代謝組學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用與進(jìn)展

1、代謝組學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用與進(jìn)展一、學(xué)習(xí)指導(dǎo)1學(xué)習(xí)代謝組學(xué)的概念及內(nèi)涵，掌握代謝組學(xué)的研究對(duì)象與分析方法。2.熟悉代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析技術(shù)手段3了解代謝組學(xué)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)4了解代謝組學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用5了解代謝組學(xué)發(fā)展趨勢(shì)二、正文基因組功能解析是后基因組時(shí)代生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，由于基因功能的復(fù)雜性和生物系統(tǒng)的完整性，必然要從整體”層面上來(lái)理解構(gòu)成生物體系的各個(gè)模塊功能。隨著新的測(cè)量技術(shù)、高通量的分析方法、先進(jìn)的信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)新理論的發(fā)展，加上生物學(xué)研究的深入和生物信息的大量積累，使得在系統(tǒng)水平上研究由分子生物學(xué)發(fā)現(xiàn)的組件所構(gòu)成的生命體系成為可能1。系統(tǒng)生物學(xué)家們認(rèn)為，將生命科學(xué)上升為綜合”科學(xué)的時(shí)

2、機(jī)已經(jīng)成熟，生命科學(xué)再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物學(xué)時(shí)代進(jìn)入到系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代【2。系統(tǒng)生物學(xué)不同以往的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)僅關(guān)注個(gè)別基因和蛋白質(zhì)，它要研究所有基因、蛋白質(zhì)，代謝物等組分間的所有相互關(guān)系，通過(guò)整合各組成成分的信息，以數(shù)學(xué)方法建立模型描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)【3,4】。（一）代謝組學(xué)的概念及內(nèi)涵代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后，系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，也是目前組學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。代謝組學(xué)術(shù)語(yǔ)在國(guó)際上有兩個(gè)英文名，即metabolomics和metabonomics。Metabolomics是由德國(guó)的植物學(xué)家Fiehn等通過(guò)對(duì)植物代謝物研究提出來(lái)的，認(rèn)為代謝組學(xué)（metab

3、olomics）是定性和定量分析單個(gè)細(xì)胞或單一類型細(xì)胞的代謝調(diào)控和代謝流中所有低分子量代謝產(chǎn)物，從而監(jiān)測(cè)機(jī)體或活細(xì)胞中化學(xué)變化的一門科學(xué)5。英國(guó)Nicholson研究小組從毒理學(xué)角度分析大鼠尿液成份時(shí)提出了代謝組學(xué)（Metabonomics）的概念，認(rèn)為代謝組學(xué)是通過(guò)考察生物體系受擾動(dòng)或刺激后（如某個(gè)特定基因變異或環(huán)境變化后），其代謝產(chǎn)物的變化或代謝產(chǎn)物隨時(shí)間的變化來(lái)研究生物體系的代謝途徑的一種技術(shù)。國(guó)內(nèi)的代謝組學(xué)研究小組基本用metabonomics詞來(lái)表示代謝組學(xué)”嚴(yán)格地說(shuō)，代謝組學(xué)所研究的對(duì)象應(yīng)該包括生物系統(tǒng)中所有的代謝產(chǎn)物。但由于實(shí)際分析手段的局限性，只對(duì)各種代謝路徑底物和產(chǎn)物的小分子

4、物質(zhì)（MW<1Kd）進(jìn)行測(cè)定和分析。（二）代謝組學(xué)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)重要組成部分，代謝組可以更好地反映體系表型生物機(jī)體是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、多因素綜合調(diào)控的復(fù)雜體系，在從基因到性狀的生物信息傳遞鏈中，機(jī)體需通過(guò)不斷調(diào)節(jié)自身復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)來(lái)維持系統(tǒng)內(nèi)部以及與外界環(huán)境的正常動(dòng)態(tài)平衡DNA、RNA以及蛋白質(zhì)的存在為生物過(guò)程的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而代謝物質(zhì)和代謝表型所反映的是已經(jīng)發(fā)生了的生物學(xué)事件，是基因型與環(huán)境共同作用的綜合結(jié)果，是生物體系生理和生化功能狀態(tài)的直接體現(xiàn)。代謝組學(xué)放大了基因和蛋白表達(dá)的微小變化，從而使檢測(cè)更容易。細(xì)胞的功能在很大程度上體現(xiàn)于代謝水平的調(diào)節(jié)，比如某些相關(guān)基

5、因的表達(dá)譜相似，但代謝物譜或代謝通量（flux）卻差異明顯8;fluxome是基因組功能的終端體現(xiàn)，在擾動(dòng)情況下，由于基因或蛋白的補(bǔ)償作用，使最終代謝通量維持相對(duì)穩(wěn)定以抵消干擾效應(yīng)，但代謝物水平卻變化顯著，因此，細(xì)胞代謝物的濃度改變要比代謝通量變化敏感得多I9,10】?？梢?，基因和蛋白表達(dá)的細(xì)微變化都可能在相應(yīng)的代謝物水平上得到放大。代謝組學(xué)的研究不需建立全基因組測(cè)序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽（EST的數(shù)據(jù)庫(kù)，且代謝物的種類要遠(yuǎn)小于基因和蛋白的數(shù)目。與核酸和蛋白質(zhì)等大分子相比，小分子代謝物的數(shù)量以及空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要小得多，由于給定的代謝物在每個(gè)組織中都是一樣的，所以研究中采用的技術(shù)更為通用也更易被人

6、們所接受11。這對(duì)于借助多種甚至是全代謝物系統(tǒng)分析、快速準(zhǔn)確尋找相應(yīng)的生物標(biāo)記物和應(yīng)用代謝組新技術(shù)進(jìn)行代謝表型和功能基因組研究提供了極大的便利。（三）代謝組學(xué)的技術(shù)平臺(tái)及分析方法由于代謝物的多樣性，許多分析技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。最初代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于核磁共振光譜學(xué)，近來(lái)代謝組學(xué)運(yùn)用HPLGES-MS,HPLC和LC/MS/MS結(jié)合，HPLC和LC/TOF-MS結(jié)合，HPLC和UPLC/TOFMS（超高效液相色譜/時(shí)間飛行質(zhì)譜）結(jié)合等方法來(lái)進(jìn)行研究佗罔，MALDI-MS則能夠測(cè)量出比代謝產(chǎn)物更小的肽和蛋白碎片。質(zhì)譜作為常見的技術(shù)之一，目前發(fā)展了有飛行時(shí)間質(zhì)譜儀TOBMS、四級(jí)桿質(zhì)譜儀QMS、三

7、重四級(jí)桿質(zhì)譜儀QQQ,其中四級(jí)桿質(zhì)譜儀QMS最為常見，定量能力突出。一般根據(jù)樣品的屬性和研究目的來(lái)選擇并綜合利用多種技術(shù)平臺(tái)（圖1）。通常情況，研究植物與微生物常使用，HPLC和LC/MS/MS檢測(cè)代謝物，而在動(dòng)物樣品的研究中則更多地采用了核磁共振（NMR）技術(shù)。質(zhì)譜與核磁共振技術(shù)分析，這兩種分析方法各存在優(yōu)缺點(diǎn)，其中NMR樣品處理方法簡(jiǎn)單，對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)無(wú)破壞，可定量。近年來(lái)對(duì)同一研究目標(biāo)聯(lián)合多種分析方法進(jìn)行整合，所得結(jié)果信息量更加豐富14。圖1代謝組學(xué)常見硬件技術(shù)平臺(tái)代謝組學(xué)分析產(chǎn)生的是信息含量豐富的多維數(shù)據(jù)，由NMR或MS得到組織和體液的譜峰復(fù)雜，僅僅依靠譜圖對(duì)代謝物進(jìn)行指認(rèn)分析是不可能的，

8、因此有必要充分運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)理論和多元統(tǒng)計(jì)分析新方法對(duì)采集的多維海量原始信息進(jìn)行壓縮降維和歸類分析，從中有效挖掘出潛在關(guān)聯(lián)的信息和對(duì)代謝分析有用信息。對(duì)數(shù)據(jù)的分析多采用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法15，并建立專家系統(tǒng)對(duì)譜圖進(jìn)行解析，這種統(tǒng)計(jì)分析的方法類似于在基因組學(xué)、蛋自組學(xué)中所采用的數(shù)據(jù)處理模式。解決復(fù)雜體系中歸類問(wèn)題和標(biāo)記物鑒別的主要手段是模式識(shí)別，模式識(shí)別（ParternRecognization）是通過(guò)一系列的試驗(yàn)測(cè)量從而建立起數(shù)據(jù)內(nèi)部關(guān)聯(lián)的模式來(lái)澄清一個(gè)事物、預(yù)測(cè)它的起源。模式識(shí)別方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它不需要數(shù)學(xué)模型，需要的先驗(yàn)知識(shí)很少，擅長(zhǎng)處理復(fù)雜事物和多源數(shù)據(jù)，它對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)歧視的分析

9、，因此在代謝物組學(xué)研究的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中扮演著重要的角色。無(wú)論是內(nèi)源性物質(zhì)，還是外源性物質(zhì)的代謝產(chǎn)物峰，都能進(jìn)行全部分析。通常包括監(jiān)督和非監(jiān)督兩種分類方法，非監(jiān)督方法不需要有關(guān)樣品分類的任何背景信息，而監(jiān)督分類便于由已知有效推測(cè)未知。目前在代謝組學(xué)中運(yùn)用較多的包括主成分分析（PCA、層次聚類分析（HCA）、非線性影射（NLM）等非監(jiān)督分類方法，以及偏最小二乘法-判別分析（PLS-DA、k-最近鄰法（KNN）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）等監(jiān)督分類方法。在模式識(shí)別的各種方法中，主成分分析法（principalcomponentsanalysis，PCA）是最有用且最易使用的模式識(shí)別技術(shù)。經(jīng)典PCA線性降維的基

10、本思想是對(duì)原變量空間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換（方差最大化）以形成新的變量矩陣和誤差矩陣，即先計(jì)算原變量（n維）相關(guān)系數(shù)的協(xié)方差矩陣，再按矩陣特征根由大到小順序確定出原變量線性組合后的新變量主成分，目標(biāo)是盡量用較少（一般2或3維）的獨(dú)立主成分綜合體現(xiàn)原多維變量中蘊(yùn)含的絕大部分（習(xí)慣上85%）整體信息15。在代謝組學(xué)分析中，常通過(guò)PCA得分圖（scoreplot）以獲得對(duì)樣品分類的信息；通過(guò)PCA載荷圖（loadingplot）以發(fā)現(xiàn)可作為生物標(biāo)記物的變量。數(shù)據(jù)輸出的最終目的是將代謝組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一的格式16。分析儀器直接導(dǎo)出的元數(shù)據(jù)（metadata），由于原始譜圖的信號(hào)量大、噪音復(fù)雜、格式各樣、尺

11、度迥異、基線漂移和測(cè)試重現(xiàn)性等問(wèn)題17，不能直接用于模式識(shí)別分析，此前須經(jīng)過(guò)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如采用多種方法18,19進(jìn)行原始圖譜的分段積分、濾噪、峰匹配、標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化等處理，最后提取出二維數(shù)據(jù)表形式，即行代表樣品或試驗(yàn)數(shù)目；列表示相應(yīng)的單個(gè)測(cè)定指標(biāo)（通常為信號(hào)強(qiáng)度等）。（四）代謝組學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域4.1代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要集中于疾病狀態(tài)的診斷及疾病發(fā)病機(jī)制的研究?jī)蓚€(gè)領(lǐng)域。由于機(jī)體的病理變化，使得機(jī)體的代謝產(chǎn)物也產(chǎn)生了某種相應(yīng)的變化，對(duì)這些由疾病引起的代謝產(chǎn)物的變化進(jìn)行分析能夠幫助人們更好地理解病變過(guò)程及機(jī)體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑，有助于發(fā)現(xiàn)疾病新的生物標(biāo)志物和輔助臨床

12、的診斷。心臟病心臟疾病的研究是代謝組學(xué)技術(shù)研究最多的病種之一，也是相對(duì)較為有成就的病種之一。Brindie等20應(yīng)用1H-NMR技術(shù)，以血清與血漿為研究對(duì)象，對(duì)36例嚴(yán)重心血管疾病患者（TVD）和30例心血管動(dòng)脈硬化患者進(jìn)行謝組學(xué)研究，結(jié)合主成分分析（PCA等模式識(shí)別技術(shù)對(duì)心血管疾病及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判別，得到了高于90%的靈敏度及專一性。該方法具有最小限度的侵入性，僅需幾滴血液，利用核磁共振分析，然后再以計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)加以分類，就可以區(qū)分出心臟病前兆的核磁共振圖譜特征模式，優(yōu)于傳統(tǒng)的心血管造影術(shù)，用于心血管檢測(cè)具有快速、廉價(jià)、安全的優(yōu)點(diǎn)，且不良反應(yīng)少。而且檢測(cè)標(biāo)本（可以是血液、尿液等）無(wú)須

13、特殊的前期處理，可以有效地應(yīng)用于人群的篩查。Kostar等21用1H-NMR對(duì)已經(jīng)確診為冠心病的病人全血漿的脂質(zhì)進(jìn)行了分析。他們認(rèn)為目前嚴(yán)重的冠心病患者都伴隨有原生質(zhì)脂蛋白的改變。1HNMR是一種能夠提供快速全面的分析脂質(zhì)混合物的新方法，而且這種方法不需要化學(xué)變化或試驗(yàn)條件的預(yù)處理，對(duì)含氫的化合物均有響應(yīng)，能對(duì)代謝產(chǎn)物大多數(shù)化合物進(jìn)行檢測(cè)，定量容易，分析方法更加簡(jiǎn)便快捷。癌癥癌癥是世界最難以攻克的疑難雜癥之一，早期發(fā)現(xiàn)、早期預(yù)防、早期治療是治療癌癥的最有效方法。沈朋等22研究了乳腺癌患者血清蛋白質(zhì)和尿代謝物組的變化，發(fā)現(xiàn)了乳腺癌患者體液內(nèi)化學(xué)物質(zhì)與正常人相比特異性模式差異，Beckonert等

14、23用1HNMR方法觀測(cè)了乳腺癌組織中代謝產(chǎn)物的改變。研究發(fā)現(xiàn)，活體外NMR技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別和可視化技術(shù)可以通過(guò)對(duì)組織勻漿代謝產(chǎn)物的檢測(cè)區(qū)分不同的組織。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)組織不同代謝譜圖的分析，可以區(qū)分不同惡性程度的乳腺腫瘤組織和健康的乳腺組織。高血壓原發(fā)性高血壓中醫(yī)辨證分為肝火亢盛、痰濕雍盛及陰虛陽(yáng)亢三型，LUY-hong等24應(yīng)用GC/MS測(cè)定健康人及原發(fā)性高血壓病人血清內(nèi)源性代謝物，并用主成分分析（PCA卜偏最小乘方分析（PLSDA）和馬氏距離（MD）分析他們的代謝譜。PCA和PLSDA分析的結(jié)果表明：健康人與高血壓病人血清代謝譜有明顯差異，能夠被區(qū)分開，而且利用MD不僅可以清晰地區(qū)

15、分上述三種類型的高血壓，同時(shí)還顯示高血壓的發(fā)展過(guò)程。除此以外，代謝組學(xué)還參與了糖尿病、脂肪代謝類疾病、腎臟疾病等其他疾病等都得到廣泛的研究25，26，結(jié)果都顯示了一定的優(yōu)越性。4.2代謝組學(xué)在藥學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用代謝組學(xué)與藥物藥效及毒物毒理的篩選和評(píng)價(jià)、作用機(jī)制研究和個(gè)性化治療用藥等均密切相關(guān)，在藥學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用I27】。在藥物毒物作用機(jī)制中的應(yīng)用藥物對(duì)疾病的治療作用應(yīng)該是使機(jī)體代謝網(wǎng)絡(luò)中的不正常部分正?；瑫r(shí)又不干擾其他的代謝途徑。而藥物作用機(jī)制研究的是藥物在體內(nèi)起什么作用和如何起作用。代謝組學(xué)通過(guò)研究服藥后體內(nèi)內(nèi)源性代謝物的變化，直接反映出機(jī)體內(nèi)生物化學(xué)過(guò)程和狀態(tài)的變化，探索代謝指

16、紋圖譜變化的原因，進(jìn)而闡明藥物作用靶點(diǎn)和過(guò)程，揭示藥物作用機(jī)制。毒物作用機(jī)制的研究就是研究毒物在毒性損傷中所起的作用及其如何發(fā)揮作用。傳統(tǒng)的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)既耗時(shí)又難以確定毒物作用機(jī)制，而通過(guò)某種代謝物變化的特征作為一種特定指紋來(lái)判斷毒物作用機(jī)制，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)研究方法的不足。代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于毒性作用機(jī)制研究，其基本原理是毒性破壞正常細(xì)胞的結(jié)構(gòu)功能，改變代謝途徑中內(nèi)源性代謝物穩(wěn)態(tài)，從而通過(guò)直接或間接效應(yīng)改變細(xì)胞體液成分。生物體液的譜圖中所檢測(cè)到的是成百上千種代表著不同代謝路徑的化合物，正是這些對(duì)機(jī)體改變和損傷的代謝層面上的信息才能很好地表征這種改變和損傷。用代謝組學(xué)方法揭示的生物化學(xué)變化很容易與傳統(tǒng)

17、手段的測(cè)定結(jié)果相聯(lián)系，更容易發(fā)現(xiàn)藥物作用的生物化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制。彭雙清等28以引起肝臟毒性損傷的藥物異煙肼（INH）和利福平（RFP為研究對(duì)象。代謝組學(xué)研究結(jié)果表明，3個(gè)給藥組從第1天起其代謝軌跡就明顯偏離對(duì)照組和給藥前的代謝成分，14天的代謝軌跡均能明顯地與對(duì)照組的軌跡分開，說(shuō)明3個(gè)給藥組的代謝成分都發(fā)生了明顯改變，3種處理方式對(duì)肝臟的損傷存在不同的毒性機(jī)制。對(duì)尿液1HNMR圖譜分析、主成分分析和模式識(shí)別發(fā)現(xiàn)，INH組中出現(xiàn)檸檬酸鹽、琥珀酸鹽、葡萄糖和馬尿酸鹽代謝成分明顯降低而氨基已磺酸增高。RFP組中出現(xiàn)檸檬酸鹽、馬尿酸鹽和2-氧戊二（2-oxoglutarate）的降低。合用組中出

18、現(xiàn)檸檬酸鹽、琥珀酸鹽、馬尿酸鹽和2-氧戊二酸代謝成分的降低而氨基已磺酸增高。這些代謝成分的改變說(shuō)明INH組和合用組出現(xiàn)了典型性肝臟損害（氨基已磺酸增高），而且各給藥組影響了能量代謝中的三羧酸循環(huán)，糖酵解途徑發(fā)生了改變。INH與RFP合用肝毒性增加不僅與過(guò)氧化反應(yīng)增加有關(guān)，而且還與RFP增加細(xì)胞色素P450和P4502E1活力有關(guān)。代謝組學(xué)技術(shù)能夠很好區(qū)分出機(jī)體的不同中毒狀態(tài)，根據(jù)不同的代謝表型能夠區(qū)分出不同藥物的毒性作用機(jī)制。藥物安全性評(píng)價(jià)和在新藥研發(fā)中的應(yīng)用藥物安全性評(píng)價(jià)即預(yù)測(cè)藥物的毒性，用于提供藥物對(duì)人體危害程度的科學(xué)依據(jù)29。LIUCX30指出基于單個(gè)靶點(diǎn)的傳統(tǒng)藥物開發(fā)已走進(jìn)死胡同，一個(gè)

19、藥物的開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1012年，耗資也從原先34億美元增加到目前的8億美元。藥物開發(fā)需要新思維，代謝組學(xué)正是這種新思維產(chǎn)生的新技術(shù)手段，已逐步被應(yīng)用于新藥研究開發(fā)中。它可以對(duì)生物體給藥后的整個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，考察藥物的藥效和毒性與各代謝產(chǎn)物的濃度及其動(dòng)態(tài)變化之間的相關(guān)性，綜合分析代謝產(chǎn)物的變化特點(diǎn)及規(guī)律，全面評(píng)價(jià)藥物的價(jià)值和開發(fā)前景?，F(xiàn)在國(guó)外很多大的制藥公司如禮來(lái)，輝瑞等與帝國(guó)理工學(xué)院合作，利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)候選藥物篩選，極大地減少了藥物研發(fā)時(shí)間與成本，顯示了代謝組學(xué)在藥物研發(fā)上的優(yōu)勢(shì)。423代謝組學(xué)對(duì)個(gè)性化藥物治療的重要性31藥物基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)均可能對(duì)個(gè)性化藥物治療有幫助，

20、但均存在局限性。對(duì)藥物基因組學(xué)而言，因?yàn)榛虻膹?fù)雜性，對(duì)人類的研究中很難確定遺傳型為表現(xiàn)型還是基因型。一種DNA試驗(yàn)不能提供每個(gè)病人完全確定的藥物反應(yīng)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)通常運(yùn)用互補(bǔ)脫氧核糖核酸（cDNA）表達(dá)微陣列來(lái)研究基因轉(zhuǎn)錄，在個(gè)性化藥物治療中不起主要作用。蛋白組學(xué)研究由基因組編碼的蛋白，它與轉(zhuǎn)錄組學(xué)一樣都存在測(cè)定資源的有限性。未來(lái)的研究中蛋白組學(xué)可能有助于研究者區(qū)分一定的蛋白特征從而預(yù)測(cè)藥物的有效性和不良反應(yīng)。將蛋白組學(xué)與代謝組學(xué)結(jié)合起來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)基因組學(xué)的個(gè)性化藥物治療。代謝組學(xué)主要研究多細(xì)胞系統(tǒng)的代謝特征，補(bǔ)充代謝組學(xué)則研究單個(gè)細(xì)胞或者幾個(gè)細(xì)胞的代謝產(chǎn)物。代謝物組代表了即時(shí)的體內(nèi)外的刺激物的

21、總和分析，其價(jià)值在于，內(nèi)科醫(yī)生可根據(jù)病人的表型來(lái)分析病人的病程并制定治療方案。因此藥物代謝組學(xué)在個(gè)性化藥物治療和其他醫(yī)學(xué)方面有很大的發(fā)展空間。（五）代謝組學(xué)與中藥現(xiàn)代化中醫(yī)藥學(xué)是我國(guó)傳統(tǒng)優(yōu)秀文化的燦爛結(jié)晶，數(shù)千年來(lái)，為中華民族的繁衍昌盛做出了卓越貢獻(xiàn)。在人類與疾病做斗爭(zhēng)的過(guò)程中，中醫(yī)藥以其獨(dú)特的理論體系和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分展示了其安全有效、防病治病的作用。在科技發(fā)展日新月異的信息社會(huì)，中醫(yī)藥仍以其獨(dú)特的理論和實(shí)踐在世界醫(yī)林中占有一席之地。藥材的使用多為復(fù)雜的混合物體系，如何對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行有效控制和探明其作用的機(jī)理是傳統(tǒng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)隨著系統(tǒng)生物學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，其中特別

22、是代謝組學(xué)的高通量、整體性的研究技術(shù)和研究思路，對(duì)中藥方劑中活性物質(zhì)的分析方法及其代謝產(chǎn)物的藥代動(dòng)力學(xué)分析提供了新思路和新方法。代謝組學(xué)的研究思路，將為從現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)上解釋中藥的整體作用機(jī)制提供新方法，而代謝組學(xué)的研究成果，則可能為建立新型的基于代謝組學(xué)的中藥藥效評(píng)價(jià)的技術(shù)平臺(tái)做出貢獻(xiàn)。5.1中藥現(xiàn)代化中醫(yī)的證”是辨證論治的起點(diǎn)和核心，辨證綜合了產(chǎn)生病變的各方面（包括當(dāng)時(shí)的氣候和環(huán)境情況）因素和條件，并結(jié)合個(gè)體體質(zhì)、疾病發(fā)生的不同階段和表現(xiàn)，判定為不同的證，從而采用不同治法，通過(guò)合理配伍、適時(shí)調(diào)整藥量而達(dá)到治療效果。由于每一個(gè)證候都有其外象（外候）與內(nèi)涵，而外候是用四診-望、聞、問(wèn)、切所獲得

23、的信息進(jìn)行整理而得，很難量化，即使用流行病學(xué)方法加以分析，亦是靠專家經(jīng)驗(yàn)打分，最多亦只是半定量。這種診治的準(zhǔn)確性很大程度上依賴醫(yī)生的診療經(jīng)驗(yàn)。而代謝組學(xué)正具備反映和解決這些問(wèn)題的組”、群”、譜”集成的分析功能。它能夠通過(guò)檢測(cè)不同時(shí)間患者的尿液或血液，對(duì)這些代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析。代謝組學(xué)能夠幫助人們更好地理解病變過(guò)程及機(jī)體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑和代謝狀況，還有助于疾病生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)和輔助診斷，使診斷、治療達(dá)到個(gè)體化。其準(zhǔn)確性依賴于儀器的性能，可以提高診治的科學(xué)化、定量化，避免了人為因素的誤診。中藥運(yùn)用中醫(yī)陰陽(yáng)平衡理論和扶正祛邪等理論，合理配伍，從整體上治療許多疑難疾病。作為一個(gè)復(fù)合體系，多是配方使用，作

24、用靶點(diǎn)多，涉及多個(gè)基因和細(xì)胞，從整體上調(diào)節(jié)人體的平衡和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。中藥既需要研究單味藥及復(fù)方中各化學(xué)成分的理化性質(zhì)及生物活性，又需要研究化學(xué)成分間的反應(yīng)規(guī)律及與人體作用的靶系統(tǒng)和其協(xié)同作用方式。西方醫(yī)學(xué)對(duì)中藥復(fù)方的研究方法往往是采用解剖麻雀”的方法，拆方試驗(yàn)，以期最終找出作用明確的活性成分，但其不能反映方劑中藥物的君、臣、佐、使配伍規(guī)律，整體性作用機(jī)制很難在單一機(jī)制的藥理模型和分子水平上加以詮釋。因此，中藥要想繼續(xù)保持強(qiáng)大的生命力，不能僅停留在提取、提純有效成分的水平上，應(yīng)該以中醫(yī)藥理論為指導(dǎo)，借助現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的研究方法，對(duì)中藥進(jìn)行全方位的研究，采用的方法有別于西藥研究的方式，上升到對(duì)中藥系

25、統(tǒng)性的研究，以建立一個(gè)全新的與現(xiàn)代學(xué)科同質(zhì)的理論體系厲。系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)最基本想法是要把孤立在基因水平、蛋白質(zhì)水平的各種信息相互作用，使各種代謝、調(diào)控途徑及基因網(wǎng)絡(luò)之間的所有功能模塊和系統(tǒng)都聯(lián)系整合起來(lái)，用以說(shuō)明生物整體。應(yīng)用代謝組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)策略研究疾病及其治療過(guò)程與中醫(yī)藥的整體觀念和辨證論治思維不謀而合，即二者均把人體作為一個(gè)完整系統(tǒng)來(lái)研究。如果利用系統(tǒng)生物學(xué)的方法研究中藥的科學(xué)內(nèi)涵，有助于譯釋中醫(yī)理論的科學(xué)依據(jù)，勢(shì)必會(huì)促進(jìn)中醫(yī)藥學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)中醫(yī)中藥國(guó)際化的進(jìn)程。5.2代謝組學(xué)應(yīng)用于中藥研究我國(guó)研究者敏銳地感覺到將代謝組學(xué)技術(shù)溶入中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，中藥（尤其是復(fù)方

26、）的整體性作用機(jī)制和療效在系統(tǒng)代謝組學(xué)的研究方法下將可能得到充分的展示和挖掘。羅和古等對(duì)大鼠肝郁脾虛證的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)醋酸、乳酸、LDL酪氨酸與三羧酸循環(huán)能量代謝、糖酵解及脂肪和蛋白質(zhì)代謝途徑密切相關(guān)，上述內(nèi)源性代謝物的改變提示動(dòng)物能量代謝及脂肪、蛋白質(zhì)代謝功能異常，這與已知的應(yīng)激狀態(tài)動(dòng)物體內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)過(guò)程及結(jié)果相一致。分析這些內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)移機(jī)制和過(guò)程，可提示肝郁脾虛證的發(fā)生發(fā)展的潛在原因，從而揭示其生物學(xué)本質(zhì)33。陸益紅等以代謝組學(xué)研究自發(fā)性高血壓大鼠血漿及人參總皂苷作用機(jī)制。從代謝組學(xué)的研究結(jié)果看：人參總皂苷對(duì)SHR作用，體現(xiàn)了中藥的多組分、多靶點(diǎn)效應(yīng)，其作用方式與單靶點(diǎn)西藥

27、卡托普利不同，故兩者的代謝譜各異。盡管卡托普利降壓作用強(qiáng)，但整體改善疾病內(nèi)環(huán)境可能不及人參總皂苷。與經(jīng)典的血壓指標(biāo)測(cè)定、常規(guī)的臨床生化檢測(cè)及組織病理學(xué)檢查相比，代謝組學(xué)分析具有多種過(guò)去的檢驗(yàn)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)34。蔣寧等35應(yīng)用代謝組學(xué)方法研究研究快速老化模型小鼠（senesceneeacceleratedmice，SAM）的快速老化亞系SAM-prone/8（SAMP8）及同齡抗快速老化亞系SAM-resistanee/1（SAMR1）代謝產(chǎn)物的差別，并觀察六味（LW）及八味地黃湯（BW）對(duì)SAMP8代謝產(chǎn)物的影響，比較二方劑的作用機(jī)理，以12月齡雌性和雄性SAMR1及SAMP8為動(dòng)物模型，

28、灌胃給予LW和BW1個(gè)月后采集血清，應(yīng)用核磁共振方法測(cè)定核磁共振譜，檢測(cè)血清中的代謝產(chǎn)物，主成分分析法處理代謝組學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示SAMR1和SAMP8的血清代謝產(chǎn)物譜能夠相互區(qū)分，其中SAMP8血清中的乳酸、極低密度脂蛋白、飽和脂肪酸和甘油三脂含量明顯高于SAMR1,葡萄糖、磷脂酰膽堿和膽堿、不飽和脂肪酸、低密度脂蛋白和高密度脂蛋白的含量明顯低于SAMR1。給予LW和BW后均可影響SAMP8的血清代謝產(chǎn)物譜，SAMP8的代謝狀態(tài)得到了很大改善。給予LW后,SAMP8血清代謝物中葡萄糖的含量有了明顯的增加，膽堿和低密度脂蛋白的含量有所升高；極低密度脂蛋白的含量則有所減少。給予BW后，SAMP8血

29、清代謝物中葡萄糖和磷脂酰膽堿的含量明顯升高，而膽堿含量則較低。表明SAMR1和SAMP8的血清代謝產(chǎn)物譜存在明顯差異，主要在于乳酸、葡萄糖、磷酸膽堿和膽堿及脂類含量的差別。SAMP8可能存在糖酵解代謝障礙，葡萄糖代謝下降而引起的能量代謝障礙，膽堿能代謝低下及脂類代謝紊亂。給予LW和BW均能夠?qū)AMP8的血清代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響，提示LW和BW能夠在代謝網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)SAMP8的代謝紊亂起到調(diào)節(jié)和改善作用。這些LW和BW的反應(yīng)代謝產(chǎn)物為深入研究LW和BW的作用機(jī)制及腎陰虛、腎陽(yáng)虛的現(xiàn)代生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新的線索和依據(jù)。李伶36基于核磁共振的代謝組學(xué)技術(shù)方法研究了附子及其主要毒性生物堿對(duì)大鼠體內(nèi)代

30、謝譜的影響，分析了其毒性特征，并探討了代謝組學(xué)在中藥安全性研究中的應(yīng)用前景。研究表明，采用代謝組學(xué)方法能夠?qū)Ω阶蛹捌渲饕拘陨飰A對(duì)大鼠的代謝變化的影響進(jìn)行很好的表征和描述，能夠?qū)ζ涠拘宰饔眠M(jìn)行說(shuō)明。試驗(yàn)結(jié)果也表明代謝組學(xué)技術(shù)用于中藥毒性評(píng)價(jià)具有良好的應(yīng)用前景。黃玉榮等37采用代謝物組學(xué)方法研究鉤藤多動(dòng)合劑（簡(jiǎn)稱多動(dòng)合劑）的藥效作用及其治療兒童多動(dòng)癥的生化機(jī)制，觀察藥物對(duì)小鼠腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的影響。采用攀爬實(shí)驗(yàn)和自發(fā)行為實(shí)驗(yàn)研究多動(dòng)合劑對(duì)去水嗎啡小鼠模型的藥效作用，同時(shí)用高效液相色譜-電化學(xué)檢測(cè)方法研究其生化機(jī)制，觀察藥物對(duì)小鼠腦內(nèi)及血漿中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺（DA）和去甲腎上腺素（NE）的影響。

31、從而發(fā)現(xiàn)了具有療效的生物標(biāo)記物，認(rèn)為藥物的整體作用所產(chǎn)生的生物化學(xué)物質(zhì)（神經(jīng)遞質(zhì)）是其藥效的基礎(chǔ)物質(zhì)，證明多動(dòng)合劑的作用機(jī)制與受體有關(guān)。MinjunChen38等通過(guò)給大鼠注射氫化可的松造成類似中醫(yī)臨床腎陽(yáng)虛”證的大鼠動(dòng)物模型利用代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行了研究。為了監(jiān)測(cè)大鼠代謝網(wǎng)絡(luò)表達(dá)水平變化，研究人員分別收集各實(shí)驗(yàn)組大鼠尿樣，在樣品衍生化后運(yùn)用GC-MS聯(lián)用方法測(cè)定尿樣中內(nèi)源性代謝物的組成，所收集的分析數(shù)據(jù)輸入軟件而后采用多元統(tǒng)計(jì)分析等計(jì)算方法考察。研究表明，與對(duì)造組相比腎陽(yáng)虛狀態(tài)大鼠的代謝網(wǎng)絡(luò)明顯偏離正常范圍。隨著系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)的崛起和對(duì)代謝組學(xué)研究思想的了解，生命科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都逐漸參與到代謝組學(xué)的研究中來(lái)。代謝組檢測(cè)技術(shù)、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的進(jìn)一步創(chuàng)新，對(duì)疾病狀框下機(jī)體內(nèi)源物質(zhì)代謝譜和藥物作用代謝譜的分析中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多更靈敏的預(yù)示疾病或療效或毒性的生物標(biāo)記物，甚至是生物標(biāo)記物組，人們對(duì)中藥藥效和和作用機(jī)