代谢组学在中医药现代化研究中的应用

李先娜，董辉，孙晖

(黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040)



代谢组学在中医药现代化研究中的应用

李先娜，董辉，孙晖*

(黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

代谢组学与蛋白质组学、基因组学、转录组学等组学技术共同组成系统生物学。近几年，代谢组学作为继后基因时代逐渐发展起来的一门新兴学科，凭借其科学的研究理念及先进的研究技术平台，通过对生物体整体代谢网络及机体内复杂代谢物的动态变化进行分析，探究中医药治疗疾病的药效物质基础及作用机制，被广泛应用于中医药现代化研究过程。对代谢组学技术及其在中医药现代化研究过程中的广泛应用作一综述。

代谢组学；中医药现代化；中医辨证施治；中药整体药效评价；中药活性成分

中医药理论是我国临床实践经验的总结与升华，在中华民族几千年疾病治疗过程中发挥了重要作用，阐明中药及复方治疗疾病的药效物质基础及体内作用机制是中医药现代化研究的核心与关键。1999年英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授首次系统地阐释代谢组学是在机体新陈代谢的动态变化中，系统地研究代谢产物与机体病理及生理变化的相关性及变化规律的一门综合学科，通过对机体特异性代谢标志物的检测，有助于研究人员借助特异性代谢标志物揭示机体生命活动的本质[1]。近几年，代谢组学凭借其先进的分析技术平台结合多变量统计分析方法，广泛应用于中医药现代化研究中，包括辨证施治理论研究、中药整体药效评价研究、中药安全性评价研究与中药质量标准研究等众多中医药领域的研究过程，并取得了突出的研究成果。代谢组学为中药现代化研究提供新的研究思路及科学的研究方法[2]。

1 代谢组学概述

代谢组学(Metabonomics/Metabolomics)是研究生物体整体变化规律的一门组学方法[3]。代谢组学的研究目标为通过对机体内源性代谢物的动态变化进行定性及定量分析，进而确定代谢物的变化规律与机体所产生的病理及生理过程的的相关性。目前代谢组学在国际上主要分为Metabonomics和Metabolomics两大代谢组学领域，前者主要侧重于对生物体体液及组织的研究，探究生物体在外界刺激下，机体内所有代谢物质在不同时间内的动态变化规律；后者主要侧重于对细胞的研究，通过对代谢物的组成进行定性及定量分析，来探究机体的代谢途径。代谢组学的研究对象主要是存在于生物体液(尿液、血液、脑脊液)、组织(肾脏、肝脏、心脏)、细胞(细胞提取物及其培养液)中分子量低于1000的内源性小分子化合物[4]。代谢组学的研究内容主要包括：代谢物靶标分析(Metabolite target analysis)：对生物体内某一个或某几个代谢物进行定性或定量分析；代谢轮廓分析(Metabolic profiling)：运用某种特定分析技术，对生物体内特定代谢物进行定性或定量分析；代谢物指纹分析(Metabolite finger printing)：运用现代仪器分析技术，同时对细胞内、外多个代谢物进行定性或定量分析；代谢组分析(Metabolomics/Metabonomics)：研究机体在外界的刺激下，定性及定量分析生物体内全部代谢物随着时间的动态变化及其变化规律[5-6]。

代谢组学研究过程主要包括：样品采集与预处理、数据采集与分析、代谢物及代谢通路的研究。研究平台主要包括：分析技术平台与数据处理平台。由于生物内代谢物种类繁多、理化性质复杂，单一的分析技术无法同时对生物体内所有代谢物进行分离和检测，因此联用技术在代谢组学研究过程中得到广泛应用。代谢组学分析技术平台主要包括：液相色谱-质谱联用技术(liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)、气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)、核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)、毛细管电泳-质谱(Capillary Electrophoresis Mass Chromatography，CE-MS)、傅里叶变换-红外光谱(Fourier Transform InfraRed， FT-IR)、电感耦合等离子质谱技术(Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)等仪器分析技术，其中气相色谱-质谱联用技术、液相色谱-质谱联用技术、核磁共振技术为代谢组学研究过程的主要技术平台[7-8]。研究者可根据被测代谢物的理化性质结合不同分析技术所具有的独特优势选择合适的分析技术平台对所测代谢物进行分离和检测。

代谢组学的数据分析主要采用化学计量学与多元统计学分析方法相结合，以充分对机体内代谢物进行全面分析，表征特异性生物标志物，寻求特异性生物标志物与生物体产生的生理或病理变化的相关性[9]。化学计量学方法处理数据过程主要包括：数据提取、峰的提取和预处理、多维统计模式识别。多维统计模式识别技术是代谢组学的主要分析技术，主要特点为可以从多个角度较全面的分析代谢物数据信息，进而充分探究代谢物与生物体病理及生理变化的相关性。多元统计学分析方法主要分为无监督方法(unsupervised method)和有监督方法(supervised method)。无监督学习方法包括：主成分分析法(principal component analysis,PCA)、聚类分析(hierarchical cluster analysis,HCA)、典型相关分析(canonical correlation analysis，CCA)等。有监督方法包括：最小偏二乘法(partial least squares,PLS)、偏最小二乘判别分析(partial least squares projection to latent structures-discriminant analysis,PLS-DA)、正交最小偏二乘判别分析(Orthogonal PLS-DA,OPLS-DA)、线性判别分析方法(Linear discriminant analysis，LDA)、随机森林法(Random Forest，RF)等[10]。

2 代谢组学与中医辨证施治

我国中医理论经过几千年的发展与传承，有其特有的科学理论体系，中医理论的精髓在于运用整体的、宏观的、辨证的诊治方法去诊治人类的健康与疾病。从古至今，中医理论凝聚着医学工作者的在诊治过程中所积累的宝贵经验，但却由于缺乏现代科学对诊治机理的阐释，而制约了中医药现代化的发展。代谢组学是研究机体在外界因素如环境、食物、药物、性别、年龄、基因等影响下，机体内小分子代谢物所发生的改变及其与生物体功能之间的关系。因此，代谢组学作为后基因组时代出现的一门新兴组学技术，其研究理念与中医药多成分、多靶点、整体性研究理念相吻合。代谢组学研究过程不局限于单一组织或单一通路，其对生物体内代谢物由于受外界因素的改变而发生的一系列变化进行整体地、宏观地、动态地分析。代谢组学的研究对象主要包括生物体液或细胞，是一种无创伤、自然地研究机体生理、病理过程的分析方法。简而言之，充分、有效地将代谢组学运用到中医药的研究过程，基于生物体内整体代谢网络的动态变化来阐释中医药治疗疾病的机理，推动中医药的现代化研究进程[11]。Wang等应用高分辨率UPLC-MS技术研究分析了黄疸症、阴黄和阳黄整病人体内代谢轮廓的变化，运用代谢组学方法结合多变量统计学分析患者尿液发现了44个潜在标志性生物代谢物，研究结果显示该症发病机制主要与机体内丙氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、D-谷氨酸、酮体的合成和降解等途径密切相关[12]。

3 代谢组学与中医证候本质研究

中医证候研究是指将中医整体观和中医辨证施治观相结合，综合性的评价中医诊治疾病的本质与作用规律，是中医基础研究中的核心研究内容。中医诊治疾病有其独有的特点，研究观念具有整体性，通过人体在某个时期的整体状态加以识别、分类并且有目的性地调控，进而整体的改变人体的生理与病理状态，这点正是现代医学所缺乏诊治疾病的理念。中医学观点认为“视其外应，以知其内脏，则知所病矣”。通过对患者外在症状表现，推测其机体内可能产生的病理或生理性变化，进而对患者进行综合诊治。代谢组学研究理念与中医证候研究思维方式有相似之处，代谢组学是指通过对机体受到外源性或内源性刺激后，探究机体在一定时间内代谢产物及代谢轨迹所发生的变化及变化规律。代谢组学可以探究机体内代谢物表达的终端信息，进而反映并解决中医证候所关注的生物体内在变化的问题。与其他组学技术相比，代谢组学具有无侵入性及易获得性等优点，可以在一段时间内检测机体内代谢物表达水平的变化。充分运用代谢组学研究方法可以为中医证候本质研究提供更多的、有效的、标准的研究途径，为中医药现代化研究提供新的研究思路和方法。

4 代谢组学与中药整体药效评价研究

方剂是在中医辨证、辨病理论基础上根据组方原则由多味中药组成，是中医临床治疗疾病的主要用药形式。方剂对人体疾病的诊疗是复杂化学成分相互作用的结果，中药多成分进入体内发挥疗效是一个多成分、多靶点、多途径的复杂作用过程。由于中药成分较为复杂，现代研究方法无法科学的揭示中药药效物质基础及其在体内的作用机制。代谢组学技术通过对口服中药或方剂后生物体内源性代谢物动态变化进行分析，确定中药及方剂进入生物体后的作用靶点及作用受体[13]。代谢组学技术有利于阐明中药及方剂治疗疾病的作用机理及处方配伍的内在规律。近年来，越来越多的国内外学者运用代谢组学技术对中药进行药效评价研究，取得了满意的结果[14]。Wang等运用UPLC-MS技术结合多变量统计学分析方法，研究温心方治疗心气虚证的药效物质基础，表征17 个特异性生物标志物及其代谢网络，特异性代谢物包括：硬脂酸、尿酸、左旋肉碱、3-羟基犬尿氨酸等。结果显示温心方治疗心气虚证的作用途径主要与生物体内糖酵解、不饱和脂肪酸的合成代谢、糖异生代谢和嘌呤代谢密切相关，科学的阐释了温心方治疗心气虚证的作用机理[15]。

5 代谢组学与中药安全性评价研究

近几年，随着中药及其制剂在全世界得到广泛的应用，有关中药安全性报道逐渐增多，引起了国内外医学工作者的广泛关注[16]。许多国家先后限制了中药及其制剂的进口及使用，致使传统中药在国际上的认知度逐年减低，制约了中药在国际上的发展与地位[16]。运用现代分析技术，对中药及其制剂的安全性进行科学研究，有助于推动中药及其制剂的整体研究水平并积极地推动其在国际上的发展。近几年，国内外学者运用代谢组学手段，研究口服中药及其制剂后，生物体内源性代谢物及代谢谱随时间的变化，识别机体内与毒性作用相关的特异性生物标志物、探究药物毒性作用的靶器官、阐释毒性反应的作用机理，为中药毒性和安全性评价研究提供了新的思路和研究方法[17]。

6 代谢组学与中药质量标准研究

中药材质量的优劣取决于其所含成分的种类和含量，影响中药材质量的主要因素包括：品种、气候、产地、采集季节以及炮制方法等因素[18]。运用代谢组学技术，分析中药所含化学成分的种类及其质量随气候、产地、采集时间的不同所产生的变化，可以对其进行定性及定量的评价，进而科学地对中药质量进行控制[19]。

7 展望

中医药历经几千年的发展历史，其诊疗效果与理念受到国内外医疗工作者的广泛关注，但由于中医药治疗疾病的机理缺乏科学性的阐释，制约了中医药在国际的发展。中医药主要运用整体的、动态的、多靶点的、辨证的观点对人类的健康与疾病进行调控，代谢组学的研究理念与中医药辨证论证的诊疗思维相一致[20-21]，为中药现代化研究提供了新的思路及方法。因此，借助现代仪器分析手段并运用代谢组学技术从本质上阐释中药治疗人体疾病的作用机理，有助于将中医药与现代生命科学技术相结合，进而推动中药现代化研究的进程。

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哈尔滨市应用技术研究与开发项目(No.2014RFQXJ116);黑龙江中医药大学科研基金面上项目(No.201307)

李先娜(1988-)， 女，黑龙江中医药大学2014级药物分析学专业博士研究生,主要研究方向：中药体内成分分析及中药质量标准研究。

孙晖*(1963-)，女，教授，博士研究生导师，主要研究方向：中药体内成分分析及中药质量标准研究。

2015-11-30

R285

A

1002-2406(2016)05-0114-03

修回日期：2015-12-10