代謝組學(xué)在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

代謝組學(xué)在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

自21世紀(jì)以來(lái)，全球分子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生命和疾病研究方法有所完善。由于生物多樣性，現(xiàn)代生物學(xué)沿著器官、組織和細(xì)胞的轉(zhuǎn)變，回到了完整的研究水平。這意味著生物時(shí)代的生物系統(tǒng)研究達(dá)到了一個(gè)新的水平。因此,基因組學(xué)(genomics)、轉(zhuǎn)錄物組學(xué)(transcriptomics)、蛋白組學(xué)(proteomics)以及代謝組學(xué)(metabonomics)等“系統(tǒng)生物學(xué)”(SystemsBiology)研究方法成為解釋生命奧秘和闡明疾病機(jī)制的新的重要手段。其中,代謝組學(xué)研究的核心思想在于運(yùn)用現(xiàn)代分析技術(shù)定量分析生物體不同狀態(tài)下(生理病理狀態(tài)、給藥前后等)功能蛋白如何產(chǎn)生能量和處理體內(nèi)物質(zhì),評(píng)價(jià)生物體體液中(包括血漿、尿液、組織液等)的內(nèi)源性和外源代謝物濃度與功能關(guān)系,通過(guò)代謝物圖的整體分析直接認(rèn)識(shí)生理病理及生化狀態(tài),結(jié)合化學(xué)信息學(xué)分析方法獲得相應(yīng)的生物標(biāo)記物群(biomarkers),表征或揭示生物體在特定時(shí)間、環(huán)境下整體的功能狀態(tài)。自1999年誕生以來(lái),代謝組學(xué)研究發(fā)展極為迅速,在疑難疾病診斷、新藥研發(fā)、藥效作用機(jī)制研究、藥物毒性及安全性評(píng)價(jià)等生命科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景,現(xiàn)已發(fā)展成為系統(tǒng)生物學(xué)研究領(lǐng)域中最為活躍的分支學(xué)科之一。中醫(yī)藥是中華民族的瑰寶,是幾千年臨床經(jīng)驗(yàn)的沉淀與樸素唯物主義哲學(xué)觀升華的結(jié)晶,其在人類(lèi)健康事業(yè)中的重要地位不容置疑。但是,我們也清醒地認(rèn)識(shí)到中醫(yī)藥認(rèn)識(shí)疾病的方法、理論均缺乏合適的現(xiàn)代科學(xué)表達(dá)體系,目前仍是一種不能與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相兼容、相通的“語(yǔ)言”。因而,建立溝通中醫(yī)藥與現(xiàn)代醫(yī)藥這兩種科學(xué)體系的橋梁成為了現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域的重要命題,最終建立一種集中西醫(yī)之長(zhǎng)的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式。系統(tǒng)生物學(xué)尤其是代謝組學(xué)的誕生,使得中西醫(yī)結(jié)合“橋梁”的輪廓逐漸清晰。代謝組學(xué)是從整體的“生化表型”來(lái)把握生物體的整體功能狀態(tài),傳統(tǒng)中醫(yī)藥是從生物體的外在表現(xiàn)及對(duì)生物體內(nèi)在聯(lián)系的抽象,根據(jù)“由外及內(nèi)”的思想方法了解生物體的整體功能狀態(tài),二者的學(xué)術(shù)思想方法具有內(nèi)在相通性。中醫(yī)藥的整體和系統(tǒng)思想局限在宏觀層面,帶有明顯的原生態(tài)特點(diǎn),而系統(tǒng)生物學(xué)是在全局分析、還原基礎(chǔ)上的再整合。因而,以代謝組學(xué)為主體的系統(tǒng)生物學(xué)研究方法是認(rèn)識(shí)中醫(yī)藥抽象整體觀思想的根本途徑,但我們也不能忽視中醫(yī)藥整體觀思想對(duì)于系統(tǒng)生物學(xué)研究再整合過(guò)程中的宏觀指導(dǎo)意義,只有兩種學(xué)術(shù)思想方法的融合與互動(dòng)、滲透才能促生一種最為科學(xué)、合理的現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)模式的誕生。2000年以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始廣泛關(guān)注運(yùn)用代謝組學(xué)研究技術(shù)探索中醫(yī)藥的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究,包括中醫(yī)“證候”學(xué)、中醫(yī)辨證施治個(gè)體診療規(guī)范化和科學(xué)化、中藥整體綜合療效、作用模式和安全性、中藥資源和質(zhì)量控制研究等,已經(jīng)取得了喜人的研究成果。本文就近年來(lái)國(guó)內(nèi)外代謝組學(xué)研究技術(shù)在中醫(yī)藥關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究中的應(yīng)用研究進(jìn)展情況進(jìn)行評(píng)述,提出目前存在的問(wèn)題,展望今后的發(fā)展方向和前景。1代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)1.1代謝研究的顯著性研究可資生物機(jī)體是一個(gè)整體化和網(wǎng)絡(luò)化的復(fù)雜體系,在基因-蛋白-代謝終產(chǎn)物這樣一個(gè)生物信息傳遞鏈中,機(jī)體需通過(guò)不斷調(diào)整復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)來(lái)維持自身與外界的互動(dòng)平衡。基因和蛋白質(zhì)的變化將告訴我們生命體可能會(huì)發(fā)生什么,而代謝物質(zhì)和代謝表型所反映的是已經(jīng)發(fā)生了什么,直接體現(xiàn)生物體系生理和生化功能狀態(tài)。與研究蛋白組或基因組相比,研究代謝組具有很大優(yōu)勢(shì):(1)生物體的小分子代謝產(chǎn)物所構(gòu)成的代謝組要比轉(zhuǎn)錄物組、蛋白組簡(jiǎn)單得多(例如釀酒酵母有6000多個(gè)基因,但代謝物僅有600個(gè)),那么分析代謝組就降低了樣本的復(fù)雜性;(2)對(duì)多數(shù)小分子內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的作用及其所在代謝通路、代謝調(diào)控已有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí),而目前對(duì)基因功能與調(diào)控的認(rèn)識(shí)仍相當(dāng)有限;(3)代謝組是基因功能活動(dòng)的終點(diǎn)。代謝控制理論(MCA)和實(shí)驗(yàn)證明在一個(gè)生化反應(yīng)中,雖然酶的濃度和代謝通量不會(huì)發(fā)生重大變化,但是代謝物的濃度會(huì)發(fā)生很大變化,因此針對(duì)代謝變化重大的代謝物進(jìn)行分析更加直觀,也更加敏感。代謝組是基因表達(dá)的下游產(chǎn)物,所以它更能正確地反映細(xì)胞的功能水平,與蛋白組或基因組相比,代謝組具有終點(diǎn)放大的特征。研究表明代謝通量不僅受基因表達(dá)控制,而且還受環(huán)境的調(diào)節(jié),因此,測(cè)量下游產(chǎn)物代謝物較為合適,而基因組、轉(zhuǎn)錄物組及蛋白組顯然不能反映這一調(diào)節(jié)作用對(duì)生物體整體功能狀態(tài)的影響,從這一角度分析,代謝組包含的信息量要大于基因組、蛋白組。(4)代謝組變化揭示的是系列關(guān)聯(lián)生物標(biāo)記物的綜合差異,要比傳統(tǒng)依賴單一標(biāo)志物的診斷方法具有更高的準(zhǔn)確性,而且其最小限度的侵入性以及時(shí)空動(dòng)態(tài)性,是基因組和蛋白組學(xué)研究所無(wú)法比擬的。(5)代謝物譜在不同生物樣本中基本上都是一樣的,再加上其檢測(cè)技術(shù)的多樣性,代謝組學(xué)的研究具有較好的便利性。代謝組學(xué)研究的上述優(yōu)勢(shì),在中醫(yī)藥系列關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,特別是在中藥整體綜合藥效作用的評(píng)價(jià)研究中具有十分重要的意義。眾所周知,中藥的作用特點(diǎn)體現(xiàn)在多組分、多靶點(diǎn)效應(yīng)在時(shí)間和空間上的協(xié)同整合,從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的整體藥效作用,但就單一藥效作用而言,中藥的作用與相應(yīng)的化學(xué)藥物相比通常較弱,這也是為什么不能簡(jiǎn)單應(yīng)用評(píng)價(jià)化學(xué)藥物的方法進(jìn)行中藥藥效作用評(píng)價(jià)的根本原因。代謝組即時(shí)反映生物體整體功能狀態(tài)及其終點(diǎn)放大的優(yōu)勢(shì),對(duì)于建立符合中藥多組分、多靶點(diǎn)協(xié)同整合效應(yīng)特征的新型藥效評(píng)價(jià)體系,無(wú)疑具有重要意義。1.2生物標(biāo)記物與形態(tài)、功能研究的相對(duì)關(guān)系完整的代謝組分析流程包括樣品的收集、生物反應(yīng)的淬滅、樣品預(yù)處理、儀器分析與鑒定、數(shù)據(jù)的分析及標(biāo)志物生物學(xué)意義解讀,最終認(rèn)知機(jī)體生化反應(yīng)機(jī)理和生命現(xiàn)象。主要技術(shù)手段包括LC-MS、GC-MS以及NMR等各種高通量、高分辨、高靈敏度的譜學(xué)技術(shù)。因?yàn)楦鞣N技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,同時(shí)考慮到內(nèi)源性化合物理化性質(zhì)的多樣性、濃度范圍差大等復(fù)雜性,采用各種技術(shù)聯(lián)用和方法整合的策略,保證盡可能精確地分析生物體系中盡量多的代謝組分,使得整個(gè)分析過(guò)程盡可能多的保留樣品中代謝物的整體信息,是今后代謝組學(xué)分析技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過(guò)生物分析獲得的代謝指紋譜,轉(zhuǎn)換為多維復(fù)雜數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)現(xiàn)代化學(xué)計(jì)量學(xué)和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域的新方法對(duì)其進(jìn)行降維和信息挖掘。目前常采用的包括主成分分析(PCA)、層次聚類(lèi)分析(HCA)、非線性影射(NLM)等非監(jiān)督分類(lèi)方法,以及偏最小二乘法一判別分析(PLS-DA)、k-最近鄰法(KNN)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)等監(jiān)督分類(lèi)方法,其中以PCA、PLS-DA方法最為常用。最終獲得生物標(biāo)記物,并結(jié)合目前相對(duì)成熟的代謝組學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),完成其功能分析和確認(rèn)。雖然儀器分析與化學(xué)信息分析是代謝組學(xué)研究的兩個(gè)必要手段,很大程度上決定了代謝組學(xué)的發(fā)展程度與速度,但當(dāng)前代謝組學(xué)研究的主要制約瓶頸在于如何闡明生物標(biāo)記物的生物學(xué)意義,將代謝組研究結(jié)果與形態(tài)、功能研究結(jié)果進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)。迄今為止,國(guó)內(nèi)外代謝組學(xué)研究大多仍停留在模式判別與生物標(biāo)記物的鑒定層次,對(duì)于發(fā)現(xiàn)的生物標(biāo)記物的生物學(xué)意義只是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的代謝通路分析,難以得出明確的結(jié)論,代謝組學(xué)研究結(jié)果與經(jīng)典的形態(tài)、功能學(xué)研究結(jié)果之間仍在存在較大的間隙(Gap)。目前,諸多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到代謝組學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題并不是技術(shù)手段,而是找準(zhǔn)切入點(diǎn)以及對(duì)代謝組研究所獲得的信息如何進(jìn)行充分的挖掘,必須考慮結(jié)合基因組、蛋白組等其他系統(tǒng)生物學(xué)研究手段以及經(jīng)典的形態(tài)、功能學(xué)研究方法。在中醫(yī)藥關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究中,我們既要充分利用代謝組學(xué)研究技術(shù)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到它的局限性,在當(dāng)前階段,應(yīng)重視與經(jīng)典研究方法、結(jié)果的銜接和結(jié)合,還應(yīng)注重中醫(yī)藥理論的指導(dǎo)。2代謝組研究在現(xiàn)代中醫(yī)研究中的應(yīng)用2.1中醫(yī)證候?qū)W研究的學(xué)術(shù)意義辨證論治是中醫(yī)學(xué)的特色與精華,也是中醫(yī)診治疾病的基本原則。“證候”乃是從整體性出發(fā),對(duì)個(gè)體疾病狀態(tài)下特征的描述以及對(duì)疾病內(nèi)在變化規(guī)律的概括,是中醫(yī)有別于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診療體系的一大特色和優(yōu)勢(shì)。辨證是以中醫(yī)基本理論為依據(jù)運(yùn)用中醫(yī)四診所收集的病人癥狀體征,通過(guò)分析、歸納與綜合,對(duì)疾病當(dāng)前的病位與病性等疾病本質(zhì)作出判斷。論治就是根據(jù)辨證的結(jié)果,確立相應(yīng)的治療法則。雖然流行病學(xué)和衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)使得中醫(yī)癥候診斷標(biāo)準(zhǔn)具有了一定的規(guī)范性和客觀性,但由于辨證主要依據(jù)病人的主觀感覺(jué)和醫(yī)生的診療水平,在具體運(yùn)用上受到醫(yī)患雙方主觀因素的影響,難以做到真正意義上的客觀化和量化,所以必須運(yùn)用現(xiàn)代研究技術(shù)手段進(jìn)行中醫(yī)“證”的本質(zhì)研究。代謝組所反映的是人體生化網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有擾動(dòng)因素進(jìn)行應(yīng)答和變化的終端信息,可能更接近于中醫(yī)“證”的內(nèi)涵。代謝組學(xué)研究的興起,為揭開(kāi)“證”的面紗提供了契機(jī),通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可以挖掘出某一病證相關(guān)的特定共性組分(群),對(duì)證加以量化,做到宏觀(證)與微觀(生物標(biāo)記物群)的結(jié)合,從而提高辨證論治的科學(xué)化、定量化和客觀化。本課題組基于GC/MS和GC-TOF/MS的代謝組學(xué)研究技術(shù)平臺(tái),開(kāi)展了臨床高血壓病人中醫(yī)辯證分型(包括肝火亢盛、痰濕雍盛及陰虛陽(yáng)亢三型)的血清代謝組學(xué)研究。研究表明健康人與高血壓病人的血清代謝譜有明顯差異,經(jīng)PCA和PLS-2DA分析能夠明顯區(qū)分開(kāi),證明代謝組學(xué)技術(shù)適用于高血壓相關(guān)研究。進(jìn)一步運(yùn)用PCA和馬氏距離法(MD),均能明顯區(qū)分三種不同證型的高血壓病人,且后者還可在一定程度上顯示三種證型的發(fā)展關(guān)系,肝火亢盛病人與陰虛陽(yáng)亢病人代謝組差異最大,符合中醫(yī)辨證分型的理論。在生物標(biāo)記物群的深入分析中發(fā)現(xiàn),陰虛陽(yáng)亢組病人中90%以上的生物標(biāo)記物水平顯著低于其他組,與中醫(yī)理論中“陰虛傷津”、能量耗竭的觀點(diǎn)驚人地吻合。這一研究成果極大鼓舞了我們運(yùn)用代謝組學(xué)研究技術(shù)揭示中醫(yī)“證”本質(zhì)、闡明“證”生物學(xué)基礎(chǔ)的信心。建立中醫(yī)“證”動(dòng)物模型是開(kāi)展符合中醫(yī)藥理論藥效評(píng)價(jià)的重要前提,但長(zhǎng)期以來(lái),由于中醫(yī)“證”的主觀不確定性,缺乏合適的動(dòng)物模型建立與評(píng)價(jià)方法,中醫(yī)“證”動(dòng)物模型研究爭(zhēng)議很大。根據(jù)不同種屬、不同品系動(dòng)物模型與人的代謝狀態(tài)的差異,以橋接標(biāo)記物為參考,尋找模擬人類(lèi)疾病且適用于藥效和毒性等研究的動(dòng)物模型,已成為代謝組學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。同樣,我們可以在確定中醫(yī)各“證型”的生物標(biāo)志物的基礎(chǔ)上,對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典中醫(yī)證候模型進(jìn)行再評(píng)價(jià)與確證,進(jìn)而尋找新的方法建立真正能夠體現(xiàn)中醫(yī)“證”本質(zhì)的動(dòng)物模型。這對(duì)于中藥整體藥效的臨床前評(píng)價(jià)、方劑配伍機(jī)理研究、“方證對(duì)應(yīng)”研究等中醫(yī)藥的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究具有十分重要的意義。可喜的是,目前國(guó)內(nèi)學(xué)者已初步開(kāi)展了相關(guān)研究工作,對(duì)大鼠慢性束縛應(yīng)激法所致肝郁脾虛證、睡眠剝奪法所致大鼠氣虛血瘀證、氫化可的松所致大鼠腎陽(yáng)虛證等中醫(yī)證動(dòng)物模型進(jìn)行了代謝組學(xué)研究工作,獲得了相關(guān)“證模型”的生物標(biāo)志物,為闡釋中醫(yī)證候的生物學(xué)本質(zhì)和病癥治療提供了證據(jù)。但目前還沒(méi)有關(guān)于中醫(yī)“證”動(dòng)物模型與臨床病人的代謝組學(xué)“橋接”研究,因而尚不能根據(jù)這些研究判斷相應(yīng)證動(dòng)物模型的合理性。盡管中醫(yī)證候系統(tǒng)是一個(gè)非線性的、多維多階的可以無(wú)限組合的復(fù)雜巨系統(tǒng),在動(dòng)物體完美再現(xiàn)、復(fù)制中醫(yī)證本質(zhì)特征十分困難,但我們認(rèn)為運(yùn)用代謝組學(xué)研究技術(shù),以調(diào)節(jié)“橋接生物標(biāo)記物群”為靶標(biāo),結(jié)合傳統(tǒng)的中醫(yī)理論,探索新型中醫(yī)證動(dòng)物模型的制作方法將具有十分重要的科學(xué)意義。2.2對(duì)中藥制劑作用物質(zhì)與作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)中藥藥效作用物質(zhì)基礎(chǔ)是現(xiàn)代中藥研究的核心之一,但中藥所含確切成分不清、作用途徑不明、靶點(diǎn)不定等因素給中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究帶來(lái)了巨大的困難。雖然提取和篩選臨床確有療效的中藥方劑的藥效物質(zhì)成分,研究其藥代動(dòng)力學(xué),結(jié)合分子藥理學(xué)、細(xì)胞分子生物學(xué)等學(xué)科深化了對(duì)中藥效應(yīng)成分、藥效作用和相關(guān)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。但從現(xiàn)有研究結(jié)果分析,中藥根本沒(méi)有優(yōu)于化學(xué)藥的作用特點(diǎn)可言,根本問(wèn)題在于我們忽視了中藥是在整體上治療疾病的,其整體性作用機(jī)制很難在單一機(jī)制的藥理模型和分子水平加以詮釋,這就需要我們建立適用于中藥多組分、多靶點(diǎn)整體綜合效應(yīng)的藥效評(píng)價(jià)體系和研究方法學(xué),代謝組學(xué)很有可能在這套符合中醫(yī)整體觀念的藥效評(píng)價(jià)體系建立中扮演不可或缺的角色。劉昌孝院士等應(yīng)用代謝物組學(xué)方法研究由鉤藤等多味中藥組成的多動(dòng)合劑的生物化學(xué)機(jī)制和作用靶點(diǎn)時(shí),采用LC-MS/MS法測(cè)定給藥動(dòng)物血清中多種內(nèi)源性神經(jīng)遞質(zhì)(Ach、DA、5-HT等)的動(dòng)態(tài)變化。從代謝物組成分和量的經(jīng)時(shí)變化發(fā)現(xiàn)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))是其藥效的物質(zhì)基礎(chǔ),證明多動(dòng)合劑的作用機(jī)制可能與DA受體變化有關(guān),示范性地進(jìn)行了中藥方劑作用靶點(diǎn)問(wèn)題的探索。隨后,國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了相關(guān)研究工作,可喜的研究成果相繼出現(xiàn)。賈偉課題組發(fā)現(xiàn)經(jīng)致癌劑處理腸道形成結(jié)腸癌癌前病變的大鼠,其尿中代謝物的組成與對(duì)照組出現(xiàn)明顯差異,用治療胃腸道疾病的左金丸灌服大鼠,可使癌前病變動(dòng)物的異常代謝恢復(fù)正常,并鑒定出了可能受中藥調(diào)控的幾條關(guān)鍵代謝途徑;其另一項(xiàng)代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)處于冷應(yīng)激的大鼠給予人參提取物后,動(dòng)物體內(nèi)包括兒茶酚胺類(lèi)、糖皮質(zhì)激素、三羧酸循環(huán)、腸道菌群代謝物等的多種不正常代謝途徑得以恢復(fù)。李發(fā)美等對(duì)補(bǔ)腎壯骨中藥淫羊藿、骨碎補(bǔ)及其組成的復(fù)方進(jìn)行了藥效物質(zhì)-代謝組學(xué)研究,利用UPLC-MS對(duì)中藥本身體內(nèi)外成分譜比較,動(dòng)物體內(nèi)基礎(chǔ)代謝物譜比較,發(fā)現(xiàn)這些中藥給予模型動(dòng)物后使體內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)不正常部分得以修復(fù),由此獲得的相關(guān)生物標(biāo)志物和產(chǎn)生的中藥藥效物質(zhì),探討作用機(jī)制。蔣寧等對(duì)經(jīng)典名方六味地黃湯對(duì)快速老化模型(SAM)小鼠的抗衰老作用的代謝組學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)其在代謝網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)SAM小鼠的代謝紊亂起到調(diào)節(jié)和改善作用,這些結(jié)果的獲得為深入研究六味地黃湯作用機(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。本課題組運(yùn)用代謝組學(xué)研究人參總皂苷雙向調(diào)節(jié)高血壓作用機(jī)制方面也進(jìn)行了積極的探索,發(fā)現(xiàn)自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)和正常大鼠(WKY)血漿代謝組存在明顯差異,SHR大鼠給予人參總皂苷后,血漿代謝譜向正常組代謝譜靠近,表明人參能夠使機(jī)體趨向正常,且人參總皂苷對(duì)于代謝組的整體調(diào)節(jié)作用明顯優(yōu)于卡托普利等化學(xué)降壓藥。分析相關(guān)生物標(biāo)志物十六酸、吡喃半乳糖、十八碳二烯酸、羥基丁酸等的形成、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制和過(guò)程,可以深入了解高血壓的發(fā)病機(jī)理和疾病過(guò)程,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)所展示的藥效具有整體性和較為客觀的生物學(xué)基礎(chǔ)。用代謝組學(xué)的方法來(lái)對(duì)比分析服用中藥或采用中醫(yī)療法前后,機(jī)體內(nèi)體液之間所存在的不同,以及藥物體內(nèi)外成分譜的比較,來(lái)證實(shí)中國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)中藥的作用物質(zhì)基礎(chǔ)和療效,已成為未來(lái)系統(tǒng)生物學(xué)研究中醫(yī)藥的重要手段。越來(lái)越多的西方學(xué)者也關(guān)注到了這一領(lǐng)域,試圖從中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中尋找創(chuàng)新源泉。陳竺院士認(rèn)為這是中醫(yī)藥現(xiàn)代化所面臨的前所未有的契機(jī),利用西方技術(shù)手段的支持,結(jié)合中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)在分子水平上的機(jī)制認(rèn)識(shí),將加快中醫(yī)與西醫(yī)的溝通和融合,將使其更好的被現(xiàn)代社會(huì)所認(rèn)可。雖然,國(guó)內(nèi)已在此方面取得了喜人的研究成果,但目前仍局限于中藥整體藥效作用的判別研究上,即無(wú)效或有效,如何基于代謝組學(xué)研究結(jié)果,對(duì)中藥整體藥效作用進(jìn)行定量表征,闡明中藥整體藥效作用區(qū)別于相應(yīng)單靶點(diǎn)化學(xué)藥物的作用特點(diǎn)是我們亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)命題,我們?cè)趪?guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.30630076)及國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃(2006BAI08B04-05)中提出了一些創(chuàng)新性的研究思路和方法,旨在運(yùn)用代謝組學(xué)研究技術(shù)思想建立符合中醫(yī)藥整體作用特征的新型藥效評(píng)價(jià)體系(圖1)。2.3中藥代謝組學(xué)研究純天然的中草藥并非是安全無(wú)毒的綠色藥物,在肯定中藥療效優(yōu)勢(shì),尤其是對(duì)以腫瘤、心血管疾病、糖尿病等為代表的慢性病的獨(dú)特療效的同時(shí),我們必須充分認(rèn)識(shí)“是藥三分毒”的警言。傳統(tǒng)中藥安全性評(píng)價(jià)采用選擇典型有效成分(或毒性成分)進(jìn)行研究的化藥研究思路,存在著不可忽視的片面性。而中藥毒性的產(chǎn)生和其藥效的作用模式是相通的,因此其安全性檢測(cè)也必須強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)化、動(dòng)態(tài)化和整體化。含馬兜鈴酸的中藥引起腎毒性為代表的中藥安全性問(wèn)題使得中醫(yī)藥的信譽(yù)和中藥現(xiàn)代化受到極大的負(fù)面影響,因此采用能夠反映整體思想的技術(shù)手段對(duì)中藥毒性和安全性進(jìn)行科學(xué)的、綜合的評(píng)價(jià)研究,已成為當(dāng)務(wù)之急。代謝組學(xué)是Nicholson等人在以NMR技術(shù)為基礎(chǔ)的藥物毒性評(píng)價(jià)體系建立的系統(tǒng)工作中首次提出的,藥物毒理研究也是目前代謝組學(xué)研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。代謝組學(xué)研究能夠快速、有效的分析藥物作用后體液中代謝物組的擾動(dòng),關(guān)聯(lián)已知生化代謝途徑,獲得關(guān)于外源物作用于生物體位點(diǎn)、途徑和強(qiáng)弱等相關(guān)信息,判別靶組織及毒副作用程度,建立藥物毒理數(shù)據(jù)庫(kù)、完善專(zhuān)家系統(tǒng),這將大大降低新藥的創(chuàng)新成本和研發(fā)周期。顯然代謝組學(xué)在中藥安全性毒性研究方面的應(yīng)用也具有重要意義,它能比傳統(tǒng)方法更快、更準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)毒性物質(zhì)和毒性規(guī)律,尤其是多層次、多靶點(diǎn)的綜合毒性反應(yīng)。而且試驗(yàn)樣品多為外周樣品(如尿),具有方便、無(wú)創(chuàng)、靈敏、可以連續(xù)多次采樣等突出優(yōu)勢(shì),可以做生物體的自身對(duì)照,能夠動(dòng)態(tài)的觀察毒性作用的發(fā)生、發(fā)展和恢復(fù)過(guò)程。以此作為研究中藥毒性的方法,對(duì)于確保中藥用藥的安全是積極可行的。近年國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)中藥安全性評(píng)價(jià)的代謝組學(xué)初步研究,賈偉課題組以馬兜鈴酸及相關(guān)中藥作為研究對(duì)象,以色譜質(zhì)譜聯(lián)用為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)技術(shù)研究馬兜鈴酸致腎毒性對(duì)機(jī)體代謝物整體的影響,從中獲取了馬兜鈴酸腎毒性的代謝模式特征,發(fā)掘出新的腎毒性生物標(biāo)志物,初步建立了代謝組學(xué)評(píng)價(jià)中藥腎毒性的新方法,研究還發(fā)現(xiàn)低劑量組6d后,非正常態(tài)的代謝網(wǎng)絡(luò)逐漸趨向正常,提示馬兜鈴酸的毒性與劑量選擇存在相關(guān)性。裴奉奎等運(yùn)用基于NMR代謝組學(xué)研究小劑量的馬兜鈴酸的肝腎毒性,在代謝水平同樣觀察到了部分恢復(fù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,體現(xiàn)了代謝組學(xué)在中藥長(zhǎng)期給藥致慢性中毒評(píng)價(jià)過(guò)程的優(yōu)越性。另外,李建新等采用NMR代謝組學(xué)方法研究雷公藤甲素的腎臟毒性,研究發(fā)現(xiàn)醋酸、乳酸、甘氨酸為腎臟皮層S1段毒性標(biāo)記物,甜菜堿、二甲基甘氨酸為腎乳頭、丙酮為腎臟皮層S3段的毒性標(biāo)記物。其中以醋酸鹽、甜菜堿和丙酮最為顯著。這些代謝物的變化說(shuō)明大鼠尿液代謝組學(xué)分析能夠較好地反映雷公藤甲素的腎毒性特征及其病變程度,并對(duì)毒性作出早期預(yù)測(cè)。本課題組基于GC-TOFMS代謝組學(xué)研究方法也開(kāi)展了雷公藤甲素肝腎毒性相關(guān)研究工作,發(fā)現(xiàn)其急性毒性存在一定的劑量相關(guān)性,同時(shí)在高劑量2.4mg·kg-1·d-1狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)作為肝臟受損指標(biāo)的牛璜酸(taurine)水平增加(文章待發(fā)表),而李建新等在0.4mg·kg-1·d-1的劑量并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肝臟毒性變化,提示代謝組學(xué)研究結(jié)果將有利于從整體水平確定藥物的治療窗,相比于單指標(biāo)的藥效/毒性評(píng)價(jià)更為可靠?？偠灾?代謝組學(xué)能夠從整體的角度對(duì)中藥的毒性量效關(guān)系和毒性機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的闡釋。結(jié)合經(jīng)典的分子生物學(xué)手段,將對(duì)中藥毒性進(jìn)行整體-局部-系統(tǒng)的全面理解,進(jìn)而指導(dǎo)中藥臨床安全用藥。2.4中藥指紋圖譜與中藥質(zhì)量控制植物(藥用)代謝組學(xué)在國(guó)外早已開(kāi)展,已有成功利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)擬南芥突變株進(jìn)行大規(guī)?；蚝Y選的例子。植物在不同年齡、不同發(fā)育階段、不同部位以及光照、水肥、耕作等環(huán)境因素的影響下具有不同的代謝產(chǎn)物組成和數(shù)量。我們可以應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)藥材不同生長(zhǎng)狀態(tài)下的不同代謝物組作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行考察,用于藥材質(zhì)量控制和優(yōu)選種質(zhì)資源,注重中藥指紋圖譜所忽視的分子本質(zhì)和初生代謝物的影響,更具全面性和優(yōu)越性。中國(guó)工程院印發(fā)的劉昌孝等10人提出的《關(guān)于開(kāi)展中藥代謝組學(xué)研究的建議》(見(jiàn)《科學(xué)時(shí)報(bào)》2007年7月24日)指出,我國(guó)有藥用植物近12000種,中藥資源在不到20年的時(shí)間里已經(jīng)銳減至6000余種,400種常用藥材中有20%以上處于短缺狀態(tài)。市場(chǎng)上的“道地藥材”多是“有其名,無(wú)其實(shí)”,還有相當(dāng)一部分中藥材由野生型改為人工繁育后,其產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生了量或質(zhì)的改變。為確保中藥資源的數(shù)量和質(zhì)量,國(guó)家已經(jīng)建立了數(shù)百個(gè)中藥材規(guī)范化種植基地,但其質(zhì)量控制缺乏科學(xué)的手段,中藥的可持續(xù)發(fā)展和利用問(wèn)題亟待解決。中藥指紋圖譜在中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)中毫無(wú)疑問(wèn)扮演著很重要的角色,在中藥及其制劑中應(yīng)用非常廣泛,幾乎涵蓋了所有常見(jiàn)中藥和相關(guān)制劑產(chǎn)品,如李萍等對(duì)貝母、冬蟲(chóng)夏草、黃芪、四季青、金銀花等中藥及其相關(guān)復(fù)方的化學(xué)成分進(jìn)行了深入研究,闡明了其有效部位和化學(xué)成分,建立了這些藥材和復(fù)方的有效成分群化學(xué)指紋圖譜和多個(gè)指標(biāo)成分同時(shí)定量的質(zhì)量控制方法。我們可以把中藥指紋圖譜研究看作是藥用植物代謝組學(xué)研究的一種初級(jí)形式,如果能夠運(yùn)用更高靈敏度與分辨率的現(xiàn)代儀器分析技術(shù),結(jié)合代謝組學(xué)的研究技術(shù)思想,將更進(jìn)一步解決中藥質(zhì)量控制的復(fù)雜性難題。中藥質(zhì)量控制的代謝組學(xué)研究已有一些報(bào)道,研究發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)方法對(duì)中藥的產(chǎn)地,含量和提取方法均能靈敏檢測(cè)區(qū)分,是中藥道地性、品質(zhì)及加工水平等方面有效的檢測(cè)方法,也是中藥制劑工藝質(zhì)量控制的有效手段。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)不同發(fā)育階段的青蒿進(jìn)行了代謝組學(xué)的探索性研究,發(fā)現(xiàn)青蒿酸和二氫青蒿酸轉(zhuǎn)化為青蒿素的轉(zhuǎn)率存在生長(zhǎng)期間可能存在制約瓶頸?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是,藥用植物代謝組學(xué)的深入開(kāi)展將對(duì)中藥質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的建立產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2.5中醫(yī)的代謝組學(xué)和或個(gè)體化治療是中醫(yī)和西醫(yī)都希望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)的醫(yī)療模式。國(guó)際上基于單核苷酸多態(tài)性(SNPs)分析的“個(gè)體化醫(yī)療”特點(diǎn)已經(jīng)基本確立。通過(guò)對(duì)SNPs與疾病和藥物治療的關(guān)聯(lián)性分析,使得醫(yī)生不僅可以通過(guò)所檢測(cè)出的SNPs來(lái)預(yù)測(cè)、確定與疾病有關(guān)的基因,同時(shí)也將能夠事先把握患者個(gè)體對(duì)于某種藥物的反應(yīng)特點(diǎn),并根據(jù)這一特點(diǎn)選擇治療效果最好、不良反應(yīng)等危險(xiǎn)性最小的藥物進(jìn)行準(zhǔn)確的治療。其意義在于強(qiáng)調(diào)和注重人體內(nèi)在因素和個(gè)體差異在疾病診療上的影響。但我們知道個(gè)體差異的形成不僅受先天遺傳因素的影響,同樣也會(huì)受到后天環(huán)境因素的影響,而后天因素的影響與個(gè)人生活環(huán)境(自然、社會(huì))、生活條件密切相關(guān)。因此以基因組學(xué)和蛋白組學(xué)為基礎(chǔ)的個(gè)體化醫(yī)療存在著一定的局限性,而代謝組學(xué)是反映即時(shí)的體內(nèi)外變化引起的綜合分析,因此藥物代謝組學(xué)(Pharmaco-metabonomics)在個(gè)體用藥和其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)有很大的發(fā)展空間,有助于完善基因組學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)體化藥物治療。具有幾千年歷史的中醫(yī)一直秉承著個(gè)體用藥的特質(zhì),根據(jù)病人個(gè)體的不同,疾病進(jìn)程的演變,用藥的劑量和種類(lèi)都是相應(yīng)變化的。其特點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)后天生活方式、習(xí)慣和病程中的影響和作用的關(guān)注上,同時(shí)還體現(xiàn)在辨證論治的靈活性上。在中醫(yī),雖然兩個(gè)人都患有同樣的疾病,但基于每個(gè)人的具體情況卻可能接受不同的治療,這和西醫(yī)的個(gè)體化給藥雖然在思路上是一致的,但具體用藥迥然不同,中藥常用湯劑,是中醫(yī)醫(yī)生基于每一位患者辨證結(jié)果開(kāi)具的“個(gè)人專(zhuān)用藥方”,而在西醫(yī)的個(gè)體用藥基本在單一藥物選擇和劑量?jī)?yōu)化兩個(gè)層面,因此中醫(yī)用藥的復(fù)雜性是一把雙刃劍,一方面中醫(yī)用藥的靈活性最大程度的實(shí)現(xiàn)了個(gè)體用藥,另一方面用藥標(biāo)準(zhǔn)缺乏客觀描述,量化,診斷依據(jù)相對(duì)模糊,難免出現(xiàn)非正常的“個(gè)體化”用藥,再加上一般中藥起效慢,延誤病情的個(gè)案時(shí)有出現(xiàn)。代謝組學(xué)研究技術(shù)的應(yīng)用將中醫(yī)臨床辨證施治及個(gè)體化用藥研究的科學(xué)客觀評(píng)價(jià)帶來(lái)新的希望。3中藥代謝組學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)代謝組學(xué)作為一門(mén)新興的學(xué)科,國(guó)內(nèi)研究相對(duì)起步較早,與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距不大,尤其