代謝組學技術在中藥有效性和毒性機制研究中的應用進展

吳漂女 周偉 齊煉文

（中國藥科大學 江蘇 南京 211100）

中藥是我國中醫防病治病的重要方式，體現了中醫辨證論治的特點[1]。在中醫藥理論指導下的中藥通過君臣佐使的配伍，有著顯著的治療效果，尤其是在預防疾病和治療疑難雜癥方面有著獨特的優勢。在中藥的有效性逐漸被國際社會肯定的同時，中藥多成分造成的藥效物質不明，質量參差不齊，作用靶點復雜以及安全性問題也日益被關注。多成分和多靶點被認為是中藥有效和毒副作用的物質基礎，因此只研究某一成分或某類成分的作用無疑是片面的，不能體現中醫藥理論的“整體性和系統性”[2-3]。

代謝組學是20世紀90年代中期發展起來的一門學科，通過分析血液、尿液和組織等生物樣品內小分子代謝物（分子量小于1000）的變化情況，來揭示內外因素對生物體的影響，是系統生物學的重要組成部分[4-5]。對比基因組學和蛋白質組學主要體現生物學上游信息，代謝組學主要揭示終端信息—代謝物的表達情況，可以整體、系統和動態的反應生物體正在發生什么，與中醫藥理論的觀點不謀而合[6]。目前，代謝組學被廣泛應用于疾病研究、藥物研發、藥物質量控制、農學、中醫藥學等領域[7-15]。本文就代謝組學技術在中藥有效性和毒性方面的應用做一綜述。

1.中藥的有效性作用機制

中醫藥經過幾千年的臨床實踐證實其具有有效性和科學性。由于中藥含有的化學成分多，因此對應的作用靶點也多，可見中藥是通過多種作用途徑對人體發揮調節作用的[4]。代謝組學將機體視成一個整體，通過分析體內代謝物的變化來反應藥物對機體的作用，并發現生物標志物和中藥干預的代謝通路，有助于揭示中藥的分子機制。

吳茱萸湯是我國傳統中藥方劑，主要用于治療頭痛，但作用機制不明。Ran Liu[16]等用代謝組學技術揭示吳茱萸湯的作用機制。分別用大鼠的腦組織和血漿作為研究對象，將模型組與對照組比較，在腦組織中發現了12個發生紊亂的代謝物，而經過吳茱萸湯治療后均轉歸，可作為潛在的生物標志物；在血漿中發現了6個異常代謝物，其中3個在治療后轉歸。其中，精氨酸在腦組織和血漿中都被發現異常，而吳茱萸均發揮了轉歸作用。基于發生紊亂的代謝物，結合KEGG等通路分析軟件，發現頭痛主要干擾了谷胱甘肽代謝、煙酸和煙酰胺代謝、嘌呤代謝、精氨酸和脯氨酸代謝等，而吳茱萸湯則可以通過反向調節前三個代謝通路而發揮治療作用。

金匱腎氣丸是由10種中藥組成的中成藥，主要用于治療由糖皮質激素停用之后引起的腎上腺功能不全。Linjing Zhao[17]等分別使用GC-Q-TOF/MS和UPLC-Q-TOF/MS技術進行非靶向和靶向代謝組學研究以揭示金匱腎氣丸的分子機制。OPLS-DA模型發現服用金匱腎氣丸的大鼠血清代謝譜和正常組接近，說明金匱腎氣丸預處理有保護作用。在模型組中有13個顯著改變的代謝物，金匱腎氣丸對其中10個有顯著反向調節作用。其中，增加碳水化合物代謝、脂質代謝和氨基酸代謝被認為是金匱腎氣丸發揮保護作用的干預通路。鑒于游離脂肪酸代謝是顯著改變的代謝途徑，因此，又靶向定量42個游離脂肪酸含量。結果表明，對腎上腺皮質功能不全的大鼠，金匱腎氣丸能有效升高或轉歸模型組中大部分減少的游離脂肪酸。而在腎上腺皮質功能正常情況下，金匱腎氣丸對游離脂肪酸代謝的調節作用則相反，說明在健康狀態下，金匱腎氣丸對游離脂肪酸代謝不利。

中醫傳統方劑葛根芩連湯對2型糖尿病有顯著的降糖效果。Qiyun Zhang[18]等采用非靶代謝組學技術研究葛根芩連湯可能的降糖機制。PCA得分圖發現，給藥組明顯向正常組接近，說明葛根芩連湯對2型糖尿病有轉歸作用。其中葛根芩連湯能顯著降低模型組中升高的甘氨酸、泛酸和煙酰胺，卻能升高模型組中顯著降低的鞘氨醇，說明葛根芩連湯可能通過干預鞘氨醇代謝、COA生物合成、初級膽汁酸代謝、煙酸合成途徑發揮治療2型糖尿病的作用，為葛根芩連湯作用機制的進一步研究提供思路。

2.中藥的毒性作用機制

中藥取材于天然，絕大多數無毒害作用，但有部分中藥藥性強烈，治療的安全窗小，一旦超過安全劑量，就對人體有毒副作用。與中藥的有效性研究一樣，中藥毒性機制研究難點在于潛在毒性靶點多，涉及的靶器官、靶組織多，毒效關系不明[19-20]。代謝組學技術可以從整體角度評價中藥的毒性，有助于闡明中藥的毒性機制和毒效關系，并發現可靠的生物標志物作為毒性臨床診斷和預后判斷[2，21]。

仇守蓓等[21-22]基于代謝組學技術研究菊三七的肝毒性機制，分析菊三七誘導的肝中毒大鼠和正常大鼠的血漿和尿液的代謝物差異，總共鑒定發現11個潛在的生物標志物，分別是精氨酸、脯氨酸、谷氨酸、肌酸、纈氨酸、亞油酸、花生四烯酸、吡咯琳羥基羧酸、鞘氨醇、植物鞘氨醇和檸檬酸，主要干擾了氨基酸代謝、脂質代謝、能量代謝等代謝通路，為進一步研究菊三七的肝毒性機理提供了線索。

FangboXia等[23]研究安宮牛黃丸中其他中藥對由朱砂和雄黃引起的肝腎毒性的保護作用，采用UPLC-Q-TOF/MS的代謝組學分析方法，分析分別灌胃安宮牛黃丸、朱砂雄黃組合和生理鹽水的三組大鼠的血清代謝物。病理組織切片結果顯示，服用了朱砂雄黃組合的大鼠肝腎組織中毒現象明顯，但含有朱砂雄黃的安宮牛黃丸的肝腎幾乎和正常組無異。代謝組學層面發現，服用安宮牛黃丸與正常組的血清代謝譜接近，而與服用了朱砂牛黃組合的相差較大，與病理組織結果一致。并鑒定得到了41個潛在的生物標志物，主要集中在甘油磷脂、亞油酸、花生四烯酸、鞘脂等與炎癥相關的代謝通路。提示安宮牛黃丸中的朱砂和雄黃可以引起肝腎的炎癥反應引發毒性，而配方中的其他中藥則可以逆轉由朱砂和雄黃引起的肝腎毒性。

Tao Su等[24]研究半夏和姜半夏對大鼠的心臟毒性。首先通過病理組織切片發現半夏經過生姜炮制之后對心臟的毒性大大降低。接下來利用代謝組學技術分析半夏的心臟毒性以及生姜炮制減毒的作用機制。結果顯示，與對照組相比，生半夏組有7個差異代謝物，姜半夏組有8個差異代謝物。并用ingenuity pathway analysis（IPA）軟件進行生物學分析發現，前者主要干擾了脯氨酸，尿嘧啶，賴氨酸降解，mTOR和TGF-β信號通路以及血清素生物合成，后者主要干擾了酪氨酸生物合成，脯氨酸，尿嘧啶，色氨酸和賴氨酸降解。前期研究發現，mTOR信號通路的過度激活或者抑制和TGF-β信號通路的激活可能引發心臟毒性。因此本實驗用Western blot驗證，發現生半夏組mTOR的磷酸化水平顯著降低，TGF-β水平顯著增加，而姜半夏組則與對照組沒有顯著性差異，推測mTOR信號通路的抑制和TGF-β信號通路的激活是生半夏心臟毒性的部分作用機制；而用生姜炮制能減毒，部分原因可能是由于清除了自由基。

3.討論

中藥是我國傳統文化的瑰寶，已有幾千年的臨床實踐。多成分、多靶點是中藥藥效和毒性的物質基礎，卻也給中藥現代化研究帶來了挑戰。現代醫藥“單藥、單靶”的研究模式對具有復雜體系的中藥而言無疑是片面的。代謝組學作為系統生物學的重要組成部分，可以整體、動態地表征機體代謝物的變化，從而反應疾病或藥物對機體的作用，已成為研究中藥的有利手段。當然代謝組學技術目前仍有一些不足有待解決和改進，比如不能完全鑒定出生物體全部的代謝物；不同實驗室不同儀器的結果有所偏差，對建立標準帶來難度[1]；影響檢測結果的因素多，可能出現假陽性和假陰性等等。但相信隨著代謝組學的不斷發展，這些問題也將被一個個擊破。當然，要實現中藥現代化，將中藥的藥效、毒理等用現代和科學的語言來詮釋，單是代謝組學技術是遠遠不夠的，需要其他分析手段聯合使用，比如蛋白質組學、血清藥物化學等等，形成有特色的中藥現代化研究模式。