代谢组学在心力衰竭中医证型研究中的应用

沈乐 ，石瑞洁 ，孙伟新， ，俞鹏 ，陈晓虎

1.江苏省中医院，江苏 南京 210029； 2.南京中医药大学第一临床医学院，江苏 南京 210023；3.南京中医药大学附属盐城市中医院，江苏 盐城 224001

心力衰竭是由心脏结构或功能异常导致心室充盈受损或射血能力下降的一类综合征，临床表现为呼吸困难、乏力、体液潴留等。研究表明，心力衰竭的发生和发展与代谢紊乱有关，改善异常的心肌代谢是目前治疗的有效手段[1-3]。近年来，随着分子生物学的发展，B型钠尿肽（BNP）、N末端前体脑利钠肽（NT-proBNP）等生物标志物在心力衰竭的诊断与危险分层中逐渐成为不可或缺的一环，而腺嘌呤、N乙酰-L-谷氨酸、γ-谷氨酰半胱氨酸等作为差异代谢物的诊断价值得到初步验证，均为代谢组学参与心力衰竭的中西医结合诊疗提供了可能[4]。

心力衰竭可归属中医学“心悸”“喘证”“水肿”“痰饮”范畴，根据主症及兼症的不同，主要分为气虚血瘀证、气阴两虚证、阳虚水泛证等证型[5]。盖因“心为五脏六腑之大主”，心病则气血阴阳受损，心气心阳虚衰，无力鼓动心脉，血行失畅，五脏失养，甚或气血瘀滞，致使五脏功能亦趋失调，由此形成血瘀、水饮等实邪为患之象。《金匮要略·水气病脉证并治》云：“血不利则为水。”《血证论》在此基础上进一步指出“血积既久，其水乃成”，强调瘀血与水饮密切相关。肺为水之上源、通调水道，脾能运化输布水湿，肾主温化下行。若肺、脾、肾同病，则三焦气化不利，水湿不能正常运行，外溢肌肤而见面肢水肿，或内停脏腑化为水饮，或上凌心肺可致心悸、气喘与咳嗽，或聚留胸腹而成积液。多样化的症状呈现代谢差异，有助于发现新的生物标志物，加强对疾病进程中物质代谢的了解。因此，本文对近年来代谢组学在心力衰竭中医证型研究中的应用作一综述。

1 代谢组学概述

代谢组学起源于20世纪90年代，是继基因组学、脂质组学、转录组学、蛋白质组学后产生的一种新兴技术，多通过收集生物样品来量化和表征小分子代谢物，如今已广泛应用于医学[6]、化学[7]、药理学[8]、毒理学[9]、植物学[10]等领域。根据其特点不同，可分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学。非靶向代谢组学可同时鉴定数量众多的代谢物，以方便与临床亚群或其他分组进行区分，而靶向代谢组学涉及面较窄，但灵敏度有所提高，对于特定的一组化合物能实现绝对定量检测。目前较常用的技术方法主要包括核磁共振（NMR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）。无创性和非破坏性是NMR的优点，相较于NMR，质谱技术灵敏度更高、覆盖面更广，更适用于代谢物的鉴定[11]。

随着人们对心血管疾病代谢基础的认识逐渐深入，尤其在动脉粥样硬化性心脏病方面进行的大量代谢组学研究，有助于对心血管疾病代谢紊乱的理解，亦为新陈代谢的研究指明了方向。研究表明，心肌代谢的改变与心力衰竭具有相关性，基于质谱的代谢物分析比传统的生物标志物具有更好的预后价值[12]。代谢组学在心力衰竭的诊治中发挥着重要的作用。在众多组学研究中，代谢组学不仅能反映生物体的功能，还包含生物系统表型中全面的生物标记物信息，其系统性、整体性、动态性的特点与中医学整体观念和辨证论治的思想相似，是理解机体生理、病理和作用机制的关键，目前临床尚缺乏具体指标对心力衰竭各证型进行确切诊断，从而制定有针对性的个体化治疗方案。因此，亟需寻找新的特异性生物标志物，进而探求其生物学本质对于心力衰竭中医证型的早期识别和干预。

2 心力衰竭中医证型代谢组学研究

2.1 气虚血瘀证

中医学认为，气虚血瘀是心力衰竭的基本病机。心肺同居上焦，心主血、肺主气，气血相贯，心肺密切相关。心肺之气充沛，则血液周流不息，营养全身，内至五脏六腑，外达四肢百骸。心肺气虚、推动无力，则血液运行不畅、血脉瘀阻，遏制心肺之气，进而加重气虚。“气为血之帅”“血为气之母”，迁延日久，循环往复，可见心悸、咳嗽、气喘、倚息不得卧等候，久而出现面色晦黯、心悸气短、颈部青筋暴露、唇甲青紫、下肢浮肿、舌有瘀斑、脉细涩等血瘀征象。

临床研究方面，王鹏军等[13]采用LC-MS技术对缺血性心力衰竭气虚血瘀证患者血浆样本进行研究，发现其肉碱类、脂肪酸类、溶血磷脂酰胆碱类物质含量发生明显变化，提示能量代谢、磷脂代谢参与气虚血瘀证的病变过程。在慢性心力衰竭气虚血瘀证患者的尿液样本中，亦发现精氨酸、泛酸、2-氨基己二酸、天冬氨酰葡糖胺、2-十五碳烯酸等物质的浓度变化，主要涉及精氨酸代谢、能量代谢、组氨酸代谢及脂肪酸代谢等代谢通路[14]。刘阳等[15]比较心力衰竭气虚血瘀证患者与健康受试者的血清代谢组学变化，发现气虚血瘀证患者的代谢谱与健康受试者有显著差异，得出胆固醇、花生四烯酸、L-组胺、L-丙氨酸、高瓜氨酸、羟色酸、甲基琥珀酸、精氨琥珀酸、甘氨酰-L-亮氨酸等39个特异性生物标志物，包括不饱和脂肪酸类、胆固醇类和氨基酸类物质，均为组织代谢过程中的重要组成成分，当能量代谢障碍时，可引发气血运行不畅，不通则痛，从而出现气虚血瘀证的一系列临床表现。

实验研究方面，吕李飞等[16]收集气虚血瘀证与健康组大鼠的粪便进行分析，筛选出19个潜在差异代谢物，其中3-磷酸肌醇、二氢小檗碱、海藻氨酸、8-羟基腺嘌呤、羟基半乳糖等水平升高，牛磺胆酸、硒甲基硒代半胱氨酸、苯丙酮酸及月桂酸等水平显著降低，说明气虚血瘀证大鼠的糖脂代谢、能量代谢、黄酮类代谢、胆汁酸代谢及氨基酸代谢存在紊乱。以NMR技术对心力衰竭大鼠的血浆样本进行鉴定，发现了包括脂肪酸、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、异丁酸、丙氨酸、乙酰乙酸、柠檬酸盐、丝氨酸等在内的11个潜在标志物[17]。尹春园[18]建立心力衰竭气虚血瘀证大鼠模型，通过模式识别发现模型组和正常组呈明显分离趋势，说明二者的代谢物谱存在明显差异。采用LC-MS技术结合多源数据分析方法进行研究，发现脯氨酸、肌酸、亮氨酸、丙氨酸、丙酮酸、谷胱甘肽等代谢产物。选用1.746 g/kg益气活血颗粒（黄芪30 g，桃仁6 g，红花6 g，赤芍6 g，川芎6 g，当归10 g，地龙10 g）灌胃后，给药组出现向正常对照组恢复的趋势，提示益气活血治法使大鼠的内源性代谢物发生了显著回调。此外，模型组细胞内肌酸水平、谷胱甘肽含量降低，亮氨酸、丙氨酸含量上升，机体氧化功能障碍，而给药组肌酸及谷胱甘肽含量升高，亮氨酸、丙氨酸含量下调，提示益气活血颗粒可能通过调节精氨酸代谢等途径缓解氧化应激损伤，从而改善心肌能量代谢。

2.2 气阴两虚证

《素问·举痛论篇》云：“百病生于气也。”心气不足是心力衰竭发生的病理基础，并贯穿始终。“心藏血脉之气”，心气亏虚，不能固护营阴，津液随气而耗，常出现以心悸气短、神疲乏力、自汗盗汗、口干舌燥、五心烦热、舌红少苔等为特征的气阴两虚证，治宜在甘温益气基础上加用滋阴养血之品，以达益心气、养心阴、通心脉之效。

临床研究方面，郑海生等[19]基于LC-MS技术分析慢性心力衰竭肾阳虚证与气阴两虚证患者的尿液样本，得出16种含量不同的代谢产物，为进一步探索中医药防治慢性心力衰竭气阴两虚证提供了生物学支持。尹红伟[20]研究发现，养阴舒心方（黄芪15 g，黄精15 g，麦冬20 g，丹参20 g，瓜蒌皮15 g，鳖甲10 g，地龙10 g，半夏10 g，枳壳10 g）可改善射血分数，保留心力衰竭患者的生存质量及左心室舒张功能，增加6 min步行距离，运用非靶向代谢组学方法筛选出治疗前后表达量有显著差异的代谢物共308个，包括脂质和类脂分子、有机酸及衍生物、糖类多酮类化合物、生物碱及其衍生物等，分别富集于牛磺酸和亚牛磺酸代谢、精氨酸生物合成、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等通路中，提示氨基酸代谢及能量代谢可能在心力衰竭气阴两虚证的病理过程中起重要作用。其中能量代谢类似于气的推动作用，而能量代谢异常提示气血运行不畅，符合气阴两虚证的发病机制。

实验研究方面，杨梦等[21]在心力衰竭大鼠的尿液样本中检测出脂质、氨基酸、糖类等25种差异显著代谢物，与正常组相比，模型组的肌酸、肌醇、烟酸、尿苷、L-精氨酸、犬尿酸、腺嘌呤等物质含量下降，泛酸、5-L-谷酰基-牛磺酸、脯氨酰基-苏氨酸等物质含量升高。提取同组大鼠血浆样本进行GC-MS分析，发现模型组半胱氨酸、鸟氨酸、丙氨酸、4-羟基-脯氨酸、苏氨酸、甲基半胱氨酸、天冬酰胺、花生四烯酸、胆固醇、丙酮酸、焦谷氨酸浓度上升，色氨酸、亮氨酸、木糖醇、核糖醇、丙二酸、尿素浓度下降[22]。以粪便代谢产物为切入点，发现慢性心力衰竭心气阴虚证模型的内源性代谢功能被明显扰动，模型组神经氨酸、尿苷、丙氨酰色氨酸、酪氨酰缬氨酸、苯丙氨酰甘氨酸、牛磺脱氧胆酸、粪甾烷酸、白三烯E4的水平高于对照组，而谷氨酸、酪氨酸、烟酸、鞘氨醇、二十四烷酸、二十二碳六烯酸、亚油酸的水平低于对照组[23]。甘家丽[24]采集慢性心力衰竭大鼠血清，通过LC-MS分析探究心气阴两虚证的代谢情况，共鉴定出苏氨酸、哌啶酸、亮氨酸、色氨酸、皮质酮、油酰胺、肾上腺酸、亚油酸等19种代谢物，作为气阴两虚证的潜在代谢标志物，提示氨基酸代谢通路发生显著变化，这与临床研究结果相似。

2.3 阳虚水泛证

心阳虚耗是心力衰竭的发病之本，痰饮水停则是最终产物。全身水液的正常运行以心阳为动力，心阳虚衰，不能下助肾阳而致肾阳虚，可导致开阖无权、气化不利，水液输布排泄功能异常，终致水饮泛滥于内，出现喘、悸、肿诸症，与现代医学所述心力衰竭的呼吸困难、咳喘、水肿等常见症状相符。《素问·调经论篇》“夫不得卧，卧则喘者，水气之客也”，此乃水饮射肺为喘；又《伤寒明理论》“由水停心下，心言火而恶水，水既内停，心不自安，则为悸也”，即指水饮凌心为悸；《金匮要略》载“心水者，其身重而少气，不得卧，烦则躁（悸），其人阴肿”，此即水饮溢于肌肤而为肿。同时，阳虚则内寒生，内寒又易招致外寒，增加感染可能，使病情进一步恶化。

临床研究方面，陈品良[25]收集心力衰竭阳虚水泛证患者的血浆样本进行LC-MS检测，共得到291个特征性差异代谢物，其中224个为心力衰竭特征性上调代谢物、67个为心力衰竭特征性下调代谢物。运用人参、黄芪、益母草、淫羊藿、毛冬青、葶苈子组方“心阳片”，取益气温阳、活血利水之效，观察其对心力衰竭患者中医证候评分及心功能的影响，并将心阳片作用特征性差异代谢物与前述特征性代谢物取交集，得出的代谢物包括甘油磷脂类、脂肪酰类、孕烯醇酮脂类等，推测心阳片可能通过下调相关物质，调节心肌能量代谢关键酶类、相关转运体及能量产生相关因素，纠正心肌能量底物选择和利用等过程的紊乱，进而减少心脏内皮细胞凋亡，改善心血管疾病的预后。

实验研究方面，苓桂术甘汤作为温阳利水的代表方剂，治疗心力衰竭疗效确切，但目前尚缺乏整体层面的机制研究。王旭[26]采用多柔比星诱导心力衰竭小鼠模型，运用代谢组学技术鉴定出包括磷脂酸、甘油酰基醇、磷酸胆碱、花生四烯酸、苯丙氨酸等54个差异代谢物，说明脂质代谢紊乱、能量失衡、氧化应激等参与心力衰竭阳虚水泛证的病理过程。吴睿凡[27]对心力衰竭大鼠的血清和尿液样本的代谢指纹图谱进行比较，部分生物标志物在给予参附汤后表现出显著变化，提示人参-附子配伍对阳虚水泛证患者的机体平衡起到明显调节作用。在此基础上化裁而成的参附强心丸（人参、制附子、大黄、桑白皮、葶苈子、猪苓）具有益气助阳、强心利水功效。运用LC-MS 技术进行检测，发现参附强心丸治疗慢性心力衰竭调控的代谢物主要富集于嘧啶代谢、精氨酸生物合成、赖氨酸降解、天冬氨酸和谷氨酸代谢等通路中[28]。另一项采用GC-MS技术的代谢组学研究探讨脂类物质紊乱在慢性心力衰竭发生发展过程中的重要作用，为后续相关机制研究奠定了基础，亦为复方中药的研究提供了方法学借鉴[29]。

3 小结与展望

慢性心力衰竭作为各类心血管疾病的终末阶段，严重影响患者的生活质量及生命安全，中西医结合治疗该病以独特优势获得广泛关注[30]。BNP、NT-proBNP等生物标志物能在一定程度上帮助心力衰竭的诊断和预后判断，然而，由于心血管疾病往往影响各种病理生理途径，单一生物标志物尚不能被视为临床应用的最佳选择。有研究报道，能量的利用是评估心脏功能的重要依据之一，在病理状态下，心肌的能量代谢整体失衡，能量来源发生转移，造成心肌缺血缺氧，引起心肌细胞凋亡[31]。因此，关于心肌组织能量代谢的探究有望揭示心力衰竭的具体调控机制，从而进一步指导临床。代谢组学允许测量生物体液或活检中的数百种代谢物，考察体内代谢规律，并对内源性代谢物质的变化进行研究，为包括心血管疾病在内的诸多疾病的病理机制研究带来新的切入点，也为中医证型客观化研究提供了一定基础，具有良好的发展意义和广阔的应用前景[32-33]。

本文对代谢组学在心力衰竭气虚血瘀证、气阴两虚证、阳虚水泛证中的临床及实验研究进行了归纳，发现无论在血清、尿液、粪便样本中，氨基酸代谢和脂质代谢都较多地参与了慢性心力衰竭的病程，这与国外有关研究结果[34-35]相似。而在不同中医证型中检测出的代谢物及代谢通路截然不同，反映了不同的心肌代谢过程，可为心力衰竭的早期诊断提供依据，并为心力衰竭的辨证论治提供参考。由于中医辨证存在一定主观性及样本量局限性，虽然代谢组学技术能在一定程度上体现内源性代谢物的变化，但仍无法完全反映中医学“证”的概念，其本质需进行更深入的探讨[36]。今后需对相关代谢途径进行更为全面的梳理与分析，并结合其他系统生物学技术，对主要代谢途径的关键节点和蛋白靶标进行更为系统的研究工作，以确定更合适的生物标志物，从而阐明心力衰竭相关的代谢紊乱，实现中医证型的区分，有助于中医辨证客观化、定量化研究，进而改善疾病预后[37]。