基于代谢组学方法的中药药效物质基础研究进展

吴修红，赵闯，孙晓兰，胡妮娜，张金琦，王旭，孙泽，孙晖

(黑龙江中医药大学,黑龙江 哈尔滨 150040)

综 述

基于代谢组学方法的中药药效物质基础研究进展

吴修红，赵闯，孙晓兰，胡妮娜，张金琦，王旭，孙泽，孙晖*

(黑龙江中医药大学,黑龙江 哈尔滨 150040)

近年来，代谢组学已经成为科学研究中的一大热点，随着学者们对代谢组学的深入研究，代谢组学也渗透到各个领域，如药物的物质基础研究、针灸学、毒理学、疾病诊断学等。通过对近几年相关文献的查阅，发现代谢组学在中药的物质基础研究方面，也发挥着至关重要的作用，因此，将相关研究进行整合归纳，以期为代谢组学的进一步研究作参考。

代谢组学；代谢物；生物标志物；物质基础；核磁共振氢谱

中药药效物质基础是关系到中药的有效性及安全性等质量问题的关键因素，其研究和确认的技术与方法事关中药发展的关键[1]。最近，代谢组学在揭示中药药效物质基础也起到了重要作用。它是在基因组学和蛋白质组学之后，一门新兴“组学”学科，是系统生物学重要组成之一，广泛应用到科学研究领域。代谢组学能够从整体水平反映疾病治疗过程中的小分子代谢物的变化，采用核磁共振氢谱，色谱-质谱联用技术，对实验动物的尿液、血清、血浆等样本检测，通过主成分分析或偏最小二乘法等多元数据处理方法，从而发现药物中潜在的生物活性物质，更准确地反映生物体系的状态[2]。为解释中药药理作用的物质基础以及系统分析中药的化学组成做出了贡献。因此，代谢组学在中药物质基础研究中也是不可或缺的一部分。

1 代谢组学在中药单味药药效物质基础中的应用

1.1 姜炭

姜炭(Ginger charcoal)是常用中药，在《神农本草经中》有所记载，主要用于温经止血、温脾止泻。莫毛燕等[3]利用核磁共振氢谱(1H-NMR)技术建立大鼠尿液的代谢谱，采用主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)研究各个分组相互间的代谢物谱差异，通过变量重要性投影(VIP)发现尿液中的潜在生物标志物，通过矫正率筛选姜炭温经止血的药效生物标志物。结果筛选出与虚寒性出血症相关的7种生物标志物，其中乙酰乙酸、丙酮酸、氮氧三甲胺、牛磺酸、色氨酸为姜炭温经止血的药效生物标志物。因此，姜炭温经止血的药效物质基础有乙酰乙酸、丙酮酸、氮氧三甲胺、牛磺酸、色氨酸。

1.2 川乌

川乌(CW)，一种著名的中药(TCM)，乌头Aconitum carmichaelii Debx的母根。Dong[4]等通过UPLC-Q-TOF-HDMS对川乌的毒性进行尿代谢组学研究，结果，鉴定了与CW毒性相关的17种生物标志物，分别为5-羟基-6-甲氧基吲哚葡糖苷酸，4,6-二羟基喹啉，5-L-谷氨酰 -牛磺酸，脱氢孕烯醇酮，甘氨酸，3-吲哚羧酸葡糖苷酸，3-甲基二氧基吲哚，L-苯丙氨酰-L-羟基黄嘌呤，腺苷琥珀酸，GDP-L-岩藻糖，环AMP，4-(2-氨基-3-羟基苯基)，4-二氧代丁酸，N-乙酰基-9-O-乳酰神经氨酸，棕榈酰葡萄糖醛酸，3-氧代十六烷酸，2-苯乙醇葡糖苷酸和D-葡萄糖醛酸1-磷酸，参与戊糖和葡糖醛酸相互转化，丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代谢，淀粉和蔗糖代谢，氨基糖和核苷酸糖，嘌呤代谢，色氨酸代谢，牛磺酸和亚牛磺酸代谢，果糖和甘露糖代谢，脂肪酸代谢。CG组(川乌：甘草=1：2)，CB组(川乌：白芍=1：2)和CJ组(川乌：干姜=1：2)通过相容性可将大多数毒性生物标志物的表达水平有效地调节到正常范围药物。研究表明，三种相容性药物可以有效地对抗CW的毒性。

1.3 黄连

黄连(Coptis chinensis)，别名味连、川连等，属毛茛科、黄连属多年生草本植物。根据现代药理作用研究，黄连具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤以及改善糖尿病等药理作用[5]。王静等[6]采用对雄性Wistar大鼠灌胃脂肪乳并腹腔注射链脲佐菌素的方法制造Ⅱ型糖尿病模型，大鼠分为正常组、模型组、黄连给药治疗组、二甲双胍给药组。大鼠给药30 d后，采集血样用于生化指标的检测，尿样用于代谢组学的分析。与模型组相比，模型大鼠连续30 d腹腔注射黄连后，空腹血糖值(FBG)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)水平显著降低。采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS) 对大鼠尿样中的内源性物质进行了相对含量测定，主成分分析结果表明，正常组与模型组显著分离，黄连组处于正常组与模型组之间，更接近于正常组。发现 12 个代谢物与糖尿病有关，包括 4-甲基苯酚、苯甲酸、氨基丙二酸等。黄连干预后，其中的 7 个代谢物显著回调，与氧化应激状态相关的氨基丙二酸和 L-抗坏血酸出现向正常组显著性调节的趋势。以上结果证实，黄连不仅具有降糖和降血脂的作用，而且具有抗氧化作用，在一定程度上可能会抑制糖尿病合并症的发生和发展。

1.4 人参皂苷

人参皂苷(Ginsenoside)属于三萜皂苷，是固醇类化合物，主要存在于人参属药材中，具有抗肿瘤、抗衰老、抗氧化、抗病毒[7]、治疗心血管疾病[8]等药理作用，能够影响多重代谢通路。谢燮等[9]该研究以Wistar 雄性大鼠为对象，利用代谢组学技术分析其尿液代谢物组成的动态变化，分析长期服用人参主要有效成分——人参总皂苷对大鼠机体尿液代谢谱的影响。实验结果表明，服用人参皂苷在1～3 周内对机体尿液的代谢谱影响最大，包括能量代谢、儿茶酚胺类物质以及氨基酸类神经递质代谢，6～10周作用的逐渐减小，27周几乎无作用，同时证明短期和长期服用人参皂苷对机体无明显的毒副作用。

1.5 两色金鸡菊

两色金鸡菊(Coreopsis tinctoria Nutt.)又称“昆仑雪菊”，属菊科金鸡菊属一年生草本植物。有研究发现，昆仑雪菊水提液具有降血脂作用，还能够降低自发性高血压(SHR)大鼠收缩压而发挥降血压的功效[10]。卢伟[11]等本研究工作尝试建立一种两色金鸡菊醇提物对自发性高血压大鼠代谢干预的代谢组学评价方法，采用1H-NMR分析方法测定给药组和对照组大鼠的尿样，得到尿样中小分子代谢物的指纹图谱，结合主成分分析方法，研究小分子内源性代谢物在金鸡菊醇提物灌胃后的变化以及高血压大鼠尿液代谢物的变化，结果发现多种代谢产物与高血压症密切相关。另外，发现了与糖代谢相关的代谢物：β-葡萄糖、苹果酸、丙酮，并且在模型组中均明显升高，说明高血压大鼠葡萄糖代谢异常；此外，如胆碱、肌酸酐等小分子物质也被检测出可能作为高血压的生物标志物。这些内源性成分的改变提示模型组大鼠尿液存在相关代谢功能的异常，而经药物干预后，以上指标得到一定改善。

2 代谢组学在中药复方药效物质基础中的应用

2.1 芍药甘草汤

芍药甘草汤(SGD)，出自汉代张仲景所著《伤寒论》，书中记载了少药甘草汤的组成，即芍药与甘草，主要用于治疗腹痛和痛经。Wang等[12]以Wistar大鼠为研究对象，通过对痛经组的模型大鼠和对照组正常大鼠口服芍药甘草汤后，在肝门静脉处收集血液，制备血清样本，建立了高分辨率的UPLC/MS串联Waters UPLC HSS T3(2.1×100 mm,1.8 μm)分析技术，由Waters UPLC HSS T3(2.1×100 mm,1.8 μm)执行梯度洗脱程序，MS/MS裂解行为帮助化合物结构的鉴定，最终表征出芍药甘草汤的的化学组分和代谢物，结果发现12种潜在的生物标记物，包括9种原型成分：没食子酸、白芍苷、甘草苷、刺果甘草素、甘草素、异甘草素、芒柄花黄素、异甘草黄酮醇、甘草利酮、C9H10O3和2种代谢物如甘草素-4’-氧-葡萄糖醛酸苷、芒柄花黄素葡萄糖醛酸，其中3种成分来自芍药，9种来自甘草，以上在血浆中发现的成分均是SGD用于治疗痛经的有效物质，并可能是通过葡萄糖和氨基酸等代谢途径发挥作用，为SGD进一步的药理学和临床研究提供重要的实验数据。这表明没食子酸、白芍苷、甘草苷、刺果甘草素、甘草素、异甘草素、芒柄花黄素、异甘草黄酮醇、甘草利酮、C9H10O3和2种代谢物如甘草素-4′-氧-葡萄糖醛酸苷、芒柄花黄素葡萄糖醛酸为芍药甘草汤的药效物质基础。

2.2 当归四逆汤

当归四逆汤，出自汉代张仲景的《伤寒论》，现代研究表明，当归四逆汤有抗凝血、抗炎止痛等作用[13]。采用1H-NMR代谢组学技术，在当归四逆汤灌胃给药1周后，观察当归四逆汤对小鼠凝血酶时间的影响，并采用1H-NMR 技术分析小鼠血浆代谢物的指纹图谱，采用主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘法判别分析(OPLS-DA)，研究给药组与正常组之间的代谢物组差异，筛选与抗凝血作用相关的潜在生物标志物。代谢组学结果显示连续当归四逆汤灌胃给药1周后，能显著延长小鼠凝血酶时间(P<0.05)，且与空白组比较，复方组内源性代谢产物异丁酸、苯丙氨酸和肉碱显著上调(P<0.01)，组氨酸、赖氨酸和胆固醇显著下调(P<0.05)。肉碱、苯丙氨酸、组氨酸和胆固醇为当归四逆汤抗凝过程中潜在代谢标志物，当归四逆汤可能通过调节脂质代谢、能量代谢和氨基酸代谢影响血小板聚集功能和组织因子、纤维蛋白酶的表达来发挥抗凝作用。

2.3 温心方

温心方(WXF)由人参、桂枝、薤白、瓜蒌、清半夏、赤芍、麦冬和黄连八种单味药组成，广泛用于治疗心肌缺血综合。Cao[14]等采用代谢组学的分析方法，在雄性Wistar大鼠口服温心方提取物后，从肝门静脉收集血液，制备血清样本，通过UPLC-ESI-Q-TOF-MS技术，分析温心方的化学成分和血浆中的代谢产物，在血浆中检测到32种化学成分，包括温心方的26种原型化合物和6种代谢产物，可能通过葡萄糖代谢和脂肪酸代谢等途径而发挥药效，为进一步的药理学研究提供有用的化学信息，提高了生物活性的靶向成分分析速度。

3 讨论

药物代谢组学是药物代谢与代谢组学结合,也是药代学与药效学的结合(PK-PD)[15]。代谢组平台提供了中草药、中医证候、矿物医学和针灸方法来扩展对中医药配方的分析与对其作用机制的理解。由于中药成分复杂，即使是单味中药，其中含有多种化学成分，各化学成分都有多种药理作用。因此，中药的药效物质基础及作用机制的揭示是一个复杂的过程。目前，多数中药的作用机制尚不明确，传统的药理实验方法只能在一定程度上揭示中药的药理作用机制，而代谢组学不仅能够研究药物自身的代谢情况，还能进一步研究药物干预后内源性代谢物的变化，从而反映出体内生物化学过程和状态的变化[16]。如今，代谢组学已成为生物系统中小分子代谢物的综合表征的热门话题，它可以通过评估近似生物流体和生物标志物发现中的全球代谢分布来区分患病和非患病状态信息[17]。近年来，国内外专家对多种中药药效作用机制进行的代谢组学研究，取得了有意义的研究结果，研究方向进一步拓展到外源性刺激等更多方面，这样有利于代谢组学的发展和延伸[18-21]，为中药药效的物质基础研究奠定了一定的基础。

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2016-10-15

2016-11-17

国家自然科学基金(81373931，81573877);黑龙江中医药大学创新人才计划(2012RCD07、2012jc01)

吴修红(1978-)，女，博士，博士后，教授，主要从事中药药效物质基础及作用机制研究。

*通讯作者：孙晖(1963-)，女，教授，博士生导师，主要从事中药质量分析研究。

R284

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1002-2392(2017)01-0087-03