基于代谢组学分析针灸在关节炎中的镇痛消炎作用

方 芳，龙 宇，郭玉岩，顾媛媛,王艳丽

(1.黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.黑龙江护理高等专科学校，黑龙江 哈尔滨 150399)

代谢组学(Metabonomics)是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后的又一重要的系统生物学研究方法，通过对生物受刺激后产生的代谢产物进行检测、分析与鉴定，了解不同致病因素、基因、环境、营养、药物与时间等因素作用下的机体反应。生物体经过错综复杂的调控后，代谢组学通过对代谢物的分析给出了最终的、相对完整的结果，在健康评估、疾病诊断、疗效评价、药物研发和毒理学研究等方面有着巨大的优势[1]。

代谢组学强调生物体的整体动态性，与中医治疗疾病的整体观念相似，近年来用代谢组学技术探究中医治病机理的研究越来越多。针灸作为中医的一种特色外治疗法，经过几千年的发展，疗效较好，在国际上也享有盛誉。在相关针灸适应症的研究中，针灸用来治疗多种疼痛类疾病，其中包括多种关节炎类疾病，可见针灸有着良好的镇痛效果[2]。本研究从镇痛消炎的角度对针灸治疗这些疾病的代谢组学研究进行探析。

1 代谢组学与针灸治疗关节炎疾病的联系

针灸作用机体是多环节、多层次和多靶点的整体调节，代谢组学通过对代谢产物进行定量、定性的分析，从整体上综合评价当时生命体功能状态及其变化，吻合针灸基于中医整体观念辨证论治的思想[3]。目前代谢组学对针灸抗炎镇痛的研究对象多为关节炎类疾病[4],研究最多的病种有：类风湿性关节炎(RA)、痛风性关节炎(GA)和骨关节炎(OA)[5]。临床常见的多种关节炎疾病在中医里都可归为痹证范畴，《素问·痹证》记载：“风寒湿三气杂至，合而为痹也。”唐代王焘《外台秘要》描述痹证:“痛如虎咬，昼轻夜重”，宋代严用和称痹证为“白虎历节”之证，可见疼痛是骨关节疾病中主要的临床表现，而在治疗过程中，针灸良好的镇痛作用一直被患者所认可。

在诊断方面，基于代谢组学研究证明，可以通过发病时机体的氨基酸、蛋白质、糖类和细胞因子等代谢产物的变化，研究异常代谢图谱，进行早期的诊断，甚至筛选高危人群，起到预防作用[5]；在治疗方面，针灸可以调控生物体内的代谢物水平，通过刺激腧穴产生信号物质传递，引起“神经-内分泌-免疫系统变化”，起到调节免疫的作用，使代谢物谱回归正常[6-8]。

2 基于代谢组学的针灸消炎镇痛机制探索

代谢组学可以发现预测治疗效果的相关代谢产物，氨基酸及氨基酸代谢通路异常可刺激炎性因子产生，引发炎症反应。另外，关节炎类疾病的疼痛主要以局部炎性细胞浸润的炎性疼痛为主，在炎性增生这个动态过程中伴随着能量的大量消耗，同时机体增强自身免疫也需要能量供给，能量代谢产物也可作为疾病发生与好转的评价依据。现根据相关代谢组学研究[9-11],从氨基酸代谢、糖类脂质代谢和三羧酸循环等方面进行分析。

2.1 氨基酸代谢

针灸可以通过调节氨基酸代谢通路恢复机体的基础代谢，减轻炎症反应[12]。组氨酸在组氨脱氢酶的作用下促进合成组织胺，可加剧炎症反应，破坏软骨关节[13]。亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸属于支链氨基酸，是人体必需氨基酸，能促进骨骼肌的形成，使肌蛋白代谢加快[14]，亦有研究证明，支链氨基酸可刺激引起RA相关炎性反应的细胞因子增加，如白介素等[10,15]。杜小正等[10]用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)，测得寒证类风湿性关节炎家兔较正常组家兔的血清中主要差异代谢物质缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸及花生四烯酸浓度升高，行热补针法的治疗组中以上代谢物质都不同程度降低，且家兔的痛域增高，说明针灸对RA能起到有效的消炎镇痛作用。丙氨酸、乳酸、丙酮酸水平的升高也可使骨关节出现酸软疼痛[13]，尤其丙酮酸代谢异常会产生较强的炎症反应，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢异常会引起机体丙酮酸代谢异常[11,16-17]，郭耀光等[11]用气相色谱质谱联用技术(GC-MS)对针刺后类风湿性关节炎患者血清代谢物进行分析，发现治疗组甘氨酸的水平显著提高，甘氨酸有抗炎、抗氧化作用，可以抑制炎性因子的释放[11,18-20]，甘氨酸的增加也证明了针灸的抗炎作用。

除上述一些与炎性因子有关的氨基酸代谢异常外，还有一些氨基酸可以影响神经传导。陈勤等[7]认为谷氨酸与痛觉传导有关，他发现电针刺激少阳经腧穴可以降低偏头痛模型大鼠血浆中谷氨酸、乳酸水平，近年有研究表明[7]谷氨酸是哺乳动物体内主要的兴奋神经递质，能增强痛觉的传导。γ-氨基丁酸是一种重要的抑制性神经递质，广泛分布在哺乳动物中枢神经系统，与不同受体结合有抗氧化及镇静作用，其水平升高，或可提示机体正在产生动态的慢性疼痛，针灸可以影响γ-氨基丁酸的代谢，有镇静、缓解疼痛的效果[13,21]。络氨酸作为儿茶酚胺类神经递质的前提，水平升高可增加体内儿茶酚类递质的浓度，从而缓解疼痛[22]。

2.2 糖类代谢和脂质代谢

炎性病变过程中往往伴随着能量代谢的异常变化，糖类和脂肪作为重要的能量来源，在针灸治疗过程中，可检测到这些物质的量的变化与疾病发展相关。陈勤等[7]用核磁共振谱(1H-NMR)分析佐剂性关节炎(AA)型大鼠的代谢产物，发现乳酸、葡萄糖水平产生变化，认为此变化是因为炎性增生的病理过程需要消耗大量能量，可能是同类炎性疾病的相同点。病理状态下，炎症反应消耗大量能量，诱导葡萄糖在炎症刺激下分解的丙酮酸增加，三羧酸循环氧化不及，使多余的丙酮酸在乳酸脱氢酶作用下分解为乳酸，堆积在关节局部，加重炎症和软骨退变，引起疼痛。邵勤等[13]用1H-NMR测定50例膝骨关节炎(KOA)患者血清中的代谢物质，发现KOA患者疼痛、炎症相关代谢物乳酸、丙氨酸和丙酮酸水平显著升高。

脂质可水解为脂肪酸，乙酰辅酶A是脂肪酸的β氧化产物，除供能外还可合成酮体，邵勤在研究中发现KOA患者血清中丙酮含量高于正常组，说明脂质代谢类发生异常[13]。脂肪代谢吸收或可视为糖供能的不足，与关节炎患者炎症反应需要大量能量所吻合。花生四烯酸是一种ω-6多不饱和脂肪酸，在白细胞中的代谢产物分离可得到白三烯，也是一类强效致炎脂质因子[10]，炎性因子聚积在关节炎患者关节积液和滑膜组织中，可引发软骨组织和骨的破坏，是引起骨关节炎疼痛的重要原因之一。

2.3 三羧酸循环

现代医学研究认为RA的发病机制除与氨基酸代谢、脂肪代谢及糖代谢有关外，还与三羧酸循环密切相关[10-11,23]。

三羧酸循环是糖类、脂质和蛋白质的最终代谢通路和互相联络通路，也是机体获得能量的主要方式。针灸可以调节三羧酸循环代谢通路，吴巧凤等[24]针刺健康男青年的足三里、梁门与巨髎后，分析其血浆中糖类物质浓度升高，乳酸浓度降低，与三羧酸循环能量代谢有关。杜小正等[10]用热补针法治疗类风湿性关节炎寒证家兔，分析其血清后认为热补针法的疗效与调节三羧酸循环和糖代谢有关。

三羧酸循环的中间产物可以提示三羧酸循环的异常,三羧酸循环紊乱导致机体能量下降时，关节局部会出现低氧、缺氧状态，导致三磷酸腺苷(ATP)生成障碍，加剧关节骨质破坏[10-11]。另一方面，三羧酸循环中间产物减少，基础代谢减弱时，可见急性痛风性关节炎红肿热痛减轻[24]。三羧酸循环的中间产物之一柠檬酸可以反应机体对能量的需求[24]，郭耀光等[11]研究发现，RA患者柠檬酸盐水平升高，提示三羧酸循环发生紊乱。L-苹果酸也是三羧酸循环的产物之一，可以补充能量，缓解炎症疼痛[24-25]，其增加可以提示三羧酸循环出现问题，机体需求能量增多，一定程度上说明有炎症反应发生。在针灸治疗后机体糖类、脂质等能量代谢物质浓度的降低，结合三羧酸循环通路分析，可以作为针灸消炎作用有效的依据。

2.4 其他

有研究表明[26]刺络药物罐疗法减轻疼痛的机制可能是疗法刺激神经网络，释放内源性阿片类物质，如一氧化氮、ATP及β内啡肽等，通过产生欣快感的方式减轻疼痛，增加舒适感。

另外针灸治疗还可以抑制炎症信号通路如NF-κB、JAK-STAT与MAPK等，起到抗炎作用[23]。

3 针刺经穴与非经穴的镇痛效果差异

腧穴是全身精气汇聚之处，而且一些特定穴位的主治种类多、功能强，针灸治疗针刺经穴的治疗效果显著。既往研究表明针灸治疗疾病的动态治疗过程与刺激经穴产生的代谢物质的变化联系紧密，与刺激非经穴无明显相关性[27]。针刺不同腧穴时产生的关键物质不同，ATP仍然是某些腧穴局部组织代谢物质不同的关键因素之一，除了供能之外，可以在各种酶的作用下产生传导信号分子，传导针灸刺激腧穴的信息[28]。例如针灸刺激足阳明经穴可以增高糖类物质浓度，降低乳酸浓度，针刺阳陵泉可以调控脂质代谢[4]；杜小正等[10]针刺RA寒证家兔足三里可以提高其痛阈；唐照亮等[29]艾灸RA大鼠模型肾俞、足三里穴能抑制炎症介质和细胞因子的产生和释放，达到抗炎作用；冯雷等[30]针刺阳陵泉降低谷氨酸和控制感觉的P物质水平，起到镇痛作用。

4 总结

针灸对关节炎相关疾病的消炎镇痛作用可以通过差异代谢物质水平变化来体现：如亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、甘氨酸、谷氨酸、酪氨酸、丙氨酸、花生四烯酸、丙酮酸、乳酸、脂质和糖类等水平的高低变化都能说明炎症疼痛的发生以及针灸消炎镇痛的有效性。针灸镇痛机制可能有：抑制相关炎性因子产生和释放，刺激可以抗炎的物质产生，刺激神经网络释放内源性阿片类物质，抑制信号传导通路等。

未来对针灸治疗机理的探索，仍要建立在中医辨证理论的基础上，例如同样对RA的针刺治疗研究，虚实寒热证型不同，产生的差异生物代谢物也不尽相同[31]；急性发作的膝骨关节炎患者红肿热痛症状明显时，γ-氨基丁酸异常增多，可作膝骨关节炎疼痛潜在的代谢标志物，而肝肾亏虚型患者γ-氨基丁酸较前者降低[13]，研究表明，中医辨证在探究针灸治疗机理中的重要性。除分证型之外，疾病发展的动态过程也应当考虑进去，充分将针灸治疗的多靶点、多层次及多调节的特点与代谢组学的整体性相结合。

代谢组学目前仍处于探索阶段，鉴于临床观察和动物实验的差异性，临床试验与动物实验应该对比结合分析，总结针灸治疗过程中代谢物质的异同，丰富代谢组学研究图谱，充实病理生理代谢图谱数据库，最终达到明确生理病理过程中具有特异性的差异代谢物，这仍需要大量的实验工作进行验证总结。另外设计实验与分析结果时，应充分考虑造成差异代谢标志物的变化因素，如疾病证型、发展阶段、个体因素、环境因素、代谢组学检测技术及检测样本等。实验结果的统计学分析方法，应与生物学意义相结合，不能进行单一的数字分析[32]。

代谢组学为针灸治疗机理的研究提供了更科学、更全面系统的研究方法，随着研究的深入和生物学科技的发展，代谢组学应用于针灸治疗的研究将不断突破。