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代谢组学在中医药领域应用现状

    更新时间:2018-01-16 03:59:04 

杨延泽 邓毅 杨秀娟 杨志军 吴国霞 曼琼

摘要:代谢组学是一门通过研究生物体代谢网络和整体内在代谢变化的组学,以此阐释药物作用机理及疾病发病机制,与中医学整体观有一定相似性。代谢组学技术有利于推动中医药现代化进程。本文阐述代谢组学的概念及其近年来在中医证候、中药质量及成分、中药复方等方面的应用研究,探讨目前研究存在的问题及前景。

关键词:代谢组学;中医证候;中药;复方;综述

DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2018.01.031

中图分类号:R2-03 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2018)01-0132-04

Application of Metabonomics in TCM Research

YANG Yan-ze1, DENG Yi1,2, YANG Xiu-juan1, YANG Zhi-jun1,2, WU Guo-xia1, MAN Qiong1

1. Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China;

2. Provincial Key Laboratory of Medicinal Chemistry and Quality Research in Gansu Province, Lanzhou 730000, China

Abstract: Metabolomics is an omics subject which studies on the metabolic network of organism and the intrinsic metabolic change of entirety with the aim of clarifying the mechanism of medicinal effect and pathogenesis of disease, is similar to the whole concept theory of Chinese medicine. The mectabolomics technology helps to promote the modern process of traditional Chinese medicine. This article illustrated the application research on the concept of metabolomics, the syndrome of Chinese medicine, quality and components of traditional Chinese medicine, traditional Chinese medicine compounds and so on, explored the problems on the current research and the prospect meanwhile.

Keywords: metabonomics; syndrome of Chinese medicine; traditional Chinese medicine; compound prescription

代謝组学是20世纪90年代末发展起来的继基因组学、转录组学、蛋白质组学后的一门新“组学”,Nicholson J K等[1]将其(metabonomic)定义为:定量测量生物系统对病理生理刺激或遗传修饰的动态多参数代谢反应。2000年,Fiehn O等[2]提出了metabolomics,认为代谢组学是一个静态的过程,即“代谢物组学”。代谢组学通过研究生物体受内部或外部刺激(如疾病入侵、药物治疗等)后,内源性代谢物(相对分子质量<1000)种类、数量的变化或随时间的变化规律及其相互关系。目前,代谢组学在微生物[3]、植物[4]、营养学[5]、疾病研究[6]、新药研发[7]、药效作用机制[8]、药物毒性评价[9]、中药安全性评价[10]

基金项目:国家自然科学基金地区基金(81360633);甘肃省自然科学基金(1506RJZA044);甘肃省中医药管理局项目(1606JZA044);甘肃省高校中(藏)药化学与质量研究省级重点实验室开放课题(zzy-2016-06)

通讯作者:邓毅,E-mail:dengyi@gszy.edu.cn.

等领域得到广泛应用。

代谢组学通过研究代谢物变化来反映机体整体变化,与中医学整体观相通,为中医药现代化、国际化研究提供了新思路、新方法。将代谢组学应用于中医药研究领域,可使中药的作用机理及疾病发病机制更加明确。本文就代谢组学在中医药研究领域的应用情况进行概述。

1 中医证候研究

1.1 肾虚证

1.1.1 肾阴虚证

肾阴虚证是指肾阴亏虚、失于濡润,虚热内生所表现的证候。临床表现为眩晕耳鸣、腰膝酸软,男子遗精、阳强易举,女子经少、经闭等症状。李英帅等[11]采用核磁共振氢谱(1H-NMR)研究阴虚体质人与平和体质人,发现尿液与血浆中发生变化的代谢物分别是甘氨酸、葡萄糖、肌酐等和乳酸、丙氨酸、N-乙酰糖蛋白等。肌酐反映精/脯氨酸代谢途径,乳酸反映丙酸-糖酵解、丙酮酸代谢途径,二甲胺与氧化三甲胺反映甲烷代谢途径,柠檬酸反映三羧酸循环代谢途径,甘氨酸与丙氨酸分别反映甘/丝/苏氨酸和丙/天冬氨酸代谢途径,葡萄糖反映糖酵解/糖异生代谢途径,马尿酸反映消化道微生物代谢途径,N-乙酰糖蛋白反映糖代谢途径。孙永宁等[12-13]采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术研究甲状腺素和链脲佐菌素致糖尿病肾阴虚型大鼠的生物标志物差异,发现尿液、血液中发生变化的代谢物分别是甘氨酸、琥珀酸、十六烷酸、胆固醇和乳酸、尿素、葡萄糖等。琥珀酸与三羧酸循环-糖酵解途径相关,十六烷酸及胆固醇与脂肪代谢相关,乳酸与能量代谢相关。

1.1.2 肾阳虚证

肾阳虚证是指肾阳亏虚、温煦失职、气化失权所表现的证候。临床表现为腰膝酸软疼痛、畏寒肢冷、神疲乏力,男子阳痿、精冷不育,女子宫寒不孕等症状。邹忠杰等[14]采用1H-NMR建立氢化可的松诱导的肾阳虚大鼠尿液代谢指纹谱,鉴定了13种生物标志物(三甲胺、丙氨酸、牛磺酸、α-酮戊二酸、甜菜碱等),与肾阳虚大鼠代谢紊乱、大便稀溏等特征密切相关,反映了肾阳虚大鼠机体代谢变化。龚梦娟等[15]采用1H-NMR分析氢化可的松致肾阳虚大鼠血清代谢物谱,发现低密度脂蛋白(LDL)/极低密度脂蛋白(VLDL)、不饱和脂肪酸(UFA)、异亮氨酸、3-羟基丁酸等发生变化。其中LDL/VLDL、UFA及3-羟基丁酸与脂质代谢相关,三甲胺、二甲胺、氧化三甲胺反映肠道菌群。

1.2 气虚证

气虚证是指元(真)气不足、气的功能减退,脏腑组织机能活动减弱所表现的证候。临床表现为气少懒言、身倦乏力、自汗、活动劳累后诸症加重等症状。史琦等[16]采用1H-NMR检测冠心病气虚证患者与正常人的血浆代谢产物,筛选出4种特征代谢产物(乙酰谷氨酸、赖氨酸、缬氨酸和肉碱)。肉碱与葡萄糖及脂肪代谢相关,乙酰谷氨酸、赖氨酸、缬氨酸与氨基酸代谢途径相关。岳子敬等[17]采用1H-NMR研究气虚肥胖患者与平和质人代谢物差异,发现尿液中氧化三甲胺、马尿酸、肌酐等,血清中甘氨酸、乳酸、葡萄糖、脂蛋白发生变化。磷酸肌酸、肌酐、柠檬酸、乳酸与能量代谢相关,马尿酸反映肠道菌群、肠代谢功能。

1.3 血瘀证

中医学认为,凡离经之血不能及时排除和消散,停留于体内,或血行不畅,阻塞于经脉之内,或郁积于脏腑组织器官之中,均为瘀血。由瘀血内阻所引起的病症,称之为血瘀证。瘀阻于心,可见心悸、胸闷心痛;瘀阻于肺,临床可见胸痛、咳血;瘀阻于肝,临床可见胁痛等症状。王娟等[18]采用1H-NMR技术分析慢性心力衰竭血瘀证患者血浆中的标志性代谢物,发现乳酸、糖蛋白、VLDL/LDL、甘氨酸、葡萄糖等发生变化。葡萄糖、乳酸与丙氨酸-丙酮酸-葡萄糖循環相关,糖蛋白影响物质代谢、能量供给等,VLDL/LDL与脂质代谢相关。简维维等[19-20]采用GC-MS技术检测冠心病心血瘀阻证患者代谢产物,发现血浆中花生四烯酸、乳酸、尿素等,尿液中油酸酰胺、木糖醇、马尿酸等发生变化。乳酸和葡萄糖与能量代谢相关,花生四烯酸、硬脂酸、甘油、丙酮与脂肪代谢相关,马尿酸系肝代谢苯甲酸产物。

1.4 血虚证

血虚证是指血液亏虚,脏腑经络、形体官窍失其濡养所表现的证候。临床表现为面色淡白无华或萎黄,口唇、爪甲色淡,或心悸、失眠、多梦,或妇女月经量少色淡等症状。霍超等[21]采用1H-NMR对综合放血法所致血虚证小鼠进行研究,发现血清中乳酸、胆碱、β-羟基丁酸,胸腺提取物中乳酸、牛磺酸、肌酐等,脾脏提取物中乳酸、UFA、乙酰乙酸盐、LDL,骨髓提取物中乳酸、肌酐、胆碱等发生变化。乳酸与糖酵解途径有关,脂类与脂肪代谢相关,牛磺酸与含硫氨基酸代谢有关,谷氨酰胺反映机体免疫状态。宗楷淇等[22]采用1H-NMR研究环磷酰胺所致血虚证小鼠特征性内源代谢谱变化。模型小鼠血清、胸腺、脾脏和骨髓中乳酸、胆碱、肌酸、糖含量,牛磺酸、异亮氨酸,UFA、长链脂肪酸和缬氨酸分别发生变化。乳酸与机体能量代谢相关,糖含量与糖异生相关,UFA、长链脂肪酸、胆碱涉及脂代谢途径。

2 中药质量及成分研究

目前,采用代谢组学技术进行中药质量控制和成分分析,取得了一定成果。

向铮[23]采用GC-MS分析莪术类药材的质量控制,发现莪术酮、吉马酮、莪术二酮和表莪术酮4种化学标志物对不同来源的莪术聚类有重要作用。温莪术中莪术酮和莪术二酮含量高于蓬莪术,吉马酮和表莪术酮含量则较低;广西莪术中表莪术酮含量高于温莪术,吉马酮和莪术二酮含量则较低。Li Y Y等[24]采用高效液相色谱-电喷雾飞行时间质谱联用技术分析不同产地防风的化学标志物区别,共找到10种潜在标志物,关防风为升麻素苷、升麻素等,川防风为补骨脂素、紫花前胡内酯及佛手柑内酯。罗尚华等[25]采用1H-NMR建立了泽泻的指纹图谱,确定了不同产地泽泻的代谢物差异以及质量评价,鉴定了4个主要代谢成分(23-乙酰泽泻醇B、蔗糖、β-半乳糖和丙氨酸)。SUN H等[26]采用超高效液相色谱-四极杆时间飞行高清质谱联用方法分析了川乌、草乌、附子甲醇提取液,并确定川乌与附子共有22种生物标志物(次乌头碱、新乌宁碱、附子宁碱、14-乙酰塔拉胺等),川乌和草乌共有13种生物标志物(准格尔乌头碱、新乌宁碱、10-OH-中乌头碱、新乌头碱等),附子和川乌有异塔拉定、卡氏乌头碱、准葛尔乌头碱,草乌不含此类成分。

何盼等[27]采用1H-NMR分析了恒山黄芪与川黄芪的化学成分,共确定23种代谢产物。恒山黄芪中天冬氨酸、γ-氨基丁酸、柠檬酸、黄芪甲苷和毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量较高;川黄芪中苏氨酸、丙氨酸、精氨酸、胆碱等含量较高,几乎检测不到黄芪甲苷。焦美丽等[28]采用1H-NMR技术对黄芪和红芪进行化学分析,发现共有代谢产物27种,氨基酸、糖类等初级代谢产物较相似,黄酮类、皂苷类物质差异较大。

赵楠等[29]采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用(UPLC-Q-TOF/MS)方法分析了大黄生/熟品的成分,非靶向代谢组学发现炮制前后有127种成分发生显著变化,其中125种成分含量降低,2种升高,并鉴定了其中10种化合物(儿茶素葡萄糖苷、原矢车菊素B5、莲花掌苷等);靶向代谢组学发现炮制后芦荟大黄素、大黄酸、大黄素、大黄素甲醚含量降低。李瑞煜等[30]采用UPLC-Q-TOF/MS方法研究不同煎煮时间对制附片化学成分的影响,最终筛选出15种显著差异标志物,发现随煎煮时间延长,制附片化学成分由双酯型生物碱向单酯型生物碱转变,继而向醇胺类原碱转变。

3 中药复方研究

中药复方作用机制具有多成分、多层次、多靶点、多代谢途径的特点。为阐明中药复方治病的作用机制,可采用代谢组学手段研究中药复方,发现与其相关的代谢产物。

张凤霞等[31]采用超快速液相色谱-离子阱飞行时间质谱联用方法对通心络干预的抑郁-动脉粥样硬化大鼠的血浆代谢谱进行研究,发现通心络干预模型大鼠血浆中丙酰肉碱、色氨酸、马尿酸、甘氨胆酸等发生变化,趋于正常组大鼠。色氨酸会影响神经系统,熊脱氧胆酸、甘氨胆酸、鹅脱氧胆酸与胆汁酸代谢有关。施旭光等[32]采用1H-NMR分析脾虚证大鼠和补中益气汤组、升麻柴胡加剂量组、去升麻柴胡组之间的代谢物谱差异,选取血清中生物标志物。发现各给药组与模型组比较,血糖浓度、β-羟基丁酸、LDL、氨基酸均趋于正常(P<0.05),同时只有补中益气汤组乳酸含量趋于正常。血糖、β-羟基丁酸与糖代谢、糖异生相关,LDL与脂肪代谢相关,乳酸与能量代谢相关。王彬等[33]采用UPLC-Q-TOF/MS分析正常、甲亢模型和六味地黄丸给药大鼠的血样成分谱变化,发现大鼠体内草酰乙酸、卵磷脂、三酰甘油、磷脂酰肌醇等发生变化。草酰乙酸与三羧酸循环相关,磷酸二羟基丙酮和乙基葡糖苷酸与糖代谢相关,三酰甘油、溶血磷脂、胆固醇与脂质代谢相关。刘媛媛[34]采用UPLC-Q-TOF/MS方法分析甘草附子汤治疗佐剂型关节炎的生物标志物,并进行生物标志物鉴定及代谢通路的分析,共鉴定出26种相关生物标志物(犬尿喹啉酸、黄尿酸、4-吡哆酸和肌酐等),这些标志物相关了色氨酸代谢通路、苯丙氨酸代谢通路、精/脯氨酸代谢通路、牛磺酸和亚牛磺酸代谢通路、柠檬酸循环代谢通路和维生素B6等代谢通路,提示甘草附子汤对佐剂型关节炎引起的各代谢通路紊乱有治疗作用。

4 展望

代谢组学在中医药领域研究中已取得了许多创新性的研究成果,如揭示中药及复方药效物质基础、作用机制及不同证候中生物标志物等,体现出该技术在中医药研究领域中应用的优势。

但代谢组学仍处于不断发展及完善的阶段:①现有技术无法分析代谢物全谱,且无法剔除中药成分对内源性代谢组的干扰;②目前無法最大限度挖掘与处理所能采集到的数据,且在数据分析中,主成分分析及偏最小二乘法多适用于线性数据,因此需寻找一种非线性数据分析方法;③代谢组学研究中非实验性因素有较大干扰,代谢物数据库还需完善。

代谢组学揭示中医药治疗疾病时生物体内发生的代谢物变化、代谢通路及途径的改变,是从整体角度研究生物体功能水平。随着代谢组学技术的不断完善与发展,必定能为进一步阐释中药及复方药效物质基础、作用机制及疾病诊断提供更好的技术手段。

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