基于生物信息学探讨参麦注射液对高血压心力衰竭的干预机制*

钟森杰，李静，李琳，黄淑敏，杨梦，邱宏，程彬，胡志希

湖南中医药大学中医诊断研究所，湖南长沙410208

参麦注射液的主要成分为红参和麦冬的提取物，是治疗心脑血管疾病的常用中药制剂。本课题组的前期研究证据表明，参麦注射液能有效改善高血压心力衰竭的心功能参数、心肌细胞结构和内源性代谢紊乱，展现出多层次、多靶点的治疗效果［1-5］。在此基础上进一步运用气相色谱-质谱联用技术，对高血压心力衰竭的血液代谢组学特征及参麦注射液干预后的血液代谢组学变化进行分析，建立代谢图谱，鉴定出与疾病、药物干预相关联的内源性代谢产物［4-5］。本研究在前期研究基础上，运用KEGG数据库（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）、HMDB数据库（The Human Metabolome Database）和MetaboAnalyst通路分析软件等生物信息学研究工具，进一步解读代谢图谱，全局性地观察生物信息学的变化，以期从生物学角度阐释高血压心力衰竭的病理机制及参麦注射液的干预机制。

1 资料与方法

1.1 代谢产物信息代谢产物信息来源于本课题组前期的血液代谢组学研究结果，共纳入20种代谢产物［5］。前期运用气相色谱-质谱技术，筛选出对高血压心力衰竭具有较强解释能力的19种代谢产物:丙氨酸（L-Alanine）、苏氨酸（L-Threonine）、甲基半胱氨酸（S-methyl-Cysteine）、苏糖酸（Threonic acid）、尿素（Urea）、半胱氨酸（L-Cysteine）、色氨酸（L-Tryptophan）、花生四烯酸（Arachidonic acid）、胆固醇（Cholesterol）、亮氨酸（L-Leucine）、苏糖醇（Threitol）、鸟氨酸（Ornithine）、木糖醇（Xylitol）、丙酮酸（Pyruvic acid）、核糖醇（Ribitol）、焦谷氨酸（Pyroglutamic acid）、4-羟基-脯氨酸（4-Hydroxyproline）、丙二酸（Malonic acid）、天冬酰胺（L-Asparagine）。筛选出10种代谢产物为参麦注射液治疗高血压心力衰竭的有效靶点:亮氨酸、鸟氨酸、丙氨酸、4-羟基-脯氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、苏糖醇、丙酮酸、尿素、异亮氨酸。

1.2 生物信息学分析运用KEGG数据库（http://www.genome.jp/kegg/）和HMDB数据库（http://www.hmdb.ca/）手动检索代谢产物信息，注释ID号、相关的酶及转运蛋白、参与通路条数等信息。运用MetaboAnalyst 4.0通路分析软件（https://www.metaboanalyst.ca/）对代谢通路进行可视化分析，设置参数:通路库（Pathway Library）设置中选择Homo sapiens（KEGG）；路径拓扑分析（Pathway Topology Analysis）中选择Relative-betweeness Centrality；其余参数均为默认值。最终以通路拓扑分析的Raw P＜0.05为条件，筛选出显著富集的通路［6］。

2 结果

2.1 代谢产物检索情况纳入研究的20种代谢产物在KEGG与HMDB数据库中进行检索，获得对应ID号及相关信息，具体见表1。

表1 20种代谢产物基本信息注释表

2.2 代谢路径概要分析MetaboAnalyst 4.0网络软件的代谢通路分析显示，与高血压心力衰竭相关的19种代谢产物参与了27条代谢通路，与参麦注射液干预机制相关的10种代谢产物参与了16条代谢通路，具体概要见图1。通路分析概要图以直观方式展示整体情况，图中每一点代表一条代谢通路，横坐标是由拓扑分析所得的代谢通路影响值，纵坐标是由代谢通路富集分析所得的显著性值。影响值与显著性值越大，则表示不同组间代谢差异的相关性越高，所对应的圆点就越大。

图1 代谢通路分析概要图

2.3 代谢路径拓扑分析通过通路拓扑分析，以Raw P＜0.05为纳入条件，得到与高血压心力衰竭及参麦注射液干预机制相关的显著通路。高血压心力衰竭有7条代谢通路受扰动，分别为氨酰tRNA的生物合成（aminoacyl-tRNA biosynthesis），缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成（valine，leucine and isoleucine biosynthesis），丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代谢（Alanine，aspartate and glutamatemetabolism），谷胱甘肽代谢（Glutathione metabolism），甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的代谢（glycine，serine and threoninemetabolism），精氨酸和脯氨酸代谢（arginine and proline metabolism），精氨酸生物合成（arginine biosynthesis），详细信息见表2。以上述7条代谢通路作为潜在的药物靶标，进一步观察参麦注射液的干预机制。

表2 高血压心力衰竭的显著代谢通路分析结果

筛选出7条代谢通路，作为参麦注射液干预高血压心力衰竭的有效作用通路，其中6条通路为高血压心力衰竭的显著通路，详细信息见表3。7条代谢通路信息简述如下:氨酰tRNA的生物合成，通路内含48个化合物，天冬酰胺、丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸参与此条通路；缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成，通路内含8个化合物，苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸参与此条通路；丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，通路内含28个化合物，天冬酰胺、丙氨酸、丙酮酸参与此条通路；精氨酸和脯氨酸代谢，通路内含38个化合物，4-羟基-脯氨酸、鸟氨酸、丙酮酸参与此条通路；精氨酸生物合成，通路内含14个化合物，鸟氨酸、尿素参与此条通路；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的代谢，通路内含33个化合物，苏氨酸、丙酮酸参与此条通路；缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解，通路内含40个化合物，异亮氨酸、亮氨酸参与此条通路。

表3 参麦注射液干预高血压心力衰竭的显著代谢通路分析结果

3 讨论

高血压病常进展为心室肥大和心肌纤维化，损害心脏的舒张功能，最终导致慢性心力衰竭［7］。心脏结构与功能的损伤，必然导致体内某些代谢功能的失衡。本研究鉴定的7条高血压心力衰竭显著代谢通路，均与氨基酸代谢密切相关，提示氨基酸代谢紊乱是高血压心力衰竭的主要代谢表征。正常生理条件下，心脏可利用多种底物产生能量以满足机体需求，其中糖、脂的有氧氧化为主要能量来源，氨基酸供能仅占心脏耗能的极小部分［8］。机体心力衰竭时，糖、脂氧化供能障碍，心脏产能底物发生转移，此时动员氨基酸代谢以供给能量，故可见高血压心力衰竭模型的氨基酸水平及其相关的代谢通路受扰动［9］。丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苏氨酸等氨基酸类物质参与了氨酰tRNA的生物合成，氨酰tRNA转运氨基酸以促进蛋白质的合成［10］。氨基酸代谢异常可直接影响氨酰tRNA的生物合成通路，并导致蛋白质合成障碍。本研究发现，参麦注射液可促使氨基酸代谢表型向正常回调，从而调节氨酰tRNA水平，促进蛋白质合成。

缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸统称为支链氨基酸，对心肌组织具有重要的供能作用［11］。随着高血压心力衰竭的病程发展，心肌持续性缺血缺氧，能量代谢效率低，此时支链氨基酸处于加速分解以供应能量的应急代谢状态，故可见支链氨基酸及其通路异常［12］。在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路中，谷氨酰胺在氨基酸转运蛋白的作用下进入细胞，并在线粒体中经谷氨酰胺酶催化的脱氨反应转化成谷氨酸，谷氨酸被谷氨酸脱氢酶、丙氨酸、天冬氨酸转氨酶转化为α-酮戊二酸［13］。三羧酸循环是需氧生物获得能量的关键来源，而α-酮戊二酸是三羧酸循环的重要中间产物，具有生成氨基酸作用［14］。上述通路异常反映高血压心力衰竭模型存在能量代谢失衡，参麦注射液可通过调节支链氨基酸的合成与降解，改善能量代谢的相关通路紊乱，以增强衰竭心脏的能量供应。

精氨酸在一氧化氮合成酶的作用下产生一氧化氮，是合成一氧化氮的关键底物［15］。精氨酸通过一氧化氮的信使分子作用，间接扩张血管，改善血液循环。脯氨酸为生物体内膜和酶的保护物质及自由基清除剂，可保护血管内皮免受损伤。精氨酸、脯氨酸与心血管的结构和功能密切相关，两者在血浆中的水平常因血管内膜病变而改变［16］。参麦注射液可调节精氨酸和脯氨酸代谢通路、精氨酸生物合成，减轻血管的应激损伤，有助于重塑血管的损伤部位。

已有研究证据表明，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路与炎症反应的关系尤为密切［17］。本研究所选取的模型是通过持续高盐饮食所诱导，高盐饮食可刺激血管内皮，损伤内皮细胞而诱发血管炎症反应，产生众多炎症反应标志物，使血管结构与功能持续性受损，继而促进高血压病等心脑血管疾病的发生发展［18］。本研究表明血管炎症是高血压心力衰竭的病理基础，而调控炎症反应是参麦注射液干预高血压心力衰竭的作用机制之一。

谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成，是一种含有巯基的三肽。谷胱甘肽为细胞内重要的调节代谢物质，直接参与生物体内的TCA、糖代谢等途径，并能激活巯基酶-辅酶等酶的活性，进一步促进糖、脂、蛋白质代谢［19］。有研究表明，谷胱甘肽的水平紊乱是细胞凋亡早期激活的潜在信号，随后产生的氧自由基可致使细胞凋亡［20］。本研究发现，谷胱甘肽代谢通路异常参与了高血压心力衰竭的病理过程，而参麦注射液的有效靶标未涉及此条通路。鉴于气相色谱-质谱技术未能涵盖生物体内的所有内源性代谢产物，参麦注射液对谷胱甘肽代谢通路是否具有调控作用，仍有待进一步的研究。

生物信息学研究技术的发展，提供了一个解读代谢组学数据的最佳模式和新工具［21］。在已知代谢产物基础上，依托生物信息学研究工具，分析相关联的代谢通路网络，发现氨基酸代谢紊乱是高血压心力衰竭的关键病理机制，氨基酸代谢障碍将逐步影响蛋白质合成、谷胱甘肽代谢、心脏能量供应和心血管结构，最终导致靶器官心脏的损伤和供能不足。以7条受扰动的代谢通路作为潜在药物靶标，发现参麦注射液的有效靶标涉及其中6条通路，此外还包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解通路，这些关键信息反映了与参麦注射液相关联的生物学网络改变，揭示参麦注射液对高血压心力衰竭的干预机制涉及改善氨基酸代谢紊乱、促进蛋白质合成、优化心脏能量供应、调控炎症反应等多个层面，为疾病的治疗和中药制剂的合理运用提供实验依据。