基于代谢组学技术的中医药研究进展

杨波 杨强 张爱华 王喜军

[摘要] 代谢组学通过对生物体内代谢物进行高通量分析，探索代谢物与机体生理、病理变化相关性，阐明机体复杂体系相互作用及对外界响应。代谢组学强调生物体整体研究功能状态的生化表型与中医理论的整体观具有高度相似性，以其独特的整体、动态的表达特征与中医药的整体观、辨证论治的诊疗思维不谋而合。应用代谢组学技术阐明中医药有效性相关效应机制、物质基础、配伍规律等科学问题，使中医传统理论与现代科学技术有机融合，可充分理解中医理论科学价值及中医临床经验实用价值。本文探讨将代谢组学的整体性、动态性等研究特色应用到中医药具体实践，解决中药材效应评价、复方配伍规律阐释、中医方证关系研究、证候生物标志物发现等关键问题，为中药有效性评价、复方物质基础以及中医证候本质认识提供技术支持。

[关键词] 中医药;代谢组学;生物标志物;证候;方证代谢组学

[中图分类号] R285          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）08（c）-0024-05

[Abstract] Metabolomics could explore the correlation between metabolites and physiological and pathological changes through high-throughput analysis of metabolites in the body， and clarify the interaction of complex systems and response to the outside body. Metabolomics emphasizes that the biochemical phenotype of the functional state of the organism as a whole that is highly similar to the holistic view of traditional Chinese medicine （TCM） theory. Metabolomics has its unique overall and dynamic expression characteristics coincides with the overall view of Chinese medicine and dialectical treatment diagnosis. The metabolomics technology is used to clarify the scientific effects related to the effectiveness mechanism， material basis and compatibility of TCM， to realize the organic integration of TCM theory and modern life science and technology， and fully understand the theoretical value of TCM theory and the practical value of TCM clinical experience. This paper explores the application of the holistic and dynamic characteristics of metabolomics to the specific practice of TCM， and solves key problems， such as the effect evaluation of Chinese herbal medicine， the interpretation of prescription compatibility， the relationship research of prescription and syndrome， and the discovery of syndrome biomarkers. It will provide the technical support for the evaluation of the effectiveness of TCM， the basis of prescription substances and the understanding essence of TCM syndromes.

[Key words] Traditional Chinese medicine; Metabolomics; Biomarker; Syndrome; Chinmedomics

隨着科技进步，中医药在国际中的地位逐渐升高，世界对于中医药的需求日益增加，但其复杂的中医理论、药性、配伍理论等难以被国外学者所接受、认可。如何更有效地建立现代生命科学与传统中医药之间的联系，将成为制约中医药发展的关键。作为20世纪90年代发展起来的一门新学科，代谢组学主要研究机体在被扰动后，内源性代谢物的变化及其与生理、病理表型的之间的有机联系[1]。生物体新陈代谢因疾病的发生而改变其所处的动态平衡，所以通过代谢组学方法对体液组成进行成分分析，获取因疾病诱导所改变的生物标志物，有助于了解机体代谢机制。与先进的现代分析检测技术与模式识别和专家系统等计算分析方法相结合是代谢组学研究的基本方法之一[2]。

代谢组学利用现代分析技术定量测定生物体液内源性代谢产物变化，结合生物信息学方法阐明内源性小分子代谢物变化规律，获得关键生物标志物，表征生物体的整体功能状态。代谢组学与中医药研究的有机结合，将为中医药复杂的传统理念的研究提供新思路、新路径。近年来，我国学者将中医药理论与代谢组学二者有机整合，提出了中医方证代谢组学研究的新思路[3-5]，利用该方法对复杂的中医证候本质、中药药效物质、方剂配伍规律、药物安全性评价等方面开展了大量的研究，取得了较为显著的研究成果，彰显了代谢组学技术在中医药理论研究中的广阔应用前景。大量的国内外学者业已投入到中医药代谢组学研究，已在体内药效物质、效应机制研究等方面取得显著进步[6-8]，代谢组学已经成为研究中医药理论体系中不可或缺的关键技术。

本文通过综述近几年文献，对代谢组学在中医药研究过程中的应用进行一个全方面的阐述，为促进中医药与代谢组学的有机融合助力。

1 代谢组学理论阐述

代谢组学已经由最初的代谢轮廓分析，发展到现在能够开展代谢物标靶分析、代谢指纹分析等多个层面的研究，其研究机制及方法不断得到完善与补充。样品的制备、数据的采集及分析等过程作为代谢组学研究中的必需步骤，缺一不可[9]。在代谢组学研究过程中样品主要包括动物的血液、尿液、粪便等体液。样品的处理包括提取、分离等过程，主要应用各种先进的现代分析技术，如核磁共振、色谱质谱联用技术等，质谱联用包括气-质联用、液-质联用、电泳-质谱联用基数和等离子体质谱联用技术等[10]。

如何对数据信息充分解读仍是代谢组学研究中的关键问题[11]，由于代谢组学原始谱图繁多，因此需要对其进行深层次的数据挖掘[12]。数据处理过程包括数据提取、预处理和模式识别三大步骤，模式识别又可分为非监督模式和有监督模式，前者包括主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）、非线性影射（NLM），后者包括人工神经网络（ANN）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、基于正交信号校正的偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等[13]，其中以PLS-DA、OPLS-DA应用较为广泛。

2 代谢组学在中医药研究中的应用

代谢组学以其独特的整体、动态的表达优势与中医药的整体观、辨证论治不谋而合，近年来代谢组学技术已被广泛地应用到中药材、復方配伍规律、中医方证、证候生物标志物等方面研究，为充分理解中医理论科学价值及中医临床经验实用价值提供了新途径。

2.1 中药材研究

Sun等[14]采用代谢组学技术研究了刺五加的化学成分及潜在的代谢生物标志物，为刺五加的药效学研究提供科学依据。周元等[15]研究了黄芩对2型糖尿病大鼠治疗作用及其效应机制，发现了黄芩主要通过调节鞘脂类代谢和脂肪酸代谢等改善2型糖尿病症状。Zhang等[16]研究了桑叶对糖尿病及其肝肾损伤的作用机制，发现桑叶中的黄酮类化合物、多糖类化合物和生物碱类化合物可调节13个潜在的生物标志物及相应的代谢途径，可能与胰岛素受体和TGF-β/Smads信号通路有关，具有明显的降血糖作用和对肝、肾损伤的保护作用。聂春霞等[17]研究不同炮制方法下山楂调脂作用的异同，发现净山楂组通过调节氧化应激、能量代谢、氨基酸代谢及肠道菌群等发挥更强的调脂作用。杜晨晖等[18]利用代谢组学技术研究酸枣仁改善大鼠睡眠的作用机制，发现酸枣仁通过调控失眠大鼠的能量代谢和氨基酸代谢等途径，使其内源性代谢物趋近正常水平，进而改善失眠症状。中药材质量关乎中医药的临床疗效和安全用药，代谢组学为开展中药材效应评价研究提供了有效途径。

2.2 复方配伍规律研究

揭示复方配伍机制对阐明配伍规律的科学内涵具有重要意义。贺晶等[19]对柴胡-白芍配伍前后的化学成分进行整体分析，发现柴胡-白芍药对配伍前后柴胡中有6个成分、白芍中有3个成分的含量发生显著变化，为进一步其配伍机制的奠定了基础。黄张杰[20]运用代谢组学方法研究补中益气汤及其配比组方对脾气虚证大鼠尿液代谢表型变化的影响，发现补中益气汤对其中6种代谢物水平有较大的逆转作用，作用趋势优于其配比组方。Cui等[21]从全局代谢谱和特异性改变的代谢物方面探讨黄芩汤的配伍规律，发现黄芩对黄芩汤治疗伊立替康引起的腹泻有着重要作用。李杰[22]研究人参与麦冬配伍增效减毒的物质基础，发现人参与麦冬配伍后，使人参中人参皂苷成分的溶出增加，认为是人参配伍麦冬后增效减毒作用的物质基础。代谢组学通过阐明机体代谢网络整体变化规律，在中药复方配伍作用机制、配伍规律等方面具有重要应用价值，有助于系统地揭示中药复方配伍的科学内涵。

2.3 中医方证研究

在中医治疗疾病给药过程中多数使用方剂，仅使用单味药的少之又少，因此研究中药药效物质基础及中药治疗证候或疾病的机制研究必须以方剂为研究对象。按照“证候生物标志物-方剂效应评价-体内药效物质基础”研究思路，有学者[23-24]提出整合代谢组学技术与中药血清药物化学理论和方法，建立中药体内药效物质基础的系统方法学-中医方证代谢组学（Chinmedomics）。刘琦等[25]应用中医方证代谢组学研究男仕胶囊治疗肾阳虚证的药效物质基础，发现其主要通过调节类固醇激素的生物合成、酪氨酸代谢和色氨酸代谢等途径改善肾阳虚证大鼠内源性代谢物的变化，咖啡酸、伞形花内酯和去乙酰基车叶草苷酸等为其主要药效物质基础。Wang等[26]利用中医方证代谢组学阐释肾气丸治疗肾阳虚证的效应机制，确定了肾阳虚证潜在生物标志物，筛选出20个相关性较强的效应成分为肾气丸的潜在药效物质基础，其中14个成分与醛固酮调节的钠重吸收和肾上腺素能信号通路紧密相关。康舒宇等[26]研究六味地黄丸对大鼠生长发育的影响，发现在六味地黄丸干预后共出现36个差异代谢标志物，涉及色氨酸和酪氨酸的生物合成、苯丙氨酸的合成与代谢、泛酸和辅酶A的生物合成等13条代谢通路。Zhao等[27]检测高脂血症患者代谢物和代谢途径变化，鉴定出37个血液代谢产物，主要涉及亚油酸代谢、甘油磷脂等11个代谢途径。中医方证代谢组学的理论在坚持中医整体性的前提下，在代谢网络动态变化过程中评价中药整体效应，阐明中药方剂治疗疾病的作用机制[29-30]。中医方证代谢组学实现了基于中医证候客观诊断及剂疗效整体评价的基础上发现中药药效物质基础并阐明其作用机制，已成为国际上评价中药效应，阐释效应机制，发现中药药效物质基础的通用研究方法。

2.4 生物标志物研究

生物体作为一个完整系统，其体内的代谢物处于一种动态平衡状态。应用代谢组学方法可定量检测机体代谢变化，发现与疾病相关的生物标志物并确定其所涉及的代谢通路[31]。目前代谢组学方法被广泛用于疾病代谢标志物的研究，为疾病诊断、病理机制阐明提供新途径[32]。Wu等[33]应用代谢组学方法分析虚证和实证糖尿病患者的血清代谢产物，通过比较两组间代谢图谱的差异，发现4个代谢产物含量显著差异，在一定程度上可区别两种不同中医证型糖尿病。张冬伟等[34]应用代谢组学方法寻找诊断冠状动脉粥样硬化并具有临床价值的潜在的生物标志物，筛选鉴定出18个生物标志物，为动脉粥样硬化的诊断提供临床依据。Fang等[35]应用代谢组学方法分析了对阳黄证及其发病机制，发现33个潜在生物标志物，主要涉及到谷胱甘肽代谢、牛磺酸和亚牛磺酸代谢等途径;同时发现其中10个关键代谢物与临床阳黄证患者的生物标志物高度相关，这些生物标志物在相关代谢通路调节中起关键作用，将其作为关键靶标进而阐明京尼平苷治疗阳黄证的有效性[36]。代谢组学表征中医证候代谢轮廓及生物标志物，为中医证候客观诊断及方剂临床疗效精准评价提供新靶点[37-40]，以中医证候代谢轮廓及生物标志物为靶点，精准评价相应方剂效应，揭示作用机制[41-43]。

3 结语

中医药作为我国传承数千年来的文化瑰宝，继承与发展传统中医药文化已经成为我们的使命。将代谢组学技术与中医药更好的联系起来，有利于促进中医药现代化研究的进程。尽管代谢组学技术在中医药研究领域的成果突出，在阐明中医证候的内在实质及复方整体疗效评价等方面具有显著应用价值。然而代谢组学在与中医药融合的过程中仍存在许多问题。首先，现有的分析技术尚不完善，还不能够全面地对生物体内的所有代谢途径以及微量代谢产物进行分析;其次，在研究过程中，一些非实验性因素对结果影响较大;再者，由于代谢组学所研究的数据量较大，怎样去有效地分析这些海量数据仍是代谢组学研究中的难点。代谢组学的完善仍需要我们不懈努力，进一步将中医药传统理论与代谢组学紧密融合，为解决中医药关键科学问题助力，进而有力地推动中医药现代化发展。

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（收稿日期：2019-05-05  本文編辑：任   念）