基于代謝組學技術的中醫藥研究進展

楊波 楊強 張愛華 王喜軍

[摘要] 代謝組學通過對生物體內代謝物進行高通量分析，探索代謝物與機體生理、病理變化相關性，闡明機體復雜體系相互作用及對外界響應。代謝組學強調生物體整體研究功能狀態的生化表型與中醫理論的整體觀具有高度相似性，以其獨特的整體、動態的表達特征與中醫藥的整體觀、辨證論治的診療思維不謀而合。應用代謝組學技術闡明中醫藥有效性相關效應機制、物質基礎、配伍規律等科學問題，使中醫傳統理論與現代科學技術有機融合，可充分理解中醫理論科學價值及中醫臨床經驗實用價值。本文探討將代謝組學的整體性、動態性等研究特色應用到中醫藥具體實踐，解決中藥材效應評價、復方配伍規律闡釋、中醫方證關系研究、證候生物標志物發現等關鍵問題，為中藥有效性評價、復方物質基礎以及中醫證候本質認識提供技術支持。

[關鍵詞] 中醫藥;代謝組學;生物標志物;證候;方證代謝組學

[中圖分類號] R285? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）08（c）-0024-05

[Abstract] Metabolomics could explore the correlation between metabolites and physiological and pathological changes through high-throughput analysis of metabolites in the body， and clarify the interaction of complex systems and response to the outside body. Metabolomics emphasizes that the biochemical phenotype of the functional state of the organism as a whole that is highly similar to the holistic view of traditional Chinese medicine （TCM） theory. Metabolomics has its unique overall and dynamic expression characteristics coincides with the overall view of Chinese medicine and dialectical treatment diagnosis. The metabolomics technology is used to clarify the scientific effects related to the effectiveness mechanism， material basis and compatibility of TCM， to realize the organic integration of TCM theory and modern life science and technology， and fully understand the theoretical value of TCM theory and the practical value of TCM clinical experience. This paper explores the application of the holistic and dynamic characteristics of metabolomics to the specific practice of TCM， and solves key problems， such as the effect evaluation of Chinese herbal medicine， the interpretation of prescription compatibility， the relationship research of prescription and syndrome， and the discovery of syndrome biomarkers. It will provide the technical support for the evaluation of the effectiveness of TCM， the basis of prescription substances and the understanding essence of TCM syndromes.

[Key words] Traditional Chinese medicine; Metabolomics; Biomarker; Syndrome; Chinmedomics

隨著科技進步，中醫藥在國際中的地位逐漸升高，世界對于中醫藥的需求日益增加，但其復雜的中醫理論、藥性、配伍理論等難以被國外學者所接受、認可。如何更有效地建立現代生命科學與傳統中醫藥之間的聯系，將成為制約中醫藥發展的關鍵。作為20世紀90年代發展起來的一門新學科，代謝組學主要研究機體在被擾動后，內源性代謝物的變化及其與生理、病理表型的之間的有機聯系[1]。生物體新陳代謝因疾病的發生而改變其所處的動態平衡，所以通過代謝組學方法對體液組成進行成分分析，獲取因疾病誘導所改變的生物標志物，有助于了解機體代謝機制。與先進的現代分析檢測技術與模式識別和專家系統等計算分析方法相結合是代謝組學研究的基本方法之一[2]。

代謝組學利用現代分析技術定量測定生物體液內源性代謝產物變化，結合生物信息學方法闡明內源性小分子代謝物變化規律，獲得關鍵生物標志物，表征生物體的整體功能狀態。代謝組學與中醫藥研究的有機結合，將為中醫藥復雜的傳統理念的研究提供新思路、新路徑。近年來，我國學者將中醫藥理論與代謝組學二者有機整合，提出了中醫方證代謝組學研究的新思路[3-5]，利用該方法對復雜的中醫證候本質、中藥藥效物質、方劑配伍規律、藥物安全性評價等方面開展了大量的研究，取得了較為顯著的研究成果，彰顯了代謝組學技術在中醫藥理論研究中的廣闊應用前景。大量的國內外學者業已投入到中醫藥代謝組學研究，已在體內藥效物質、效應機制研究等方面取得顯著進步[6-8]，代謝組學已經成為研究中醫藥理論體系中不可或缺的關鍵技術。

本文通過綜述近幾年文獻，對代謝組學在中醫藥研究過程中的應用進行一個全方面的闡述，為促進中醫藥與代謝組學的有機融合助力。

1 代謝組學理論闡述

代謝組學已經由最初的代謝輪廓分析，發展到現在能夠開展代謝物標靶分析、代謝指紋分析等多個層面的研究，其研究機制及方法不斷得到完善與補充。樣品的制備、數據的采集及分析等過程作為代謝組學研究中的必需步驟，缺一不可[9]。在代謝組學研究過程中樣品主要包括動物的血液、尿液、糞便等體液。樣品的處理包括提取、分離等過程，主要應用各種先進的現代分析技術，如核磁共振、色譜質譜聯用技術等，質譜聯用包括氣-質聯用、液-質聯用、電泳-質譜聯用基數和等離子體質譜聯用技術等[10]。

如何對數據信息充分解讀仍是代謝組學研究中的關鍵問題[11]，由于代謝組學原始譜圖繁多，因此需要對其進行深層次的數據挖掘[12]。數據處理過程包括數據提取、預處理和模式識別三大步驟，模式識別又可分為非監督模式和有監督模式，前者包括主成分分析（PCA）、層次聚類分析（HCA）、非線性影射（NLM），后者包括人工神經網絡（ANN）、偏最小二乘判別分析（PLS-DA）、基于正交信號校正的偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）等[13]，其中以PLS-DA、OPLS-DA應用較為廣泛。

2 代謝組學在中醫藥研究中的應用

代謝組學以其獨特的整體、動態的表達優勢與中醫藥的整體觀、辨證論治不謀而合，近年來代謝組學技術已被廣泛地應用到中藥材、復方配伍規律、中醫方證、證候生物標志物等方面研究，為充分理解中醫理論科學價值及中醫臨床經驗實用價值提供了新途徑。

2.1 中藥材研究

Sun等[14]采用代謝組學技術研究了刺五加的化學成分及潛在的代謝生物標志物，為刺五加的藥效學研究提供科學依據。周元等[15]研究了黃芩對2型糖尿病大鼠治療作用及其效應機制，發現了黃芩主要通過調節鞘脂類代謝和脂肪酸代謝等改善2型糖尿病癥狀。Zhang等[16]研究了桑葉對糖尿病及其肝腎損傷的作用機制，發現桑葉中的黃酮類化合物、多糖類化合物和生物堿類化合物可調節13個潛在的生物標志物及相應的代謝途徑，可能與胰島素受體和TGF-β/Smads信號通路有關，具有明顯的降血糖作用和對肝、腎損傷的保護作用。聶春霞等[17]研究不同炮制方法下山楂調脂作用的異同，發現凈山楂組通過調節氧化應激、能量代謝、氨基酸代謝及腸道菌群等發揮更強的調脂作用。杜晨暉等[18]利用代謝組學技術研究酸棗仁改善大鼠睡眠的作用機制，發現酸棗仁通過調控失眠大鼠的能量代謝和氨基酸代謝等途徑，使其內源性代謝物趨近正常水平，進而改善失眠癥狀。中藥材質量關乎中醫藥的臨床療效和安全用藥，代謝組學為開展中藥材效應評價研究提供了有效途徑。

2.2 復方配伍規律研究

揭示復方配伍機制對闡明配伍規律的科學內涵具有重要意義。賀晶等[19]對柴胡-白芍配伍前后的化學成分進行整體分析，發現柴胡-白芍藥對配伍前后柴胡中有6個成分、白芍中有3個成分的含量發生顯著變化，為進一步其配伍機制的奠定了基礎。黃張杰[20]運用代謝組學方法研究補中益氣湯及其配比組方對脾氣虛證大鼠尿液代謝表型變化的影響，發現補中益氣湯對其中6種代謝物水平有較大的逆轉作用，作用趨勢優于其配比組方。Cui等[21]從全局代謝譜和特異性改變的代謝物方面探討黃芩湯的配伍規律，發現黃芩對黃芩湯治療伊立替康引起的腹瀉有著重要作用。李杰[22]研究人參與麥冬配伍增效減毒的物質基礎，發現人參與麥冬配伍后，使人參中人參皂苷成分的溶出增加，認為是人參配伍麥冬后增效減毒作用的物質基礎。代謝組學通過闡明機體代謝網絡整體變化規律，在中藥復方配伍作用機制、配伍規律等方面具有重要應用價值，有助于系統地揭示中藥復方配伍的科學內涵。

2.3 中醫方證研究

在中醫治療疾病給藥過程中多數使用方劑，僅使用單味藥的少之又少，因此研究中藥藥效物質基礎及中藥治療證候或疾病的機制研究必須以方劑為研究對象。按照“證候生物標志物-方劑效應評價-體內藥效物質基礎”研究思路，有學者[23-24]提出整合代謝組學技術與中藥血清藥物化學理論和方法，建立中藥體內藥效物質基礎的系統方法學-中醫方證代謝組學（Chinmedomics）。劉琦等[25]應用中醫方證代謝組學研究男仕膠囊治療腎陽虛證的藥效物質基礎，發現其主要通過調節類固醇激素的生物合成、酪氨酸代謝和色氨酸代謝等途徑改善腎陽虛證大鼠內源性代謝物的變化，咖啡酸、傘形花內酯和去乙?；嚾~草苷酸等為其主要藥效物質基礎。Wang等[26]利用中醫方證代謝組學闡釋腎氣丸治療腎陽虛證的效應機制，確定了腎陽虛證潛在生物標志物，篩選出20個相關性較強的效應成分為腎氣丸的潛在藥效物質基礎，其中14個成分與醛固酮調節的鈉重吸收和腎上腺素能信號通路緊密相關?？凳嬗畹萚26]研究六味地黃丸對大鼠生長發育的影響，發現在六味地黃丸干預后共出現36個差異代謝標志物，涉及色氨酸和酪氨酸的生物合成、苯丙氨酸的合成與代謝、泛酸和輔酶A的生物合成等13條代謝通路。Zhao等[27]檢測高脂血癥患者代謝物和代謝途徑變化，鑒定出37個血液代謝產物，主要涉及亞油酸代謝、甘油磷脂等11個代謝途徑。中醫方證代謝組學的理論在堅持中醫整體性的前提下，在代謝網絡動態變化過程中評價中藥整體效應，闡明中藥方劑治療疾病的作用機制[29-30]。中醫方證代謝組學實現了基于中醫證候客觀診斷及劑療效整體評價的基礎上發現中藥藥效物質基礎并闡明其作用機制，已成為國際上評價中藥效應，闡釋效應機制，發現中藥藥效物質基礎的通用研究方法。

2.4 生物標志物研究

生物體作為一個完整系統，其體內的代謝物處于一種動態平衡狀態。應用代謝組學方法可定量檢測機體代謝變化，發現與疾病相關的生物標志物并確定其所涉及的代謝通路[31]。目前代謝組學方法被廣泛用于疾病代謝標志物的研究，為疾病診斷、病理機制闡明提供新途徑[32]。Wu等[33]應用代謝組學方法分析虛證和實證糖尿病患者的血清代謝產物，通過比較兩組間代謝圖譜的差異，發現4個代謝產物含量顯著差異，在一定程度上可區別兩種不同中醫證型糖尿病。張冬偉等[34]應用代謝組學方法尋找診斷冠狀動脈粥樣硬化并具有臨床價值的潛在的生物標志物，篩選鑒定出18個生物標志物，為動脈粥樣硬化的診斷提供臨床依據。Fang等[35]應用代謝組學方法分析了對陽黃證及其發病機制，發現33個潛在生物標志物，主要涉及到谷胱甘肽代謝、牛磺酸和亞?；撬岽x等途徑;同時發現其中10個關鍵代謝物與臨床陽黃證患者的生物標志物高度相關，這些生物標志物在相關代謝通路調節中起關鍵作用，將其作為關鍵靶標進而闡明京尼平苷治療陽黃證的有效性[36]。代謝組學表征中醫證候代謝輪廓及生物標志物，為中醫證候客觀診斷及方劑臨床療效精準評價提供新靶點[37-40]，以中醫證候代謝輪廓及生物標志物為靶點，精準評價相應方劑效應，揭示作用機制[41-43]。

3 結語

中醫藥作為我國傳承數千年來的文化瑰寶，繼承與發展傳統中醫藥文化已經成為我們的使命。將代謝組學技術與中醫藥更好的聯系起來，有利于促進中醫藥現代化研究的進程。盡管代謝組學技術在中醫藥研究領域的成果突出，在闡明中醫證候的內在實質及復方整體療效評價等方面具有顯著應用價值。然而代謝組學在與中醫藥融合的過程中仍存在許多問題。首先，現有的分析技術尚不完善，還不能夠全面地對生物體內的所有代謝途徑以及微量代謝產物進行分析;其次，在研究過程中，一些非實驗性因素對結果影響較大;再者，由于代謝組學所研究的數據量較大，怎樣去有效地分析這些海量數據仍是代謝組學研究中的難點。代謝組學的完善仍需要我們不懈努力，進一步將中醫藥傳統理論與代謝組學緊密融合，為解決中醫藥關鍵科學問題助力，進而有力地推動中醫藥現代化發展。

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（收稿日期：2019-05-05? 本文編輯：任? ?念）