中医药治疗溃疡性结肠炎的代谢组学研究进展*

经双双,何宗卿,郑雪,王庆波

1.河南中医药大学,河南 郑州 450046; 2.河南中医药大学第一附属医院,河南 郑州 450000

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)是较难治愈的肠道炎症性疾病,以结直肠内壁的炎症、溃疡为特征,伴有频繁腹痛、腹泻及便血症状[1],长期炎症可能会恶变为结直肠癌。据流行病学数据显示,在过去40年里,亚洲国家和地区的UC发病率和患病率增加了1.5～20.0倍[2],其发病机制涉及环境、遗传、菌群失衡、免疫失调和肠黏膜屏障破坏等方面[3-4]。目前,UC缺乏有效的治疗方案,主要以减轻症状及缓解期维持为主。西医常用免疫抑制剂、生物制剂、激素等药物及手术疗法[5],虽可一定程度上缓解症状,但给药具有局限性,且不良反应较强,易复发[6]。中医学将UC归属于“泄泻”“肠澼”“便血”的范畴,认为本病为本虚标实之病。中医药治疗UC注重辨证、分期论治,具有多靶点调控的优势,可长期有效缓解临床症状、促进肠黏膜修复、抑制炎症,复发率低且不良反应小[7],受到了学界的普遍关注,但目前相关作用机制尚未明确,临床应用有限。

代谢组学是继蛋白质组学、转录组学等系统生物学之后的一个新兴领域,能够通过研究尿液、血液、粪便等样本中的代谢物探讨代谢过程中机体代谢产物的变化,阐明代谢物与生理病理之间的关系[8],其整体性、动态性的特点与中医药从整体上调节机体阴阳平衡从而治疗疾病的理念相契合。通过筛选、分析机体内生物体液或组织中的多种代谢产物,可充分发掘中医药的整体作用机制[9]。目前,代谢组学在UC的诊疗上发挥着举足轻重的作用,文章查阅近年来中医药治疗UC的代谢组学研究相关文献,对现有研究成果进行综述。

1 代谢组学在UC中的运用

研究认为,UC患者体内存在代谢障碍,与健康者(动物)具有显著的代谢产物及代谢途径差异,采用代谢组学技术发掘可用于诊断UC的生物标志物,而利用这些差异代谢物可阐释UC的发病机制。如耿曙光等[10]通过气相色谱-质谱平台发现,尿苷、腺嘌呤、胞嘧啶、甘氨酸、乳酸水平在UC大鼠结肠中显著升高,甘露糖、β-丙氨酸、苏氨酸、牛磺酸水平显著低于正常大鼠。上述差异代谢物与UC进展中产生的氨基酸代谢、自主神经系统、能量代谢紊乱及炎症损伤有关,或可作为早期临床UC的诊断指标。Diab等[11]探究UC患者和健康志愿者黏膜代谢组学特征,共发现了50条代谢途径及177种代谢物。其中,研究组最显著的差异代谢变化是溶血磷脂酰胆碱、酰基肉碱和氨基酸,可诱发肠道内环境紊乱。国外一项研究通过代谢组学技术筛选UC患者血浆和结肠中的代谢物,发现能量代谢发生变化,尤其是乳酸和鸟氨酸发生了改变[12]。Scoville等[13]研究UC组和对照组的血清代谢组学特征,发现了5种显著改变的代谢物,表明UC患者的氨基酸、脂质代谢与正常人存在差异性。此外,一项队列研究显示,通过对UC患者的血清和尿液代谢组学分析,发现临床活动期UC患者的3-羟基丁酸、乙酰乙酸、丙酮高于缓解期患者,表明UC状态下能量代谢出现异常反应[14]。另有研究对葡聚糖硫酸钠诱导的UC小鼠模型肝脏进行了代谢组学研究,发现参与一碳代谢、肉碱相关代谢和核苷酸合成的肝脏代谢物受到肠道炎症的影响[15]。

综上,多项研究发现,UC的发生发展涉及脂质、氨基酸、能量等代谢紊乱,表明代谢组学技术可通过机体代谢物为UC的临床确诊提供参考,同时也可为深层次探究其发病机制提供客观依据。

2 代谢组学与UC的中医证候研究

代谢组学的研究特点与中医的整体观、辨证观高度统一。在证候发生的过程中,生物体内代谢物的种类、浓度等也发生了变化,因此小分子代谢物的变化可通过证候变化表现出来,而这些代谢成分可以分泌到生物体液中,通过检测不同证候的代谢物,进一步探索证候的本质。运用代谢组学技术确定“中医证候相关代谢谱”,已成为探索中医证候生物学基础的有效途径[16]。

目前,将代谢组学运用于UC辨证治疗方面的研究较少,现有研究多集中于脾胃气虚证、大肠湿热证等。有学者基于氢核磁共振(1H-NMR)的代谢组学检测技术观察脾胃气虚型、湿热型UC患者及健康人的血浆代谢物,发现10种小分子代谢物,健康人乙酰乙酸和丙酮低于UC患者,乳酸、肌肽、丙氨酸和异亮氨酸高于UC患者。与脾胃气虚证患者比较,湿热证患者葡萄糖、苏氨酸和肌肽较高,缬氨酸、丙氨酸和甘氨酸较低,推测这两种证候可能存在显著的糖、氨基酸、脂代谢紊乱[17]。另有学者应用液相色谱质谱联用方法探索UC不同证候间代谢物的差异,结果发现,脾气虚证患者脂质代谢紊乱,相较于湿热证患者,脾气虚证患者血清中2-亚油酰甘油丰度上升,1-油酰基甘油磷酸胆碱、O-花生四烯酰缩水甘油等代谢物丰度下降。ROC曲线提示,O-花生四烯酰缩水甘油、棕榈酰胺、2-亚油酰甘油可能是UC脾气虚证的诊断指标[18],为UC的中医证候辨别提供了一定的科学依据。

采用代谢组学技术发掘不同UC中医证候的特定性代谢物,研究其中医证候本质,可为中医精准化、科学化辨证论治提供依据。目前,代谢组学在UC中医证候方面的研究较少,今后应进一步拓展展UC证候研究的范畴,如肝郁脾虚、脾肾阳虚等,以期为临床证候分析提供更为客观的依据。

3 代谢组学在中药治疗UC中的应用

3.1 代谢组学在中药复方治疗UC中的应用

3.1.1 槐花散槐花散源于《普济本事方》,由槐花、侧柏叶、荆芥穗、枳壳组成,具有疏风行气、清肠止血的功效。现代药理学研究证实了槐花散具有抗炎、抗氧化作用,可有效治疗UC[19]。研究报道,槐花散可降低UC小鼠肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)的水平,同时可上调甘氨酸、L-苏氨酸、胆碱、溶血磷脂酰胆碱(14：0)、溶血磷脂酰乙醇胺(0：0/18：0)等代谢物水平,下调山嵛酸酰胺、十四碳二元酸、溶血磷脂酰胆碱(16：0)代谢物水平[20],因此槐花散可能是通过降低炎症因子调控上述代谢物的变化,从而达到改善UC小鼠肠道炎症的目的。

3.1.2 参苓白术散参苓白术散出自《太平惠民和剂局方》,由莲子肉、薏苡仁、缩砂仁等多种药物组成,可益气健脾、渗湿止泻,研究发现其具有抗炎、抗氧化、改善胃肠功、调节免疫等作用[21]。徐霞等[22]用超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱仪法(UPLC-Q-TOF/MS)检测发现参苓白术散可上调脾虚湿困型UC大鼠的12-羟基-8,10-十八碳二烯酸、2-decaprenyl-6-methoxy-3-methyl-1,4-benzoquinone、胆酸3个代谢标志物,下调磷酸核糖焦磷酸盐、γ-谷氨酰亮氨酸、16β-羟基雌酮等12个代谢标志物,推测其治疗作用可能与抑制核转录因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号通路的表达、激活法尼醇X受体(Farnesoid X Receptor,FXR)、增强细胞色素P450的水平,进而降低促炎因子,改善肠道炎症相关。王婧婧等[23]用液相色谱-四级杆-飞行时间质谱法(LC-QTOF-MS)对脾肾阳虚型UC大鼠的结肠组织进行代谢组学分析。经参苓白术散和肾气丸治疗,发现能显著改善结肠炎症病变,同时发现“朝夕互补”方能降低3-羟基邻氨基苯甲酸、N6-乙酰-L-赖氨酸、N-α-乙酰赖氨酸、鸟苷、肌苷酸、磷酸鸟苷等的含量,上调甘油酸、泛酸和β-胍基丙酸等的含量,提示通过调节氨基酸代谢、氧化应激反应及能量代谢可发挥治疗作用。

3.1.3 白头翁汤白头翁汤源于《伤寒论》,由白头翁、黄连、黄柏、秦皮4味药物组成,具有清热解毒、凉血止痢的功效,广泛运用于急性期大肠湿热型UC的治疗。刘史佳等[24]采用UPLC-Q-TOF/MS技术,在葡聚糖硫酸钠(dextran sulphate sodium,DSS)诱导的UC小鼠血清中共鉴定出6种生物标志物,结果提示白头翁汤可以上调L-苯基丙氨酸、L-酪氨酸、亚精胺、γ-谷氨酰半胱氨酸、肌苷、尿苷6种代谢物水平,以上代谢物与嘌呤代谢、氨基酸代谢以及谷胱甘肽代谢相关。

3.1.4 黄连解毒汤黄连解毒汤方出《肘后备急方》,由黄芩、黄连、黄柏、栀子组成,具泻火解毒的作用,可用于治疗急性肠炎。药理研究也发现,黄连解毒汤中的生物碱、黄酮类等成分具有抗菌、抗炎、抗氧化、保护胃肠黏膜等作用[25]。Yuan等[26]发现,黄连解毒汤及其有效成分可上调UC小鼠的磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、溶血磷脂酸等代谢物,下调花生四烯酸、前列腺素E2等代谢物,表明黄连解毒汤可通过调节花生四烯酸与甘油磷脂代谢发挥抗炎作用,治疗UC。

3.1.5 连栀矾溶液连栀矾溶液是成都市肛肠医院的一种院内制剂,由黄连、栀子、白矾等药物配伍制备,具有抗炎、清热凉血作用,广泛用于治疗肛瘘、UC等肛门直肠疾病。Bai等[27]从代谢角度揭示了连栀矾溶液抗UC的机制,发现连栀矾溶液可显著改善结肠炎相关指标;而代谢组学结果表明,经连栀矾溶液干预后,泛酸和L-缬氨酸水平恢复正常,烟酰胺水平下降,而LysoPC(15：0),LysoPC(16：1)和LysoPE(18：0)水平上调。可见,连栀矾溶液可通过调节能量代谢、抗炎反应和氨基酸代谢治疗UC。

3.1.6 芍药汤芍药汤出自《素问病机气宜保命集》,由芍药、当归、黄连、槟榔等组成,有清热燥湿、调气调血之效,是治疗大肠湿热证的经典方。刘星赐等[28]研究芍药汤对UC大鼠的粪便代谢谱变化,发现治疗后UC大鼠二十二碳六烯酸、胆绿素、金雀异黄素、氨基葡萄糖等水平上升,皮质酮、亚油酸等水平下降,提示芍药汤对UC的抗炎作用可能与调节脂质代谢、调节辅因子和维生素代谢、碳水化合物代谢有关。见表1。

表1 代谢组学在中药复方抗UC领域的应用

3.2 代谢组学在中药及其提取物治疗UC中的应用

3.2.1 肉桂醛肉桂醛是传统中药肉桂的主要活性成分,具有抗炎、抗肿瘤等作用[29]。陈旭刚等[30]采用LC-MS技术发现以肉桂醛干预DSS诱导的UC小鼠后,色氨酸、溶血磷脂酰胆碱(20：0)等代谢物水平上升,犬尿氨酸、牛磺酸、肌苷、次黄嘌呤等代谢物水平下降,说明肉桂醛能够减轻肠黏膜受损、抑制炎性细胞从而发挥抗炎作用可能与调节氨基酸、脂质和能量代谢有关。

3.2.2 雷公藤甲素雷公藤甲素是从雷公藤中分离出的二萜类环氧化物,具有抗炎及免疫抑制作用,可治疗自身免疫性及炎症性疾病。马光朝等[31]发现,雷公藤甲素干预UC小鼠后,血清中白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor,TNF)明显下降;同时,雷公藤甲素可回调胆酸、牛黄胆酸、鹅去氧胆酸、顺乌头酸等15个代谢物,说明雷公藤甲素可能通过调节以上代谢物紊乱改善UC小鼠的肠黏膜炎症。

3.2.3 火麻仁油火麻仁油是火麻仁的油脂提取物,含有大量不饱和脂肪酸,具有抗氧化、抗炎等作用[32]。一项研究基于血清、尿液代谢组学技术探讨火麻仁油对DSS诱导的UC大鼠的作用,发现火麻仁可显著降低组氨酸、谷氨酰胺、丙酮酸、乳酸、胆碱及马尿酸等水平,升高烟酸、乙酸、甜菜碱、尿苷等水平,以上代谢物与氨基酸、能量、肠道菌群、一碳代谢和嘧啶代谢相关,说明火麻仁油可通过逆转这些代谢紊乱从而抑制肠道炎症、促进肠黏膜修复,达到抗UC的目的[33]。

3.2.4 鸡骨香鸡骨香的干燥根为药用部位,具有行气止痛、祛风利湿、舒筋通络的功效。现代药理研究表明,鸡骨香具抗炎、镇痛及抗肿瘤等作用[34]。Jiang等[35]运用UPLC-QTOF-MS技术对UC小鼠的血清和结肠进行代谢物分析,发现鸡骨香可降低神经酰胺和鞘磷脂、PC30：0、尿酸等水平,升高PC38：1、吲哚丙烯酸等代谢物水平,表明鸡骨香改善了代谢紊乱状态。

3.2.5 金合欢丁醇提取物金合欢属(豆科)的植物富含酚类化合物、类黄酮和单宁,研究发现金合欢植物在炎症和疼痛病中发挥作用。一项研究探讨了金合欢丁醇提取物及其纳米制剂对乙酸诱导的UC大鼠模型的治疗作用,血清代谢谱分析显示,UC大鼠油酰胺和花生四烯酸减少,乳酸、果糖和焦谷氨酸水平增加,而经金合欢丁醇提取物干预后,可显著恢复这些代谢物水平,这些结果与生化指标等结果相吻合,如金合欢丁醇提取物可显著降低环氧化酶-2、IL-1β等水平[36]。

3.2.6 白花败酱草白花败酱草最早记载于《神农本草经》,其主要有效成分为黄酮类、酚酸类、皂苷类化合物,具有清热解毒、消痈排脓、活血化瘀之效。目前已用于UC的治疗中,并取得较好的治疗效果。如Wang等[37]采用UPLC-MS技术研究白花败酱草治疗2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)/乙醇诱导的UC大鼠的作用机制,发现白花败酱草组中NF-κB、NLRP3、半胱天冬酶-1的含量明显下降;并调节了血清中的N-苯乙酰甘氨酸、胆碱、乙酰肉碱、尿酸等37个代谢物及肝脏组织中、L-犬尿氨酸、甘氨酸、肌酸、牛磺酸、肌苷等26个代谢物,涉及能量、氨基酸、嘌呤、胆汁酸和脂质代谢途径,主要通过影响胆汁酸水平、激活VDR及抑制NF-κB信号通路的过度激活发挥抗炎作用。

3.2.7 连翘提取物连翘作为一味清热解毒中药,其提取物有抗炎、抗氧化、抗菌等作用。Chao等[38]发现连翘提取物可升高L-赖氨酸和L-色氨酸的水平,降低谷胱甘肽、L-天冬氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸和L-蛋氨酸水平,且经连翘提取物干预后,ASC、半胱天冬酶-1、IL-1β、GSDMD和NLRP3基因的表达显著降低。可见,连翘提取物通过 Nrf2-NLRP3通路显著缓解了DSS诱导的UC损伤,缓解了代谢功能障碍。

3.2.8 人参三醇皂苷人参皂苷是人参的主要活性成分,有抗炎、抗肿瘤的作用,并能诱导免疫稳态[39]。目前,人参三醇皂苷治疗UC作用机制的报道较少。研究发现,人参三醇皂苷可以调节促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1,逆转DSS诱导的UC小鼠的PC(16：0/16：0)、乳糖神经酰胺(d18：1/12：0)、核黄素代谢物等29种代谢物,其主要是通过影响核黄素代谢、花生四烯酸代谢、甘油磷脂代谢、视黄醇代谢和类固醇激素生物合成等代谢途径缓解小鼠UC炎症[40]。

3.2.9 三颗针三颗针源于小檗科小檗同属多种植物的干燥根,具有清热燥湿、泻火解毒的作用,土家医常用其治疗腹泻、痢疾等疾病,疗效显著[41]。胡雪黎等[42]发现以三颗针干预DSS诱导的UC小鼠,可升高抗炎因子IL-10含量。代谢组学研究发现,经三颗针治疗后,LPC(14：0/0：0)、LPC(18：2/0：0)、LPC(22：4/0：0)、LPC(15：0/0：0)、胆汁酸、类花生酸、犬尿氨酸等明显下降,提示三颗针可能通过调节代谢紊乱改善炎症、修复肠黏膜从而达到治疗UC的目的。见表2。

表2 代谢组学在中药提取物抗UC领域的应用

3.3 代谢组学在其他药物治疗UC领域的应用

3.3.1 复方缓溃乐混悬剂复方缓溃乐混悬剂由没食子、黄连、石榴花等多种药材组成,对UC有显著的治疗作用[43]。现代医学研究复方缓溃乐混悬剂治疗TNBS诱导的UC大鼠的血清代谢谱变化,结果发现,复方缓溃乐混悬剂可降低乳酸、VLDL等代谢物水平,升高葡萄糖、丙酮酸、肉碱等代谢物水平,提示其可能通过调控代谢紊乱、改善机体抗氧化能力和能量供应,减轻UC的炎症[44]。

3.3.2 色胺酮色胺酮是中药青黛中的活性成分,具有抗炎、抗癌等作用。据报道,以色胺酮对DSS诱导的UC小鼠干预后,促炎因子表达下降,抑炎因子表达升高;血清代谢谱检测发现,以色胺酮干预后,糊精酸、S-甲基半胱氨酸、1,2-环氧-3-(对硝基苯氧基)丙烷等含量上升,前列腺素、环氧二十碳三烯酸、羟基二十碳四烯酸、腺嘌呤等含量下降,说明色胺酮可调节UC小鼠体内的花生四烯酸、色氨酸及嘌呤代谢,减轻UC小鼠的炎症[45]。见表3。

表3 代谢组学在其他药物抗UC领域的应用

4 讨论

综上,中医药抗UC的代谢组学研究发现,多种中药复方及中药提取物有抗UC的疗效,其作用机制可能与调节UC体内患者的差异性代谢物相关,通过分析中药治疗前后代谢物的差异,发现主要是通过调节氨基酸代谢、脂质代谢、能量代谢、谷胱甘肽代谢、嘌呤代谢等代谢途径,进而发挥抗UC的作用。这些研究结果不仅从代谢物层面验证了中药治疗UC的多成分、多靶点、多途径协同作用特点,也与中医的整体观和辨证理念相统一,完善了中药抗UC的代谢机制。

目前中药治疗UC的代谢组学研究越来越多,仍存在以下问题:(1)主要集中在动物实验,相关的特异性生物标志物与临床结合欠缺,中药具体的临床疗效未知,未来可以逐步增加临床试验规模,同时将经实验验证确有疗效的中药尽快运用于临床;(2)UC中医证候与代谢组学的相关研究较少,需要加强对证候本质的探索,增加样本量,探索中药对UC患者(动物)中医证候的作用,并对中药干预UC进行疗效评价,为临床中医辨治UC提供更多依据;(3)研究主要集中在血清、血浆、尿液、结肠组织和粪便代谢分析,缺乏UC与肝脏代谢变化之间相关性的全面研究,后续可从肝脏的代谢物入手,并进一步研究UC特异性代谢物在肝脏中的作用,以及可能用于结肠炎相关肝病的预防方法;(4)缺少针灸、针药联合治疗UC 的代谢组学研究,未来需要通过代谢组学方法大力探索针刺、艾灸、穴位贴敷等传统疗法的抗UC的作用机制,推进中医药抗UC的研究进展;(5)UC病机复杂,仅从代谢角度研究中药抗UC的作用机制还不够充分,今后可联合多组学、多种技术,如结合网络药理学及分子对接等,对中药成分进行代谢途径、作用靶点等全面分析,也可以从肠道菌群、蛋白组学、转录组学等多层面展开,更加全面、深入地探索UC的发病机制,以期为临床精准用药提供参考。