代謝組學在中醫藥研究中的應用

趙 丹，徐建良，2*，肖明中，2

(1.湖北中醫藥大學 中醫臨床學院，湖北 武漢 430065；2.湖北省中醫院 肝病科，湖北 武漢 430061)

代謝組學概念首次由Nicholson[1]教授提出，代謝組學通過檢測生物體在不同生理病理條件下內源性代謝產物的變化，確定其變化規律與病理生理過程的相關性。作為系統生物學的重要組成部分，其特有的整體觀、動態觀與中醫學理論的整體觀不謀而合，推動中醫藥現代化研究快速發展。近年來，代謝組學已廣泛應用于臨床前藥物開發研究，在中醫理論指導下用于中醫證候研究、中藥安全性評價、復方配伍研究及中藥藥理研究等方面。現將代謝組學的特點和在中醫藥研究中的應用綜述如下。

1 代謝組學概述

代謝組學整體描述內源性代謝物的動態變化，通過對內源性小分子代謝物進行定性定量分析，反映機體外源性和內源性變化和整體功能狀態[2]。代謝組學可分為4個層次：代謝輪廓分析、代謝指紋分析、代謝物靶標分析和代謝組學分析[3]，研究對象主要為生物體內的如體液、器官組織和細胞等。采集樣品，對樣本進行簡單預處理，提取并檢測樣品上清液，收集、分析數據，檢測代謝物及分析代謝通路，動態描述生物系統表型。研究者可根據被測代謝物的理化性質結合不同分析技術的優勢，選擇合適目標代謝物的技術平臺進行檢測[4]。近年來一系列分析平臺的快速發展，包括核磁共振(NMR)、氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)、液相色譜-質譜聯用(LC-MS)和毛細管電泳質譜(CE-MS)等，可以實現對代謝產物及其相關代謝途徑的分離、檢測、表征和定量[5]。由于代謝組學得到的原始圖譜復雜、數據量大，對數據信息進行充分解讀是代謝組學的關鍵問題，因此需要對數據進行降維和信息挖掘[6]。與基因組學和其他組學不同，代謝組學與疾病表型直接相關，其能夠鑒定代謝表型以及代謝紊亂和疾病之間的相關性。

2 代謝組學在中醫理論研究中的應用

代謝組學對整個有機體進行研究，與中醫學理論的整體觀、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。中醫藥在疾病治療中具有多成分、多靶點的特點，闡明中醫的作用機制是一個巨大挑戰。代謝組學通過對生物體液、細胞和組織中的代謝物的分析，可以檢測到生物途徑的細微改變，從而為深入了解各種生理和病理過程(包括疾病)的機制提供依據[7]。

2.1 中醫體質研究

中醫體質學說淵源于《黃帝內經》，認為體質形成與先天及后天因素有關，飲食不節、情志變化、用藥不當及所處社會環境不同致機體失調等病理變化，從而影響體質變化，體內代謝物也隨之變化。利用代謝組學技術研究可以通過體內代謝產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果[8]，實時監測和分析生物體的代謝產物，能夠較準確得到中醫不同體質的物質基礎，從而將體質判定在代謝物水平上進行量化和標準化[9]。

李英帥[10]應用1H-NMR技術比較分析了陽虛體質和陰虛體質血清與尿液中的內源性代謝差異，結果顯示陽虛質血液中乳酸、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]通過代謝組學方法分析結腸腺瘤息肉陽虛質和無結腸腺瘤息肉平和質患者的血清內源性代謝物，共鑒定出59個差異生物標志物，主要存在于甘油磷脂代謝途徑，生物標志物膽汁酸3-氧-4，6-膽二烯酸對陽虛質結腸腺瘤性息肉患者可能有潛在診斷價值。

2.2 中醫證候研究

證候是對疾病過程中某一階段或某一類型的病理概括，是中醫臨床診治的核心[12]。中醫證候研究是利用整體觀和辨證施治，對中醫診斷和治療疾病的本質和作用規律進行綜合評價。利用代謝組學方法研究不同病證之間內源性物質的差異，尋找潛在的生物標志物，有助于理解其病理生理機制，從而確定新的診斷方法和治療目標[13]。LI等[14]應用液相色譜質譜法研究銀屑病(PV)不同中醫證型的血清代謝特征，結果發現血瘀證組血脂代謝異常，表現為磷脂酰膽堿(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志物，其水平表明銀屑病的中醫證候鑒別有客觀的物質基礎；LIN等[15]應用代謝組學方法檢測氣虛證大鼠尿液代謝物，結果鑒定出包括黃嘌呤酸、泛酸等在內的15個潛在生物標志物，主要涉及色氨酸代謝、牛磺酸和亞牛磺酸代謝、檸檬酸循環等。金艷濤等[16]運用高效液相色譜質譜聯用技術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。一項多中心大樣本研究[17]采用UPLC-Q-TOF/MS代謝組學技術檢測冠心病不同證型受試者的尿液生物標志物，結果找到15個痰瘀互結證生物標志物和12個氣陰兩虛證生物標志物，且兩證型差異明顯，表現為痰瘀互結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]應用GC-MS方法探尋血脂異常不同中醫證候間的血清差異代謝物及代謝通路，結果分別篩選出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轉運蛋白、脂肪酸生物合成、β丙氨酸代謝。

2.3 中藥安全性評價

中藥及其制劑廣泛應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，導致中藥國際認可度逐年下降，制約了其在世界范圍內的發展與地位[20]。

目前對中藥毒理研究選擇的指標主要為組織形態學及生化指標，焦點在中藥的急性毒性和長期毒性，檢測的結果尚不能闡明毒性物質基礎的變化規律[20]。代謝組學是一種旨在全面分析生物樣品中所有代謝物的“組學”方法，與中醫整體觀一致，在中醫藥療效和毒性評價方面顯示出了巨大潛力[21]，為中藥研究開發提供了技術手段，并得到廣泛應用[22]。

唐丹丹[23]應用UPLC-HDMS代謝組學技術結合藥理學的方法，檢測馬兜鈴腎病(AAN)大鼠不同階段的尿液代謝產物，結果鑒定出早期AAN和晚期AAN的不同生物標志物，檸檬酸循環、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致的腎損傷有關。王旭彬等[24]使用NMR技術研究烏頭堿對大鼠的糞便提取物代謝物的影響，結果共鑒定出包括短鏈脂肪酸、氨基酸在內的40種生物標志物，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]應用LC-MS技術結合代謝組學方法，觀察了甘草炮制雷公藤對小鼠血清中代謝物的影響，結果發現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、甘油酯等在內的12個潛在生物標志物，涉及9個代謝通路，其中脂肪酸代謝通路是甘草炮制可降低肝毒性的關鍵代謝通路。DONG H等[26]利用UPLC-Q-TOF-HDMS對川烏(CW)誘導毒性的尿液進行代謝組學分析，結果鑒別出了與CW毒性相關的17個生物標志物，配伍使用甘草、白芍、干姜后篩選出的相關毒性標志物表達水平被有效地調節到正常范圍。表明代謝組學對于評價中藥毒性和尋找解毒方法具有重要意義。

2.4 中藥復方研究

中藥復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方，達到了單味藥不能達到的治療效果，具有多組分、多靶點、整體性的復雜特點，且藥效物質基礎和作用機制不明確。

代謝組學憑借其高通量、高靈敏的優點，可以客觀且無差別地反映出機體內源性代謝產物的代謝狀況，從而反映出其生理狀態，是中藥復方研究復雜的“量效關系”與“組效關系”的最有效的分析方法[27]。通過對機體代謝產物進行系統的分析，已被應用于發現生物標志物和干擾通路，從而闡明中藥的作用機制[28]。ZHANG等[29]基于NMR的代謝組學和綜合藥理學研究防己黃芪湯(FHD)治療腎病綜合征的作用機制，多因素分析顯示16種異常代謝物中13種可被FHD逆轉；綜合藥理學分析發現FHD有93個潛在靶點，FHD對腎病綜合征的保護作用可能與免疫調節、能量代謝和脂肪酸代謝有關。王海峰[30]應用1H-NMR技術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，結果發現朱砂安神丸組恢復朱砂給藥組引起的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酮誘導腎陽虛證大鼠模型的血清差異生物標志物，結果鑒定出腎陽虛組27種潛在生物標志物，主成分分析顯示運用腎氣丸治療后這些代謝物的變化恢復正常水平。CUI等[32]應用于UPLC-Q-TOF-MS技術研究黃芩(SR)、黃連(CR)配伍治療T2DM大鼠血漿和尿液的代謝變化，研究結果發現黃芩、黃連和聯合提取物能改善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技術從代謝組學角度研究甘遂甘草配伍機理和甘遂半夏湯的配伍作用，初步鑒定出20個生物標志物，主要涉及7條與肝腎毒性相關的代謝途徑，甘遂半夏湯組將差異生物標志物含量調整至正常水平。

3 結語

中醫學以整體恒動觀為指導原則，將人體看成一個整體，隨證施治，辨證處方，在治療各疾病方面取得確切療效。然而中醫認識疾病的方法、理論尚缺乏合適的現代科學表達體系，難以檢測中藥的有效成分，與西醫相比缺少可測量的指標或數據，因此闡明中醫藥的作用機制具有重大挑戰，使得中醫理論的科學價值及中醫臨床經驗的實用價值難以被現代醫學科學乃至于生命科學家所認可和接受，難以被現代社會理解和接受，其在國際上的地位和發展受限。

運用代謝組學技術，不僅可以解釋中醫證候的本質和“辨證論治”的理論，而且可以闡明中藥的現代科學內涵。通過代謝組學研究，尋找與中醫治療相關的代謝物和差異性生物標志物，闡述疾病的發病機制，深化中醫藥療效評價。