代谢组学在心血管药理学研究中的应用

王会琳，高建平

(上海中医药大学中药学院，上海 201203)

代谢组学的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在特定生理时期内的所有低分子代谢产物，代谢组学则是对这些低分子量代谢产物同时进行定性或定量分析的一门新学科，这个概念是2000年德国马普所的Fiehn等［1］提出的。代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后系统生物学的又一重要组成部分，从宏观层面上更准确地把握生命体代谢活动所蕴含的信息，明确基因和蛋白质的变化在生命体代谢产物的具体表现，是组学研究领域的热点之一，也被视为组学研究的“终点”。近年来，随着系统生物学的发展和完善，代谢组学的方法将有可能成为生命科学研究领域的有力工具。

心血管疾病是威胁人类生命健康的重大疾病之一，也是世界范围内常见的致死原因之一，因此受到专家学者们的关注。随着核磁共振和质谱等技术的发展，以及主成分分析法(principal component analysis，PCA)等能够对代谢组数据进行合理分析的方法的应用，带动代谢组学迅速发展成熟，而心血管疾病所引起的体内代谢物的变化，为代谢组学以独特的优势预测心血管疾病的发生发展以及研究药物的效应和作用机制提供有效的方法［2－5］。本文通过查阅近年来国内外关于代谢组学技术在心血管药理学研究中应用的研究文献加以综述。

1 代谢组学在抗高血压药理学研究中的应用

高血压是心血管系统的常见病，截至2012年10月，我国高血压患者已逾2.5亿。另外高血压也是其他心脑血管等疾病的一个主要危险因素［6］，血压升高可使脑卒中、充血性心力衰竭及肾功能衰竭等的发生率增加。然而，目前高血压的发病机制仍不十分清楚，这为高血压的根治带来一定的困难。随着代谢组学的发展，代谢组学技术在高血压的预测及抗高血压药物治疗的研究中逐步得到应用。

Jiang等［7］采用超高效液相色谱和质谱联用技术研究复方中药平肝方对自发性高血压大鼠的干预作用，PCA结果显示，对血浆中的3种比率的溶血卵凝脂22∶6，20∶4和18∶1的异常有调节作用，另外，对胆酰甘氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷酸鞘氨醇、2，4－甲硫基苯酚丁酸也有调节作用，而这些代谢物与鞘脂类代谢和脂肪类代谢有关，提示平肝方对高血压的干预作用可能与干扰脂质代谢有关。

Wang等［8］采用代谢组学技术对β受体阻滞剂卡维地洛的对映体S－卡维地洛和R－卡维地洛对高血压大鼠的血管平滑肌细胞(A7r5)的作用进行了研究，对细胞的内应答、分泌代谢物以及钙离子变化进行分析。对A7r5细胞的32个代谢物的检测结果显示，只有S－卡维地洛处理组细胞内的肌糖、5－羟色胺、L－苏氨酸显著下降，棕榈酸、肉豆蔻酸、乙醇酸、乳酸以及L－丝氨酸显著上升。细胞分泌代谢物的检测结果显示，S－卡维地洛组的 L－丙氨酸、L－亮氨酸、L－缬氨酸和琥珀酸4个代谢物显著上升，说明S－卡维地洛的降压作用可能与调控3种支链氨基酸的合成以及降低琥珀酸脱氢酶活性有关;对A7r5细胞内钙离子浓度的检测结果显示，只有S－卡维地洛组细胞内钙离子浓度显著降低。这些结果提示，S－卡维地洛对高血压大鼠血管平滑肌细胞的作用可能优于R－卡维地洛。

Wikoff等［9］研究了不同种族高血压人群在接受药物治疗中的机体代谢组情况。分别给予黑种人和白种人高血压患者β受体阻滞剂阿替洛尔，给药后第9周，收集患者的血浆进行机体代谢物分析，发现白种人服药后血浆中饱和棕榈酸、单不饱和油酸、棕榈油酸、多不饱和花生四烯酸、亚麻酸以及游离脂肪酸水平显著下降，酮体3－羟基丁酸水平的下降尤其明显，但黑种人则不显示这种变化。此项研究提示，可以借助代谢组学技术从机体代谢物入手追踪不同种族或个体的遗传基因的差异，来判断药物对不同高血压患者治疗效果的差异性。

2 代谢组学在抗高脂血症药理学研究中的应用

高脂血症是由于脂肪代谢或运转异常而引起的一种全身性疾病，表现为血中总胆固醇或甘油三酯过高，或高密度脂蛋白过低，该病对身体的损害是隐匿、进行性和全身性的。同时脂代谢紊乱也是动脉粥样硬化、冠心病、脑卒中、糖尿病并发症和代谢综合征等人类重大疾病的重要危险因素。高脂血症往往涉及机体的代谢异常，因此可以利用代谢组学技术对药物的作用进行研究。

Zhang等［10］以高脂血症大鼠为研究对象，对银杏叶提取物的抗高脂血症作用进行了代谢组学研究。结果显示，无论是预防性给药还是治疗性给药，银杏叶提取物均能显著降低大鼠体内总胆固醇和低密度脂蛋白的水平，升高高密度脂蛋白水平。给药后大鼠血浆中山梨醇、酪氨酸、谷氨酰胺以及葡萄糖含量明显上升，柠檬酸、半乳糖、棕榈酸、花生四烯酸、乙酸、胆固醇、丁酸盐、肌酸酐、亚油酸、鸟氨酸以及脯氨酸水平显著下降，说明银杏叶可翻转淀粉样β蛋白阻碍谷氨酸转化为谷氨酰胺，并降低胆固醇水平，提示银杏叶对高脂血症的作用体现在对某些机体代谢物的改善作用。Liu等［11］结合代谢组学与金属组学对注射小檗碱后的高脂血症大鼠尿液进行研究，高脂血症大鼠体内的柠檬酸循环、胆固醇代谢以及渗透调节过程被扰乱，给药后大鼠体内琥珀酸盐、三甲胺以及肌酸酐水平上升，丙酮酸盐和谷氨酸盐水平下降。金属组学研究发现一些金属元素发生变化，其中钒的上升说明给药后血糖和胆固醇代谢的变化，锰的下降提示脂质代谢可能被扰乱。结合代谢组和金属组的方式为寻找高血脂症潜在标志物以及药物的研究提供一个新思路。

Sun 等［12］利用代谢组学研究 2'，3'，5'－三乙酰基－N6－(3－羟基苯胺)腺苷(WS070117)对高脂血症仓鼠的影响。与对照组相比，WS070117使甘油三酯、胆固醇、乳酸以及丙氨酸水平上升，而胆碱磷酸、卵磷脂和甘油磷酰胆碱等化合物以及甜菜碱水平下降，说明WS070117具有促进极低密度脂蛋白的合成，同时促进甘油三酯从肝中排除，从而预防脂肪在肝和血浆中的蓄积，达到控制高脂血症的目的。Patterson等［13］对过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator－activated receptor α，PPARα)诱导脂肪酸β氧化作用进行了代谢组学分析，高血脂患者连续14 d给予贝特类药物，分析患者尿液中与脂肪酸β氧化作用有关的潜在生物标记物的变化。结果显示，与对照组比较，给药后患者尿液中泛酸和乙酰肉碱水平明显下降，血清胆固醇、甘油三酯和尿酸以及尿中丙肉毒碱、异丁酰肉毒碱、甲基丁酰肉碱和异戊酰肉碱水平均呈下降趋势，提示贝特类药物可能促进辅酶A的合成，进而促进脂肪代谢。

3 代谢组学在抗动脉粥样硬化药理学研究中的应用

动脉粥样硬化是指动脉血管中的脂质沉淀形成内膜粥样斑块，以动脉壁增厚、变硬和弹性减退为特征的动脉硬化性疾病。动脉粥样硬化是多种心血管疾病的主要诱发因素之一，根据心血管疾病预测结果［14］以及动脉粥样硬化风险性研究［15］显示，心血管疾病的致死病例中，多数伴随动脉粥样硬化或动脉局部硬化。而动脉粥样硬化往往伴有脂质代谢的异常，因此，代谢组学研究为动脉粥样硬化的诊断和药物作用的评价提供了帮助。

Jové等［16］利用代谢组学与脂类组学相结合的方法，对仓鼠动脉粥样硬化模型的早期血浆中的生物标志物进行探索。结果显示，高脂饮食改变了主动脉脂质中的甘油磷脂、鞘脂类、甘油糖脂以及一些游离的脂肪酸和甾醇类的水平，增加血管紧张素酶抑制剂的活性，诱导PPARγ，使DNA损伤修复标记物γ－H2AX水平上升。在模型动物的饲料中补充葡萄柚种子提取物，发现该给药组仓鼠的主动脉中牛黄胆酸含量与游离胆固醇量呈正相关，验证了牛黄胆酸可作为动脉粥样硬化的潜在生物标志物，这为其进一步治疗奠定基础。

脂质代谢在动脉粥样硬化的发生发展中发挥重要作用，而载脂蛋白则在脂质代谢中扮演重要角色。Leo等［17］对小鼠进行载脂蛋白E基因敲除以制备动脉粥样硬化动物模型，并对其用卡托普利干预。通过PCA显示，治疗组的尿囊素水平显著升高，提示尿囊素水平可作为卡托普利治疗效果评价的依据。Ou 等［18］对载脂蛋白 AI模拟肽(D－4F)抑制动物动脉粥样硬化作用进行了相关探讨。复制LDLr－/－小鼠动脉粥样硬化模型，腹腔注射D－4F进行干预，血浆代谢组分析结果显示，模型组动物的一系列磷脂代谢产物，包括溶血卵磷脂、溶血磷脂酰乙醇胺、卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂和二酰基甘油，尤其是长链的溶血卵磷脂含量急剧上升，而D－4F治疗组动物上述代谢物含量减少。提示D－4F可能通过调节血浆磷脂类代谢产物特别是减少长链溶血卵磷脂来抑制动脉粥样硬化。

4 代谢组学在抗心肌缺血药理学研究中的应用

心肌缺血是各种原因引起心脏血液灌注减少，心肌对氧的供需失去平衡，心肌能量代谢不正常，不能支持心脏正常工作的一种病理状态。心肌缺血最常见的原因是心肌梗死，另外动脉粥样硬化、高血脂、高血压和高血糖等心血管疾病也是其重要危险因素。心肌缺血会导致体内活性氧缺乏，机体内相应的代谢物也会发生变化［19－20］，所以代谢组学为在抗心肌缺血药理学方面的研究提供了一个平台。

Jiang等［21］在对麝香保心片对心肌梗死性心肌缺血大鼠的药效学研究中，利用代谢组学技术对尿液进行分析，结果显示有16种代谢物包括2－脱氧－d－核糖－5－磷酸、肌酸、尿苷、3，4－二羟基杏仁酸、色氨酸、半胱氨酸－高半胱氨酸、二硫化物、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、马尿酸、烟酰胺单核苷酸、褪黑素、苯乙酰甘氨酸、11－脱氢皮质酮、黄嘌呤核苷以及3－甲基尿苷可以用来评价心肌梗死的发生发展以及麝香保心丸的作用效果，其中肌酸、尿苷、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、烟酰胺单核苷酸、苯乙尿酸、黄嘌呤核苷与ATP的生成有关，即这8个代谢物与能量代谢途径有关，而能量代谢的异常能显著影响心肌梗死的生物学进程。

Li等［22］用心肌梗死模型对可溶性环氧化物水解酶抑制剂的药理作用进行研究，进行生物代谢组分析发现模型组小鼠体内环氧二十碳三烯酸与二羟基－20碳三烯酸比例上升，并且炎性细胞因子如干扰素γ、单核细胞趋化蛋白1、白细胞介素6和白细胞介素10水平上升。在模型小鼠饮水中加入1－金刚烷胺基－3－{5－〔2－(2－乙氧基－乙氧基)－乙氧基〕－戊基}－尿素或反式－4－〔4－(3－金刚烷基－1－尿基)－环己氧基〕－苯甲酸两种类型的可溶性环氧化物水解酶抑制剂，则均能减小心肌梗死面积和降低炎性细胞因子水平，说明可溶性环氧化物水解酶抑制剂对于治疗心肌缺血具有一定的可靠性。

5 展望

代谢组学作为一门新兴技术，呈现了生物体内小分子代谢物系统而又全面的特征。如今，代谢组学在疾病以及药理学研究领域发挥着巨大的作用。心血管疾病严重影响人类健康，对该类疾病的治疗和研究越来越受到人们的关注。心血管疾病的发病机制迄今仍有很多不明确的方面，而很多类型的心血管疾病与机体的代谢异常有关，因此，代谢组学这一技术手段为心血管药理学研究提供了一个较好的切入点。随着代谢组学生物信息分析检测手段等的不断创新，对疾病状态下内源性代谢谱中生物标志物或生物标志群的确定会更灵敏和准确，这将为心血管疾病药物的疗效评价以及寻找有效的作用靶点研究提供更可靠的研究手段。

然而，代谢组学的研究还有很多有待解决的问题。首先，基于生物标本的复杂性，从中找出特异性的生物标志物已成为代谢组学研究的重点和难点之一。其次，体内生物代谢物会受到很多因素如饮食、环境因素、机体状态以及取样时间等的影响，这对结果的重现性具有较大的影响。目前各种分析技术的分辨率、灵敏度以及动态范围等的限制，尚不能完全做到将所有代谢产物同时定性定量地检测出来，只能通过各种分析技术的结合来解决部分问题。同时通过代谢组学分析技术可以得到大量的差异代谢产物，而对这些差异代谢物与疾病发病的相关性以及药物作用机制的关联性分析还很欠缺，这些问题的解决需要借助于分析技术的不断进步、代谢组学数据库的不断完善以及代谢产物与疾病发病机制的深入研究。

未来的科学研究中，代谢组学仍有很大的发展空间，相信这门技术将能大大推动心血管药理学研究领域的进一步完善。

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