钟 诚,杨东亮,姚景春,孙成宏,晋大祥,孙国栋,张贵民*
基于UHPLC-ESI-QE-Orbitrap-MS技术的人参固本口服液干预食蟹猴颈椎间盘置换术术后的血清代谢组学研究
钟 诚1, 2,杨东亮2,姚景春3,孙成宏3,晋大祥1,孙国栋4*,张贵民3*
1. 广州中医药大学第一附属医院,广东 广州 510006 2. 暨南大学附属江门中医院,广东 江门 529000 3. 鲁南制药集团股份有限公司 中药制剂共性技术国家重点实验室,山东 临沂 276006 4. 暨南大学附属第一医院,广东 广州 510630
采用代谢组学方法分析人参固本口服液(Ginseng Guben Oral Liquid,RSGB)对食蟹猴人工颈椎间盘置换术后血清代谢产物的影响,探讨人参固本口服液促进猕猴颈椎术后康复的机制。24只食蟹猴根据体质量随机分为正常组、模型组、RSGB组,每组8只。通过食蟹猴人工颈椎间盘置换术制备模型,正常组、模型组ig给予蒸馏水,RSGB组ig给予人参固本口服液,观察食蟹猴术后康复情况。运用超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱技术(UHPLC-ESI-QE-Orbitrap-MS)检测血清差异代谢物,分析可能的代谢通路。RSGB组食蟹猴一般情况明显改善。代谢组学显示,与正常组相比,模型组食蟹猴结肠共发现乙酰胆碱、烟酰胺、蛋氨酸、乙酰左旋肉碱、次黄嘌呤、鸟嘌呤、肌苷、鸟苷、次黄嘌呤、亮氨酸、异喹啉、脱氧胆酸、胆酸、肉豆蔻酸、棕榈油酸、二十二碳六烯酸、亚油酸、花生四烯酸、肉豆蔻酸乙酯、油酸等23个代谢差异物。RSGB组这些代谢差异物有向正常水平回调的趋势。推测RSGB促进食蟹猴颈椎术后康复可能与调控亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、色氨酸及半胱氨酸和蛋氨酸代谢等多条代谢通路有关。
人参固本口服液;颈椎间盘置换术;代谢差异物;代谢通路;食蟹猴;亚油酸代谢通路;花生四烯酸代谢通路
人参固本口服液(Ginseng Guben Oral Liquid)具有补气养血的功效,常用于临床术后康复或年老体虚的治疗等。近年来,中医药在围手术期调养,促进术后快速康复方面积累了丰富的经验,并进行了一系列临床随机研究及临床观察,丰富了快速康复外科的内涵[1]。人参固本口服液在此方面应用较多,该制剂治疗术后虚证效果可靠[2]。为进一步验证人参固本口服液对术后恢复的效果,本研究通过血清代谢组学技术探讨人参固本口服液对食蟹猴颈椎间盘置换术后恢复的影响,明确人参固本口服液对促进术后康复的机制,为临床广泛应用提供参考。
SPF级雄性食蟹猴,6岁龄,体质量9.45~10.20 kg,24只,购自华珍生物技术有限公司,动物合格证号SCXK(粤)2020-0028。实验动物的饲养场所为华珍动物养殖场,室温21~25 ℃,相对湿度40%~60%,通风换气8次/h,光照周期10~14 h。实验动物于非人灵长类动物饲养笼内进行单笼饲养,保持与邻近实验动物进行听觉、视觉上的交互,并且在实验过程中,每天会周期性的打开笼隔,增加实验动物间的交互性活动。所有实验伦理已通过华珍动物养殖场伦理委员会批准(批准号20200628),食蟹猴进行安乐死(戊巴比妥钠100 mg/kg快速静脉推注)。
人参固本口服液(鲁南厚普制药有限公司,10 mL/支,产品批号29190332)。Q Exactive高分辨液质联用仪(ThermoFisher公司);Hypersll Gold C18色谱柱(100 mm×2.1 mm,3.0 µm,Thermo Scientific公司);AL204型电子分析天平(Mettler Toledo公司);Gradient A10型Mill-Q超纯水器(美国Millipore公司);XW-80C型涡旋混合器(上海医科大学仪器厂);冷冻离心机(德国Sigma公司)。
食蟹猴严格禁食24 h,禁饮8 h。im氯胺酮20 mg/kg和安定5 mg 麻醉,采用颈前路制作猕猴颈椎人工椎间盘置换模型,术后即刻拍摄颈椎椎正侧斜位片(图1)。术后连续5 d臀部或前上肢im青霉素钠160万U/d并常规消毒手术切口。观察动物活动、进食和伤口愈合情况等。
24只食蟹猴根据体质量随机分为正常组、模型组、人参固本口服液(RSGB)组,每组8只食蟹猴。除正常组外,RSGB组、模型组均造模。RSGB组造模6 h后ig给药,10 mL/次,2次/d;正常组、模型组以等量生理盐水代替,期间正常组自由饮水,各组均连续给药120 d。
将每只动物单独饲养,观察记录每只食蟹猴的生命体征、术口愈合、饮食等一般情况;干预1个月后,观察食蟹猴治疗后血液代谢产物及实验期间不良反应情况。
末次给药后禁食24 h,不禁水。麻醉后经静脉采血5 mL至无抗凝采血管中,室温下静置约2 h;4 ℃下以3000 r/min离心15 min,分离上层血清,置−80 ℃保存备用。
将处理的各组待分析的血清样品分别取上清液10 μL,混合,涡旋振荡,用作QC样品。
2.5.1 色谱条件 采用Hypersll Gold C18色谱柱(100 mm×2.1 mm,3.0 µm);柱温为40 ℃,体积流量为0.2 mL/min,进样量为2 μL,进样温度为10 ℃;流动相A为0.1%甲酸水,流动相B为甲醇,梯度洗脱,具体洗脱条件见表1。
图1 术前(A)、术后(B) 食蟹猴颈椎X线图
表1 流动相梯度洗脱条件
Table 1 Gradient elution conditions of mobile phase
t/minA/%B/% 0.098 2 2.098 2 3.06535 28.0 298 32.198 2 34.098 2
2.5.2 质谱条件 采用电喷雾离子源(ESI),正负电离模式检测;扫描范围/50~1075;喷雾电压4.0 kV,离子源温度350 ℃;鞘气压力40 kPa,辅助气压力10 kPa。MS谱图通过Orbitrap模式获取,扫描范围/50~1075,分辨率设为17 500,诱导碰撞解离能量20、40、60 eV;检测器电压4.0 kV。MS2谱图通过Orbitrap模式获取,扫描范围/50~1075;分辨率设为17 500,诱导碰撞解离能量20、40、60 eV;检测器电压2.8~4.0 kV。
将采集所得数据导入Compound Discoverer 3.1软件,获取匹配和对齐的峰值数据。将峰面积归一化后的数据导入SIMCA-P14.1,再进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)。根据变量投影重要性指标(variable importance in projection,VIP)≥1,<0.05筛选潜在的差异代谢物,最后通过数据库确定差异代谢物,再使用MetaboAnalyst进行代谢通路分析。所有数据均采用表示,实验数据采用单因素方差分析和检验将各组数据进行统计比较,<0.05认为差异有统计学意义。
手术过程中,食蟹猴无死亡,术后神智清醒,肢体活动无异常。无感染及脊髓损伤症状,术后饮食正常,手术切口未见感染及渗液现象,切口愈合正常。正常组食蟹猴毛发有光泽,精神十分活跃,反应迅速,情绪易激惹,对光、声音等刺激敏感,部分皮肤可见抓痕或血痂且有咬人倾向,进食多而饮水较少,大便成形且偏硬;模型组食蟹猴毛发无光泽、精神平和、反应适中、情绪温和稳定、打斗较少、饮水进食均适中、大便较正常。RSGB组食蟹猴毛发有光泽、精神可、反应迅速、精神较模型组亢奋、饮水进食均适中、大便正常。
正常组、模型组、RSGB组食蟹猴血清总离子流图如图2所示,各组色谱图基本相似,保留时间集中在0~34 min。
从PCA数据结果(图3)可见,作为QC样品聚集在一起,表明质控良好,数据质量可靠。正常组、模型组和RSGB组大体上处于不同的象限内,表现出良好的聚类特性,表明各组食蟹猴的代谢产物差异明显。OPLS-DA分析可从检测到的变量中寻找潜在的代谢差异物。模型组食蟹猴血液代谢物与正常组存在显著差异,RSGB组血液代谢差异物与模型组存在显著差异(图4)。
为寻找相关的代谢差异物,液质联用采集到的数据通过Compound discover软件进行运算筛选。所有数据用SCIMCA软件进行统计分析。采用OPLS-DA,根据VIP≥1、<0.05的筛选条件筛选出潜在的代谢差异物,通过京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)和HMDB数据库对得到的差异代谢物进行分析鉴别,共鉴定出23个代谢差异物,主要有乙酰胆碱、烟酰胺、蛋氨酸、乙酰左旋肉碱、次黄嘌呤、鸟嘌呤、肌苷、鸟苷、次黄嘌呤、亮氨酸、-色氨酸、异喹啉、脱氧胆酸、胆酸、肉豆蔻酸、棕榈油酸、二十二碳六烯酸、亚油酸、花生四烯酸、肉豆蔻酸乙酯、油酸(表2)。
图2 正离子(A)及负离子 (B)模式下各组食蟹猴血清总离子流图
图3 食蟹猴血液PCA分析
通过MetaboAnalyst进行代谢通路分析,将impact≥0.01作为潜在的关键代谢通路,本研究发现主要有6条代谢通路与人参固本口服液治疗猕猴颈椎间盘置换术后康复密切相关,分别为亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、烟酸酯和烟酰胺代谢、嘌呤代谢、半胱氨酸和蛋氨酸的代谢、色氨酸代谢(表3)。通过人参固本口服液治疗对食蟹猴颈椎人工椎间盘术后康复涉及到的体内代谢途径构建了差异代谢通路图,见图5。
图4 食蟹猴血液OPLS-DA分析
人参固本口服液是药性温和的中药制剂,主要由人参、地黄、熟地黄、山茱萸、山药、茯苓、麦冬、天冬等10味中药组成,其中生地黄凉肾,熟地黄填精,共同滋阴补肾;麦冬、天冬皆入肺经,清热滋阴;人参补脾益肺、益气生津。诸药合用,3脏同调,固摄人身之本,充填下元,共奏气阴双补之功,益于术后患者的康复。随着对围手术期相关知识的不断探索,逐渐认识到中医药对于术后康复起到独特的作用,如促进患者术后康复、降低并发症发生率、缩短住院时间[1]。颈椎间盘置换手术不可避免地引起机体损伤,手术创伤的恢复存在较大个体差异性。从中医角度来看,手术会损伤人体之气血,大损元气,术后气虚,则固摄作用减弱,血伤则阴伤,不利于患者术后恢复,人参、地黄补营之气,补营即补阴,因而需采取固本培元、益气养血类中药调理,促进患者康复[3]。人参固本口服液是中医治疗虚证的常用药物,扶正固本治则是从整体出发,调动机体内在因素,提高机体免疫能力,促进患者康复,达到治疗疾病的目的,对于术后气虚血伤较为对症。人参固本口服液中的人参活性成分具有提升人体组织细胞活性,促进受损细胞修复,提升细胞耐受缺氧缺血能力及抗肿瘤等作用[4-5]。动物实验研究表明,人参固本口服液对小鼠有明显的抗疲劳、耐缺氧作用,使失调的功能恢复至生理平衡状态,提高机体免疫功能[6-7]。王鸣[2]通过患者术后服用人参固本口服液,发现可有助于缩短术后康复进程,提升康复效果。
表2 代谢差异物的筛选
Table 2 Screening of differential metabolites
序号代谢物正常组vs模型组RSGB组vs模型组VIP倍数PVIP倍数P 1乙酰胆碱(acetylcholine)1.4681.894 0.0021.3760.897 0.025 2烟酰胺(nicotinamide)2.5692.049<0.0011.4971.807 0.015 3蛋氨酸(methionine)1.3261.603 0.0243.1531.870 0.001 4L-哌啶酸(L-pipecolic acid)1.3321.239 0.0231.0481.354 0.035 5乙酰左旋肉碱(acetyl-L-carnitine)1.8960.690 0.0082.9390.549<0.001 6次黄嘌呤(hypoxanthine)2.3121.480 0.0061.3111.064 0.012 7鸟嘌呤(guanine)4.2682.014<0.0011.4254.024 0.018 8L-蛋氨酸S-氧化物(L-methionine S-oxide)1.2291.091 0.0352.4990.537 0.002 9肌苷(inosine)1.3121.932 0.0381.0411.423 0.043 10鸟嘌呤核苷(guanosine)1.3681.245 0.0251.5421.202 0.013 11亮氨酸(leucine)1.2690.75 0.0211.1360.819 0.038 12L-色氨酸(L-tryptophan)1.3681.269 0.0392.1301.442 0.001 13异喹啉(isoquinoline)1.0321.227 0.0461.1862.708 0.021 14脱氧胆酸(deoxycholic acid)1.0280.438 0.0472.3470.268 0.002 15胆酸(cholic acid)9.33612.479<0.0011.0151.548 0.042 1613(S)-HOTrE2.2680.436 0.0021.0420.615 0.042 17肉豆蔻酸(myristic acid)1.6560.662 0.0012.1480.600 0.002 18棕榈油酸(palmitoleic acid)3.2720.496<0.0015.1260.306<0.001 19二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid)1.2860.762 0.0331.2940.798 0.029 20亚油酸(linoleic acid)1.3980.798 0.0281.3950.486 0.015 21花生四烯酸(arachidonic acid)1.4020.536 0.0161.3280.741 0.035 22十四酸乙酯(ethyl myristate)5.9290.655<0.0015.7690.480<0.001 23油酸(oleic acid)8.7030.577<0.0017.6970.466<0.001
表3 代谢通路信息
Table 3 Information of metabolic pathway
代谢通路匹配代谢物总数分子数原始P值−lgPFDRimpact 嘌呤代谢6540.013 6731.864 100.574 280.031 66 亚油酸代谢 510.072 1141.142 0011 烟酸酯和烟酰胺代谢1510.201 7000.695 2910.194 30 半胱氨酸和蛋氨酸的代谢3310.392 5900.406 0610.104 46 花生四烯酸代谢3610.419 8200.376 9410.313 50 色氨酸代谢4110.462 6200.334 7710.143 05
FDR-错误发现率
FDR-false discovery rate
a-亚油酸代谢 b-花生四烯酸代谢 c-烟酸酯和烟酰胺代谢 d-嘌呤代谢 e-半胱氨酸和蛋氨酸的代谢 f-色氨酸代谢
基于UHPLC-ESI-QE-Orbitrap-MS技术监测动物体内代谢产物的变化,逐渐成为中医药疗效评估,探讨中药复杂的作用机制的一个可借鉴的方法[8-9]。血液中内源性代谢物成分稳定,是代谢组学研究中使用最为广泛的生物样本。因此,本研究基于血清代谢组学,首次对人参固本口服液对食蟹猴颈椎术后疗效进行研究,并对代谢组学的研究结果进行验证。本研究利用UHPLC-ESI-QE-Orbitrap-MS技术研究了人参固本口服液干预食蟹猴人工颈椎间盘置换术后血液代谢组学,以探讨人参固本口服液作用的机制。研究结果显示,人参固本口服液发挥药效可能与其调节亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、烟酸酯和烟酰胺代谢、嘌呤代谢、半胱氨酸和蛋氨酸的代谢、色氨酸代谢等代谢通路有关。代谢组学PCA结果分析显示,正常组、模型组和RSGB组均分布在不同的象限区内,分离度好,表明各组食蟹猴血液小分子代谢产物水平存在良好的差异性。食蟹猴颈椎术后,血液小分子代谢物水平与正常组发生了显著变化,ig给予人参固本口服液后,RSGB组中这些显著变化的代谢物表现出恢复正常水平的趋势,这些代谢产物主要为乙酰胆碱、烟酰胺、蛋氨酸、乙酰左旋肉碱、次黄嘌呤、鸟嘌呤、肌苷、鸟苷、次黄嘌呤、亮氨酸、-色氨酸、异喹啉、脱氧胆酸、胆酸、肉豆蔻酸、棕榈油酸、二十二碳六烯酸、亚油酸、花生四烯酸、肉豆蔻酸乙酯、油酸等24个代谢产物。同时,这些代谢产物可以作为促进食蟹猴颈椎术后康复的潜在生物标志物。
本研究发现,RSGB组食蟹猴术后康复明显好于模型组,说明人参固本口服液能够促进食蟹猴人工颈椎间盘置换术后的康复。氨基酸代谢在人体内具有重要的生理和营养功能,其中蛋氨酸、色氨酸参与蛋白质合成,对动物的生长发育及各方面功能起着至关重要的调控作用,参与提高动物抗氧化能力、调节免疫功能及促进肠道菌群平衡等方面维持动物的健康[10-11]。色氨酸在代谢过程中与碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素和微量元素等各种营养素之间有十分密切的关系。烟酸及其衍生物烟酰胺同属于维生素B系列化合物,是人体中不可缺少的营养成分,在促进人体的生长发育上起着重要的作用。嘌呤代谢中的嘌呤是所有生物体最丰富的代谢底物,为机体大量重要生物合成所需的能量和辅助因子[12-13]。花生四烯酸、亚油酸为人体内脂肪酸,对于人体内脂类蛋白的代谢、血液流变学、血管弹性、白细胞功能和血小板激活等具有重要的调节作用,研究显示部分花生四烯酸物质已成为动脉粥样硬化的新型生物标志物[14]。花生四烯酸代谢、亚油酸代谢在体内处于平衡状态,当这种平衡被打乱后,会引发一系列心血管疾病。人工颈椎置换手术为难度极高的手术,术后花生四烯酸代谢、亚油酸代谢处于紊乱状态,利用人参固本口服液治疗后,可促进花生四烯酸代谢、亚油酸代谢代谢紊乱的恢复。从实验结果看,推测人参固本口服液可通过调控亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、色氨酸及半胱氨酸和蛋氨酸代谢等多条代谢通路,为机体提供营养、促进肠道吸收、提供大量的能量供给,从而促进食蟹猴人工颈椎间盘置换术后康复。
综上所述,RSGB组食蟹猴体内多条代谢通路发生改变,人参固本口服液可以促进食蟹猴肠道吸收、提供大量的能量供给,促进食蟹猴人工颈椎间盘置换术后康复。其机制可能与通过回调食蟹猴术后血清中多种内源性差异代谢物的水平,调节亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、色氨酸及半胱氨酸和蛋氨酸代谢等通路有关。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
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Effect of Ginseng Guben Oral Liquid on serum metabolomics in cynomophagous monkeys after cervical disc replacement based on UHPLC-ESI-QE-Orbitrap-MS
ZHONG Cheng1, 2, YANG Dong-liang2, YAO Jing-chun3, SUN Cheng-hong3, JIN Da-xiang1, SUN Guo-dong4, ZHANG Gui-min3
1. The First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, China 2. Jiangmen Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Jinan University, Jiangmen 529000, China 3. State Key Laboratory of Generic Manufacture Technology of Traditional Chinese Medicine, Lunan Pharmaceutical Group Co. Ltd., Linyi 276006, China 4. The First Affiliated Hospital of Jinan University, Guangzhou 510630, China
Metabolomics method was used to analyze the effects of Ginseng Guben Oral Liquid (人参固本口服液, RSGB) on serum metabolites in cynomophagous monkeys after cervical disc replacement. To explore the mechanism of RSGB promoting cervical vertebra postoperative rehabilitation in cynomophagous monkeys.According to body weight, 24 cynomophagous monkeys were randomly divided into normal group, model group and RSGB group, with eight monkeys in each group. The models were made by cervical disc replacement in cynomophagous monkeys, normal group and model group were given distilled water intragastrically, RSGB group was given RSGB intragastrically, and the postoperative rehabilitation of cynomolgus monkeys was observed. Ultra-high-performance liquid chromatography electrospray ionization orbitrap tandem mass spectrometry (UHPLC-ESI-Orbitrap-MS/MS) was used to detect differential metabolites in blood and analyze possible metabolic pathways.The results showed that the general condition of cynomophagous monkeys in RSGB group was significantly improved. Metabonomics showed that compared with the normal group, model group were found colon acetylcholine, niacinamide, methionine, acetyl--carnitine, inosine, guanosine, hypoxanthine, leucine, isoquinoline, deoxycholic acid, cholic acid, myristic acid, palmitoleic acid, docosahexaenoic acid, linoleic acid, arachidonic acid, ethyl myristate, oleic acid and other 23 metabolic differentials. In the RSGB group, these metabolic differentials tended to return to the normal level.It is speculated that the promotion of RSGB in postoperative rehabilitation of cervical vertebra in cynomophagous monkeys may be related to the regulation of linoleic acid metabolism, arachidonic acid metabolism, tryptophan, cysteine and methionine metabolism and other metabolic pathways.
Ginseng Guben Oral Liquid; cervical disc replacement; differential metabolites; metabolic pathways; cynomophagous monkey; linoleic acid metabolism pathways; arachidonic acid metabolism pathway
R285
A
0253 - 2670(2022)06 - 1776 - 07
10.7501/j.issn.0253-2670.2022.06.020
2021-12-08
国家科技重大专项(2018ZX09201010);广东省医学科研基金(A2019217);江门市科技计划项目(2021YL03002)
钟 诚,男,在读博士,研究方向为脊柱骨科。Tel: 18675000699 E-mail: zhongcheng1225@126.com
孙国栋,男,博士,研究方向为脊柱骨科。Tel: 15521382902 E-mail: sgd96@jnu.edu.cn
张贵民,男,研究员,研究方向为创新药物研发研究。Tel: (0539)5030565 E-mail: lunanzhangguimin@yeah.net
[责任编辑 潘明佳]