基于代谢组学的中医肺系疾病及证候研究进展*

白菁安，姜淼，陈则旭，赵宁

1.中国中医科学院中医临床基础医学研究所，北京 100700；2.厦门大学医学院，福建 厦门 361102

中医学是中国传统文化和哲学观念的集中体现。其中“辨证论治”为中医学理论体系的基础，具有整体性、联系性和动态性；“辨证论治”经过医家的长期实践，在中医预防、诊断、治疗等环节均有优势。在全球提倡精准医疗的背景下，辨证论治逐渐成为引领未来医学思维体系发展的重要方法［1］。在辨证论治的过程中，“证”是核心。近年来，中医药学者一直努力寻找具有高特异性、高灵敏性的指标为辨证提供客观化的物质依据［2］。随着系统生物学的到来，代谢组学这一拥有综合性、集成性及整体性等特点的学科，可以从生物体的生化表型来判断其整体功能状态的研究思路［3-6］，这与辨证论治中“司外揣内，见微知著”的思维方式有异曲同工之处，为深入探讨中医证候分类的物质基础提供新的研究角度和思路［7］。本文将对肺系疾病及证候相关代谢组学的研究进展进行概述。

1 代谢组学的简介

代谢组指存在于特定类型细胞或生物体内的小分子代谢物的总集合，是代谢的最终下游产物。代谢组学是一种通过定性、定量研究生物体体液（如血浆、尿液及组织液等）中的内源性代谢物，结合模式识别的信息学技术，分析获得不同状况下生物体的终端代谢物和相应的代谢谱峰，能够反映出生物体在特定阶段、特定状态下整体功能变化的学科［8-10］。与基因组学、转录组学或蛋白质组学等比较，代谢组学能更准确地反映有机体当前代谢状态。由于代谢物具有覆盖率高、分析性能可靠等优点，已广泛应用于生物学或生物标志物筛选的研究［11-13］。代谢组学目前分析技术主要包括核磁共振技术（nuclear magnetic resonance，NMR）、气相色谱-质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometer，GCMS）、液相色谱-质谱联用仪（liquid chromatographmass spectrometer，LC-MS）、毛细管电泳-质谱联用仪（capillary electrophoresis-mass spectrometer，CE-MS）和高效液相色谱-质谱联用仪（high performance liquid chromatography-mass spectrometer，HPLC-MS）。通过灵活选用适当的技术，可以分析获得机体在生理、病理等不同状态下的终端代谢物差异，以及相应的代谢谱峰的特点。这些差异代谢物能反映出生物体在特定阶段、特定状态下的功能变化［14］。该学科的应用跨越多种技术手段，在疾病的预防、诊断、治疗及药物的开发等方面具有广阔的发展前景［15-17］。

2 代谢组学与中医证候研究的相关性

中医学的证候包括“证”与“候”，证是疾病的本质，候是其表现形式［18-21］。证候研究作为证型规范化的研究前提与基础，也是中医药当今研究的关键问题之一。中医的“证”是机体在致病因素作用下，机体内外环境各系统之间相互关系发生紊乱所产生的病理生理状态［22］，是一种综合性的诊断概念。提示对证候的研究不可仅局限于某一具体脏腑组织器官，必须回归到中医学整体观念上来。作为一种“自上而下”的策略，代谢组学能够通过代谢网络的最终产物反映生物的功能［23］。这种性质与中医学“整体观念”的核心思想是一致的。代谢组学通过对代谢物的系统分析发现，中医不同证候的差异物代谢谱和干扰途径［24］，有助于阐明中医不同证候的物质基础和作用机制［25-26］，为中医理论的科学阐述提供客观的物质基础，为证型的规范化提供新思路。

3 代谢组学与不同肺系疾病相关研究

藏象学说是中医基础理论的重要组成部分，是研究机体各个脏腑组织器官的形态结构、生理、病理及其相互关系的学说［27-29］。藏象学说认为，肺为五脏之华盖，外合皮毛，肺为娇脏，故外感和内伤因素都易损伤肺脏。肺主气，司呼吸，故肺病多以气机升降失常的证候为主［30］。中医肺系疾病涉及现代医学的肺炎、慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、过敏性鼻炎及肺癌等。上述疾病普遍存在发病率高、病程长、并发症多及治疗费用较高等情况，严重影响患者的身心健康［31-35］。以下将简述代谢组学在中医肺系疾病中的相关研究情况。

3.1肺炎Giovanni等［36］采用GC-MS技术对1至12岁获得性肺炎患者与正常组的尿液中的代谢物含量进行定量分析，同时运用微生物和生化相结合的保守算法发现，与正常组比较，获得性肺炎患者尿液中有20种代谢产物被鉴定并被认为是潜在的生物标志物。而肾上腺甾体合成和降解途径的6种代谢产物是鉴别获得性肺炎病因的最显著的代谢产物。

3.2慢性阻塞性肺疾病Junto等［37］运用LC-MS技术对慢性阻塞性肺疾病患者和健康人的血浆进行非靶向代谢组学和脂质组学分析发现，与健康人群比较，慢性阻塞性肺疾病患者共有142种差异代谢物；通路富集分析表明，有5条代谢通路受到干扰，且全部涉及氨基酸代谢。这些差异代谢物可能作为慢性阻塞性肺疾病诊断或预后的候选生物标志物，代谢通路可能为研究慢性阻塞性肺疾病的病理机制提供线索。

3.3支气管哮喘Ho等［38］采用LC-MS和GC-MS联用技术测定正常组和支气管哮喘模型小鼠的肺泡灌洗液中的代谢物，并运用正交投影-潜在结构判别分析进行多元统计发现，与正常组比较，模型组哮喘小鼠肺泡灌洗液中乳酸、苹果酸和肌酐等代谢物增加，碳水化合物（如甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖）减少，磷脂酰胆碱、三酰甘油、胆固醇、皮质醇和胆酸水平显著降低，提示小鼠肺部的能量、氨基酸和脂质代谢途径的改变可能与支气管哮喘的发生有关。

3.4过敏性鼻炎苟小军等［39］将过敏性鼻炎患者和健康人群的血清运用GC-MS技术进行测定，并对两组人群的差异代谢物进行了受试者工作特征曲线绘制并分析发现，曲线下面积大于0.5的物质有甘油酸、丝氨酸、苏氨酸等21种物质，结合代谢通路分析，其变化反映了过敏性鼻炎的发生可能与能量代谢、氨基酸代谢、脂肪酸代谢等代谢有关。

3.5肺癌Rocha等［40］运用NMR技术对肺癌患者和健康人群的血浆进行代谢组学分析发现，与健康人比较，肺癌患者血浆中的高密度脂蛋白、葡萄糖、柠檬酸、甲酸盐、醋酸盐、氨基酸（丙氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、缬氨酸）和甲醇水平明显降低，极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及丙酮酸明显升高，但这些变化只存在疾病的初始阶段。提示肺癌的发生与糖酵解、谷氨酰胺分解、糖异生和脂质分解代谢有密切关系。

4 代谢组学与肺系疾病不同证候相关研究

运用代谢组学技术在肺系疾病中的研究可能对肺系疾病的辨证分型提供客观化依据，现将代谢组学在肺系疾病不同证型中的研究进展做如下概括。

4.1（肺）寒证任靖等［41］采用GC-MS技术对病毒性肺炎风寒郁肺证患儿与正常儿童的血浆进行代谢组学分析发现，有丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等共14个差异性代谢产物。这些代谢物可影响到酸代谢、甘氨酸代谢、牛磺酸代谢等共5条代谢通路。另有研究对过敏性鼻炎肺虚感寒证患者和健康人血清中的内源性小分子代谢物进行分析，筛选出共23个差异代谢物，过敏性鼻炎肺虚感寒证患者血清中的丙氨酸、磷酸-甲酯、乙醇胺、甘油等9种物质显著上调，甘油酸、苏氨酸、天冬酰胺等14种物质显著下调［42］。

4.2痰热郁肺证边逊等［43］运用GC-MS技术对毛细支气管炎患者和正常人的尿液样本进行测定和分析发现，与正常人比较，毛细支气管炎患者共发现包括尿酸、乙酸、丙氨酸等15种差异代谢物。痰热闭肺组与风热闭肺组间有13种表达代谢物具有统计学差异，包括肉毒碱、1-赖氨酸、L-谷氨酰胺等。杨秀云等［44］纳入30例痰热壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者，采用1HNMR方法观察患者治疗前后血清差异代谢物发现，与治疗后比较，治疗前患者血清中谷氨酸、赖氨酸、丙酮酸等3种代谢物含量明显升高，极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及亮氨酸等9种代谢物含量明显下降。提示痰热壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者的能量代谢和蛋白质代谢出现紊乱。

4.3肾虚痰瘀证吴燕等［45］应用NMR技术对肾虚痰瘀型哮喘患者和健康人群的尿液进行代谢物筛选发现，共8种差异性代谢物，其中β-羟丁酸、酪氨酸和马尿酸共3种代谢物在肾虚痰瘀型哮喘患者的尿液中含量较健康人群显著降低，葡萄糖、乳酸、二甲胺等5种代谢物的含量显著升高。应用HPLC技术对两组尿液样本进行检测后发现，肾虚痰瘀型哮喘病患者尿液中的酪氨酸、天冬氨酸、胱氨酸等5种代谢物含量均明显低于健康人。运用不同技术检测和分析得到的代谢物均涉及葡萄糖代谢、氨基酸代谢以及脂肪酸代谢，可能为诊断肾虚痰瘀型哮喘提供借鉴。徐卫方等［46］应用NMR对慢性阻塞性肺疾病肾虚痰瘀证患者和健康人的血浆进行代谢物筛选发现，与健康人群比较，慢性阻塞性肺部疾病患者血浆中有异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸等14种差异性代谢物，所涉及异常的代谢通路包括氨基酸代谢、糖代谢及脂肪代谢。这可能为诊断慢性阻塞性肺部疾病肾虚痰瘀证提供借鉴。

4.4气阴两虚证通过使用HPLC-MS技术研究气阴两虚型慢性阻塞性肺疾病稳定期患者和健康人的血清发现，肌苷酸、三磷酸鸟苷、3-甲基组氨酸等9种代谢物在患者血清中较健康人有降低趋势，这些代谢物的变化涉及的代谢通路包括氮代谢、嘌呤代谢、氨基酰-tRNA生物合成、谷胱甘肽代谢及组氨酸代谢［47］。苟小军等［48］运用GC-MS技术对儿童哮喘气阴两虚型患者尿液进行检测发现，与健康受试者比较，气阴两虚证患者尿液中丁酸、丁二酸、L-脯氨酸、肌酐、2，4-二羟基丁酸、苯乙酸、4，5-三羟基戊酸、D-核糖、1H-吲哚、阿糖醇、甘氨酸、半乳糖酸、马尿酸、假尿苷水平显著升高；磷酸盐、L-苏氨酸水平显著下降。这些差异性代谢物涉及能量代谢、肠道菌群代谢和核苷酸代谢等4条代谢通路，这可能为寻找儿童哮喘气阴两虚证的物质基础提供参考。

4.5肺气虚证李博林［49］选择肺气虚型支气管哮喘患者和健康人，运用HPLC-MS技术对两组的血浆代谢物进行检测分析发现，与健康人比较，气虚型支气管哮喘患者血浆的代谢谱有明显不同，其中有9个差异性代谢物被认为是肺气虚型支气管哮喘的潜在代谢标志物。Liu等［50］采用HPLC-MS／MS技术检测慢性阻塞性肺疾病肺气虚证稳定期患者和健康人群的血浆代谢物发现，在慢性阻塞性肺疾病患者血浆中发现15种可能的疾病标志物。二者全谱氨基酸代谢组学结果也显示出不同的特点。

5 讨论

综上所述，现代医学运用代谢组学技术研究肺系疾病方面已经取得了一定的研究进展［51-53］。结合近期已发表的相关文献发现，肺系疾病的发生机制可能与氨基酸代谢、脂肪酸代谢、肠道菌群代谢及糖代谢有密切关系［54-55］。但是在运用代谢组学探索疾病证候，特别是肺系疾病的证候的物质基础的相关研究中，虽然初步得到部分证候的典型代谢产物，但受限于临床收集患者证型的典型度、样本量、病种以及不同疾病人群人口学特征匹配度低等局限，故还有待于扩大样本量。此外，各证型的辨证标准尚未完全达成共识、纳入及排除标准受临床医师主观因素等影响，有待日后进一步完善。

另外，中医药对于肺系疾病的研究多为非靶向代谢组学，进一步验证靶向代谢组学还需结合分子生物学技术。随着代谢组学的不断发展，将蛋白质组学与代谢组学的研究有机结合势必会成为下一步的发展趋势。代谢组学在深入揭示肺系疾病与证候的标志性代谢物，阐释中医证候的生物学本质，阐明相关疾病的病因机制、发生发展规律及早期诊断中发挥作用。