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药学进展 代谢组学研究与应用新进展 李文仕 ( 广西百色食品药品检验所， 广西 百色 533000) 摘要:代谢组学是近年来快速发展的 “组学” ， 是后基因时代的一门新兴的独立学科， 是评价细胞和体液的内源性和外源代谢物浓度 与功能关系的学科。代谢组学在药物药效、 药物作用机制、 中药现代化、 药物安全性评价、 疾病诊断研究等方面的应用正成为研究的 前沿领域课题。着重从代谢组学在中药研究、 药物作用、 疾病研究、 中医证候研究中的应用等相关问题进行阐述， 为代谢组学在中药 研究、 疾病诊断、 中医证候研究等方面的应用提供新的研究方法和思路。 关键词: 代谢组学; 中药研究; 疾病诊断; 中医证候研究 中图分类号: 96文献标志码: A 文章编号:1673 4610( 2013) 06 0394 04 作者简介: 李文仕， 副主任药师， Tel E- mail: bslws751104163 com 代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后发展起 来的一种研究生物系统的组学方法， 通过分析生物体液 及组织中所有小分子物质以研究有机体内物质代谢规 律与健康状况 1 。就其在中药研究、 药物作用、 疾病研 究、 中医证候研究中的应用等相关问题进行阐述。 1代谢组学的定义与特点 代谢组学是定量测量生物体基因修饰和受病理生 理刺激所产生的与时间相关的多元代谢产物，通过分 析生物体处于不同发育阶段或不同生长环境中的化合 物，跟踪其代谢路径，以描绘出基因、 蛋白和代谢产物 之间各种复杂的相互作用全图，系统地对生物体功能 进行阐述 2 。以基因、 mNA( 信使核糖核酸) 、 蛋白质、 代谢产物为研究对象的基因组学、 转录组学、 蛋白质组 学、 代谢组学是一个有机整体，都是分子系统生物学研 究的重要组成部分，系统生物学是后基因组研究最具 挑战性的领域之一3 。 代谢组学特点 4 : 基因和蛋白表达的微小变化 会在代谢物水平得到放大; 代谢组学的研究不需进行 全基因组测序或建立大量表达序列标签的数据库; 代 谢物的种类远少于基因和蛋白质的数目; 研究采用的 技术更通用。 2代谢组学在中药与药物作用研究中的应用 21在中药研究中的应用 代谢组学研究的对象、 方法与中药作用的整体观念 一致，适用于解决中药难以认识的整体效应和药效物 质基础问题。其分析思路与基因组学相似。代谢组学 通常采用绘图 Profiling 技术，现代分析测定方法如磁 共振( NM) 、 高效液相色谱法(HPLC) 、 质谱法( MS) 、 液相色谱 质谱联用( LC- MS) 、 气相色谱- 质谱联用 ( GC- MS) 等， 应用计算机技术和统计方法，完成指纹图 谱 ( fingerprint) 绘制， 以高通量的实验和大规模的计算 为特征 5 。采用 HPLC 强大分离能力， 再与 MS、 NM 联用可得到代谢组分的结构信息。应用这一具有反映 整体思想的代谢组学研究中药，对中药的物质基础、 作 用机制、 作用靶标、 安全性、 组方依据和配伍规律，及中 药种植资源研究等， 以现代科学方法和标准认识中药， 对于确保中药的合理、 安全、 有效均有理论意义和实用 价值。 22在药物作用研究中的应用 中药物质基础包括无机元素、 小分子化合物及生物 大分子物质等， 由于中药成分、 制备过程及体内过程的 复杂性、 微量成分的药理活性难以发现等原因，导致许 多中药其活性成分并未完全阐明。故对中药活性成分 的基础研究，不仅是控制药物质量研究的必做工作， 也是中药现代化研究关键之一6 。用以发现中药药效 物质基础，阐明药物作用的方法主要有:拆方研究 法，即对复方药物进行筛选，逐步减去复方中一味或 几味中药，将其拆成单味药或药物组来观察疗效变化， 逐渐缩小研究范围，最终确定发挥药效作用的单味药， 从中寻找有效成分 7 ; 血清药理学和中药血清药物 化学 8 ， 2 种方法都是建立在“只有入血成分才可能是 药效成分” 的假说基础之上，通过分析给药后血清中成 493 Pharmacy Today2013 06 Vol 23 No 06 分，确定复方在体内的直接作用物质。 “分子中药组 学” 9 ，该理论认为中药复方是通过化学成分组合影响 到信号分子组合，使其恢复平衡，从而达到治疗的目 的。谱效关系分析，即运用主成分分析，多元非线 性回归分析等方法对数据进行分析，在化学物质( 以色 谱峰表征)和药效( 以药理指标表征)的关系图中找出 和药效正相关的色谱峰，归属其代表的化学成分，最 终确定中药或复方的药效物质基础。虽方法众多，但 都存在一定的局限性，仅就现状而言，急需寻求一种 能够符合多成分、 多靶点、 整体调节的中医药基本思想， 又能以现代技术进行有效的科学表征的新的研究方法。 目前，对于中药药效物质基础的研究基本上都是 沿用化学药的研究方法，但此法并没有突出中药的优 势，需要建立适用于中药多组分、 多靶点整体综合效应 的药效评价体系和研究方法学10 ，而这正与代谢组学 非破坏性、 整体性、 动态性、 非靶向等特点不谋而合。 用代谢组学方法研究所揭示的生物化学变化很容 易与传统手段的测定结果联系，更容易评价药效作用 和发现药物作用的生物化学物质基础和作用机制。如 利用代谢组学研究磷酸二酯酶 IV 抑制药形成的血管损 伤与炎症反应的关系，发现该化合物引起的尿代谢物 组图谱改变是血管损伤造成的，与炎症反应无关 11 。 又如在研究罗格列酮对脂质代谢物组影响的实验中， 发现其作用机制是抑制动物肝脏 血液的脂交换 12 。 23在中药现代研究中的特点和优势 13， 14 代谢组学研究方法和思路基于细胞或生物样品的 所有代谢物的综合表现的全局观点。它通过对体内内 源性代谢物组进行时间相关性的定量测定，对同一生 物体在疾病发生、 发展过程和药物干预前后的整体生理 代谢特性的动力学控制，以此作为评价中药疗效与作 用机制、 毒性与安全性、 体内代谢研究的依据。应用代 谢组学技术对药材的整体代谢物组进行考查，研究中 药种植资源，将为中药资源的可持续发展和利用提供 科学根据和保障。应用这一具有反映整体思想的代谢 组学研究中药，对于确保中药的合理、 安全、 有效用药 均有理论意义和实用价值。 3代谢组学在临床疾病研究中的应用 31在糖尿病研究中的应用 糖尿病是以慢性高血糖为特征的代谢性疾病， 长期 高血糖可引起眼、 肾、 肝脏、 神经、 心脏等多器官的损害。 代谢组学能发现机体由病理变化导致的代谢产物变化， 帮助理解病变过程和辅助临床诊断。Serkova 等 15 曾 用 1H 和 31P NM 的方法对肥胖、 健康大鼠肝脏与血 浆生物标记物进行检测。31P NM 谱显示， ATP: ADP 比值在肥胖大鼠肝脏中显著下降， 1H 的数据显示甲硫 氨酸显著上升而甜菜碱的含量显著下降， 这些结果表明 肝脏中一碳单位的代谢发生了改变， 可能是导致肥胖的 一个原因。 31 1用于诊断糖尿病及相关疾病糖尿病患者中代 谢物的微小变化伴随着心、 脑血管并发症的发生。 Mikinen 等 16 利用 1H NM 对 613 例 1 型糖尿病患者 和有并发症的患者进行代谢组学的检测。结果显示， 在 糖尿病肾病、 胰岛素抵抗和代谢综合征之间具有非常复 杂的联系。磷脂是细胞膜的重要组成部分， 在代谢通 路、 信号传导中发挥重要作用。Wang 等 17 采用 LC- MS 建立了糖尿病患者的血浆磷脂代谢指纹图谱， 结合多 变量分析成功实现了糖尿病患者和对照组的分类。 糖尿病肾病是 1 型糖尿病中最严重的并发症， 传统方 法不能准确预测， Makinen 等18运用 NM 方法， 以血 清为研究对象， 对 182 例 l 型糖尿病患者和 2l 例健康 人对照进行分析， 结果预测糖尿病肾病的准确性为 87 1% 和特异性为 87 7% ， 阳性和阴性预测率分别为 89 0%和 83 6%。 31 2用于糖尿病药物评价代谢组学不仅研究药物 本身的代谢变化， 还研究药物引起的内源性代谢物的变 化， 通过两者结合反映体内生物化学过程和代谢状态的 变化， 明确药物的药效及作用于靶点的本质。van Doom 等 19 评价了四氢噻唑对 2 型糖尿病患者和健康志愿者 的药理学效应， 发现传统生化标志物不足以反映药物的 作用， 通过代谢组学的方法发现， 尿中马尿酸盐和芳香 族氨基酸含量减少， 血浆丙氨酸和谷氨酰胺含量升高。 2 型糖尿病的治疗药物噻唑烷二酮类药物， 在服用后 期， 由于骨吸收加快及骨形成减缓， 可引起骨质疏松症， 使患者骨折的风险增加20 。运用药物代谢物组学的手 段， 分析该药物作用前后骨代谢相关的代谢物变化， 可 以对药物的使用作出正确评价。 32在类风湿关节炎研究中的应用 类风湿关节炎( A) 是常见全身性自身免疫性疾 病， 尽管 A 的病因尚未完全阐明， 但 A 发病过程会 影响到机体代谢途径和代谢物的产生， 代谢组学研究能 补充 A 在系统生物学中的研究， 为临床诊断和治疗提 供理论依据。 32 1在 A 患者代谢物中的研究Naughton 等21， 22 分别选取健康受试者和伴有膝关节炎的 A 患者作对 比， 通过 1H- NM 检测关节炎腔滑液与静脉血中的代 593 2013 年 06 月第 23 卷第 06 期今日药学 谢物， 结果发现: 一方面健康受试者关节滑液中乳酸浓 度较血清中的高约 2 倍， 这提示正常关节腔中也存在低 氧代谢， 这可能是一种生理现象。然而 A 滑液中乳酸 浓度比血清中偏高很多， 这说明 A 炎症性关节中特有 的缺氧和酸中毒状况; 另一方面健康受试者关节滑液中 和血清中与脂肪代谢相关的代谢物( 甘油三酯、 酮体 等) 几乎难以检测到， 但在 A 滑液和血清中浓度却明 显升高且容易检测到。这提示 A 炎症性关节中存在 明显的低氧代谢水平， 同时关节内环境利用脂肪代谢来 获得能量的方式也代偿增加。 3 2 2探索 A 治疗药物的有效和安全性药物安全 性的评价有时难以用单一器官或组织的反应来衡量， 但 尿液等终端代谢物反映的是机体各种细胞、 组织和器官 功能变化的总和， 根据代谢组的变化评价药物的毒性反 应既简便快速又灵敏准确。从代谢角度解释药物毒性 作用的机制， 开辟了药理研究的新思路。 UM 等 23 为研究非甾体消炎药的不良反应， 利用 4 组 SD 大鼠， 分别给予选择性的塞来昔布、 非选择性的 吲哚美辛和布洛芬及生理盐水， 药物组均 20 倍正常剂 量给药。胃组织切片提示塞来昔布没有产生胃肠道损 害， 而吲哚美辛产生了严重的胃肠道损害， 布洛芬胃肠 道损害较轻。尿酸的 1H- NM 检测整体代谢产物提示 塞来昔布组和生理盐水组相似， 但吲哚美辛和布洛芬组 与前二者之间存在较大差异， 二甲胺、 马尿酸、 柠檬酸等 代谢物可用来区分是否存在胃肠道损害。进一步分析， 结果发现马尿酸、 柠檬酸等在不具有胃肠道损害的塞来 昔布和生理盐水组中均下降; 而二甲胺在塞来昔布和生 理盐水组没有明显差异， 但在吲哚美辛和布洛芬组中明 显升高。 33在肿瘤中的应用 恶性肿瘤是一种多因素参与造成机体各系统功能平 衡紊乱的复杂疾病，其代谢作用与正常组织明显不同。 Issaq 等 24 用 HPLC- MS 技术鉴别48 例健康人和41 例膀 胱癌的尿液， 并利用相关统计分析方法， 结果能完全准 确鉴别， 达到对膀胱癌进行早期无创检测的目的。 34在冠心病中的应用 冠心病的早期诊断仍是医学界面临的重要课题。 随着冠心病发病机制及代谢组学研究的不断深入， 证明 代谢组学可用于研究冠心病的发病机制、 诊断和治疗效 果。Mayr 等 25 应用蛋白质组学和代谢组学技术研究 小鼠动脉平滑肌， 通过 2 种技术手段将细胞蛋白质变化 和其功能改变联系起来， 多角度揭示动脉粥样硬化的形 成机制。Barba 等 26 基于1H- NM 分析31 例可疑的劳 力性心绞痛和既往无心肌梗死病史患者的血液标本， 结 果发现， 通过血清代谢产物分析可预测冠心病可疑的患 者发生运动可诱发心肌缺血。 4代谢组学在中医证候研究中的应用 代谢组学改变西医学一直来以还原论为主的思维 方式， 采用的是 “自上而下” 式的研究方法， 是对代谢的 终端产物进行多元化综合分析， 从整体上展示生物体 内在的变化状态， 避免了以往采用单一指标或少数几 个指标研究某种病理和生理变化27。它倾向于受内 外因素干扰后生物学事件的最终结果， 更能准确反映 机体的状态。而中医学在诊疗过程中以整体观念为 指导思想， 强调辨证论治。“证” 是中医认识与治疗疾 病的起点， 是机体在疾病发展过程中某一阶段的病理 概括， “证” 比症状更全面更准确地揭示疾病的本 质28。可见， 代谢组学与中医学的整体观念和辨证论 治思维模式上存在天然相似， 二者均表现的是致病因 素与机体反应共同结果。 近年来在中医证候内涵研究方面多从生化、 生理、 超微结构等方面进行探讨， 但还是无法用单一指标或指 标的简单叠加来解释中医证候 29 。很难标准量化， 在 较大程度上影响了所制定的“证候标准” 的可靠性和准 确性 30 。LU Yi- hong 等31 开展了中医临床高血压辨 证分型的代谢组学研究， 通过 GC- MS、 GC- TOF/MS 代谢 组分析及主成分分析、 马氏距离法等模式识别方法， 痰 湿壅盛、 肝阳上亢及阴虚阳亢 3 种证型可被较好地区 分， 并能初步揭示相应证型的科学本质， 证明了代谢组 学研究手段在中医证候本质研究中的可行性。 5结语 代谢组学技术因其独特的优点而拥有极为广泛的 研究前景及应用价值。但其发展尚不完善， 如分析手段 有限、 操作专业性较强、 存在假阳性结果等， 真正找到的 生物标志物不多， 实践上的应用还要走很长的路。总体 上随着代谢组学发展的不断深入， 它必将为药物作用机 制研究、 中药现代化研究、 疾病的诊断、 中医证候研究等 诸多方面提供新的方法和依据， 推动中医药事业现代化 进程， 揭示疾病、 中医证候的本质， 最终广泛应用于临 床， 服务于患者。 693 Pharmacy Today2013 06 Vol 23 No 06 参考文献 1王刚，曾南，杜士明 代谢组学在中药现代化研究中的 应用进展 J 中国医院药学杂志， 2010， 30 ( 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