基于代谢组学的中医药防治心力衰竭的研究进展

张雪莎,彭芳

作者单位: 671000 云南省大理市,大理大学药学院(张雪莎、彭芳)

671000 云南省大理市,云南省昆虫生物医药研发重点实验室(彭芳)

心力衰竭(HF)是一种发病率和死亡率均较高的心血管疾病,也是其他心血管疾病如高血压、冠心病发展的终末期阶段,是我国居民病死的主要原因之一[1],HF的防治一直是医学界讨论的热点话题。中医药是中华民族的瑰宝,是我国临床用于防治HF的重要手段。中医学强调人体本身的统一性和整体性,代谢组学是系统生物学的一部分,其系统观与中医学的整体观念相通[2]。本文就近年基于代谢组学就中医药防治HF的研究进行综述,以期为临床防治HF提供参考。

1 HF差异代谢物的研究概况

1.1 HF机体能量代谢机制 心脏通过将血液泵出血管输送至全身来维持机体的正常运转,在生理状态下心脏工作需要消耗大量能量,这些能量主要由机体葡萄糖代谢和脂肪酸β氧化代谢提供[3],当糖脂代谢异常导致能量供应不足于维持心肌生命活动时,机体会动员氨基酸代谢加强供能,因此推测HF的发生发展与机体内三羧酸循环、糖脂代谢、氨基酸代谢有关[4]。在病理状态下,心脏的能量代谢发生了改变,导致心肌能量供应不足,而不足的能量供应又会加重HF,周而复始,患者的心脏负担日益加重,继发其他并发症,进而增加患者病死率。因此,改善心脏能量代谢不失为一种治疗HF的新方法。

1.2 HF机体代谢差异物研究 代谢组学是利用现代技术定量分析机体所有代谢物,探究这些代谢物与机体病理生理的关系,寻找药物干预前后差异代谢物以判断药物对病理机体的作用。因此,探究HF机体与正常机体的差异代谢物是利用代谢组学分析HF的中医学诊断及中药干预效果的关键。但HF并不是一种简单的临床综合征,根据病情严重程度和射血分数又可分为不同类型[5],而不同类型及同种类型不同发展阶段的HF机体代谢物存在差异[6]。故近年来虽关于HF的代谢组学研究较多,但研究的生物代谢标志物却各有不同,目前尚无统一的代谢标志物。有研究对比分析了健康人群与HF患者血浆中氨基酸含量,结果显示,HF患者的必需和非必需氨基酸含量均较低,中医药介入治疗后患者的心功能有所改善,这些必需和非必需氨基酸含量趋于健康人群水平[7]。除了疾病分型和发展阶段不同引起研究的生物代谢标志物不同外,同一个体收集的不同分析样本差异代谢物的分析结果也不同。常用的分析样本有血液、尿液、粪便及肠内容物等。有研究发现,当样本为尿液时,慢性HF患者的差异代谢物主要为尿苷和丙氨酰色氨酸,表明心脏局部的嘧啶代谢及色氨酸代谢参与了HF的发生发展[8]。钟森杰等[9]以血浆为样本,研究HF大鼠与健康大鼠的差异代谢物,结果显示,HF大鼠的多种非必需氨基酸、花生四烯酸、丙酮酸浓度均高于健康大鼠,而丙二酸、尿素以及必需氨基酸色氨酸、亮氨酸的浓度低于健康大鼠[10],氨基酸浓度异常说明其代谢异常,氨基酸代谢异常提示糖脂代谢为心肌提供的能量已不足以维持机体运转,需要氨基酸代谢供能。

2 基于代谢组学防治HF的中医药手段

中医学认为,HF的根本病因是心气亏虚,属本虚标实之证,本虚以气虚为主,常兼阳虚、阴虚,标识以血瘀为主,常兼水饮、痰浊,发病机制可概括为“虚”“淤”“水”,故其治疗原则为益气、活血、利水[11]。HF的发病机制与病情变化较复杂,单纯西药治疗或单纯中药治疗均难以取得最佳疗效。《慢性心力衰竭中西医结合诊疗专家共识》[12]推荐中药和西药联合治疗HF患者以增强疗效。目前,临床上使用中成药辅助治疗HF的现象较为普遍,但由于中成药具有化学成分复杂,具体作用机制难以明确,应用于临床的有效性和安全性的证据不足[11]。目前利用代谢组学技术探究中医药治疗HF作用机制的研究较多,为中医药应用于临床提供了更多证据。

2.1 基于代谢组学方法探究中医药治疗HF作用机制的研究概况 参麦注射液的主要成分包括红参和麦冬,源自生脉饮[13],可纠正心肌缺血缺氧状态,适用于治疗HF[14],已有多项研究基于代谢组学方法研究其治疗HF的作用机制,但研究方法和样本不同,导致结果也有所差异。王邵梅[15]采用单盲、随机、对照研究对HF患者分组并对其中一组给予参麦注射液干预,检测HF患者治疗前后血清中游离脂肪酸、葡萄糖、丙酮酸和乳酸等代谢物的变化及心肌代谢过程中关键酶和转运体的表达,结果显示,经参麦注射液治疗后游离脂肪酸、丙酮酸、乳酸水平下降,并发现参麦注射液可上调参与能量代谢的关键酶及转运体蛋白表达,进而调节心肌细胞的能量代谢,保护受损心肌,最终达到治疗HF的目的。钟森杰等[16]采用气相色谱—质谱联用技术及多元统计分析了HF大鼠血浆代谢情况,结果发现,参麦注射液使HF大鼠的亮氨酸、鸟氨酸、丙氨酸、4-羟基—脯氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、苏糖醇、丙酮酸、尿素浓度趋于健康大鼠;其另一项研究将样本换成粪便,结果表明,参麦注射液使HF大鼠神经氨酸、尿苷、丙氨酰色氨酸、酪氨酰缬氨酸、苯丙氨酰甘氨酸、牛磺脱氧胆酸、粪甾烷酸、白三烯E4水平上调[17]。表明参麦注射液可通过调节HF患者的氨基酸、蛋白质、糖代谢来恢复心肌细胞的能量代谢,从而达到改善HF患者心功能的效果。

黄芪是心血管疾病的常用中药,牛倩芸[2]利用核磁共振(NMR)技术对大鼠血清和尿液中的代谢物进行分析,结果在血清中发现了甘油、亮氨酸、β葡萄糖、肌醇等17项生物标志物,尿液中发现了琥珀酸、马尿酸、尿囊素等8项生物标志物,涉及到脂质代谢、氨基酸代谢、糖代谢、嘌呤代谢、苯丙氨酸代谢等10条代谢通路紊乱,而给予黄芪干预后,发现其对HF大鼠糖代谢、氨基酸代谢、苯丙氨酸代谢等均有纠偏效应,对嘌呤代谢有调节作用。欧红令等[18]采用超高液相色谱—质谱联用技术对HF患者血清的代谢组物进行分析后发现,应用参芎葡萄糖注射液能有效调节HF患者血清小分子代谢物如组氨酸、牛磺酸、磷酸胆碱、白三烯A4甲酸、柠檬酸、乳酸含量,从而改善患者的心功能指标。

《慢性心力衰竭中医诊疗专家共识》[11]指出,HF阳气亏虚者可选用芪苈强心胶囊。Li等[19]采用随机、双盲、安慰剂对照试验对比HF患者使用芪苈强心胶囊与安慰剂治疗后心功能指标变化情况,结果发现,芪苈强心胶囊能明显降低HF患者N末端脑钠肽前体(NT-proBNP)水平、提高左心室射血分数(LVEF),进而有效治疗HF。常丽萍[20]对给予芪苈强心胶囊治疗后的HF大鼠血浆样本进行分析,发现芪苈强心胶囊能调节HF大鼠的2-羟基丁酸、甲基丙二酸、3-羟基丁酸水平,并提出可将这3种有机酸作为HF代谢组学研究的生物标志物,从而为芪苈强心胶囊治疗HF的作用机制提出一种可能,也为中成药应用于临床提供更充分的依据。陈品良[21]通过随机对照试验对使用心阳片治疗的HF气阳虚血瘀水停证患者的血液样本采用液质联用仪液相色谱—质谱联用仪检测分析后发现,心阳片的作用机制可能为通过反向性上调溶血磷脂酰胆碱(LPC)等7个血浆代谢物,反向性下调13-HPODE等25个血浆代谢物,同向性上调4-乙氧基-N-氨基苯酚调节代谢以改善心功能。李洁[22]通过对给予芪参益气方治疗的HF大鼠的血液进行分析,结果显示该药通过参与涉及缬氨酸、乳糖、亮氨酸、同型半胱氨酸和异亮氨酸的降解、葡萄糖丙氨酸循环、糖异生、酮体代谢、乙酰基向线粒体的转移等代谢通路的调节来治疗HF。郭丽君[23]采用酶联免疫吸附法检测参附强心丸对HF大鼠血清心房利钠肽(ANP)、脑钠肽(BNP)的影响,结果发现参附强心丸通过降低ANP和BNP水平延缓心室重构,进而发挥抗HF的作用。

2.2 基于代谢组学探究HF中医诊断的研究进展 一项通过质谱分析的新型代谢组学生物标志物的研究表明,组氨酸、精氨酸、苯丙氨酸可用于诊断HF,与临床上常用的BNP相似[24]。在中医学中,HF可分为气虚血瘀、气阴两虚血瘀、阳气亏虚血瘀3种证型。杨梦等[25]用代谢差异物对中医诊断HF研究进行归纳总结,结果发现不同分型HF患者有不同的特征标志物,但不同分型HF的代谢途径相似,均会出现糖脂代谢、能量代谢和氨基酸代谢紊乱。谭楠楠[26]通过收集HF患者的尿液,利用NMR对尿液样本进行分析,发现血红蛋白和尿液代谢物3-甲基戊二酸、同型半胱氨酸、岩藻糖、肌酐、顺式乌头酸与慢性HF气虚证相关,可鉴别诊断慢性HF气虚证。

2.3 基于代谢组学肠道微生物的研究 以肠道微生态为靶标,诠释中医药防治慢性HF的科学内涵,会再次更新慢性HF的治疗理念,从而提高慢性HF的治疗效果[27]。有研究发现随着HF的发生发展,机体会伴随肠道结构和功能的改变,HF患者的肠动脉血流量减少,且HF的严重程度与肠动脉血流量减少有关[28]。一项对肠道细菌16SrRNA基因测试结果显示,HF患者肠道菌群的结构发生显著改变,这种改变是HF发展的潜在因素[29]。有研究通过使用Cox比例风险回归分析探讨了由膳食胆碱和L-肉碱被肠道细菌代谢生成的三甲胺与心血管预后之间的关系,发现三甲胺是心肌梗死后慢性HF患者发生主要不良事件的预测指标,更加揭示了HF的发生发展与肠道微生物菌群有着密切关系[30]。除此之外,很多药物对心功能不全患者也是通过改变病变的肠道结构和肠道菌群发挥治疗作用。林王欧等[31]通过实验研究观察益气活血药对心肌梗死大鼠的肠黏膜和肠道菌群变化的影响,发现益气活血药干预可改善心肌梗死大鼠肠道形态结构,提高小肠的消化与吸收能力,调节小肠菌群。益生菌可调节肠道菌群,一项对益生菌布拉氏酵母菌治疗HF的随机双盲对照研究结果显示,布拉氏酵母菌可降低HF患者的血肌酐、尿酸、超敏C反应蛋白等炎性标志物水平,改善LVEF、左心室血管内径从而改善心功能[32]。肠道微生物的研究不仅对治疗HF有帮助,还有望在中医对HF辩证分型提供依据[27]。

虽然基于代谢组学的研究中不同中药通过调节不同的代谢成分发挥治疗HF的作用,但其作用机制的共同之处均是通过调节糖脂代谢、氨基酸代谢以及肠道菌群来缓解心脏供能障碍,进而达到治疗HF的效果。除治疗之外,代谢组学技术还可用于诊断HF分型,其与肠道菌群研究相结合对诊断、治疗HF具有一定的参考价值。

3 代谢组学的常用研究技术

代谢组学常用NMR、色谱[包括气相色谱(GC)和液相色谱(LC)]、质谱(MS)等技术手段定量分析代谢物[24],这几种研究工具各有优劣。NMR作为首个应用于代谢组学样本研究,很小的研究样本即可进行分析,且不会破坏样本,但其灵敏度低于MS,对于浓度较低的代谢物分析不够准确。MS较NMR更灵敏[24,33],可以检测大量的代谢物,针对低浓度的代谢物常使用色谱进行分析,但MS分析工艺较为复杂,代谢分子需要提前用色谱识别和分析[34]。在实际应用中,由于代谢物不固定,应用单一的研究技术常无法满足需求,需要实施代谢组学的整合[10],目前可用NMR-LC、LC-MS、GC-MS及其联合来分析血液、尿液、肠内容物、粪便样本。对于代谢物明确的定量分析使用何种方法取决于该代谢物的物理性质如极性、挥发性、热稳定性等。

4 小结与展望

HF是一种慢性消耗性疾病,HF的防治方案一直是临床上急需解决的难题。中医药是我国延续数千年行之有效的传统医疗方法,是我国古代医药者智慧的结晶,但其经验治疗的特点限制了其在国际上的传播与推广。代谢组学方法被国人用于中医药的研究,揭示了HF的发生发展与机体能量代谢的关系,为中医药应用于临床提供了依据。肠道菌群对心血管疾病的发生发展具有密切关系,基于代谢组学与肠道菌群相结合研究为中医诊断HF、中药治疗HF的作用机制探讨开拓了新思路。

利益冲突:所有作者声明无利益冲突。