中藥治療潰瘍性結腸炎的代謝組學研究進展Δ

白 琳 ，王洋洋 ，白靜怡 ，聞新麗 #（.陜西中醫藥大學第一臨床醫學院中醫系，陜西 咸陽 7046；.陜西省中醫醫院脾胃病二科，西安 70003）

潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）是炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）的一種主要類型，其特點是累及結、直腸黏膜和黏膜下層的慢性非特異性炎癥反應，以反復發作的腹痛、腹瀉、黏液膿血便為主要臨床表現[1]。UC 作為臨床消化系統的常見病、難治病，一直是醫學研究的熱點和難點。在全球范圍來看，UC 的發病率逐年上升并呈加速之勢，嚴重威脅人類健康[2―3]。UC的發病機制至今仍未完全闡明，目前遺傳易感性、上皮屏障缺陷、免疫應答紊亂、菌群失調和環境因素被視為其主要發病因素[4]。UC 的常用治療藥物包括5-氨基水楊酸制劑、類固醇制劑、免疫抑制劑等，但上述藥物治療存在遠期效果不明顯、不良反應大且停藥后易復發的不足[5]。中藥在治療UC 方面具有療效顯著、安全性高、停藥后不易反復等優勢，現已逐漸成為近年來研究的熱點[6―8]。

作為系統生物學的重要組成部分，代謝組學旨在考察生物體受到刺激或干預后內源性小分子代謝物的動態變化，從而篩選差異代謝物并研究其參與的生物過程，揭示相關生命活動機制。由于這項新興學科具有樣本來源豐富、研究流程完善、檢測手段多樣、統計方法成熟等諸多優點[9]，已被廣泛應用到疾病機制及藥物治療的研究中。代謝組學所具有的整體性、動態性、即時性的特點與中醫思維模式相一致，在中醫藥療效評價及其生化作用機制研究方面顯示出巨大潛力[10]。本文綜述了近年來代謝組學技術在中藥干預UC研究中的應用現狀及研究進展，以期為代謝組學的系統化應用提供理論基礎。

1 代謝組學在UC研究中的應用

應用代謝組學技術檢測UC 患者或動物模型的血液、尿液、糞便、結腸組織等樣品中的代謝產物，具有高度敏感性和特異性的優勢，能夠為UC的診斷鑒別、臨床分期、治療機制研究以及中醫證候分型等方面提供重要參考價值。

1.1 診斷鑒別

UC 患者的內源性代謝紊亂，其內源性代謝物與健康人相比有明顯差異。Tang 等[11]對32 例UC 患者和23例健康人的糞便樣品進行了靶向代謝組學研究，結果顯示，UC 患者糞便樣品中石膽酸、脫氧膽酸、甘氨酸脫氧膽酸、甘油三酯膽酸和牛磺石膽酸等次級膽汁酸水平較健康對照組均明顯降低，而牛磺膽酸、膽酸、牛磺鵝脫氧膽酸和甘氨鵝脫氧膽酸等初級膽汁酸水平均明顯升高。Coburn 等[12]通過高效液相色譜技術對UC 患者結腸組織和血清樣品進行了氨基酸分析，結果發現，UC 患者的L-精氨酸減少，且L-精氨酸與疾病活動指數（disease activity index，DAI）呈負相關，L-精氨酸和精氨酸酶的活性與上皮修復也有一定關系。在動物實驗方面，耿曙光等[13]檢測了UC大鼠和正常大鼠的結腸組織，結果發現，UC大鼠的尿苷、腺嘌呤、胞嘧啶、甘氨酸、乳酸水平均較正常大鼠明顯上升，而甘露糖、β-丙氨酸、蘇氨酸、牛磺酸水平均明顯下降。可見，與健康機體相比，UC患者的內源性代謝產物存在差異，這為UC的診斷提供了思路，眾多研究所得的共同差異代謝物可為篩選早期診斷UC的分子標志物提供參考。

UC 和克羅恩病（Crohn disease，CD）同屬IBD，兩者在臨床上不易鑒別，而通過代謝組學技術檢測發現，UC和CD 的代謝物存在一定的差別。Ooi 等[14]在基于氣質聯用技術的氨基酸和三羧酸循環相關分子分析中，不僅發現UC患者結腸病變組織中16個氨基酸和5個三羧酸循環分子水平較低，而且發現UC 患者的血清代謝譜與CD患者和健康志愿者明顯不同。Kolho等[15]對比發現，UC和CD患兒的代謝物圖譜存在顯著差異，具體表現為在血清樣本中，與健康對照組相比，CD患兒的氨基酸代謝、葉酸生物合成和信號轉導途徑受到干擾，而UC患兒的鞘脂代謝途徑受到干擾；在糞便樣本中，CD患兒體內低等或中等水平的代謝物在UC患兒體內更為豐富。上述研究表明，代謝組學技術可以應用于UC與CD或者其他相似疾病的診斷鑒別。

1.2 臨床分期

UC 是一個反復發作和緩解交替的病理過程。Sun等[16]對臨床收集的UC 患者糞便和血漿樣品進行了16S rRNA測序和液相色譜-質譜分析，結果不僅表明鞘脂代謝是富集顯著的通路之一，UC 患者的1-磷酸鞘氨醇增加且與羅氏菌、克雷伯氏菌、埃希氏-志賀菌之間存在關聯，而且顯示UC 患者的血漿代謝物氧化三甲胺濃度明顯高于正常對照組，同時活動性UC組較非活動性UC組有增加的趨勢。而氧化三甲胺可激活相關炎癥通路或促進炎癥因子釋放，參與多種炎癥性疾病的發生發展[17]。Keshteli等[18]招募并隨訪了20例緩解期UC患者，評估其12個月內是否出現臨床復發，并進行尿液和血清代謝組學分析，結果發現，隨訪期間臨床復發和未復發的UC患者之間存在顯著差異，即與未復發的UC患者比較，臨床復發的UC患者反式烏頭酸（尿液）、3-羥基丁酸（血清）、乙酰乙酸（血清）、丙酮（血清）水平較高，乙酰胺（尿液）和胱氨酸（尿液）水平較低。Hisamatsu 等[19]通過檢測血漿游離氨基酸濃度首次證明了組氨酸水平降低與緩解期UC 患者復發風險增加有關。可見，代謝組學研究可以為UC的臨床分期提供客觀依據。

1.3 治療機制研究

UC的主要治療方法包括藥物療法和改變飲食習慣等。Fritsch 等[20]基于非靶向和靶向代謝組學分析發現，經過低脂肪、高纖維飲食干預后，UC患者糞便代謝物中的乙酸鹽、色氨酸水平均顯著增加，月桂酸水平顯著下降，這些代謝物的變化可能在改善UC 癥狀和炎癥方面發揮作用。Dai等[21]整合微生物組學和代謝組學技術對UC 患者糞便樣品進行了檢測，發現美沙拉嗪不僅可恢復UC 患者相較正常人上升的鹽酸、異亮氨酸、苯乙烯、肌酸水平，以及降低的膽酸、脫氧膽酸等水平，而且可改善腸道微生物群的多樣性和豐度。另外，胡楠等[22]檢測了葡聚糖硫酸鈉誘導的UC大鼠不同病期肝、腎、腸微粒體中奧美拉唑代謝酶活性的變化，結果發現，奧美拉唑在UC急性期大鼠肝臟中的代謝減慢，在UC恢復期時恢復正常；同時，該藥在各組大鼠腎和腸微粒體中的代謝活性無顯著差異。可見，借助代謝組學可以探究飲食改變、藥物干預對UC的作用機制，還可以進行藥物代謝動力學研究。

1.4 中醫證候分型

在中醫證候分型方面，王佳婕等[23]通過檢測血漿代謝物發現，相比于健康人，UC 患者的乙酰乙酸、丙酮水平升高，乳酸、肌肽、丙氨酸、異亮氨酸水平降低，且慢性復發型UC大腸濕熱證患者的葡萄糖、蘇氨酸、肌肽水平高于脾胃氣虛證患者，纈氨酸、丙氨酸、甘氨酸水平低于脾胃氣虛證患者。連紫宇等[24]對UC脾氣虛證和濕熱證患者血清樣品進行了非靶向代謝組學分析，發現與UC濕熱證患者比較，UC 脾氣虛證患者血清中1-油酰基甘油磷酸膽堿、溶血磷脂、鞘氨醇、N-棕櫚酰磷酸乙醇胺、棕櫚酰肉堿等代謝產物豐度降低，2-亞油酰甘油等豐度升高。利用代謝組學技術對不同證候的UC患者進行研究，找到區分不同證型的差異代謝產物，獲得特征性代謝表達譜，建立與特異性代謝產物相結合的中醫診斷模型，可為UC病證診斷提供參考依據，有助于揭示UC中醫證候分型的生物學機制[25]。

上述研究應用代謝組學技術檢測了UC患者或動物模型不同樣品中的代謝物，證實了UC機體存在脂質、氨基酸、能量等代謝紊亂情況，因此參與這些代謝過程的主要差異代謝物有可能作為UC診治的靶標。但由于機體代謝易受眾多因素干擾，大多數研究樣本量較小，樣本類型之間存在差異，目前相關檢測技術與分析方法較為局限，導致只能在總的代謝途徑中找到共性，未能對UC 的生物標志物、發病機制及治療靶標形成統一精確的認識，今后代謝組學研究還需要進一步追蹤與完善。

2 代謝組學在中藥治療UC研究中的應用

2.1 中藥復方

中藥復方在辨明病證的前提下，可通過不同中藥的相互配伍來發揮綜合功效，從多種代謝途徑實現對UC的治療。

經方在治療UC 方面具有良好的效果，近年來相關代謝組學研究的報道眾多。劉史佳等[26]基于超高效液相色譜串聯四極桿飛行時間質譜技術對小鼠血清樣品進行了測定，結果發現，對照組、模型組和白頭翁湯干預組能夠得到很好的區分，與模型組比較，白頭翁湯給藥后UC小鼠的內源性代謝物L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、亞精胺、γ-谷氨酰半胱氨酸、肌苷、尿苷等水平均發生了不同程度的回調。王敦方等[27]利用代謝組學技術檢測發現給予黃芩湯干預10 d 后，UC 大鼠血清中纈氨酸、色氨酸、乳酸、尿素等潛在生物標志物有向正常水平回調的趨勢，黃芩湯對UC 大鼠的干預機制可能與調節氨基酸代謝、能量代謝和脂質代謝等有關。韓麗穎等[28]研究了槐花散對UC 小鼠的干預作用及對血清代謝物的影響，結果發現，槐花散能明顯降低小鼠DAI，改善結腸表觀形態，降低炎癥因子含量；槐花散調控的潛在生物標志物主要涉及甘油磷脂代謝，甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸代謝，葡萄糖醛酸的相互轉化和谷胱甘肽代謝等。劉星賜等[29]初次在UC大鼠模型中系統觀察了芍藥湯對機體腸道代謝的調節作用，經過篩選處理，鑒定出了15個參與不飽和脂肪酸生物合成、亞油酸代謝、萜類骨架生物合成、卟啉和葉綠素代謝、氨基糖和核苷酸糖代謝、嘧啶代謝、類固醇激素生物合成等生物過程的差異代謝物。Liu 等[30]發現，經過薏苡附子敗醬散干預后，2，4，6-三硝基苯磺酸誘導的UC 大鼠的DAI 較正常大鼠顯著降低，結腸組織損傷顯著改善；對大鼠血清和肝臟樣品進行代謝組學檢測，結果發現，薏苡附子敗醬散可通過影響甘油磷脂代謝、初級膽汁酸生物合成、乙醛酸和二羧酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝來干預UC。

在經方治療具體中醫證型UC 的相關研究中，鐘薏文等[31]檢測出脾虛濕困型UC大鼠糞便中內源性代謝物墨蝶呤、6-羥基褪黑素、1-磷酸鞘氨醇、二氫葉酸和12（S）-白三烯B4等發生了顯著變化，主要影響了葉酸生物合成、色氨酸代謝、鞘脂代謝、花生四烯酸代謝等，而參苓白術散可使絕大部分內源性標志物呈現出良好的回調趨勢。徐霞等[32]發現，初級膽汁酸生物合成通路影響了脾虛濕困型UC大鼠從造模到參苓白術散干預的整個周期，并呈現出動態變化的過程。王婧婧等[33]通過代謝組學檢測發現，參苓白術散與腎氣丸“朝夕互補”干預對脾腎陽虛型UC 大鼠結腸組織相關的17 個代謝物有明顯的調節作用，這些代謝物涉及嘌呤代謝、氨基糖和核苷酸糖代謝、半乳糖代謝等途徑。

近年來，醫療機構/醫家根據臨床用藥經驗制備了一些治療UC的新方。安腸湯是廣西中醫藥大學第一附屬醫院研發的UC 治療中藥復方，具有健脾益氣、活血化瘀、行氣導滯的功效。研究者采用氣質聯用技術分析了安腸湯對UC大鼠結腸黏膜組織中內源性代謝物的干預作用，發現有11 個代謝物回調，且安腸湯對UC 結腸黏膜保護修復和增強免疫力的作用是通過調節蛋白質代謝、脂質代謝、氨基酸代謝、糖酵解的途徑實現的[34]。復方緩潰樂混懸劑是由沒食子、黃連、石榴花、琥珀、天竺黃、車前草等一些具有抗炎、抗氧化活性的中藥材制備的新處方，對UC具有確切的臨床治療效果；經核磁共振氫譜技術分析發現，復方緩潰樂混懸劑可以改善UC 大鼠的代謝紊亂，主要與調節氨基酸代謝、能量代謝及糖酵解途徑有關[35]。

2.2 單味中藥

單味中藥含有多種活性成分，無須配伍亦可作用于多種代謝途徑而發揮治療UC 的作用。胡雪黎等[36]發現，三顆針可以顯著改善UC小鼠的癥狀，提高抗炎因子白細胞介素10水平，且其血清和糞便中的差異代謝物水平逐漸趨于正常組，主要干預途徑包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，亞油酸代謝，苯丙氨酸代謝，甘油磷脂代謝等。Wang 等[37]通過動物實驗不僅發現了敗醬草可以糾正UC 大鼠血清中鹽酸、肌苷水平以及肝臟中乳酸等絕大多數紊亂代謝物的水平，主要涉及能量代謝、氨基酸代謝、嘌呤代謝、膽汁酸代謝和脂質代謝等途徑，而且驗證了敗醬草通過影響膽汁酸水平、激活維生素D受體和抑制核因子κB信號通路的過度激活來發揮抗炎功效。高心悅等[38]發現，火麻仁油可以顯著降低UC大鼠DAI，減輕結腸組織損傷，調節血清和尿液中氨基酸代謝、能量代謝、腸道菌群代謝、一碳代謝和嘧啶代謝。阿不來提·阿合買提等[39]研究發現，維藥潰結安對UC大鼠和異常黏液質UC大鼠的干預效果顯著，經結腸組織形態學觀察發現，異常黏液質UC 潰結安干預組大鼠結腸恢復情況比UC 潰結安干預組好；進一步經核磁共振氫譜技術檢測發現，與UC潰結安干預組比較，異常黏液質UC 潰結安干預組大鼠血清中乳酸、丙氨酸含量更低，β-羥丁酸、丙酮酸、乙酰乙酸含量更高。Li 等[40]同時研究了具有解毒作用的黃芩、大黃以及具有補益作用的人參、黃芪這4味藥分別對葡聚糖硫酸鈉誘導的急性UC 大鼠癥狀和炎癥介質的影響，以及腸道微生物和整體代謝的變化，雖然結果顯示兩種補益藥和兩種解毒藥均能緩解UC癥狀，并可改善微生物和代謝紊亂，但補益藥更有效，并且具有更明顯的微生物和代謝特征。

2.3 中藥單體

中藥單體即中藥中的活性成分，具有多種藥用特性，是UC治療新藥研發的重要來源，同時也是代謝組學研究的重點。色胺酮是大青葉、板藍根、青黛等中藥的主要成分之一，具有抗炎、抗菌、抗癌等藥理作用。朱潔等[41]發現，色胺酮可以顯著降低UC小鼠的DAI，減輕結腸組織損傷，減少炎癥細胞浸潤，降低血清中促炎因子水平，升高抑炎因子水平；代謝組學研究結果顯示，色胺酮干預UC 的機制可能與調節花生四烯酸代謝、色氨酸代謝、嘌呤代謝有關。肉桂醛是肉桂的主要生物活性成分之一，具有殺菌、抗潰瘍、加強胃腸道運動等作用。陳旭剛等[42]基于液質聯用技術分析了肉桂醛給藥后急性UC小鼠血清、結腸組織中差異代謝物水平，發現肉桂醛可能通過改善脂質代謝、氨基酸代謝和能量代謝的異常狀態來發揮干預UC的作用。雷公藤甲素又稱雷公藤內酯，是從雷公藤中分離得到的二萜類環氧化物，具有抗炎和免疫抑制作用，對于類風濕關節炎、腎炎等自身免疫性和炎癥性疾病有很好的療效。馬光朝等[43]檢測發現，給予雷公藤甲素后，UC 小鼠血清中的膽酸、牛磺膽酸、鵝去氧膽酸、瓜氨酸、胍基丁酸、氨基乙酸、順烏頭酸等潛在差異代謝物有向正常水平回調的趨勢，雷公藤甲素主要參與了初級膽汁酸生物合成、精氨酸和脯氨酸代謝等過程。小檗堿又名黃連素，是從中藥黃連中分離的一種季銨生物堿，是黃連抗菌的主要有效成分。Liao等[44]建立了葡聚糖硫酸鈉誘導的UC 大鼠模型，并對其尿液和糞便樣品進行了代謝組學分析，發現小檗堿可以改善UC大鼠代謝紊亂，主要與調節氨基酸代謝、嘌呤代謝、維生素代謝、脂質代謝和檸檬酸鹽循環等有關。

3 結語與展望

本研究通過檢索中國知網、PubMed等數據庫，查閱了近年來應用代謝組學技術研究中藥治療UC的相關文獻，發現目前用于研究的代謝組學技術主要為質譜和核磁共振兩大類，按需選擇非靶向或靶向檢測方法，結合非監督和有監督的模式識別方法進行數據分析，并根據代謝數據庫對結果進行生化解釋；研究對象一般為通過葡聚糖硫酸鈉灌胃或2，4，6-三硝基苯磺酸灌腸所得的UC動物模型，造模方法簡單、快速、可復制性強[45―47]，相比臨床病例來說可以排除絕大部分其他影響因素，防止結果偏倚；檢測樣品以血液（血清、血漿）、糞便、結腸黏膜組織等為主，具有容易獲得、操作簡單等優點；所研究的中藥類型以復方尤其是經方居多，單味中藥和中藥單體的研究相對較少，這與中醫臨床治療UC以經方為主，同時根據辨證進行相應加減的情況相符合；部分研究也會同時選用治療UC的一線藥物5-氨基水楊酸制劑與中藥進行療效的對比觀察。

現有代謝組學研究顯示，中藥復方、單味中藥以及中藥單體治療UC的作用機制可能與調節機體內源性代謝有關。相關代謝途徑分析表明，中藥調控的差異代謝物主要涉及氨基酸代謝、脂質代謝、能量代謝等途徑。氨基酸作為人體的主要營養物質，對生理病理活動有重要的影響，腸道炎癥會導致氨基酸代謝紊亂，UC狀態下參與氨基酸代謝的物質將發生改變。研究發現，大部分氨基酸是腸道生長和維持黏膜完整性及屏障功能所必需的，可起到減少炎癥、改善氧化應激和降低促炎因子水平的作用[48]，因此氨基酸可能會被用作UC 的診斷指標及潛在治療靶標[49]。炎癥和脂質的關系十分密切，脂質通過影響炎癥反應、炎癥介質而發揮抗炎或致炎作用，脂質代謝紊亂能夠使炎癥介質的產生和分泌出現異常，而異常的炎癥介質加重了脂質氧化，氧化磷脂、脂質結構改變等又再次誘導細胞產生炎癥介質，導致炎癥相關疾病的發生[50]。脂質代謝和信號轉導在炎癥中起重要作用，可能對IBD 的發生產生明顯影響[51]。UC 的發作與脂質代謝改變以及促炎分子和抗炎分子之間平衡受損有關[52]。炎癥也會影響能量代謝，炎癥過程需要消化大量的能量來維持機體生理功能的正常運行。免疫細胞的激活、炎癥組織中營養供應的減少以及缺氧均會激活能量代謝途徑的一系列信號通路，進而導致免疫耐受性下降甚至加重慢性炎癥[53]，因此UC 患者的各類型樣本都存在能量失衡的情況，而調控能量代謝可能成為UC 的輔助或支持治療方法。另外，各種代謝不是彼此孤立的，其互相重疊、轉化，協同發揮作用。由此可見，中藥通過調控機體內源性代謝物，作用于氨基酸代謝、脂質代謝、能量代謝等諸多相關通路，從而抑制免疫炎癥反應、改善氧化應激、降低腸道敏感性、調節腸道菌群、修復腸道黏膜損傷，使機體恢復正常的代謝活動，對UC 起到一定的治療作用，但相關代謝標志物還需進一步篩選與驗證。

代謝組學從整個機體的動態代謝角度闡釋了中藥治療UC 的作用機制，為證實中藥臨床療效提供了科學依據。但中藥治療UC甚或其他疾病的代謝組學相關研究仍處于表型數據的高通量采集及初步分析階段[54]，后續還需要擴大各類中藥研究的覆蓋程度、增加樣本量、結合臨床病例與動物模型、排除其他影響因素、規范樣本采集處理等流程，開發更加先進、精確的檢測技術和數據分析方法，在非靶向篩選的基礎上進行靶向驗證，同時結合基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、微生物組學等其他組學，為中醫藥現代化研究提供重要的理論基礎和新的研究思路、方法。