基于系统生物学组学技术的冠心病中医药研究思路*

王天娇 吕晓东

系统生物学是从整体水平出发研究生物体的组成成分以及各组分之间的相互作用关系，以整体性研究为特征，定量阐明和预测生物功能、表型和行为的系统科学，其组学技术平台包括蛋白质组学、代谢组学、转录组学、基因组学、表型组学与相互作用组学等，其核心特征为多变量的整合[1-3]。冠状动脉粥样硬化性心脏病是指由于冠状动脉血管发生粥样硬化病变致使动脉管腔狭窄、痉挛或闭塞，影响冠状动脉血流供应，导致心肌缺血、缺氧或坏死而引发的心脏病，简称冠心病(coronary heart disease, CHD)，是动脉粥样硬化病理改变导致器官病变的最常见类型[4]。CHD患者生活质量急剧降低，病死率逐年增高，严重威胁人类健康，防治形势十分严峻。目前有关CHD中医药防治的研究已取得一定成果。为了适应治疗现状，中医药对CHD的研究亦应与时俱进，将系统生物学组学技术运用到CHD的中医药防治中，运用基于系统生物学组学技术打开中医药防治CHD作用模式研究的新途径，为中医药防治CHD的新药研发、品种改造、作用机制阐明提供理论支持。

1 蛋白质组学在CHD中医药研究中的应用

目前中医药防治CHD的蛋白质组学研究主要集中于中医证候学规律和中药药效学机制研究。蛋白质组学以细胞、组织或生物体的蛋白质组为研究对象，通过蛋白质鉴定、功能分析、翻译后修饰等技术手段动态观察蛋白质表达特征以及蛋白质之间的相互作用关系，研究技术平台主要包括功能蛋白质组学、结构蛋白质组学、表达蛋白质组学、比较蛋白质组学4个方面[5]。朱明丹等[6]利用蛋白组学技术对CHD 4个主要证型(心气虚弱、心肾阴虚、痰浊内阻、心血瘀阻) 进行分析，研究发现差异蛋白包括凝血酶原、血红素结合蛋白、抗凝血酶Ⅲ、α2巨球蛋白、膜联蛋白A5、血纤维蛋白溶酶原、血浆激肽释放酶、激肽酶1、补体C1q、补体C3、补体C4-A、补体C7、甘露糖结合蛋白C、补体因子H亚型1、载脂蛋白A1、载脂蛋白A4前体、载脂蛋白D、载脂蛋白E、载脂蛋白H、活化T细胞核因子5亚型b、维生素D结合蛋白，主要涉及凝血系统、激肽释放酶-激肽系统、补体系统、脂代谢系统、Wnt途径、凋亡系统。刘如秀等[7]采用蛋白组学技术研究滋肾活血方对CHD肾虚血瘀型大鼠缺血心肌蛋白表达情况的影响，结果显示，滋肾活血方在一定程度上可调节大鼠心肌组织蛋白质组学变化，其作用靶点蛋白质为ATP合酶α亚基、肉碱棕榈酰转移酶-2、肌凝蛋白-6、乳酸脱氢酶B链、异柠檬酸脱氢酶，其干预机制与改善能量代谢、保护细胞骨架等功能相关。李金根[8]利用iTRAQ蛋白质组学技术对清心解瘀方防治稳定性CHD的作用机制进行分析，结果显示清心解瘀方防治稳定性CHD的蛋白质图谱差异性表达中共鉴定得到20个差异蛋白，其中4个清心解瘀方防治稳定性CHD的差异蛋白表达升高：CASP8和FADD样凋亡调节因子、转铁蛋白、载脂蛋白A-Ⅳ、神经粘附分子CHL1；16个清心解瘀方防治稳定性CHD的差异蛋白表达降低：补体因子B、载脂蛋白B、补体C1s亚成分、蛋白酪氨酸磷酸酶非受体型1、木糖基转移酶2、生长激素受体、蛋白轻链、含有EH结构域蛋白3、补体C4-A、反式高尔基网络整合膜蛋白2、中脑星形胶质细胞源性神经营养因子、锚蛋白重复结构域蛋白23、补体C2、角蛋白6B、角蛋白16、角蛋白A。

系统生物学认为，疾病发生发展的本质即为蛋白质网络动态平衡的扰动，而中医证候学规律和中药药效学机制研究印证的正是蛋白质被扰动之后的特异性变化，利用蛋白质组学技术，将为阐释CHD中医证候学规律和中药药效学机制研究的本质和科学内涵提供依据，亦为CHD中医诊断的客观化提供方法[9]。

2 代谢组学在CHD中医药研究中的应用

目前，代谢组学在CHD的中医药研究主要集中于内源性代谢组分含量的变化，以全面研究CHD发生机制和药物干预机制，以期找到治疗CHD有效的生物标志物指导临床诊断。代谢组学是转录组学和蛋白质组学的下游研究，是通过分析生物体新陈代谢过程中代谢产物图谱特征差异及其动态变化，研究生物体系的代谢网络的技术手段[10]。代谢组学技术主要应用于分子量小于1000的小分子代谢物，通过测定生物体液(如尿液、唾液、血液)、细胞培养液、细胞提取物和肝、肺、肾、脑等组织或者组织提取液中的内源性代谢物组信息以从整体上全面分析疾病对生物系统的影响。史琦等[11,12]利用代谢组学技术对CHD血瘀证、气虚证患者血浆中的内源性小分子及大分子代谢产物进行全面鉴定，特征性代谢物筛选结果显示，CHD血瘀证包括丙酮和缬氨酸，提示其异常代谢过程主要包括脂质代谢、氨基酸代谢；CHD气虚证包括缬氨酸、肉碱、乙酰谷氨酸与赖氨酸，提示其异常代谢过程包括能量代谢、氨基酸代谢、糖代谢、脂肪代谢、凝血过程等多种代谢过程。郑景辉等[13-16]采用QP2010气相色谱-质谱联用仪检测CHD心血瘀阻证的血浆代谢产物及尿液代谢产物，结果显示，血浆代谢产物谱包括花生四烯酸、β-羟基丁酸、硬脂酸、葡萄糖、乳酸、柠檬酸、丙氨酸、尿素、油酸；尿液生物代谢产物谱包括马尿酸、甘油、丙酮、木糖醇、葡萄糖、油酸酰胺；对血浆代谢产物进行生物学分析，结果显示血浆生物代谢产物谱共参与15条代谢路径(丙酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、磷酸戊糖途径、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解和糖异生、氨基糖和核苷酸的糖代谢、嘧啶代谢、嘌呤代谢、脂肪酸生物合成、花生四烯酸代谢、氰基氨基酸代谢、柠檬酸循环、丙酮酸代谢、半乳糖代谢、乙醛酸和二羧酸代谢)，其中脂肪酸生物合成、丙酸代谢、糖酵解和糖异生通路参与其病理过程；对尿液代谢产物进行生物学分析，结果显示尿液生物代谢产物谱共参与10条代谢路径(半乳糖代谢、戊糖和糖醛酸的相互转换、磷酸戊糖途径、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解或糖异生、苯丙氨酸代谢、酮体的生成和降解、丙酸酯的代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、甘油酯代谢)，其中半乳糖代谢、酮体的合成和降解通路参与其病理过程。

另外，CHD的中医药治疗主要以中药复方为主，临床应用于CHD治疗的中药复方药味数量从数种到数十种之间不等，有效活性成分更是繁杂多样，潜在作用机制亦是错综复杂，代谢组学技术可从治疗CHD中药复方的代谢产物成分和含量变化差异规律中寻找出与治疗CHD中药复方相关的有效的生物标志物及活性成分，并通过进一步实验验证以探明其潜在作用机制，从而丰富中医药防治CHD理论内涵，为中医药防治CHD提供可靠的物质基础。张开泰等[17]对CHD心血瘀阻证患者予新血府逐瘀汤进行治疗，运用1H-NMR技术检测CHD心血瘀阻证患者治疗前后血浆小分子代谢产物水平，结果显示，新血府逐瘀汤治疗后，极低密度脂蛋白、丙氨酸、乳酸、葡萄糖、组氨酸的含量明显下调，亮氨酸、苏氨酸、柠檬酸的含量明显上调，说明新血府逐瘀汤可能通过调整糖类、脂肪、氨基酸等物质的代谢，从而发挥整体治疗作用。魏岩等[18]对CHD先天伏寒证患者予伏寒颗粒进行治疗，利用1H-NMR检测CHD先天伏寒证患者血清代谢标记物，结果显示，伏寒颗粒对脂类化合物、谷氨酸、高密度脂蛋白、β-葡萄糖、乳酸、极低密度脂蛋白、谷氨酰胺、低密度脂蛋白、α-葡萄糖等物质含量改善明显，说明伏寒颗粒可纠正修复CHD先天伏寒证患者的糖脂代谢紊乱与能量代谢紊乱情况。

3 转录组学在CHD中医药研究中的应用

转录组学在CHD的中医药研究主要集中于对CHD中医证候、中药方剂等方面的研究。目前中医药应用转录组学研究CHD的中医证候学特点、中药方剂潜在作用机制的报道尚有不足，随着转录组学技术不断完善，日后亦必将广泛地应用于CHD的中医证候学特点、中药方剂潜在作用机制中，具有良好的应用前景。转录组学是在整体水平上研究细胞中基因转录的结构功能、组成表达及其转录调控规律的学科，以期从RNA水平实现对生物和细胞功能的全部情况的解析[19]。疾病的发生进展过程中以及在药物干预治疗的过程中会出现多种mRNA表达水平差异的改变，转录组学正是用DNA表达谱芯片测定mRNA的种类和丰度，在mRNA水平研究基因表达谱特征模式[20]。microRNA将会成为CHD一个新的诊断和治疗靶点[21]。陈光等[22，23]为筛选并验证CHD血瘀证差异基因，运用实时荧光定量聚合酶链式反应、斑点杂交法明确了CHD血瘀证mRNA层面的潜在生物标志物为SLAMF1、CBARA1、ZNF350；运用高通量芯片技术筛选差异基因明确了CHD血瘀证miRNA-mRNA层面的潜在生物志物为miR-146b-5p、miR-199a-5p、CALR、TP53，亦明确了CHD血瘀证lncRNA-miRNA-mRNA层面的潜在生物标志物为CALR、TP53、NR4A1、EGR1、IER2、IER3、IFRD1(mRNA层面)，miR-146b-5p、miR-199a-5p、miR-3196、miR-3656(miRNA层面)，CTB-114C7.4、CTA-384D8.35(lncRNA层面)，确立的CHD血瘀证生物标志物可用于人群的证候筛查，实现证候的早期诊断、早期治疗，也可利用CHD血瘀证生物标志物进行基因分型，分析药物敏感性，提高疗效。

因而，系统生物学认为，转录图谱特征模式可用于CHD的早期确诊及风险性预测，也可作为CHD的治疗靶点，联合运用中医药特色治疗方案更加及时有效地防治CHD。今后中医药防治CHD疾病进展的研究中可将转录图谱特征模式差异表达作为衡量临床疗效的客观化、科学化评价标准，从而可以促进中医药CHD研究的标准化、规范化、客观化和国际化[24]。

4 基因组学在CHD中医药研究中的应用

目前大量研究证实，CHD是由遗传因素和环境因素共同作用引起的一种多基因复杂疾病[25]，其中遗传因素作用占40%～60%[26]。目前，应用全基因组外显子测序对CHD相关基因进行定位和识别日益成为当下医学研究的热点。基因组学是研究基因的结构功能、组成定位、产物编辑的学科，包括基因组高通量测序、表观基因组学、核苷酸序列分析、宏基因组学等技术[27]。罗春艳[28]运用全基因组表达谱芯片技术分析冠心病易感变异位点rs6903956以及易感基因ADTRP，结果显示，ADTRP干扰后可上调7个组蛋白基因，下调4个细胞周期调控基因，上调2个细胞凋亡基因的表达。袁肇凯等[29]应用高通量寡核苷酸基因芯片技术研究CHD血瘀证家系差异基因表达谱，结果显示家系CHD血瘀证相关的差异基因表达谱中共筛选得到8个差异基因表达异常，其中4个家系CHD血瘀证相关差异基因表达升高，4个家系CHD血瘀证相关差异基因表达降低，并通过基因本体论筛选出与遗传相关的目标通路，通路分析显示差异主要涉及基质金属蛋白酶、趋化因子、补体系统、内皮细胞黏附因子、白细胞介素、成纤维细胞生长因子。陈光等[30]总结发现对于CHD血瘀证单核苷酸多态性研究主要涉及PAF-AH基因、血管紧张素原基因、血小板膜糖蛋白Ⅲa基因、肌细胞增强因子2A基因、血管紧张素转换酶基因，且PAF-AH基因R92H、I198T多态性与CHD血瘀证联系密切。

中药复方的配伍规律、组方机理、药效机能对于基因功能的调节是中医学利用系统生物学的应用实例[32]。因而，系统生物学认为，利用基因组学技术以预测疾病发生发展的诊疗思路和中医“治未病”思想不谋而合，以中医药独特优势延缓CHD疾病过程的快速进展[31]，亦可依据基因组学的结果分析个体差异，根据患者的年龄、体质、地理环境、季节特点、病因病机的不同对CHD患者采取个体化诊疗方案，这与目前精准医疗研究思维相一致。

5 系统生物学组学在CHD中医药研究中的应用

系统生物学组学的研究思路本质在于多信息融合和体系模型的构建，多层次、全方位对生物体内的生命活动进行检测，分析整合数据并进行模拟归纳的学科[33]。系统生物学将从系统水平以整体性视角阐释中医药多成分、多层次、多靶点、多途径、多通路的潜在治疗机制和治病作用机理。CHD是一种慢性复杂性进展性疾病，基于系统生物学组学的中医药研究在CHD防治上具有独特的优势和特点。系统生物学不仅使中医药优势和特点得以充分利用、充分发挥，同时运用系统生物学进行生信数据挖掘与分析利用的全面筛选整合归纳，使其纳入到标准化、现代化、客观化的快速发展模式，亦将大大提高中医药对CHD的临床效能[34]。

6 小结

系统生物学是当下医学和生物学发展的核心驱动力。基因芯片、蛋白质芯片、生物质谱分析、生信数据挖掘等高新技术与科学手段的联合应用将为推动中医药防治CHD的理论与实践发展提供可视化研究平台。因此，中医药防治CHD的基础研究、临床试验与系统生物学组学技术的良性互动结合，必将成为今后中医药防治CHD现代化研究的热点方向、重要任务。同时，系统生物学的研究还需不断推出新的软件开发工具、信息分析技术、系统测量方法和实验设计方法，创造出独具中医药特色与优势、以整体性、功能性、动态性揭示中医药CHD各证型的生物学本质以及中药复方作用机制的预防科学体系。