代谢组学技术在中药有效性和毒性机制研究中的应用进展

吴漂女 周伟 齐炼文

（中国药科大学 江苏 南京 211100）

中药是我国中医防病治病的重要方式，体现了中医辨证论治的特点[1]。在中医药理论指导下的中药通过君臣佐使的配伍，有着显著的治疗效果，尤其是在预防疾病和治疗疑难杂症方面有着独特的优势。在中药的有效性逐渐被国际社会肯定的同时，中药多成分造成的药效物质不明，质量参差不齐，作用靶点复杂以及安全性问题也日益被关注。多成分和多靶点被认为是中药有效和毒副作用的物质基础，因此只研究某一成分或某类成分的作用无疑是片面的，不能体现中医药理论的“整体性和系统性”[2-3]。

代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的一门学科，通过分析血液、尿液和组织等生物样品内小分子代谢物（分子量小于1000）的变化情况，来揭示内外因素对生物体的影响，是系统生物学的重要组成部分[4-5]。对比基因组学和蛋白质组学主要体现生物学上游信息，代谢组学主要揭示终端信息—代谢物的表达情况，可以整体、系统和动态的反应生物体正在发生什么，与中医药理论的观点不谋而合[6]。目前，代谢组学被广泛应用于疾病研究、药物研发、药物质量控制、农学、中医药学等领域[7-15]。本文就代谢组学技术在中药有效性和毒性方面的应用做一综述。

1.中药的有效性作用机制

中医药经过几千年的临床实践证实其具有有效性和科学性。由于中药含有的化学成分多，因此对应的作用靶点也多，可见中药是通过多种作用途径对人体发挥调节作用的[4]。代谢组学将机体视成一个整体，通过分析体内代谢物的变化来反应药物对机体的作用，并发现生物标志物和中药干预的代谢通路，有助于揭示中药的分子机制。

吴茱萸汤是我国传统中药方剂，主要用于治疗头痛，但作用机制不明。Ran Liu[16]等用代谢组学技术揭示吴茱萸汤的作用机制。分别用大鼠的脑组织和血浆作为研究对象，将模型组与对照组比较，在脑组织中发现了12个发生紊乱的代谢物，而经过吴茱萸汤治疗后均转归，可作为潜在的生物标志物；在血浆中发现了6个异常代谢物，其中3个在治疗后转归。其中，精氨酸在脑组织和血浆中都被发现异常，而吴茱萸均发挥了转归作用。基于发生紊乱的代谢物，结合KEGG等通路分析软件，发现头痛主要干扰了谷胱甘肽代谢、烟酸和烟酰胺代谢、嘌呤代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等，而吴茱萸汤则可以通过反向调节前三个代谢通路而发挥治疗作用。

金匮肾气丸是由10种中药组成的中成药，主要用于治疗由糖皮质激素停用之后引起的肾上腺功能不全。Linjing Zhao[17]等分别使用GC-Q-TOF/MS和UPLC-Q-TOF/MS技术进行非靶向和靶向代谢组学研究以揭示金匮肾气丸的分子机制。OPLS-DA模型发现服用金匮肾气丸的大鼠血清代谢谱和正常组接近，说明金匮肾气丸预处理有保护作用。在模型组中有13个显著改变的代谢物，金匮肾气丸对其中10个有显著反向调节作用。其中，增加碳水化合物代谢、脂质代谢和氨基酸代谢被认为是金匮肾气丸发挥保护作用的干预通路。鉴于游离脂肪酸代谢是显著改变的代谢途径，因此，又靶向定量42个游离脂肪酸含量。结果表明，对肾上腺皮质功能不全的大鼠，金匮肾气丸能有效升高或转归模型组中大部分减少的游离脂肪酸。而在肾上腺皮质功能正常情况下，金匮肾气丸对游离脂肪酸代谢的调节作用则相反，说明在健康状态下，金匮肾气丸对游离脂肪酸代谢不利。

中医传统方剂葛根芩连汤对2型糖尿病有显著的降糖效果。Qiyun Zhang[18]等采用非靶代谢组学技术研究葛根芩连汤可能的降糖机制。PCA得分图发现，给药组明显向正常组接近，说明葛根芩连汤对2型糖尿病有转归作用。其中葛根芩连汤能显著降低模型组中升高的甘氨酸、泛酸和烟酰胺，却能升高模型组中显著降低的鞘氨醇，说明葛根芩连汤可能通过干预鞘氨醇代谢、COA生物合成、初级胆汁酸代谢、烟酸合成途径发挥治疗2型糖尿病的作用，为葛根芩连汤作用机制的进一步研究提供思路。

2.中药的毒性作用机制

中药取材于天然，绝大多数无毒害作用，但有部分中药药性强烈，治疗的安全窗小，一旦超过安全剂量，就对人体有毒副作用。与中药的有效性研究一样，中药毒性机制研究难点在于潜在毒性靶点多，涉及的靶器官、靶组织多，毒效关系不明[19-20]。代谢组学技术可以从整体角度评价中药的毒性，有助于阐明中药的毒性机制和毒效关系，并发现可靠的生物标志物作为毒性临床诊断和预后判断[2，21]。

仇守蓓等[21-22]基于代谢组学技术研究菊三七的肝毒性机制，分析菊三七诱导的肝中毒大鼠和正常大鼠的血浆和尿液的代谢物差异，总共鉴定发现11个潜在的生物标志物，分别是精氨酸、脯氨酸、谷氨酸、肌酸、缬氨酸、亚油酸、花生四烯酸、吡咯琳羟基羧酸、鞘氨醇、植物鞘氨醇和柠檬酸，主要干扰了氨基酸代谢、脂质代谢、能量代谢等代谢通路，为进一步研究菊三七的肝毒性机理提供了线索。

FangboXia等[23]研究安宫牛黄丸中其他中药对由朱砂和雄黄引起的肝肾毒性的保护作用，采用UPLC-Q-TOF/MS的代谢组学分析方法，分析分别灌胃安宫牛黄丸、朱砂雄黄组合和生理盐水的三组大鼠的血清代谢物。病理组织切片结果显示，服用了朱砂雄黄组合的大鼠肝肾组织中毒现象明显，但含有朱砂雄黄的安宫牛黄丸的肝肾几乎和正常组无异。代谢组学层面发现，服用安宫牛黄丸与正常组的血清代谢谱接近，而与服用了朱砂牛黄组合的相差较大，与病理组织结果一致。并鉴定得到了41个潜在的生物标志物，主要集中在甘油磷脂、亚油酸、花生四烯酸、鞘脂等与炎症相关的代谢通路。提示安宫牛黄丸中的朱砂和雄黄可以引起肝肾的炎症反应引发毒性，而配方中的其他中药则可以逆转由朱砂和雄黄引起的肝肾毒性。

Tao Su等[24]研究半夏和姜半夏对大鼠的心脏毒性。首先通过病理组织切片发现半夏经过生姜炮制之后对心脏的毒性大大降低。接下来利用代谢组学技术分析半夏的心脏毒性以及生姜炮制减毒的作用机制。结果显示，与对照组相比，生半夏组有7个差异代谢物，姜半夏组有8个差异代谢物。并用ingenuity pathway analysis（IPA）软件进行生物学分析发现，前者主要干扰了脯氨酸，尿嘧啶，赖氨酸降解，mTOR和TGF-β信号通路以及血清素生物合成，后者主要干扰了酪氨酸生物合成，脯氨酸，尿嘧啶，色氨酸和赖氨酸降解。前期研究发现，mTOR信号通路的过度激活或者抑制和TGF-β信号通路的激活可能引发心脏毒性。因此本实验用Western blot验证，发现生半夏组mTOR的磷酸化水平显著降低，TGF-β水平显著增加，而姜半夏组则与对照组没有显著性差异，推测mTOR信号通路的抑制和TGF-β信号通路的激活是生半夏心脏毒性的部分作用机制；而用生姜炮制能减毒，部分原因可能是由于清除了自由基。

3.讨论

中药是我国传统文化的瑰宝，已有几千年的临床实践。多成分、多靶点是中药药效和毒性的物质基础，却也给中药现代化研究带来了挑战。现代医药“单药、单靶”的研究模式对具有复杂体系的中药而言无疑是片面的。代谢组学作为系统生物学的重要组成部分，可以整体、动态地表征机体代谢物的变化，从而反应疾病或药物对机体的作用，已成为研究中药的有利手段。当然代谢组学技术目前仍有一些不足有待解决和改进，比如不能完全鉴定出生物体全部的代谢物；不同实验室不同仪器的结果有所偏差，对建立标准带来难度[1]；影响检测结果的因素多，可能出现假阳性和假阴性等等。但相信随着代谢组学的不断发展，这些问题也将被一个个击破。当然，要实现中药现代化，将中药的药效、毒理等用现代和科学的语言来诠释，单是代谢组学技术是远远不够的，需要其他分析手段联合使用，比如蛋白质组学、血清药物化学等等，形成有特色的中药现代化研究模式。