代谢组学在肺系疾病与证候研究中应用现状与展望

刘宣妤，陈梦琦，李丽博，魏海峰，宋卫娜，劳慧敏

（1.山东中医药大学，山东 济南 250355；2.德州市人民医院，山东 德州 253000；3.山东中医药大学附属医院，山东 济南 250011）

对中医学辨病与辨证的科学化、客观化与标准化的研究一直是推动中医现代化发展的关键点，先进的组学方法与技术为中医现代化研究提供了科学支持［1-2］。其中，代谢组学与中医学辨证论治、整体观念不谋而合，可以有效地展现在不同外界环境影响下，机体病理生理状态中的代谢物动态改变，同时对代谢产物特定组分共性进行研究，发现客观的特殊代谢产物，找到关键生物学标志物，对疾病发病机制、诊疗方案以及中医不同证候的标准化研究提供思路和方向［3］。通过系统地归纳分析近年来代谢组学在肺系疾病及证候方面的研究进展，提出问题与思考，以展望代谢组学在中医疾病及证候研究方面的应用前景。

1 代谢组学的优势

代谢组学是具有高灵敏度、高分辨率和高通量的现代分析技术，与转录组学、基因组学、蛋白质组学等同属于现代组学研究的重要组成部分。与其他组学相比，代谢组学可以放大蛋白或基因所表达的细小变化，且更接近受试者表型，越来越成为组学研究的热点之一。

代谢组学应用先进的核磁共振（NMR）光谱、气相色谱质谱联用技术（GC-MS）、超高效液相色谱串联四级杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）以及液相色谱质谱联用（LC-MS）等技术，对机体体液（血液、唾液、脑脊液等）、细胞及组织中存在的低分子量代谢物进行定量和定性分析。代谢组学是通过对机体内源性小分子代谢物质动态变化的精准描述，实现对人体生理与病理情况的即时记录，旨在通过发现潜在的生物标志物和代谢通路来阐明生物系统中涉及代谢物质的生化过程，为疾病诊断、发病机制、治疗与预后提供依据［4-6］。近年来，随着代谢组学分析技术应用领域的逐渐扩大与深入，代谢组学技术在肺系疾病证候方面的研究也取得了长足发展，为中医辨病与辨证理念提供了强有力的系统生物学支持［7-9］。

2 代谢组学在肺系疾病临床诊断中的应用

现代医学的支气管肺炎、肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病、哮喘等均归属于中医肺系疾病。据国内外文献报道，采用GC-MS、NMR、LC-MS等代谢组学技术，探寻与肺系疾病发病机制有关的生物标志物，有利于疾病的早期正确诊治与预后［10］。

2.1 代谢物质可作为肺系疾病诊断的潜在生物标志物

通过代谢组学技术对机体体液进行研究，探寻与发病机制有关的生物标志物，有利于疾病的早期诊 治［11］。

陈黎等［12］的一项研究通过比对哮喘患儿和健康儿童的尿液代谢，发现哮喘患儿组的α-L-吡喃甘露、D-葡萄糖、肌醇、β-D-呋喃木糖等显著升高，苏氨酸、磷酸盐显著降低，提示哮喘与氨基酸代谢、能量代谢、肠道菌群代谢有相关性。

WU Huan等［13］研 究雄性C57BL/6小鼠 在 肺癌发病和发展过程中血浆的代谢变化，有15种失调的代谢产物如胆固醇硫酸盐、替格雷卡尼汀、2-硬脂酰甘油过磷酸肌醇等被识别，并涉及甘油磷脂代谢、脂肪酸代谢等。另一项研究发现，代谢物二乙酰丙胺是非小细胞肺癌的极好预测因子［14］。

Rindlisbacher Barbara等［15］对肺纤维化（IPF）患者血清进行取样检测，发现血清中潜在溶血卵磷脂和3-羟基癸酰肉碱水平升高，显示溶血卵磷脂-脱脂转化酶途径在肺纤维化中具有关键作用。研究发现，脯氨酸和甲硫氨酸可能是肺纤维化的潜在生物标志物，并显示代谢组学的介入可填补目前肺纤维化在诊断和预测能力缺乏敏感性与特异性的空 缺［16-17］。

以上研究证实了这些内源性生物标志物作为潜在诊断指标的可行性。

2.2 代谢物可用于临床病原学诊断

目前病原检测技术不断改进，但精准识别方法具有有创性，而无创识别方法诊断作用有限或所需检验时间较长，实现早期、精准病原诊断仍有困难，代谢组学技术为解决这一难题提供了新思路［18］。有研究采用液相色谱质谱联用技术，用肺炎链球菌与病毒性肺炎患儿的尿液进行代谢组学分析，结果初步表明不同类型的肺部感染以不同的方式影响其代谢组，肺炎球菌性肺炎中肾上腺类固醇途径的破坏更为严重，病毒性肺炎患儿尿液的甘氨酸-L-羟基脯氨酸浓度上调，这一发现有利于对肺炎病原体的早期鉴别［19］。另一项研究对肺炎支原体感染小鼠血清进行代谢组学检测，结果显示维生素A、鸟氨酸、色氨酸等水平下降，次黄嘌呤和尿酸等水平上调，涉及17条代谢通路，包括视黄醇代谢、甾类激素合成、精氨酸与脯氨酸代谢等。此项发现有助于构成肺炎支原体肺炎代谢网络及临床早期快速、精准的病原诊断［20］。

2.3 机体代谢物可用于疾病重症、危重症的识别

潜在生物标志物水平的差异能为疾病临床分级及诊疗提供帮助，以实现早期预警与早期干预，降低疾病重症化。有学者对重症哮喘患儿、非重症哮喘患儿和健康儿三组进行对比观察，对呼出气冷凝液采用质谱联用技术进行检测，研究显示维生素D、腺苷酸、血栓素B2、视黄酸指标能够有效区分三者，尤其在重症哮喘组，维生素D水平明显下调，且下调水平与重症哮喘严重程度呈相关［21］。Viswan Akhila等［22］应用核磁共振技术对两组样本（包括轻度和中度/重度急性呼吸窘迫综合征组）的肺泡灌洗液进行检测，显示6种代谢产物包括赖氨酸、精氨酸、牛磺酸、谷氨酸等被识别，可用于区分轻度和中度/重度急性呼吸窘迫综合征（ARDS），多条代谢途径被识别。该项研究通过代谢组学技术更好地解释ARDS的严重程度分类。

2.4 代谢物改变与疾病死亡风险相关

通过对疾病过程中生物标志物的动态观测，密切关注疾病严重程度变化，有助于改善患者预后情况，降低病死率。何权等［23］对健康成人与重症社区获得性肺炎患者包括存活组和死亡组的血浆代谢物进行分析，显示5-羟色胺水平在各组存在差异，其中在重症肺炎组中，死亡组5-羟色胺水平显著低于存活组，而重症肺炎组的5-羟色胺水平又明显低于健康组，提示5-羟色胺水平越低，重症肺炎预后越不佳。这一研究结果提示，代谢组学技术可为肺系疾病严重程度及预后情况进行早期预警。

代谢组学还可以将代谢产物与死亡风险相关联，以期找到具有疾病预测性和预后性的生物标志物［24］。有研究基于液相色谱和气相色谱/质谱方法研究重度慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者（包括平均2年后死亡的非幸存者及存活患者）和健康对照组之间的代谢谱差异，显示重症COPD患者氨基酸支链减少，棕榈酰和硬脂酰鞘磷脂增加，这一现象可能与能量代谢、氧运输、线粒体功能障碍以及凝血级联有关［25］。与重症COPD的幸存组相比较，非幸存组代谢物中乳酸、果糖、木糖酸盐及三羧酸循环中间产物支链氨基酸消耗的增加更为显著，与线粒体功能障碍相关。

2.5 体内代谢物的差异有利于疾病分型

有学者利用超高效液相色谱串联质谱法（UPLCMS）及GC-MS技术分析了两种组织学亚型的原发性肺癌患者与健康人群的肺组织样本。与正常肺组织相比，两种原发性肺癌组中的核苷酸代谢存在变化，尤其在鳞状细胞癌组织中变化更为显著。还发现黄嘌呤核苷50-单磷酸的表达仅在鳞状细胞癌样本中发生显著变化，且20-氧甲基鸟苷和5-甲基尿苷对鳞状细胞癌具有最高预测能力，而5，6-二氢尿嘧啶和肌苷对腺癌具有最高的预测能力［26］。这揭示了在腺癌和鳞状细胞癌病例中存在明显的代谢物变化，意味着两种组织学亚型以不同的方式调节核苷酸代谢。此项研究表明代谢组学技术对肺系疾病临床分型具有一定意义。

3 代谢组学与肺系疾病证候相关性研究

代谢组学研究不仅为肺系不同疾病的诊断提供了科学依据，对肺系疾病不同证候的鉴别与诊疗等也具有应有价值。从中医学角度出发，辨证论治是中医学的诊治特色，“证候”是对人体受内外界复杂因素影响所致机体动态变化的特征总结，精准辨证是探究人体平衡破坏情况的关键所在。中医通过四诊采集患者机体的各种信息，做出最精准的个体化诊疗方案。如果把宏观视为证候，微观视为其内在本质，那么可以通过现代的代谢组学技术来表现这种内在本质，这为中医药的现代化发展提供了新的思路［27-28］。以下总结概述了肺系疾病常见证候的相关代谢组学研究成果。

3.1 风寒郁肺证

任靖等［29］基于GC-MS技术对健康儿童组与病毒性肺炎风寒郁肺证组血清进行代谢组学分析。研究表明，风寒郁肺组与对照组血清中代谢产物存在显著性差异，以氨基酸类为主，尤其是天冬氨酸和支链氨基酸水平在病毒性肺炎风寒郁肺组明显上升，并涉及5条相关的靶标代谢通路异常。

3.2 痰热壅盛证

杨秀云等［30］的一项研究显示，COPD急性加重期痰热壅肺证患者血清中胆碱、异亮氨酸、1-甲基组氨酸等差异代谢物下调，而3-羟基丁酸、丙酮酸和谷氨酰胺等差异代谢物上调，提示COPD痰热壅肺证患者存在显著的能量和蛋白质代谢紊乱。孙瑗［31］基于UPLC-MS技术对急性加重期COPD痰热壅肺证患者血清进行检测。结果显示，与急性加重期COPD患者相关的代谢通路有9条（花生四烯酸代谢、糖基磷脂酰肌醇锚定生物合成等）被识别，急性加重期COPD痰热壅肺证患者所涉及的7条代谢通路异常，包括甘油磷脂代谢、鞘脂类代谢等，这可能与脂肪、氨基酸代谢紊乱相关。

同时研究者们还发现，代谢组学研究结果可以有效阐释中医“同病异治”理论。“同病异治”是中医诊治法则的特色，是对中医辨证论治理论的体现。探寻同一肺系疾病不同证候间代谢物质的差异，为临床疾病不同证型鉴别及选方用药提供了有力的代谢组学支持。有研究者通过GC-MS/MS技术对小儿支气管哮喘（发作期）痰热阻肺证与非痰热阻肺证患者的尿液进行比对，发现痰热阻肺证患者9种代谢产物水平下调（包括草酸、嘧啶、L-苏氨酸等），4条代谢通路发生改变（包括戊糖磷酸途径、肌醇磷酸代谢等）［32］。

边逊等［33］对毛细支气管炎痰热闭肺证与风热闭肺证患者的代谢组学特征进行分析，结果表明不同中医证型间代谢物存在显著性差异，识别到痰热闭肺证较风热闭肺证有13种差异生物标志物，包括1-苏氨酸、犬尿酸、L-苏糖醇、果糖等，同时研究还发现两种证型间具有差异性的代谢通路改变。以上研究显示，代谢组学在证候鉴别方面具有较大的应用价值，有利于临床精准辨证论治。

3.3 寒饮伏肺证

姚梦雪等［34］对寒饮伏肺证哮喘大鼠血清、尿液成分进行GC-MS技术检测。结果显示，与健康组相比，模型组有37种差异性代谢物被识别，其中十七烷、D-（-）-塔罗糖、软脂酸、丁二酸、己二酸等9个差异代谢物水平上升；D-松醇、硬脂酸、乳酸、核糖酸、磷酸（3∶1）、甘油、L-苏糖酸等28个差异代谢物质水平下降。研究还筛选了7条相关代谢通路，包括肌醇磷酸代谢、乙醛酸与二羧酸代谢、柠檬酸代谢等。这有助于对哮喘寒饮伏肺证发病机制及其诊疗的研究。

宋红等［35］的一项研究基于1HNMR技术检测小青龙汤证（寒饮伏肺证）实验大鼠的肺组织观测指标，发现与健康组相比，模型组（寒饮伏肺证）中甲硫氨酸、苏氨酸等水平下调，组氨酸、缬氨酸、牛磺酸等水平上调。

3.4 气阴两虚证

周贤梅等［36］采用GC-MS技术对肺癌气阴两虚证患者呼出气冷凝液进行检测，结果表明气阴两虚组肺癌患者呼出气冷凝液中3，5-二叔丁基苯酚、二十三烷酸、甲氧基甲酯存在差异。除此之外，1-（苯基磺酰基）吡咯被发现是气阴两虚证特有代谢物质。

刘海叶等［37］采用HPLC-MS技术方法对COPD稳定期气阴两虚证患者的血浆成分进行检测，结果显示代谢物质具有明显差异，存在多条代谢通路异常，包括氨基酰-tRNA生物合成、谷胱甘肽代谢、氮代谢等。这可能为COPD气阴两虚证的诊断提供帮助。

3.5 肾虚证

宋红等［38］基于NMR技术联合PCA、OPLS-DA等对肾气虚哮喘模型大鼠与正常组大鼠血清进行检测分析，结果显示肾气虚哮喘组比正常对照组血中脂类含量高，并且亮氨酸、异亮氨酸、3-羟基丁酸等氨基酸水平上升，这说明胆碱、氨基酸、脂类含量与哮喘肾气虚证有关。

严兴海等［39］将肾虚组、肺虚组哮喘缓解期患者血浆作为标本，通过NMR技术进行代谢组学分析。研究发现与肺虚组比较，肾虚组患者血浆中肌酐、肌酸、乳酸等水平明显降低，丙酮、乙酰乙酸等水平显著升高。结果表明肾虚缓解期哮喘患者在能量消耗、机体失衡状态和免疫功能紊乱方面更为严重，这一研究结果从代谢组学角度丰富了“久病及肾”的理论内涵。

4 肺系疾病代谢组学研究中存在的问题及展望

现代的代谢组学技术与中医基础理论相契合，运用先进的设备进行分析、检测，寻找有效的生物标志物，为肺系疾病证候研究提供有力代谢组学支持，推动中医药科学化、现代化、定量化的发展。随着研究的不断深入，代谢组学在肺系疾病方面的研究还存在一些问题。

一方面，代谢组学寻找相关生物标志物不是最终目的，借助代谢组学差异代谢物来探索其作用机制及对不同表型结果的影响是今后努力的方向。为此，代谢组学、蛋白质组学、基因组学等多组学技术联合应用及构建肺系疾病的代谢网络，以实现对肺系疾病及证候动态变化的了解，尤为重要。

另一方面，全面广泛的非靶向代谢组学在差异代谢物的精确度上表现不足，可初步表达机体对刺激的反应变化。而靶向代谢组学研究可以明确代谢产物的特异性，通过“特写模式”，对差异代谢产物进行更加深入的分析，获得可靠性更高的数据信息，这逐渐成为系统生物学的重要研究方式。

最后，肺系疾病代谢组学中证候学研究缺乏广度和深度，需要加强对证候本质内涵的深入探索，扩大样本量及独立样本，逐渐丰富临床证候量表，跟进证候后续研究，以增强证候研究的客观性。相信在不久的将来，代谢组学技术在肺系疾病及证候方面的研究将取得长足发展。