代謝組學(xué)的概念、分類及特點

代謝組學(xué)的概念、分類及特點

代謝組是20世紀90年代以來發(fā)展起來的一個學(xué)科，經(jīng)過基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)。這是關(guān)于生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量和變化規(guī)律的科學(xué)。它研究的是生物整體、系統(tǒng)器官的內(nèi)源性代謝物質(zhì)及其所受內(nèi)在或外在的影響,是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。代謝組學(xué)的研究方法依賴于分析化學(xué)中的各種譜學(xué)技術(shù),如核磁共振波譜、質(zhì)譜、高效液相色譜、紅外光譜、紫外可見光譜以及各種原子光譜等,而基于核磁共振(NMR)的代謝組學(xué)研究技術(shù)是目前研究和應(yīng)用較多的一種。NMR的優(yōu)勢在于所檢測樣品無需繁瑣的預(yù)處理,就能夠?qū)悠穼崿F(xiàn)簡單性、無創(chuàng)性、無偏向的檢測,具有好的客觀性和重現(xiàn)性。代謝組學(xué)技術(shù)強調(diào)把人作為一個完整的系統(tǒng)來研究,通過測定生物體系受刺激或擾動后其代謝產(chǎn)物的變化或其隨時間的變化來研究該生物體代謝網(wǎng)絡(luò)在疾病和藥物作用下的變化。代謝組學(xué)能夠?qū)铙w組織器官進行無損傷、幾乎接近生理條件的動態(tài)研究,這種研究特點與中醫(yī)學(xué)的整體觀、系統(tǒng)觀和辨證論治思維相吻合,與中醫(yī)認識和解釋疾病的方法相一致。隨著生物科技的飛速發(fā)展,中醫(yī)藥的現(xiàn)代化研究正面臨著尋找合適的切入點,借鑒新的觀念和技術(shù)來促進自身發(fā)展。代謝組學(xué)將為中醫(yī)藥的研究提供一種非常有用的技術(shù)手段,為中醫(yī)的現(xiàn)代化研究提供一個新的機遇。1中醫(yī)1.1從代謝組學(xué)的研究方法、目的及對證:證近幾年來,中醫(yī)學(xué)術(shù)界研究的熱點之一是對于證本質(zhì)的研究。辨證論治是中醫(yī)藥理論的核心,是中醫(yī)認識疾病和治療疾病的原則。其實質(zhì)是根據(jù)患者個體差異性及其當(dāng)時的疾病狀態(tài)和所處環(huán)境因素而有針對性地進行個體化的疾病的治療和預(yù)防,以達到最佳治療效果。對于中醫(yī)來說,“證”是“論治”的起點和核心,是中醫(yī)治療的關(guān)鍵所在。多年來很多學(xué)者對“證”進行研究,但有說服力的成果卻很少。其主要問題很可能出在思路、方法,以及研究手段受到限制上。要繼續(xù)推動中醫(yī)研究,就要重新審視,調(diào)整思路,利用現(xiàn)代最新的技術(shù)手段,探討新的研究途徑?！白C”是機體在疾病發(fā)展過程中某一階段的病理概括,它包括了病變的部位、原因、性質(zhì),以及正邪關(guān)系,反應(yīng)疾病發(fā)展過程中某一階段的病理變化的本質(zhì)。每一個證都有其外候與內(nèi)涵,外候是疾病及其病理的外在表現(xiàn),是中醫(yī)通過四診所獲得的信息經(jīng)過思考和整理而得到的心得,它很大程度上依賴于醫(yī)生的診療水平和對疾病的心得體會,具體辨證診察時亦受到醫(yī)患雙方主觀因素的影響而難以客觀化和量化。如果能夠?qū)Α白C”的內(nèi)涵進行研究和闡述,則應(yīng)當(dāng)能夠避免人為主觀因素的誤診。任何一種生物體受刺激后而發(fā)生的病理變化過程中,必然影響其生物代謝網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,從系統(tǒng)生物學(xué)的代謝物組學(xué)角度建立代謝物譜圖并挖掘這些譜圖所隱含的信息,則可闡明疾病的微觀本質(zhì)。代謝組學(xué)研究技術(shù)通過分析某一病證相關(guān)小分子代謝產(chǎn)物的共性,以更好地探討和和解釋該疾病患者當(dāng)時體內(nèi)的代謝狀況,有助于發(fā)現(xiàn)疾病的生物標記物的而達到輔助臨床診斷的目的。這種依賴于高科技的研究方法不但與中醫(yī)司外揣內(nèi)的思想相吻合,還可以提高診治的科學(xué)化,從而避免了人為因素的誤診。上海交通大學(xué)藥學(xué)院實驗室采用代謝組學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)腎陽虛模型動物的代謝網(wǎng)絡(luò)明顯偏離正常組動物,而用溫陽中藥干預(yù)后,模型動物的代謝譜回歸至正常范圍,呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)的結(jié)果。李林等以基于核磁共振的代謝組學(xué)研究氣虛血瘀證大鼠尿液,將氣虛血瘀證大鼠對比于正常大鼠的尿液組成變化,發(fā)現(xiàn)病變大鼠尿液中甲酸、肌氨酸酐、α-酮戊二酸、檸檬酸、?；撬?、氧化三甲胺、琥珀酸、馬尿酸等成分的含量發(fā)生了變化,說明尿液代謝組學(xué)分析能夠較好的反應(yīng)氣虛證的代謝特征,為進一步提示氣虛血瘀的產(chǎn)生機制和病癥治療提供了基礎(chǔ)。北京中醫(yī)藥大學(xué)羅和古等應(yīng)用基于核磁共振的代謝組學(xué)研究方法研究慢性束縛應(yīng)激大鼠(肝郁脾虛模型)的血漿代謝表型改變,開展中醫(yī)證候?qū)W的研究,試圖通過對慢性束縛應(yīng)激大鼠代謝物組的共性分析和生物標記物的發(fā)現(xiàn),尋找肝郁脾虛證候的生物學(xué)本質(zhì),探討代謝組學(xué)在中醫(yī)證候中的應(yīng)用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠血漿1HNMR譜的主成分分析,各組動物代謝譜各不相同,與已知應(yīng)激狀態(tài)下動物體內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)過程及結(jié)果相一致。正常對照組與模型組相比較發(fā)現(xiàn),醋酸、乳酸、酪氨酸、低密度脂蛋白和3.44ppm的未知化合物的譜峰峰形改變較為明顯。這些發(fā)生改變的代謝物可以作為肝郁脾虛證的生物標志物做進一步的研究,而且可能從中找出特異的標志性代謝產(chǎn)物,闡釋中醫(yī)證候的生物學(xué)本質(zhì)。由此可預(yù)見,代謝組學(xué)分析是一種有良好發(fā)展前景的中醫(yī)證候?qū)W研究方法。鄭麗紅采用病證結(jié)合的方法,選擇慢性胃炎、消化性潰瘍病等脾氣虛證患者為實驗組,以正常人作為正常對照組,以慢性胃炎、消化性潰瘍病等濕熱蘊脾證患者為實驗對照組,發(fā)現(xiàn)與正常對照組相比,脾氣虛證組唾液中則乳酸(1.34pPm)、N-乙酞糖蛋白(2.1pPm)、乙醇(1.18PPm)等物質(zhì)含量相對較高,而濕熱蘊脾組唾液中主要是醋酸鹽(1.9ppm,1.94ppm)、丙酸鹽(1.06ppm)、丙氨酸(3.78ppm)含量相對較高,為脾氣虛證的客觀化研究提出了一條思路。代謝組學(xué)研究思想與辨證論治的“治病求本”的這一特點相似,它能夠幫助人們更好的理解病變的代謝本質(zhì)。同時,代謝組學(xué)還有助于進一步探討證的物質(zhì)基礎(chǔ),甚至發(fā)現(xiàn)證的疾病代謝標記物,而達到輔助臨床診斷的目的并且避免了人為因素的誤診。因此,對于“證”的研究可以和處于科學(xué)前沿的系統(tǒng)生物之學(xué)代謝組學(xué)研究方法相結(jié)合,代謝組學(xué)的研究方法可將“證”的研究推向科學(xué)發(fā)展的前沿,成為中醫(yī)現(xiàn)代化最重要的研究方向之一。1.2“藏象”與“象”的變化中醫(yī)的整體觀認為人體自身是一個有機整體,構(gòu)成人體的各個組成部分之間是相互關(guān)聯(lián)的,它們在結(jié)構(gòu)上不可分割,功能上相互協(xié)調(diào)、相互為用,病理上相互影響。人生活在自然、社會環(huán)境中,必然受到自然與社會環(huán)境各種變化的影響,人類在適應(yīng)自然和社會環(huán)境的斗爭中維持著機體的正常生命活動。這種內(nèi)外環(huán)境的統(tǒng)一性,機體自身整體性的思想就是整體觀。中醫(yī)整體觀的體現(xiàn)之一就是中醫(yī)的“藏象學(xué)說”,它是以研究臟腑生理功能、病理變化為中心,以及臟腑之間、臟腑與形體官竅及自然社會環(huán)境之間的相互關(guān)系的學(xué)說。藏,是指藏于體內(nèi)的內(nèi)臟;象,是指表現(xiàn)于外的生理病理現(xiàn)象,所謂“藏象”者,即是內(nèi)臟外在之功能表現(xiàn),“有諸內(nèi),必形諸外”。張介賓所言:“象,形象也,藏居于內(nèi),形見于外,故曰藏象?！睆埦霸涝凇额惤?jīng)》中說:“象,形象也。藏居于內(nèi),形見于外,故曰藏象?！蓖醣ⅰ秲?nèi)經(jīng)》言:“象謂所見于外,而可閱者也”?！安亍钡淖兓瘺Q定“象”,而“象”的變化反映著“藏”,“藏象”把形與象有機地結(jié)合起來,較確切地反映了中醫(yī)學(xué)整體觀對人體生理病理活動的認識方法。整體觀和藏象學(xué)說應(yīng)用于中醫(yī)學(xué),體現(xiàn)在局部的病變可以影響及全身的病變,并且可以從五官四肢體表各個方面反映出來,就叫做“司外揣內(nèi)”。代謝組學(xué)研究的思想是把人與環(huán)境(地理的、社會的)、人與腸道菌群之間的相互作用加以綜合考慮,這種思想與傳統(tǒng)中醫(yī)藥強調(diào)人與社會環(huán)境的整體觀,四時和飲食對人的影響等思想是十分契合的,和中醫(yī)的整體觀及其診療模式不謀而合。代謝組學(xué)是動態(tài)的對活體內(nèi)外的非損傷組織、器官進行無損傷性、幾乎接近生理條件的研究方法,這與中醫(yī)的“司外揣內(nèi)”的理論體系相類似,可以作為中醫(yī)的一種新的觀察方法。有著代謝組學(xué)之父之稱的英國Nicholson教授也認為人體應(yīng)當(dāng)作為一個完整的系統(tǒng)來研究。有學(xué)者以代謝組學(xué)方法研究不同物種內(nèi)在因素對代謝的影響,發(fā)現(xiàn)即使是同一種物質(zhì),不同物種對其代謝也具有差異。Jones研究靈長類、嚙齒類及兔類尿中甘氨酸含量,發(fā)現(xiàn)其差別較大,提示了在不同物種間葡萄糖醛酸化通路具有差異性。Costa發(fā)現(xiàn)色氨酸在兩種白化的小鼠及三種大鼠間的代謝不同,不同種的雄性小鼠對氯仿腎毒性及鎘肝毒性的易感性也不同。Stanley對HW大鼠尿核磁共振譜圖分析發(fā)現(xiàn),雄性波峰的變異性明顯高于雌性,而前者對藥物及毒物的敏感性也高研究也證實,這種性別的差異一定程度上與激素水平的差異相關(guān),提示了性別差異在代謝譜上也有反映。年齡也是一個影響因素,Rikans等在四氯化碳的肝毒性模型研究中發(fā)現(xiàn)28月齡的F3大鼠較5月齡的敏感性差;并隨年齡增長,尿液中三羧酸的代謝產(chǎn)物也不同,可能與腎臟酸堿調(diào)節(jié)的改變有關(guān)。晝夜節(jié)律更替影響了體內(nèi)激素水平,血清代謝譜亦隨之變化。Kishikawa等研究發(fā)現(xiàn),白天尿中的?；撬帷ⅠR尿酸、肌酐水平較高,而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相應(yīng)較低,反映了在晝夜間,血清內(nèi)的磷酸鹽及鈣鹽的水平呈現(xiàn)負相關(guān)。Phipps利用NMR分析尿液、血液發(fā)現(xiàn),飲食狀態(tài)不同,其中的馬尿酸、氯原酸等代謝產(chǎn)物的量也隨之改變,這表明飲食對尿和血的代謝譜均有顯著影響。Zuppi通過NMR一維氫譜發(fā)現(xiàn)溫度、覺醒等刺激,甚至周圍氣候不同、菌群的改變都可以影響代謝組的種類及數(shù)量。近年來,系統(tǒng)生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)隨著科技的發(fā)展而快速發(fā)展,這為從不同的視角來認識中醫(yī)藥療效及其機制提供了重要的基礎(chǔ)和技術(shù)條件。代謝組學(xué)技術(shù)有著整體、動態(tài)的研究觀點與特點,強調(diào)把人體作為一個完整的系統(tǒng)來研究,通過測定人體各種小分子代謝物的變化來認識和反映人體代謝網(wǎng)絡(luò)在疾病和藥物作用下的變化規(guī)律,這與中醫(yī)學(xué)的整體觀和藏象理論等方面思路相近。大量實驗表明:若二者能夠結(jié)合起來應(yīng)用于中醫(yī)研究,將是一個極富創(chuàng)造性而且可行性的研究方法,可以進一步促進中醫(yī)藥研究的現(xiàn)代化進程。2代謝組學(xué)研究及其藥物毒副反應(yīng)隨著科技的發(fā)展,醫(yī)學(xué)對于藥物分析的手段和效果的要求也越來越高。代謝是生命活動中所有生物化學(xué)變化的總稱,代謝活動是生命活動的本質(zhì)特征和物質(zhì)基礎(chǔ)。代謝組指的是生物體的一個細胞、組織或者器官中所有代謝組份的集合,所有對生物機體有影響的因素均可反應(yīng)在代謝組中,因此,研究代謝組學(xué)對研究藥物及其治療有重要的意義。在國外,代謝組學(xué)技術(shù)被應(yīng)用于藥物毒理學(xué)研究,評價藥物毒性,為確定藥物安全性研究的風(fēng)險發(fā)揮著有利的作用。藥物毒理研究是代謝組學(xué)研究的初衷,也是目前研究最為活躍的領(lǐng)域之一。代謝組學(xué)在未知化合物的毒性預(yù)測中的應(yīng)用具有廣闊的前景,這將大大降低新藥的創(chuàng)新成本和研發(fā)周期。2.1中藥的活性成分及代謝產(chǎn)物的研究中藥是我國的瑰寶,無論是在藥理或者毒理方面,如“四氣五味”、“升降沉浮”、“性味歸經(jīng)”、“相反相畏”等,都凝聚著歷史的智慧,然而卻缺乏現(xiàn)代科學(xué)的內(nèi)涵。其次,中藥大多來自植物、動物和礦物,其療效受到產(chǎn)地、炮制、儲藏等條件的影響,致使到目前為止,其質(zhì)量的控制方法,一直是中藥研究的一個難點和重點。中藥的藥效是其內(nèi)在多種成分共同作用的結(jié)果,如僅僅采用單一指標成分的定性、定量分析往往難以切實地、全面地反映其臨床功效。因此,這些造成了中藥市場雜亂,缺乏量化標準,難以全面走向國際市場,使得中藥在新時代的發(fā)展中遭遇了一個重要問題,就是如何找到一個既符合傳統(tǒng)中藥應(yīng)用的方式,又可以揭示中藥內(nèi)在性質(zhì)的方法,從而使中藥可以標準化的應(yīng)用于臨床。因此,以現(xiàn)代科學(xué)來解釋中藥的藥理及毒理,建立統(tǒng)一的可量化的藥物標準,是既必要又緊迫的。國內(nèi)外學(xué)者對中藥單純從中藥的化學(xué)成分入手,進行了大量的活性成分研究,然而,這種“西化”的研究方式卻只適用于西醫(yī)學(xué)的還原論,并不能以中醫(yī)的整體論來解釋中藥,不能從本質(zhì)上探討中藥的內(nèi)在機制,致使中藥質(zhì)量標準化研究進展緩慢,嚴重制約了我國中藥產(chǎn)品的開發(fā)和質(zhì)量水平的提高。如果對中藥的研究能解決以上這些問題,不僅對目前的藥物制造廠家有積極意義,對新藥方劑的發(fā)現(xiàn)有重要的基礎(chǔ)作用,而且可以加速中醫(yī)藥現(xiàn)代化。植物代謝物是中藥的活性成分,應(yīng)用現(xiàn)代代謝組學(xué)研究方法對藥材進行指紋圖譜水平鑒別,檢測藥物的活性成分和代謝產(chǎn)物,將會對中藥的研究起到一定的推動作用。Nicholson等用代謝組學(xué)法進行有關(guān)歐洲黃菊和蘆筍對人體內(nèi)分泌的影響的研究。初步結(jié)果表明,代謝組學(xué)法用于植物藥(混合物)有其他方法無法比擬的優(yōu)勢。陳文學(xué)等觀察當(dāng)歸對大鼠缺血性腦損傷代謝物質(zhì)的變化,發(fā)現(xiàn)大鼠急性腦缺血時大多數(shù)代謝物含量均明顯低于正常對照組,經(jīng)過當(dāng)歸治療后,這些代謝產(chǎn)物的含量會有不同程度的增加,這證明當(dāng)歸對大鼠缺血性腦損傷具有明顯的保護作用。Fiehn等對不同表型阿拉伯薺的代謝產(chǎn)物進行代謝組學(xué)分析,結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對這些植物的表型進行了分類,發(fā)現(xiàn)與線粒體和葉綠素中的基因型結(jié)果一致,蘋果酸、檸檬酸、葡萄糖和果糖是在分類中起重要作用的代謝物質(zhì)。由此可設(shè)想,如果將代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于其他中藥的活性成分的研究,則可以篩選出中藥的藥物活性成分,以便對其再做進一步研究。中藥的質(zhì)量問題主要就是植物代謝組的問題,而中藥藥物的藥理和毒理就是在服藥后,藥物會對機體內(nèi)分泌和代謝產(chǎn)生一定的影響。以代謝組學(xué)法檢測這些外源性刺激引起機體內(nèi)分泌和代謝網(wǎng)絡(luò)的改變,可監(jiān)測藥物本身在體內(nèi)的代謝變化過程,更重要的是可以通過觀察藥物所引起的內(nèi)源性代謝物的變化,以推斷中藥在體內(nèi)藥物作用的靶點、受體和作用機制,利用代謝物的終端性信息尋找或闡明藥將會對中藥的研究和發(fā)展?？梢灶A(yù)見,代謝組學(xué)能以現(xiàn)代化的科技手段實現(xiàn)對中藥的整體評價,如:中藥的檢測監(jiān)督、質(zhì)量控制、中藥防偽、中藥活性成分鑒定等方面起到一定的作用,確保中藥能有效而安全地使用,推動中藥發(fā)展的現(xiàn)代化步伐。2.2基于代謝組學(xué)的中藥復(fù)方整體效應(yīng)評價方法方劑是中醫(yī)治療疾病的特色,是在辨證立法的基礎(chǔ)上選藥配伍組成的。方劑的組成既有嚴格的原則性,又有極大的靈活性。方劑講究君臣佐使的原則,又遵循方從法出的靈活運用。在其獨特的理論及治法下,中醫(yī)可以對一些西醫(yī)療效欠佳的疾病有不可思議的治療效果,然而其大部分機制卻不能用現(xiàn)代技術(shù)加以闡釋,因此也很難為國內(nèi)外學(xué)者認同。目前在研究中藥方劑學(xué)方面,大多采用的仍然是化學(xué)的研究模式,忽視了方劑配伍的復(fù)雜、中藥成分的復(fù)雜、中醫(yī)理論的指導(dǎo)和方藥與病證二者之間的相互作用關(guān)系,從而難以取得突破性的進展。方劑是祖國醫(yī)學(xué)整體觀和辨證施治特點的集中體現(xiàn),也是中醫(yī)臨床用藥的特點和療效的優(yōu)勢所在,方劑研究在理論和技術(shù)等方面迫切需要建立符合自身特點的研究方法。代謝組學(xué)在方法學(xué)上具有無創(chuàng)傷、動態(tài)、接近生理條件下研究等特點,與中藥治療中整體動態(tài)性原則具有很大的趨同性,為中藥復(fù)方整體效應(yīng)評價方法的創(chuàng)新提供了機遇。它采用系統(tǒng)生物學(xué)的策略和方法,基于疾病和藥物干預(yù)下的系統(tǒng)代謝網(wǎng)絡(luò)的整體性和動態(tài)性的變化評價中藥整體效應(yīng),從而解釋中藥方劑對疾病的治療作用。羅和古在基于代謝組學(xué)的逍遙散方證相關(guān)的機理研究中發(fā)現(xiàn)逍遙散的作用,顯示出多途徑、多靶點、雙向調(diào)節(jié)的特點。其作用的靶點包括肝、腦、腎、肌肉、胃腸、脂肪組織、紅細胞等多臟器組織細胞,初步以系統(tǒng)生物學(xué)的客觀化手段解釋了逍遙散的作用機理。蔣寧等應(yīng)用代謝組學(xué)方法研究比較六味及八味地黃湯的作用機理,發(fā)現(xiàn)兩者均能夠?qū)焖倮匣瘉喯荡笫蟮难宕x產(chǎn)物產(chǎn)生影響。二方劑可能主要通過對葡萄糖、膽堿和脂類的含量的調(diào)節(jié)而改善了大鼠能量代謝障礙和學(xué)習(xí)記憶里下降,提示兩方劑能夠在代謝網(wǎng)絡(luò)多個節(jié)點上對大鼠的代謝紊亂起到調(diào)節(jié)和改善作用。這些代謝產(chǎn)物為深入研究六味和八味地黃湯的作用機制的現(xiàn)代生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新的線索和依據(jù)。方劑的特點是藥效物質(zhì)對機體進行多成分、多途徑、多靶點的整體調(diào)節(jié)。代謝組學(xué)以系統(tǒng)生物學(xué)整體的方法來進行研究方劑,可以在研究藥物本身在體內(nèi)的代謝變化過程的同時,通過觀察藥物所引起的生物體內(nèi)小分子代