代謝組學在醫(yī)藥領域的應用及進展

1、. 代組學在醫(yī)藥領域的應用與進展一、學習指導1.學習代組學的概念及涵，掌握代組學的研究對象與分析方法。2.熟悉代組學數(shù)據(jù)分析技術手段3.了解代組學優(yōu)勢特點4.了解代組學在醫(yī)藥領域的應用5.了解代組學開展趨勢二、正文基因組功能解析是后基因組時代生命科學研究的熱點之一，由于基因功能的復雜性和生物系統(tǒng)的完整性，必然要從整體層面上來理解構成生物體系的各個模塊功能。隨著新的測量技術、高通量的分析方法、先進的信息科學和系統(tǒng)科學新理論的開展，加上生物學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發(fā)現(xiàn)的組件所構成的生命體系成為可能1。系統(tǒng)生物學家們認為，將生命科學上升為綜合科學的時機已經成

2、熟，生命科學再次回到整合性研究的新高度，逐步由分子生物學時代進入到系統(tǒng)生物學時代2。系統(tǒng)生物學不同以往的實驗生物學僅關注個別基因和蛋白質，它要研究所有基因、蛋白質，代物等組分間的所有相互關系，通過整合各組成成分的信息，以數(shù)學方法建立模型描述系統(tǒng)構造3,4。一代組學的概念及涵代組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后，系統(tǒng)生物學的重要組成局部，也是目前組學領域研究的熱點之一。代組學術語在國際上有兩個英文名，即metabolomics和metabonomics。Metabolomics是由德國的植物學家Fiehn等通過對植物代物研究提出來的，認為代組學metabolomics是定性和定量分析單個

3、細胞或單一類型細胞的代調控和代流中所有低分子量代產物，從而監(jiān)測機體或活細胞中化學變化的一門科學5。英國Nicholson研究小組從毒理學角度分析大鼠尿液成份時提出了代組學Metabonomics的概念，認為代組學是通過考察生物體系受擾動或刺激后如*個特定基因變異或環(huán)境變化后，其代產物的變化或代產物隨時間的變化來研究生物體系的代途徑的一種技術6。國的代組學研究小組根本用metabonomics一詞來表示代組學。嚴格地說，代組學所研究的對象應該包括生物系統(tǒng)中所有的代產物。但由于實際分析手段的局限性，只對各種代路徑底物和產物的小分子物質MW85%整體信息15。在代組學分析中，常通過PCA得分圖sco

4、re plot以獲得對樣品分類的信息；通過PCA載荷圖loading plot以發(fā)現(xiàn)可作為生物標記物的變量。數(shù)據(jù)輸出的最終目的是將代組數(shù)據(jù)轉化為標準化和統(tǒng)一的格式16。分析儀器直接導出的元數(shù)據(jù)metadata，由于原始譜圖的信號量大、噪音復雜、格式各樣、尺度迥異、基線漂移和測試重現(xiàn)性等問題 17 ，不能直接用于模式識別分析，此前須經過原始數(shù)據(jù)的預處理，如采用多種方法 18，19進展原始圖譜的分段積分、濾噪、峰匹配、標準化和歸一化等處理，最后提取出二維數(shù)據(jù)表形式，即行代表樣品或試驗數(shù)目；列表示相應的單個測定指標通常為信號強度等。四代組學應用領域4.1. 代組學在醫(yī)學領域的研究應用代組學在醫(yī)學中的

5、應用主要集中于疾病狀態(tài)的診斷及疾病發(fā)病機制的研究兩個領域。由于機體的病理變化，使得機體的代產物也產生了*種相應的變化，對這些由疾病引起的代產物的變化進展分析能夠幫助人們更好地理解病變過程及機體物質的代途徑，有助于發(fā)現(xiàn)疾病新的生物標志物和輔助臨床的診斷。4.1.1 心臟病心臟疾病的研究是代組學技術研究最多的病種之一，也是相對較為有成就的病種之一。Brindle等20應用1H-NMR技術，以血清與血漿為研究對象，對36例嚴重心血管疾病患者TVD和30例心血管動脈硬化患者進展組學研究，結合主成分分析PCA等模式識別技術對心血管疾病及其嚴重程度進展判別，得到了高于90%的靈敏度及專一性。該方法具有最小

6、限度的侵入性，僅需幾滴血液，利用核磁共振分析，然后再以計算機模式識別技術加以分類，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，用于心血管檢測具有快速、廉價、平安的優(yōu)點，且不良反響少。而且檢測標本(可以是血液、尿液等)無須特殊的前期處理，可以有效地應用于人群的篩查。Kostar等21用1H-NMR對已經確診為冠心病的病人全血漿的脂質進展了分析。他們認為目前嚴重的冠心病患者都伴隨有原生質脂蛋白的改變。1H NMR是一種能夠提供快速全面的分析脂質混合物的新方法，而且這種方法不需要化學變化或試驗條件的預處理，對含氫的化合物均有響應，能對代產物大多數(shù)化合物進展檢測，定量容易，分

7、析方法更加簡便快捷。4.1.2 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)、早期預防、早期治療是治療癌癥的最有效方法。朋等22研究了乳腺癌患者血清蛋白質和尿代物組的變化，發(fā)現(xiàn)了乳腺癌患者體液化學物質與正常人相比特異性模式差異，Beckonert等23用1H NMR方法觀測了乳腺癌組織中代產物的改變。研究發(fā)現(xiàn)，活體外NMR技術結適宜當?shù)哪Ｊ阶R別和可視化技術可以通過對組織勻漿代產物的檢測區(qū)分不同的組織。研究發(fā)現(xiàn)，通過對組織不同代譜圖的分析，可以區(qū)分不同惡性程度的乳腺腫瘤組織和安康的乳腺組織。4.1.3 高血壓原發(fā)性高血壓中醫(yī)辨證分為肝火亢盛、痰濕雍盛及陰虛陽亢三型，LU Yi-hong等24

8、應用GC/MS測定安康人及原發(fā)性高血壓病人血清源性代物，并用主成分分析(PCA)、偏最小乘方分析PLS-DA和馬氏距離MD分析他們的代譜。PCA和PLS-DA分析的結果說明：安康人與高血壓病人血清代譜有明顯差異，能夠被區(qū)分開，而且利用MD不僅可以清晰地區(qū)分上述三種類型的高血壓，同時還顯示高血壓的開展過程。除此以外，代組學還參與了糖尿病、脂肪代類疾病、腎臟疾病等其他疾病等都得到廣泛的研究25，26，結果都顯示了一定的優(yōu)越性。4.2 代組學在藥學領域的研究應用代組學與藥物藥效及毒物毒理的篩選和評價、作用機制研究和個性化治療用藥等均密切相關，在藥學領域中有著廣泛的應用27。在藥物毒物作用機制中的應用

9、藥物對疾病的治療作用應該是使機體代網(wǎng)絡中的不正常局部正?；?，同時又不干擾其他的代途徑。而藥物作用機制研究的是藥物在體起什么作用和如何起作用。代組學通過研究服藥后體源性代物的變化，直接反映出機體生物化學過程和狀態(tài)的變化，探索代指紋圖譜變化的原因，進而說明藥物作用靶點和過程，提醒藥物作用機制。毒物作用機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)的毒理學實驗既耗時又難以確定毒物作用機制，而通過*種代物變化的特征作為一種特定指紋來判斷毒物作用機制，可以彌補傳統(tǒng)研究方法的缺乏。代組學技術應用于毒性作用機制研究，其根本原理是毒性破壞正常細胞的構造功能，改變代途徑中源性代物穩(wěn)態(tài)，從而通

10、過直接或間接效應改變細胞體液成分。生物體液的譜圖中所檢測到的是成百上千種代表著不同代路徑的化合物，正是這些對機體改變和損傷的代層面上的信息才能很好地表征這種改變和損傷。用代組學方法提醒的生物化學變化很容易與傳統(tǒng)手段的測定結果相聯(lián)系，更容易發(fā)現(xiàn)藥物作用的生物化學物質根底和作用機制。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為研究對象。代組學研究結果說明，3個給藥組從第1天起其代軌跡就明顯偏離對照組和給藥前的代成分，14天的代軌跡均能明顯地與對照組的軌跡分開，說明3個給藥組的代成分都發(fā)生了明顯改變，3種處理方式對肝臟的損傷存在不同的毒性機制。對尿液1HNMR圖譜分析、主成分分析和

11、模式識別發(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成清楚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-o*oglutarate)的降低。合用組中出現(xiàn)檸檬酸鹽、琥珀酸鹽、馬尿酸鹽和2-氧戊二酸代成分的降低而氨基已磺酸增高。這些代成分的改變說明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氧化反響增加有關，而且還與RFP增加細胞色素P450和P4502E1活力有關。代組學技術能夠很好區(qū)分出機體的不同中毒狀態(tài)，根據(jù)不同的代表型能夠區(qū)分出不同藥物的毒性作用

12、機制。藥物平安性評價和在新藥研發(fā)中的應用藥物平安性評價即預測藥物的毒性，用于提供藥物對人體危害程度的科學依據(jù)29。LIU C*30指出基于單個靶點的傳統(tǒng)藥物開發(fā)已走進死胡同，一個藥物的開發(fā)時間長達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，代組學正是這種新思維產生的新技術手段，已逐步被應用于新藥研究開發(fā)中。它可以對生物體給藥后的整個生化反響過程進展檢測，考察藥物的藥效和毒性與各代產物的濃度及其動態(tài)變化之間的相關性，綜合分析代產物的變化特點及規(guī)律，全面評價藥物的價值和開發(fā)前景?，F(xiàn)在國外很多大的制藥公司如禮來，輝瑞等與帝國理工學院合作，利用代組學技術對候選藥物篩選，

13、極減少了藥物研發(fā)時間與本錢，顯示了代組學在藥物研發(fā)上的優(yōu)勢。4.2.3 代組學對個性化藥物治療的重要性31藥物基因組學、轉錄組學和蛋白組學均可能對個性化藥物治療有幫助，但均存在局限性。對藥物基因組學而言，因為基因的復雜性，對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試驗不能提供每個病人完全確定的藥物反響。轉錄組學通常運用互補脫氧核糖核酸(cDNA)表達微陣列來研究基因轉錄，在個性化藥物治療中不起主要作用。蛋白組學研究由基因組編碼的蛋白，它與轉錄組學一樣都存在測定資源的有限性。未來的研究中蛋白組學可能有助于研究者區(qū)分一定的蛋白特征從而預測藥物的有效性和不良反響。將蛋白組學與代組學結

14、合起來有可能實現(xiàn)基因組學的個性化藥物治療。代組學主要研究多細胞系統(tǒng)的代特征，補充代組學則研究單個細胞或者幾個細胞的代產物。代物組代表了即時的體外的刺激物的總和分析，其價值在于，科醫(yī)生可根據(jù)病人的表型來分析病人的病程并制定治療方案。因此藥物代組學在個性化藥物治療和其他醫(yī)學方面有很大的開展空間。五代組學與中藥現(xiàn)代化中醫(yī)藥學是我國傳統(tǒng)優(yōu)秀文化的燦爛結晶，數(shù)千年來，為中華民族的繁衍興盛做出了卓越奉獻。在人類與疾病做斗爭的過程中，中醫(yī)藥以其獨特的理論體系和實踐經歷，充分展示了其平安有效、防病治病的作用。在科技開展日新月異的信息社會，中醫(yī)藥仍以其獨特的理論和實踐在世界醫(yī)林中占有一席之地。藥材的使用多為復雜

15、的混合物體系，如何對其質量進展有效控制和探明其作用的機理是傳統(tǒng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來隨著系統(tǒng)生物學研究的不斷深入和開展，其中特別是代組學的高通量、整體性的研究技術和研究思路，對中藥方劑中活性物質的分析方法及其代產物的藥代動力學分析提供了新思路和新方法。代組學的研究思路，將為從現(xiàn)代科學的根底上解釋中藥的整體作用機制提供新方法，而代組學的研究成果，則可能為建立新型的基于代組學的中藥藥效評價的技術平臺做出奉獻。5.1 中藥現(xiàn)代化中醫(yī)的證是辨證論治的起點和核心，辨證綜合了產生病變的各方面包括當時的氣候和環(huán)境情況因素和條件，并結合個體體質、疾病發(fā)生的不同階段和表現(xiàn)，判定為不同的證，從而采

16、用不同治法，通過合理配伍、適時調整藥量而到達治療效果。由于每一個證候都有其外象外候與涵，而外候是用四診-望、聞、問、切所獲得的信息進展整理而得，很難量化，即使用流行病學方法加以分析，亦是靠專家經歷打分，最多亦只是半定量。這種診治的準確性很大程度上依賴醫(yī)生的診療經歷。而代組學正具備反映和解決這些問題的組、群、譜集成的分析功能。它能夠通過檢測不同時間患者的尿液或血液，對這些代產物進展分析。代組學能夠幫助人們更好地理解病變過程及機體物質的代途徑和代狀況，還有助于疾病生物標記物的發(fā)現(xiàn)和輔助診斷，使診斷、治療到達個體化。其準確性依賴于儀器的性能，可以提高診治的科學化、定量化，防止了人為因素的誤診。中藥運

17、用中醫(yī)陰陽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。作為一個復合體系，多是配方使用，作用靶點多，涉及多個基因和細胞，從整體上調節(jié)人體的平衡和環(huán)境的穩(wěn)定。中藥既需要研究單味藥及復方中各化學成分的理化性質及生物活性，又需要研究化學成分間的反響規(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)學對中藥復方的研究方法往往是采用解剖麻雀的方法，拆方試驗，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，整體性作用機制很難在單一機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)保持強大的生命力，不能僅停留在提取、提純有效成分的水平上，應該以中醫(yī)藥理論為指

18、導，借助現(xiàn)代生物醫(yī)學的研究方法，對中藥進展全方位的研究，采用的方法有別于西藥研究的方式，上升到對中藥系統(tǒng)性的研究，以建立一個全新的與現(xiàn)代學科同質的理論體系32。系統(tǒng)生物學的一個最根本想法是要把孤立在基因水平、蛋白質水平的各種信息相互作用，使各種代、調控途徑及基因網(wǎng)絡之間的所有功能模塊和系統(tǒng)都聯(lián)系整合起來，用以說明生物整體。應用代組學和系統(tǒng)生物學策略研究疾病及其治療過程與中醫(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完整系統(tǒng)來研究。如果利用系統(tǒng)生物學的方法研究中藥的科學涵，有助于譯釋中醫(yī)理論的科學依據(jù)，勢必會促進中醫(yī)藥學的開展，推動中醫(yī)中藥國際化的進程。5.2 代組學應用于中藥研

19、究我國研究者敏銳地感覺到將代組學技術溶入中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究領域具有重要的開展前景，中藥尤其是復方的整體性作用機制和療效在系統(tǒng)代組學的研究方法下將可能得到充分的展示和挖掘。羅和古等對大鼠肝郁脾虛證的代組學研究發(fā)現(xiàn)醋酸、乳酸、LDL、酪氨酸與三羧酸循環(huán)能量代、糖酵解及脂肪和蛋白質代途徑密切相關，上述源性代物的改變提示動物能量代及脂肪、蛋白質代功能異常，這與的應激狀態(tài)動物體代的調節(jié)過程及結果相一致。分析這些源性代產物的形成、轉移機制和過程，可提示肝郁脾虛證的發(fā)生開展的潛在原因，從而提醒其生物學本質33。陸益紅等以代組學研究自發(fā)性高血壓大鼠血漿及人參總皂苷作用機制。從代組學的研究結果看：人參總皂苷對SH

20、R作用，表達了中藥的多組分、多靶點效應，其作用方式與單靶點西藥卡托普利不同，故兩者的代譜各異。盡管卡托普利降壓作用強，但整體改善疾病環(huán)境可能不及人參總皂苷。與經典的血壓指標測定、常規(guī)的臨床生化檢測及組織病理學檢查相比，代組學分析具有多種過去的檢驗方法無法比較的優(yōu)勢34。寧等35應用代組學方法研究研究快速老化模型小鼠senescence accelerated mice，SAM的快速老化亞系SAM-prone /8SAMP8及同齡抗快速老化亞系SAM - resistance /1SAMR1代產物的差異，并觀察六味LW及八味地黃湯BW對SAMP8代產物的影響，比較二方劑的作用機理，以12月齡雌性

21、和雄性SAMR1及SAMP8為動物模型，灌胃給予LW和BW 1個月后采集血清，應用核磁共振方法測定核磁共振譜，檢測血清中的代產物，主成分分析法處理代組學數(shù)據(jù)。結果顯示SAMR1和SAMP8的血清代產物譜能夠相互區(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的血清代產物譜，SAMP8的代狀態(tài)得到了很大改善。給予LW后，SAMP8血清代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

22、減少。給予BW后，SAMP8血清代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。說明SAMR1和SAMP8的血清代產物譜存在明顯差異，主要在于乳酸、葡萄糖、磷酸膽堿和膽堿及脂類含量的差異。SAMP8可能存在糖酵解代障礙，葡萄糖代下降而引起的能量代障礙，膽堿能代低下及脂類代紊亂。給予LW和BW均能夠對SAMP8的血清代產物產生影響，提示LW和BW能夠在代網(wǎng)絡的多個節(jié)點上對SAMP8的代紊亂起到調節(jié)和改善作用。這些LW和BW的反響代產物為深入研究LW和BW的作用機制及腎陰虛、腎陽虛的現(xiàn)代生物學根底提供了新的線索和依據(jù)。伶36基于核磁共振的代組學技術方法研究了附子及其主要毒性生物堿對大鼠體

23、代譜的影響，分析了其毒性特征，并探討了代組學在中藥平安性研究中的應用前景。研究說明，采用代組學方法能夠對附子及其主要毒性生物堿對大鼠的代變化的影響進展很好的表征和描述，能夠對其毒性作用進展說明。試驗結果也說明代組學技術用于中藥毒性評價具有良好的應用前景。黃玉榮等 37采用代物組學方法研究鉤藤多動合劑簡稱多動合劑的藥效作用及其治療兒童多動癥的生化機制，觀察藥物對小鼠腦神經遞質的影響。采用攀爬實驗和自發(fā)行為實驗研究多動合劑對去水嗎啡小鼠模型的藥效作用，同時用高效液相色譜-電化學檢測方法研究其生化機制，觀察藥物對小鼠腦及血漿中單胺類神經遞質多巴胺DA和去甲腎上腺素NE的影響。從而發(fā)現(xiàn)了具有療效的生物

24、標記物，認為藥物的整體作用所產生的生物化學物質神經遞質是其藥效的根底物質，證明多動合劑的作用機制與受體有關。Minjun Chen38等通過給大鼠注射氫化可的松造成類似中醫(yī)臨床腎陽虛證的大鼠動物模型利用代組學技術進展了研究。為了監(jiān)測大鼠代網(wǎng)絡表達水平變化，研究人員分別收集各實驗組大鼠尿樣，在樣品衍生化后運用GC-MS聯(lián)用方法測定尿樣中源性代物的組成，所收集的分析數(shù)據(jù)輸入軟件而后采用多元統(tǒng)計分析等計算方法考察。研究說明，與對造組相比腎陽虛狀態(tài)大鼠的代網(wǎng)絡明顯偏離正常圍。隨著系統(tǒng)生物醫(yī)學的崛起和對代組學研究思想的了解，生命科學的多個領域都逐漸參與到代組學的研究中來。代組檢測技術、代組學數(shù)據(jù)的生物信息學和統(tǒng)計學方法的進一步創(chuàng)新，對疾病狀框下機體源物質代譜和藥物作用代譜的分析中可能會發(fā)現(xiàn)更多更靈敏的預示疾病或療效或毒性的生物標記物，甚至是生物標記物組，人們對中藥藥效和和作用機制的認識可能出現(xiàn)快速的開展。代組學這門新興學科，在藥物作用靶點的發(fā)現(xiàn)、新藥的開發(fā)、毒理學研究、疾病的預防和診斷等方面的重要性越來越明顯。它是一種較全面系統(tǒng)的研究技術，在方法學上具有融整體、動態(tài)、綜合、分析于一體的特點，符合中醫(yī)整體性原則。中醫(yī)病證引起代物組的共性分析和生物標記物的發(fā)現(xiàn)，可促進證本質的研究、中醫(yī)辨證的科學化和定量化，深層次理解中醫(yī)臟象理論，預測疾病的發(fā)生，