以上由糖氧化分解供應。糖原和葡萄糖是能源的主要形式，其中糖原用于貯存，葡萄糖用于運輸。糖必須經過消化道的水解酶作用，水解成單糖才能被小腸黏膜吸收而供利用。葡萄糖代謝的主要途徑有3條，在缺氧的情況下，葡萄糖經過糖酵解，無氧分解成乳酸，而乳酸又可通過糖異生轉化為糖原;當供氧充足時，葡萄糖進行有氧氧化，徹底分解成二氧化碳和水;還有一條途徑為葡萄糖經6-磷酸葡萄糖氧化分解。在糖酵解過程中，丙酮酸經乳酸脫氫酶催化，接受3-磷酸甘油醛脫氫過程中生產的氫原子，被還原成乳酸。這一過程是可逆的，當氧充足時，乳酸又可脫氫氧化為丙酮酸[37-38]。能量代謝是生物體最基本的生命體現，大量的代謝組學研究中均表明了針灸對機體能量代謝有顯著影響[39]，多以影響機體三羧酸循環的中間代謝物，從而調節能量代謝。研究表明[40]針灸能改善多種代謝障礙性疾病，例如高血糖、超重，高脂血癥，且這些改善作用均源于針灸對胰島素抵抗、增強胰島素敏感性的調節作用。在一項針對功能性消化不良的研究中發現針灸能顯著改變體內乳酸、葡萄糖的水平[41-42]。吳巧鳳等[20]對潰瘍性結腸炎的代謝組學研究中發現針刺足三里、天樞、上巨虛可顯著升高乳酸、磷酸肌酸、乙酰天冬氨酸的水平，磷酸肌酸是細胞能量代謝的重要生理活性物質，它作為一種高能磷酸鹽組成能量穿梭系統能夠使二磷酸腺苷磷酸化，使三磷酸腺苷這一機體直接供能物質得到循環利用。

陳大帥等[43]利用針刺治療功能性便秘患者時發現，在FC患者體內存在明顯的糖類代謝紊亂，乳酸、α-葡萄糖、β-半乳糖出現顯著性改變，且丙氨酸含量顯著減少，這提示功能性便秘患者糖酵解增強、脂肪動員增加，且與臨床患者體質量偏輕，脂肪厚度減少一致。而針刺后，乳酸、α-葡萄糖、β-半乳糖顯著增高，提示針刺能改善患者體內能量代謝紊亂，增強糖類代謝。

Limin Zhang等[44]利用磁共振成像氫譜技術展開了穴位埋線對更年期老鼠代謝組學的研究，研究中發現在模型組中大鼠的代謝模式發生了明顯的變化，且以糖類代謝紊亂和脂類代謝紊亂為主，在穴位埋線治療后的大鼠變現出糖類代謝紊亂的代謝模式向正常代謝模式變化的趨勢，盡管模型組表現出血糖偏低而與前期研究中雌激素增強胰島素敏感的結果不一致[45]，可能因為血糖與胰島素敏感并非一一對應有關，但針刺能改善疾病狀態下糖類代謝的證據不容質疑。

而另一項研究則以健康人為研究對象，觀察了不同的穴位所引起的特征性代謝物的變化，研究發現在與胃經相關的穴位中足三里、梁門均有α-葡萄糖、乳酸的變化，這足以說明針刺對能量代謝的影響，并且在非胃經相關的穴位委中卻沒有發現此變化，由此說明針刺效應與穴位關系密切，存在經穴之特異性[46]。

綜上所述，基于代謝組學方法對針灸作用機理的闡釋可以看出，針灸對能量代謝的影響可能是針灸作用的基礎，眾所周知，體內三大營養物質可以通過三羧酸循環相互轉化利用，因此，針灸對體內葡萄糖、乳酸等的影響可間接發揮調節脂類代謝或氨基酸代謝的作用，這也從另一個角度闡釋了針灸作用的多角度，多層次，多靶點的特點。

3?針灸對氨基酸代謝的影響

氨基酸在體內代謝的變化最終將通過蛋白質的功能活動體現出來[47-48]。大量的針灸代謝組學研究表明針灸能增強機體氨基酸的代謝，一項針對于艾煙的代謝組學實驗證實，艾煙能增強大鼠體內纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的代謝，從而從分子水平闡述了艾煙對人體的影響，經過分析發現受影響的氨基酸主要參與機體的能量代謝[49]。韓媛媛等研究了隔藥灸臍法治療脾虛型腸易激綜合征，在對患者尿液的代謝組學分析中發現隔藥灸能對機體色氨酸代謝、氨基酸合成、組氨酸代謝、酪氨酸代謝、精氨酸脯氨酸代謝有顯著影響，并且提出隔藥灸臍可能通過影響了瓜氨酸——一氧化氮循環，從而增加體內一氧化氮含量，達到生物學效應[16]。在對潰瘍性結腸炎腦內代謝物的研究中發現，模型大鼠腦內亮氨酸/異亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸、谷氨酸等明顯下降，而針刺足三里、天樞、上巨虛后對腦內水溶性腦代謝物影響明顯，如谷氨酸、N-乙酰天冬氨酰谷氨酸[20]。在針刺天樞穴治療功能性便秘患者的研究中，血漿中原本已經升高的代謝產物，如甘氨酸、精氨酸含量則降低;而在FC患者血漿中含量較低的代謝產物，如丙氨酸、脯氨酸和蘇氨酸，經治療后含量增加;說明FC患者存在嚴重的氨基酸代謝紊亂，較高含量的甘氨酸會打破人體對氨基酸的吸收平衡而影響其他氨基酸的吸收，造成營養失衡從而影響健康，這與臨床FC患者的表現是一致的[43]。而針刺胃俞募穴治療功能性消化不良的研究則發現可以調節亮氨酸/異亮氨酸、蘇氨酸、賴氨酸的含量，并且這些氨基酸都為體內的必須氨基酸，必須通過飲食才能補充，而針刺能增加其在體內的含量說明針刺可以促進胃腸道的物質吸收，即從中醫角度是增強了脾之運化之功[50]。Limin Zhang[44]的研究觀察了穴位埋線對更年期大鼠代謝的影響，結果發現，模型組大鼠氨基酸代謝明顯異常，而埋線干預有助于其模式向正常模式靠攏，說明了針刺對氨基酸代謝的干預作用。Yingzhi Zhang等[51]利用針刺刺激足三里，對志愿者的唾液進行代謝組學分析，針刺14 d后，發現苯基丙氨酸和酪氨酸代謝受到顯著影響，由于這2種氨基酸屬于必需氨基酸，因此針刺可以增加胃腸道吸收功能，從而加強必需氨基酸的代謝。在對偏頭痛大鼠的研究[23]中發現電針組對氨基酸的影響以谷氨酸和異亮氨酸為主。這也說明針刺在影響機體代謝的效應與氨基酸關系密切。另也有研究證實，針灸能影響血漿中氨基酸的變化，這些氨基酸包括：亮氨酸/異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸、精氨酸、谷氨酸[41-52]。

丙氨酸為人體非必須氨基酸[53]，可以由人體制造，也可以從飲食中獲得，主要來源于糖米、麩皮、玉米、豆類及全谷類食物。丙氨酸通過氨基轉化作用在體內可以制造丙酮酸和支鏈氨基酸、如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸。氨基酸代謝過程中經轉氨基作用，將氨基轉移之丙酮酸生成丙氨酸。通過血液轉運丙氨酸到肝臟，丙氨酸在肝臟內通過脫氨基作用生成丙酮酸[54]，丙酮酸可在肝臟經糖異生途徑生成葡萄糖，釋放出氧直接合成尿素排出體外。葡萄糖經血液運送到肌肉組織，糖分解后轉變成丙酮酸，進一步通過三羧酸循環和線粒體呼吸鏈的氧化磷酸化，產生三磷酸腺苷（ATP）并生成二氧化碳和水，丙酮酸可以接收轉移后的氨基生成丙氨酸[55]。丙氨酸和葡萄糖反復循環于肌肉組織和肝臟之間進行氨的轉運，故將這一途徑稱為丙氨酸-葡萄糖循環[55]，通過這個循環把肌肉中氨基以丙氨酸形式運輸到肝臟，同時可以通過肝臟為肌肉組織提供生成丙酮酸的葡萄糖。丙氨酸含量的增多，促使丙氨酸-葡萄糖循環，促進糖類分解及能量代謝。

精氨酸是體內精氨酸/一氧化氮和精氨酸/多胺2條代謝通路的共同底物。精氨酸可在精氨酸酶（Arginase，ARG）作用下生成尿素和鳥氨酸，鳥氨酸進而生成多胺，通過調控細胞增殖參與了體內多種病理生理過程的發生[56]。盡管一氧化氮合酶對精氨酸的親和力（Km值為2～20 μmol/L）遠高于精氨酸酶（Km值為2～20 mmol/L），但精氨酸酶的最大活力是NOS最大活力的1 000多倍，因此在生理濃度下，精氨酸酶可與一氧化氮合酶競爭精氨酸而影響精氨酸/一氧化氮通路中一氧化氮的合成，從而產生一氧化氮相關的生物學效應[57]。由此可見，針灸可通過上述過程發揮擴血管作用，奠定了針灸活血化瘀的物質基礎。

半胱氨酸（HCY）是公認的引起心血管損害的獨立危險因子，一方面HCY再甲基化途徑可轉化為蛋氨酸;而另一方面HCY也可經轉硫途徑，在胱硫醚β合成酶（CBS）作用下與絲氨酸結合形成胱硫醚，并在γ胱硫醚酶作用下進一步分解，生成胱氨酸、丙氨酸、硫酸和水，且能間接生成還原型谷胱甘肽（GSH），而GSH是公認的體內發揮抗氧化應激作用的一線物質，也是HCY的下游產物，因此針刺能通過上述突進影響半胱氨酸的代謝，從而發揮體內的抗氧化應激作用[58]。N-乙酰天冬氨酰谷氨酸由N-乙酰天冬氨酸和谷氨酸在N-乙酰天冬氨酰谷氨酸合成酶作用下合成，N-乙酰天冬氨酰谷氨酸是一類重要的肽類神經遞質，具有抑制腦損傷后釋放興奮性氨基酸-谷氨酸的作用，因此在針刺調節N-乙酰天冬氨酰谷氨酸代謝的過程中可以通過其腦保護作用而發揮相應的針灸效應，由此可知，針灸能起到抑制神經毒性氨基酸作用[59-60]。

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