浅析代谢组学技术在中药研究中的应用

浅析代谢组学技术在中药研究中的应用

摘要：人类对复杂生命体的认识循着从器官/组织、细胞到基因的方式，现在又回到了以整体性研究为特点的系统生物学(system Biology)的时代，其鲜明的特征是各种“组学”(-omics)研究的繁荣。代谢组学(metabonomics)是继基因组学(genomics)、转录组学(transcriptomics)和蛋白质组学(proteomics)后新兴的一种组学方法，是系统生物学的重要组成部分，由Nicholson于1999年首次提出。代谢组学研究的核心思想在于利用现代分析技术定量测定生物体液(如尿液、血浆、组织提取液等)中的内源性代谢产物，考察生物体在不同状态下(生理病理状态、给药前后等)其代谢产物的变化，通过代谢物图的整体分析直接认识生理病理及生化状态，结合化学信息学分析方法确定内源性小分子代谢物成分的变化模式，获得相应的生物标记物群(biomarkers)，表征或揭示生物体在特定时间、环境下整体的功能状态[1,2]。其后又出现了针对植物的代谢组学研究(metabolomics)。如今代谢组学已在药物毒性及安全性评价、疑难疾病诊断、新药研发及药物作用机制研究等生命科学的多个领域展示了广阔的应用前景[4,5]。

关键词：代谢组学技术;中药研究;应用

完整的代谢组学分析流程应包括样品的采集、预处理、仪器分析与鉴定、数据分析及生物标记物意义解读，最终认识机体生化反应机理和生命现象。主要研究手段包括核磁共振谱(NMR)、气相色谱-质谱和液相色谱-质谱等各种高通量、高分辨、高灵敏度的谱学技术，特别是

以其灵敏度高、分析速度快、样品无需衍生化等优点，受到众多研究者的关注。主成分分析(PCA) 及偏最小二乘法判别分析等多元模式识别方法

是代谢组学常用的数据降维和信息挖掘方法。

中药“多组分、多靶点、整合调节作用”的特点及中医药理论的“整体观、动态观、辨证观”与代谢组学整体性、系统性、综合性相吻合。因此，以代谢组学为主体的系统生物学研究方法可能是现代科学中可以概括中医药抽象整体观

思想的重要途径。作者遴选了近年来国内外学者在中药代谢组学研究领域颇具代表性的论文作一综述，希望能够为读者提供一定参考。

1 代谢组学技术在现代中药研究中的应用

代谢组学与中医证候模型的研究

辨证论治是中医药的特色与精华，“证”是机体在疾病发展过程中某一阶段的病理概括。建立中医“证”动物模型是开展符合中医药理论药效评价的重要

前提，由于中医“证”的主观不确定性，缺乏合适的动物模型建立与评价方法，根据不同种属、不同品系动物模型与人的代谢状态的差异，以特征性标记物为参考，寻找模拟人类疾病且适用于药效和毒性等研究的动物模型，将成为代谢组学的重要应用领域之一。Chen 应用经典的氢化可的松造大鼠肾阳虚证模型方法，采用和模式识别技术对模型大鼠的尿液进行内源性代谢物分析，发现在氢化可的松诱导下动物初期的代谢活动尤其是能量相关代谢明显增强，儿茶酚胺生物合成通路在药物诱导下加速，肾阳虚模型大鼠造模前后，代谢络明显偏离出给药前的平衡状态并随时间不断变化。对慢性束缚应激大鼠(肝郁脾虚模型)的血浆代谢表型改变的研究发现：模型组醋酸、乳酸、酪氨酸、低密度脂蛋白等发生较大变化，提示动物能量代谢及脂肪、蛋白质代谢功能异常，与已知的应激状态动物体内代谢的调节过程及结果相一致[11]。

代谢组学与中药整体疗效、药效物质基础及作用机制的研究

对中药疗效的评价、物质基础及作用机制的研究基本上都是沿用化学药的方法，即使引入了细胞分子生物学的研究加深了认识，但从目前的研究结果分析，中药基本上没有优于化学药的作用特点可言，可能我们忽视了其“君臣佐使”、“升降沉浮”等理论和整体性作用机制很难在单一机制的药理模型和分子水平

加以诠释，这就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，采用代谢组学的方法来对比分析服用中药前后机体内体液之间所存在的不同，来证实中药的疗效，可能成为未来系统生物学研究中药的重要手段。利用

方法观察人参总皂苷对急性冷应激的作用发现[12]：大鼠处于-10 ℃环境中2 h，一方面交感神经系统活动的增强导致儿茶酚胺代谢通路的上调，可以调动机体抵御外来侵害;另一方面，糖皮质激素分泌的增加，尤其是兴奋性氨基酸的大量分泌会对神经内分泌系统、海马区和血脑屏障造成潜在的损害;三羧酸循环和色氨酸代谢可以发挥自身代偿调节机制;肠道菌群在冷应激反应中也发挥了重要作用。预防性给予人参总皂苷(100 mg/kg)14 d，可以有效减弱机体对急性冷应激的反应。Zhao[13]利用技术研究了沙棘对急性血瘀症引起的代谢紊乱的逆转作用，且呈剂量相关性，涉及的代谢通路有胆汁酸的生物合成、氨基酸如苯丙氨酸、色氨酸和犬尿酸等的代谢，这些都与血脂水平息息相关。淫羊藿可以使氢化可的松致肾阳虚大鼠代谢谱的偏移恢复到正常位置[14]。以金黄色葡萄球菌为实验对象，结合9种已知抗菌机制的抗生素，基于技术和PCA 来确证尖萼耧斗菜(Aquilegia oxysepala)和彭县雪胆(Hemsleya pengxianensis Chang)的抗菌作用模式和主要活性成分。发现前者与氯霉素、红霉素等的作用机制相同即作用于细菌蛋白质合成过程[15]，后者抑制细胞壁合成与万古霉素作用机制类似[16]。利用代谢组学方法确证了两种植物的主要活性成分分别是木兰花

碱(magnoflorine)和雪胆素甲。角叉菜胶致大鼠足肿胀是考察药物抗炎作用常用的方法，Xie[17]利用实验室常用的技术结合PCA观察到六味地黄片可以有效恢复炎症引起的代谢络的改变。二甲肼诱发大肠癌模型组大鼠的代谢谱具有随时间逐步偏离起始点的趋势，而金复康口服液干预组大鼠的代谢谱则表现出先偏离再回归起始点的代谢谱变

化轨迹，研究结果与病理实验结果一致。三羧酸循环、色氨酸循环、多胺代谢等代谢通道的波动，以及肠道菌群代谢的紊乱与二甲肼诱导的大肠癌癌前病变相关[18]。四氯化碳致小鼠肝损伤后，小鼠机体能量代谢、氨基酸代谢及脂类代谢都受到不同程度的影响，水飞蓟宾能有效地缓解四氯化碳所造成的体内线粒体功能及氨基酸代谢紊乱[19]。

代谢组学与中药安全性和毒性研究

由于历史、习惯、地域等原因，同一种药材可能来自不同的植物，不同的药材间也存在代用、混用等问题，这为中药的安全性埋下了隐患，但长久以来并未引起足够的重视。在20世纪90年代初出现了在比利时服用含中药广防己的减肥药导致肾功能衰竭的报道[20]，中草药的安全性问题引起了国内外的广泛关注，而且对中草药的声誉造成极大的损害。现在认为引起毒性的主要是马兜铃酸类成分。灌服马兜铃酸大鼠的尿

样代谢物发生明显改变，同型半胱氨酸形成和叶酸循环加速，而同型半胱氨酸的再甲基化和花生四烯酸的生物合成减少，这些均与潜在的肾损伤有关[21]。关木通染毒大鼠的尿液中氧化三甲胺、柠檬酸牛磺酸、肌酐、甜菜碱等代谢物均有不同程度的下降，而醋酸、丙氨酸则显著上升，这些化合物的变化与已报道的肾毒性化合物引起的变化相似[22]。朱砂[23]和雄黄[24]是常用的矿物药，其主要成分分别是HgS和As2S2，利用NMR技术结合PCA、可以观察到它们

可能对机体能量代谢、氨基酸代谢和肠道菌群产生“扰动”作用，对肝、肾产生一定的毒性作用。

代谢组学与中药质量控制研究

同一种药材由于生长环境、采收季节及加工方式等的不同，其所含化学成分可能有很大差异。现阶段中药的质量控制主要是对一个或几个指标成分或活性成分进行定性鉴别和定量测定，这种方式的缺点是显而易见的。近年来国家大力推广指纹图谱技术，但应用还不十分广泛。Holmes E[25]和Kooy van der F[26]综述了近年来基于NMR和MS技术的中药质量控制的代谢组学研究，文中详细阐述了各种技术的优缺点、实验方法与步骤，其中的实例可提供一定的参考。对不同生长阶段的青蒿和法呢基焦磷酸合酶过渡表达的转基因青蒿的研究显示：两类