基于多组学技术整合的中药复方治疗溃疡性结肠炎的作用机制研究进展

姜丽，徐霞，张文彤，严小军，徐国良，黄丽萍 （. 江西中医药大学中医基础理论分化发展研究中心，江西 南昌 000；2. 江西省中医病因生物学重点实验室，江西 南昌 000；. 江西省中药药理学重点实验室，江西 南昌 000；. 山东大学齐鲁医院德州医院，山东 德州 25000）

中药复方作用机制研究是中药现代化的关键和核心，国内外学者对此进行了很多有益的探索，并提出中药复方是通过多组分、多靶点、多环节整合起效的观点。因此，需要从整体角度来理解中药的作用机制。随着生命科学的飞速发展和大数据时代的到来，基于化学基因组学、基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学等多组学技术，分别从化学小分子、基因、蛋白、转录体以及代谢物层面为中药作用机制的深度研究提供了有力手段。溃疡性结肠炎（Ulcerative colitis，UC）是一种结肠黏膜的慢性非特异性炎性疾病，主要起于直肠，连续向近端扩散，常累及阑尾周围。由于此病症缠绵难愈，反复发作，已被世界卫生组织列为现代难治病之一[1-2]。常用的药物疗法（如氨基水杨酸制剂、糖皮质激素）、干细胞移植、白细胞吸附等[3]治疗手段虽然见效快，疗效显著，但毒副作用较大，只能用于维持和预防疾病。而中药复方对UC 这种多因素导致的复杂慢性疾病的临床治疗表现出显著优势，可降低复发率、减少不良反应和激素依赖及激素抵抗、提高患者生活质量、缩短治疗疗程等[4-5]。目前普遍认为UC 的发生主要与免疫、细胞凋亡、遗传、物理环境和感染等多种因素的共同作用有关[6-7]。因此，仅从单一药效层面阐释中药复方治疗UC 的作用机制研究往往存在局限性。

转录组学可全面快速地获取某一物种特定器官或组织在某一状态下的几乎所有转录产物，用于研究UC 条件下和正常情况下该物种转录水平的差异，为从转录组学水平探讨UC 发病机制提供了思路和方法。代谢组学可对血浆、尿液及粪便等多个生物样品代谢物进行系统表征，探讨UC 引起的机体代谢表型变化，并鉴定代谢网络中与之相关的潜在生物标志物，揭示UC 的发生机制，为进一步探究UC 的病因病机提供了重要的途径。随着高通量测序技术的发展，中药复方与肠道菌群的相互作用研究越来越深入，在此背景下，中医药在治疗疾病时对肠道菌群的影响，又可从肠道微生态角度阐释中医药治疗UC 的机制。因此，通过转录组学、代谢组学、肠道微生物组学等多种现代分析技术整合手段与中医药相结合，为中药复方作用机理的阐明提供了新的出路。本文从转录组学、代谢组学、肠道微生物组学等多角度对中药复方治疗UC 的作用机理进行了深入探讨，并对各种技术在应用层面的内在联系加以阐述，以期为预防和治疗UC 及其并发症提供新的方法与途径，同时也对中药复方作用机制的认识有所裨益。

1 基于多组学技术的中药复方对UC 的作用机制研究

1.1 基于转录组学研究中药复方对UC 的作用机制转录组学（Transcriptomics）可以通过研究完整的RNA转录组对细胞和组织中的基因表达模式进行全基因组评估。转录组研究改变了单一基因的研究模式，使基因表达调控和基因组研究进入了快速发展的时代。转录组学中“组学”的概念与中医“整体”的思想是一致的。Wang 等[8]通过16S rRNA 测序、转录及代谢组学等方法研究吴茱萸碱治疗UC 的作用机制，发现吴茱萸碱对葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎的缓解与嗜酸乳杆菌数量的增加和醋酸盐的产生有关。

1.2 基于代谢组学研究中药复方对UC 的作用机制代谢组学（Metabonomics）研究的对象是相对分子质量小于1 000 的内源性小分子，其可通过观察代谢物的动态变化来研究刺激或干扰（例如特定的基因突变或环境变化）前后的内源性代谢物变化网络。在探讨中药多成分、多靶点的复杂药效和作用规律时，代谢组学对机体的整体性认识与突出整体效应的中医药学思想有一定的趋同性，可根据机体整体代谢产物在不同病症状态下的变化规律，评价中药复方效应及作用机制[9-11]。此外，代谢组学可对血浆[12]、尿液[13]及粪便[14]等多个生物样品代谢物进行系统表征，探讨不同证型UC 模型及中药干预后引起的机体代谢表型变化和调控网络[15-16]，并鉴定代谢网络中与之相关的潜在生物标志物，揭示中药方剂的作用机制。同时，由于代谢物处于生物信息的末端，代谢谱反映了基因组、转录组和蛋白质组的变化及相互间协调作用的最终信息，能够直接反映出生物体的代谢表型特征[17-20]。因此，随着检测技术的迅猛发展，利用代谢组学研究中药复方作用机制已成为中药研究的热点之一。Wang 等[21]通过对尿液代谢组学的分析，发现UC 通过影响氨基酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成，以损害三羧酸循环而引起炎症和胃肠道反应。黄芩汤可通过调节上述代谢过程，从而使代谢紊乱恢复正常，揭示了黄芩汤对三硝基苯磺酸（TNBS）所致大鼠UC 的作用机制。Li 和Liao 等[22-23]通过超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱法（UPLC-Q-TOF-MS/MS）对小鼠的尿样和粪便进行分析，采用靶向代谢组学验证结果，发现小檗碱可通过调节氨基酸代谢、脂肪代谢等改善UC，此研究从代谢组学角度探讨了小檗碱治疗UC 的作用机制。Qu等[24]采用UPLC-MS/MS 法，以代谢物图谱和靶向代谢物分析来表征广藿香醇给予UC 小鼠后血浆中小分子代谢物的变化，结果揭示了广藿香醇治疗UC 的作用机制。

1.3 基于肠道微生态研究中药复方对UC 的作用机制肠道微生态（Intestinal Microecology）由肠道菌群及其肠道环境构成，肠道菌群包括生活在人类肠道中的所有微生物，影响人类健康和疾病治疗[25-28]。近年来，很多研究已经认识到UC 的发生发展与肠道菌群的紊乱具有一定的关系，肠道菌群与黏膜免疫系统间的相互作用可能也是其发生和反复发作的重要原因之一[29-31]。因此，UC 的发生发展及治疗与肠道菌群之间紧密相关。大量研究表明，中医药可改善肠道菌群，在预防和治疗UC 等疾病中发挥重要作用[32-35]。Cui 等[36]发现黄芪多糖可通过改善肠道屏障功能，调节肠道微生物区系，可改善DSS 诱导的UC。Li 等[37]发现积雪草乙醇提取物对DSS 诱导的UC具有显著疗效，其抗炎作用可能有赖于黏膜屏障和肠道微生物区系稳态的恢复。Zhou 等[38]通过16S rRNA 分析肠道微生物区系组成、Western Blotting 检测磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K/Akt）信号通路相关蛋白，明确了左金丸可能是通过激活PI3K/Akt 信号通路来达到减轻UC 症状的目的。

2 转录组学、代谢组学与肠道微生态的内在关系及其在中药复方治疗UC 作用机制的整合应用

2.1 转录组学与代谢组学 转录组学作为基因表达的媒介，集合了许多差异表达基因和大量调控网络的信息，与生物样品的基因组有直接联系。而代谢组学可呈现生物样本在代谢层面上的生理状态，是构成生物样本复杂表型的基础，反映了细胞功能和表型的变化情况[9-11]。转录组学和代谢组学的联合应用能实现对时序表达的差异基因与差异代谢物进行共表达分析[39]，探索差异基因和差异代谢物之间的关联性，确定代谢通路、找到关键的差异表达基因，最后阐明其具有的潜在生物学意义[40-41]。基于生物信息学数据库的转录组学和代谢组学的联合分析在挖掘关键差异表达基因和关键代谢途径等方面表现出强大优势，能够更加全面、更加系统透彻地分析生物样本的作用机制及复杂的分子功能。Bjerrum 等[42]采用全基因组方法对患者活检的降结肠进行转录分析，并用核磁方法研究其代谢组学，鉴定生物标记物和探索UC 作用机制。结果表明结合两种方法的优点可优化UC 患者用药，使个性化用药成为可能。

2.2 转录组学与肠道微生态 20 世纪兴起的宏基因组学很大程度上解决了大部分微生物因不能分离培养而难于研究的问题，避免了其他固有技术（如聚合酶链式反应）在应用中易出现的实验偏差，同时也免去了一些费时耗力的实验步骤（如文库构建）[43]。但是该技术仍无法对微生物群落结构及代谢，特别是无法明确微生物因适应环境而做出的响应。转录组学可以将特定条件下的生物群落及其功能联系到一起，对群体整体进行各种相关功能的研究，能够直接检测转录的活性基因，聚焦于样品中活性群落，降低群落的复杂度[44]。此方法能够描述微生物群落中的代谢活性成分，为鉴定和分析微生物群落特异性变种的关键功能基因提供了新方法。Li 等[45]采用转录组和16S rDNA 测序的方法研究飞扬肠胃炎胶囊对UC 小鼠的作用机制。结果表明飞扬肠胃炎胶囊可通过改善肠道菌群、调节炎性因子、抑制抑瘤素M（OSM）/抑瘤素M 受体（OSMR）途径发挥治疗作用，阐明了飞扬肠胃炎胶囊对UC 小鼠的保护作用机制。

2.3 代谢组学与肠道微生态学 目前，对肠道微生物的研究多采用宏基因组，又叫微生物环境基因组学、元基因组学。它是以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象，以功能基因筛选和测序分析为研究手段，直接提取环境样品中的宏基因组进行高通量测序和生物信息学分析，可提供大量的基因信息，用于研究肠道微生物系统的多样性，并可提供肠道微生物潜在的功能信息，从而成为菌群多样性和功能相结合研究的工具。然而，鉴定人体肠道哪一种微生物执行特定的代谢转化，以及肠道菌群代谢产物对肠道疾病或肠道健康的作用是微生物学家一直面临的挑战。代谢组获得的内源性成分是在代谢酶的作用下生成最终产物，离生物的表型或生理状态最近。与疾病表型相关的特定代谢物可以通过基于粪便、血浆、尿液或其他生物体液的质谱或核磁共振代谢组学进行鉴定，揭示基因和表现型之间的关系，达到监测和推断基因功能的目的[47]。因此，代谢组学数据结合肠道菌群进行分析，既可发现物种间的关系，也能找出微生物与代谢途径之间一一对应的关系[46]。Su 等[47]采用16S rDNA 测序技术和气相色谱-质谱法探讨五味子多糖对DSS 诱导的小鼠UC 的作用及其机制。结果发现五味子多糖能将炎症因子调节到正常水平，同时能显著调节肠道微生物区系的平衡。Fan 等[48]通过16S rRNA 测序分析肠道微生物区系结构，对寄主和微生物在结肠中的代谢物进行代谢组学分析来确定芍药苷治疗UC 的作用机制。结果表明芍药苷通过调节肠道微生物产生的吲哚-3-乳酸和上皮细胞自噬，从而减轻小鼠结肠炎症状。Zou 等[49]采用16S rRNA 基因测序和代谢组学相结合的方法研究理中汤对UC 小鼠的治疗作用，发现小鼠体内与肠道炎症相关的条件致病菌减少、益生菌增加，粪便代谢物中腺苷降低、胆酸增加等，提示理中汤对UC 小鼠的作用机制可能通过调节肠道微生物区系结构和粪便代谢物谱来实现。

3 讨论

目前，针对UC 的中医药作用机制研究，多数仅通过单一手段从单一因素入手，并未考虑UC 的发生发展不仅与遗传易感性、免疫调节等宿主因素相关，也与肠道微生态失衡密切相关。尽管转录组学、代谢组学、肠道微生态等单一分析方法可以提供不同生命进程或者疾病组与正常组及药物干预组相比的差异生物信息，然而，这些分析往往具有局限性。基于UC 病因病机复杂、病程缠绵难愈且并发症多等特点，很难用单一的理论模式阐明UC 的发病机制。如转录组学也只限于对基因表达方面的研究；代谢组学能够直接反映生物表型，但对微生物的多样性、基因表达方面的研究不足；肠道菌群研究可以测定肠道微生物多样性等，但无法明确微生物适应环境而做出的响应。

随着大数据时代的到来，高通量、高效的多组学联合分析已成为必然趋势。多组学联合分析通过将基因、mRNA、调控因子、蛋白、代谢等不同层面的信息进行整合，构建基因调控网络，深层次理解各个分子之间的调控及因果关系，从而更深入地认识疾病进程和药物作用机理。简言之，多组学整合分析技术除了提供数据的拼接及挖掘，更是为基础生物学以及疾病发病机制和药物作用机制研究提供了新思路，在探究UC 的发病机制和治疗方面可提供极大的帮助。因此，基于现代多组学技术整合对于UC的作用机制解读拥有巨大优势，越来越多的研究者通过两种或两种以上组学研究方法从基因、菌群以及代谢产物等水平共同解释UC 病变过程及中药复方作用机制等科学问题。因此建议，应充分利用中药复方治疗优势，克服其成分不清、机理不明等不足，基于多组学策略研究，结合多组学的数据集进行多层次关联分析，全面系统地阐释UC 疾病特征，才能更加深入地了解UC 的发病机制，为UC 的中医药防治提供新的思路与途径。