代谢组学在中药毒性与安全性评价中的应用综述

代谢组学在中药毒性与安全性评价中的应用 【摘要】：目的：综述什么是代谢组学以及其在中药毒性与安全性评价中的应用。方法： 查阅相关文献，采用文献追踪的方法对代谢组学在中药毒性与安全性评价中的应用进行分 析归纳。结论：代谢组学的出现对于中药的发展是一个很好的契机，可以预见它将成为中 药安全性研究中的一个新的中药技术手段。 【关键词】代谢组学 中药 毒性与安全性评价 关木通 代谢组学1,2是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后兴起的系统生物学的一个新的分 支，它是通过考察生物体系受刺激或扰动前后(如将某个特定的基因变异或环境变化后 )代 谢产物图谱及其动态变化研究生物体系的代谢网络的一种技术，研究对象主要是相对分子 质量 1000 以下的内源性小分子。它是后基因时代出现的一门新的“-omics”组学学科。 Nicholson 研究小组于 1985 年利用核磁共振(NMR)技术分析大鼠的尿液，于 1999 年提出了 代谢组学的概念。自 1999 年提出代谢组学的概念以来，它在药物毒理研究、疾病诊断、系 统生物学研究等诸多领域里的应用日益深入。 1 代谢组学简介 1.1 代谢组学特点 代谢组学是生命学科领域中的一门新兴组学技术，它与基因组学、转录物组学、蛋白组学 等共同构成了“系统生物学”(Systems Biology) ，系统生物学强调科学研究的整体性思维 和系统论观点，其精髓是以整体论方法研究生物体系中的构件分子族之间以及机体与环境 之间的相互作用网络。基因组学只能检测静态的基因型，而基因的表达受到环境及内在状 态的影响，因此无法反映基因组动态的生理状态，无法回答基因的变化是否能够表达。而 代谢物质和代谢表型所反映的是已经发生了的生物学事件，是基因型与环境共同作用的综 合结果，是生物体系生理和生化功能状态的直接体现。因此，作为系统生物学的一个重要 组成部分，从代谢组学中分析所获得的信息更能够揭示基因与表现型之间的关系3。 1.2 代谢组学的研究方法 代谢组学的研究一般包括代谢组数据的采集、数据预处理、多变量数据分析、标记物识别 和途径分析等步骤。生物样品(如尿液、血液、组织、细胞和培养液等 )采集后进行生物反 应灭活、预处理。运用核磁共振、质谱或色谱等检测其中代谢物的种类、含量、状态及其 变化，得到代谢谱或代谢指纹，而后使用多变量数据分析方法对获得的多维复杂数据进行 降维和信息挖掘，并研究相关代谢物变化涉及的代谢途径和变化规律，以阐述生物体对相 应刺激的响应机制、发现生物标记物4。 1.3 代谢组学与中药毒性和安全性评价5 代谢组学的研究方法与中医治疗疾病的整体观念是相一致的。从这个意义来看,运用代 谢组学研究中药,对认识中药的药效作用和产生毒副作用的物质基础,乃至在治病中正确用药,都 具有重要的科学意义、社会效益和经济效益。中药多成分、多靶点和作用的多样性, 使得 对其作用机制、安全性评价以及中医治疗疾病的整体观念的理解等都有很大的困难。以往 对中药安全性的认识停留在经验和传统毒理研究的层面,缺乏对中医用药思维和模式的全面 把握。采用先进的代谢 组学技术与传统研究手段相结合的方法,对药物在体内的代谢变化的影响进行动态评价;通过 模式识别,寻找生物标志物 ,确定药物作用的时空规律 ;建立药物代谢模型, 全面评价药物对机 体的作用靶点对于建立新型药物安全评价体制具有重要影响。在代谢组学研究中 1HNMR 为其提供了很好的技术手段。药物毒性效应改变机体生物液体中代谢产物的构成，NMR 可 以同时测定一系列代谢途径所有产物的变化，NMR 谱包含了丰富的生物标志信息。可以把 生物液体 NMR 谱看成是一系列生物标志物的窗口，它包含了与特定作用靶位相关的代谢产 物信号。通过模式识别方法，它可以确定毒性作用靶器官、作用靶位及其机理；确定毒性 作用生物标志物；评价毒性效应的时间过程，如毒性的启始、发展与转归。代谢组学技术 可以无伤害性地动态检测机体生物液体中代谢产物谱的变化，动态评价药物毒性效应，其 分析技术快速简便。 2 代谢组学与关木通肾毒性研究 2.1 关木通的肾毒性6,7 中药关木通具有肾毒性的报道很多。近些年来，不断出现某些含马兜铃酸中草药引起肾脏 损害的临床报道，不少国家政府的有关机构对这类药物也采取了相应限制措施。这一问题 已成为国内外中西医药界广泛关注的“焦点” 。南京大学医学院对该药肾毒性进行了实验研 究，认为大剂量的关木通可导致急性肾功能衰竭，这些引起了人们对关木通的“恐惧” 。 2.2 利用代谢组学研究关木通肾毒性 已有的一些实验研究表明，中药关木通肾毒性 I 临床上主要表现为非少尿性急性肾衰， 贫血，肾性糖尿，低分子蛋白尿等。病理表现主要为肾小管间质 损伤或急性肾小管坏死，主要病变集中在皮髓交界区8。 樊夏雷等利用基于 GCMS 的代谢组学方法研究关木通的毒性，取得很好的效果。他 们的方法是取 4 只 SD 大鼠，灌胃的方法对大鼠给予关木通醇提水溶液，分别采集给药前 (0 d)，及给药后 2、4 d 的尿液及血浆样品供代谢组学研究。实验结束后采集组织标本进行组 织病理学检验。结果可见关木通给药后，大鼠肾脏均可见不同程度的肾小管上皮细胞变性、 坏死，间质血管充血显示肾功能受到损害。利用 GCTOFMS 及模式识别技术为核心的 代谢组学方法对尿样及血浆样品进行研究，结果表明，给药后 2，4d 大鼠尿液，血浆中代 谢组水平与给药前产生明显变化，内源性代谢产物谱随时间动态变化明显，能够明显区分 出各天的变化趋势，表征出毒性发生，发展的动态过程。由此可见，关木通能够对肾脏造 成损害，应用基于 GCMS 的代谢组学方法，初步获得关木通致肾脏损害的“代谢产物谱” ， 根据不同的代谢表型能够区分出关木通的毒性作用。大鼠尿液、血浆中的代谢产物谱与关 木通毒性作用的经时过程密切相关，能够很好区分出机体的不同中毒状态。 赵建宇等利用基于 NMR 的代谢组学技术研究关木通的毒性，也取得了很好的效果。通过灌 胃的方法对大鼠给予不同剂量的关木通水煎剂，并连续给药 68 d，观察血液生化及组织 病理学变化。获取尿样的一维 1H-NMR 谱图，通过分段积分得到谱图各段的谱峰积分值并 进行归一化，然后通过主成分分析(PCA)方法进行统计分析。结果表明，给药组大鼠血浆肌 酐和血尿素氮显著增高。肾脏组织病理学显示，给药组大鼠肾皮质减薄，出现淤血，近曲 肾小管空泡变性；肾髓质小管上皮变性、坏死；肾盂上皮增生、出血；肾纤维组织增生、 炎性渗出；肾盂扩张。经过对给药组和对照组大鼠的尿样进行核磁共振氢谱分析，发现给 药组的谱图中一些谱峰的强度(如乙酸、柠檬酸、肌酐、氧化三甲胺等 )发生显著变化。其 主成分分析(PCA)发现给药组与对照组有明显差别，在 PCA 的得分图上能够将它们区分开来。 代谢产物谱与生化及组织病理学具有良好的相关性。关木通的确对老鼠肾脏有毒性，并且 代谢组学方法可作为药物肾毒性评价的有效方法手段。 2 3 代谢组学在其它中药毒性评价中的应用 王喜军等以 UPLCQTOF 分析系统为核心手段，结合生物样品分析制备方法，研究 CC1 诱 导肝损伤大鼠的代谢组变化，以及茵陈蒿汤干预后的肝损伤大鼠代谢组的回调趋势。结果 证实原先模型所致的 Glycocholate 等 5 个生物标记物的改变在给予茵陈蒿汤后与空白组比 较，仅除个别大样品间代谢物组无明显差异，说明茵陈蒿汤对 CC1 导致大鼠肝损伤模型具 有预防作用，从药物代谢组学角度对经典方剂防治肝损伤给出全新解释。李建新等 以生物 核磁共振结合模式识别技术和主成分分析法探讨雷公藤甲素口服给药对大鼠尿液内源性代 谢产物的影响，主成分分析表明，给药组与对照组的代谢谱有明显差异，利用代谢组学方 法可以迅速、简便地分析雷公藤甲素肾脏毒性。李伶采用代谢组学方法对附子及其主要毒 性生物碱对大鼠的代谢变化的影响进行了很好的表征和描述，能够对其毒性作用进行说明 11,12。 3 结语 通过代谢组学的研究，我们可以看出，关木通的确具有肾毒性，与传统的生化检验及组 织病理学检查的结果一致。并且相比于传统方法还具有以下优势：1. 代谢组学分析具有简 单、快捷等特点；2. 代谢组学分析的灵敏性要高于其他常规检验方法；3. 代谢组学分析可 提供非常有价值的生物标志物和作用机制信息。目前，由于一些原因还没有中药毒性作用 评价的标准及客观依据，也无安全性评价的统一标准，这也在一定程度上制约了中药的发 展。我们相信，代谢组学的出现对于中药的发展是一个很好的契机，可以预见它将成为中 药安全性研究中的一个新的中药技术手段。 参考文献： 1 Nicholson，JK,Lindon ，JC.Holmes,E“Metabonomics :understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic dataJXenbiotica,1999,29(11):11811189. 2 Hood.L，Heath J R,P help SM E，et a1System biology and new technologies enable predictive and preventative medicine2004，Sci306:640643. 3易建利. 代谢组学在中医药的应用研究进展. 湖南中医杂志,2008,24(3):114-115. 4许国旺，路鑫，杨胜利. 代谢组学研究进展. 中国医学科学院学报,2008. 5吴巧凤，余曙光，唐勇. 代谢组学及其在中医药领域的应用概况 . 基础医学与临床 2009,4(4). 6 黄玉玺，姜洪华，王桦，倪熙，欧作英，张述平，聂大红. 中药关木通肾毒性及抵制其 肾毒性的实验研究. 中国中西医结合肾病杂志,2001,10(2). 7 张伯礼，马红梅. 关木通肾脏毒性研究及对策.中国药物警戒，2004,10(2). 8 Cosyns J P. Aristolochic acid and Chinese herbs nephropathy，a review of the evidence to dateDrug Safety，2003，26(1)：3348. 9 樊夏雷. 基于 GC/TOF/MS 的关木通肾毒性代谢