基于代謝組學的中醫肺系疾病及證候研究進展*

白菁安，姜淼，陳則旭，趙寧

1.中國中醫科學院中醫臨床基礎醫學研究所，北京 100700；2.廈門大學醫學院，福建 廈門 361102

中醫學是中國傳統文化和哲學觀念的集中體現。其中“辨證論治”為中醫學理論體系的基礎，具有整體性、聯系性和動態性；“辨證論治”經過醫家的長期實踐，在中醫預防、診斷、治療等環節均有優勢。在全球提倡精準醫療的背景下，辨證論治逐漸成為引領未來醫學思維體系發展的重要方法［1］。在辨證論治的過程中，“證”是核心。近年來，中醫藥學者一直努力尋找具有高特異性、高靈敏性的指標為辨證提供客觀化的物質依據［2］。隨著系統生物學的到來，代謝組學這一擁有綜合性、集成性及整體性等特點的學科，可以從生物體的生化表型來判斷其整體功能狀態的研究思路［3-6］，這與辨證論治中“司外揣內，見微知著”的思維方式有異曲同工之處，為深入探討中醫證候分類的物質基礎提供新的研究角度和思路［7］。本文將對肺系疾病及證候相關代謝組學的研究進展進行概述。

1 代謝組學的簡介

代謝組指存在于特定類型細胞或生物體內的小分子代謝物的總集合，是代謝的最終下游產物。代謝組學是一種通過定性、定量研究生物體體液（如血漿、尿液及組織液等）中的內源性代謝物，結合模式識別的信息學技術，分析獲得不同狀況下生物體的終端代謝物和相應的代謝譜峰，能夠反映出生物體在特定階段、特定狀態下整體功能變化的學科［8-10］。與基因組學、轉錄組學或蛋白質組學等比較，代謝組學能更準確地反映有機體當前代謝狀態。由于代謝物具有覆蓋率高、分析性能可靠等優點，已廣泛應用于生物學或生物標志物篩選的研究［11-13］。代謝組學目前分析技術主要包括核磁共振技術（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質譜聯用儀（gas chromatography-mass spectrometer，GCMS）、液相色譜-質譜聯用儀（liquid chromatographmass spectrometer，LC-MS）、毛細管電泳-質譜聯用儀（capillary electrophoresis-mass spectrometer，CE-MS）和高效液相色譜-質譜聯用儀（high performance liquid chromatography-mass spectrometer，HPLC-MS）。通過靈活選用適當的技術，可以分析獲得機體在生理、病理等不同狀態下的終端代謝物差異，以及相應的代謝譜峰的特點。這些差異代謝物能反映出生物體在特定階段、特定狀態下的功能變化［14］。該學科的應用跨越多種技術手段，在疾病的預防、診斷、治療及藥物的開發等方面具有廣闊的發展前景［15-17］。

2 代謝組學與中醫證候研究的相關性

中醫學的證候包括“證”與“候”，證是疾病的本質，候是其表現形式［18-21］。證候研究作為證型規范化的研究前提與基礎，也是中醫藥當今研究的關鍵問題之一。中醫的“證”是機體在致病因素作用下，機體內外環境各系統之間相互關系發生紊亂所產生的病理生理狀態［22］，是一種綜合性的診斷概念。提示對證候的研究不可僅局限于某一具體臟腑組織器官，必須回歸到中醫學整體觀念上來。作為一種“自上而下”的策略，代謝組學能夠通過代謝網絡的最終產物反映生物的功能［23］。這種性質與中醫學“整體觀念”的核心思想是一致的。代謝組學通過對代謝物的系統分析發現，中醫不同證候的差異物代謝譜和干擾途徑［24］，有助于闡明中醫不同證候的物質基礎和作用機制［25-26］，為中醫理論的科學闡述提供客觀的物質基礎，為證型的規范化提供新思路。

3 代謝組學與不同肺系疾病相關研究

藏象學說是中醫基礎理論的重要組成部分，是研究機體各個臟腑組織器官的形態結構、生理、病理及其相互關系的學說［27-29］。藏象學說認為，肺為五臟之華蓋，外合皮毛，肺為嬌臟，故外感和內傷因素都易損傷肺臟。肺主氣，司呼吸，故肺病多以氣機升降失常的證候為主［30］。中醫肺系疾病涉及現代醫學的肺炎、慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘、過敏性鼻炎及肺癌等。上述疾病普遍存在發病率高、病程長、并發癥多及治療費用較高等情況，嚴重影響患者的身心健康［31-35］。以下將簡述代謝組學在中醫肺系疾病中的相關研究情況。

3.1肺炎Giovanni等［36］采用GC-MS技術對1至12歲獲得性肺炎患者與正常組的尿液中的代謝物含量進行定量分析，同時運用微生物和生化相結合的保守算法發現，與正常組比較，獲得性肺炎患者尿液中有20種代謝產物被鑒定并被認為是潛在的生物標志物。而腎上腺甾體合成和降解途徑的6種代謝產物是鑒別獲得性肺炎病因的最顯著的代謝產物。

3.2慢性阻塞性肺疾病Junto等［37］運用LC-MS技術對慢性阻塞性肺疾病患者和健康人的血漿進行非靶向代謝組學和脂質組學分析發現，與健康人群比較，慢性阻塞性肺疾病患者共有142種差異代謝物；通路富集分析表明，有5條代謝通路受到干擾，且全部涉及氨基酸代謝。這些差異代謝物可能作為慢性阻塞性肺疾病診斷或預后的候選生物標志物，代謝通路可能為研究慢性阻塞性肺疾病的病理機制提供線索。

3.3支氣管哮喘Ho等［38］采用LC-MS和GC-MS聯用技術測定正常組和支氣管哮喘模型小鼠的肺泡灌洗液中的代謝物，并運用正交投影-潛在結構判別分析進行多元統計發現，與正常組比較，模型組哮喘小鼠肺泡灌洗液中乳酸、蘋果酸和肌酐等代謝物增加，碳水化合物（如甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖）減少，磷脂酰膽堿、三酰甘油、膽固醇、皮質醇和膽酸水平顯著降低，提示小鼠肺部的能量、氨基酸和脂質代謝途徑的改變可能與支氣管哮喘的發生有關。

3.4過敏性鼻炎茍小軍等［39］將過敏性鼻炎患者和健康人群的血清運用GC-MS技術進行測定，并對兩組人群的差異代謝物進行了受試者工作特征曲線繪制并分析發現，曲線下面積大于0.5的物質有甘油酸、絲氨酸、蘇氨酸等21種物質，結合代謝通路分析，其變化反映了過敏性鼻炎的發生可能與能量代謝、氨基酸代謝、脂肪酸代謝等代謝有關。

3.5肺癌Rocha等［40］運用NMR技術對肺癌患者和健康人群的血漿進行代謝組學分析發現，與健康人比較，肺癌患者血漿中的高密度脂蛋白、葡萄糖、檸檬酸、甲酸鹽、醋酸鹽、氨基酸（丙氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、纈氨酸）和甲醇水平明顯降低，極低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及丙酮酸明顯升高，但這些變化只存在疾病的初始階段。提示肺癌的發生與糖酵解、谷氨酰胺分解、糖異生和脂質分解代謝有密切關系。

4 代謝組學與肺系疾病不同證候相關研究

運用代謝組學技術在肺系疾病中的研究可能對肺系疾病的辨證分型提供客觀化依據，現將代謝組學在肺系疾病不同證型中的研究進展做如下概括。

4.1（肺）寒證任靖等［41］采用GC-MS技術對病毒性肺炎風寒郁肺證患兒與正常兒童的血漿進行代謝組學分析發現，有丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等共14個差異性代謝產物。這些代謝物可影響到酸代謝、甘氨酸代謝、牛磺酸代謝等共5條代謝通路。另有研究對過敏性鼻炎肺虛感寒證患者和健康人血清中的內源性小分子代謝物進行分析，篩選出共23個差異代謝物，過敏性鼻炎肺虛感寒證患者血清中的丙氨酸、磷酸-甲酯、乙醇胺、甘油等9種物質顯著上調，甘油酸、蘇氨酸、天冬酰胺等14種物質顯著下調［42］。

4.2痰熱郁肺證邊遜等［43］運用GC-MS技術對毛細支氣管炎患者和正常人的尿液樣本進行測定和分析發現，與正常人比較，毛細支氣管炎患者共發現包括尿酸、乙酸、丙氨酸等15種差異代謝物。痰熱閉肺組與風熱閉肺組間有13種表達代謝物具有統計學差異，包括肉毒堿、1-賴氨酸、L-谷氨酰胺等。楊秀云等［44］納入30例痰熱壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者，采用1HNMR方法觀察患者治療前后血清差異代謝物發現，與治療后比較，治療前患者血清中谷氨酸、賴氨酸、丙酮酸等3種代謝物含量明顯升高，極低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及亮氨酸等9種代謝物含量明顯下降。提示痰熱壅肺型慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者的能量代謝和蛋白質代謝出現紊亂。

4.3腎虛痰瘀證吳燕等［45］應用NMR技術對腎虛痰瘀型哮喘患者和健康人群的尿液進行代謝物篩選發現，共8種差異性代謝物，其中β-羥丁酸、酪氨酸和馬尿酸共3種代謝物在腎虛痰瘀型哮喘患者的尿液中含量較健康人群顯著降低，葡萄糖、乳酸、二甲胺等5種代謝物的含量顯著升高。應用HPLC技術對兩組尿液樣本進行檢測后發現，腎虛痰瘀型哮喘病患者尿液中的酪氨酸、天冬氨酸、胱氨酸等5種代謝物含量均明顯低于健康人。運用不同技術檢測和分析得到的代謝物均涉及葡萄糖代謝、氨基酸代謝以及脂肪酸代謝，可能為診斷腎虛痰瘀型哮喘提供借鑒。徐衛方等［46］應用NMR對慢性阻塞性肺疾病腎虛痰瘀證患者和健康人的血漿進行代謝物篩選發現，與健康人群比較，慢性阻塞性肺部疾病患者血漿中有異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸等14種差異性代謝物，所涉及異常的代謝通路包括氨基酸代謝、糖代謝及脂肪代謝。這可能為診斷慢性阻塞性肺部疾病腎虛痰瘀證提供借鑒。

4.4氣陰兩虛證通過使用HPLC-MS技術研究氣陰兩虛型慢性阻塞性肺疾病穩定期患者和健康人的血清發現，肌苷酸、三磷酸鳥苷、3-甲基組氨酸等9種代謝物在患者血清中較健康人有降低趨勢，這些代謝物的變化涉及的代謝通路包括氮代謝、嘌呤代謝、氨基酰-tRNA生物合成、谷胱甘肽代謝及組氨酸代謝［47］。茍小軍等［48］運用GC-MS技術對兒童哮喘氣陰兩虛型患者尿液進行檢測發現，與健康受試者比較，氣陰兩虛證患者尿液中丁酸、丁二酸、L-脯氨酸、肌酐、2，4-二羥基丁酸、苯乙酸、4，5-三羥基戊酸、D-核糖、1H-吲哚、阿糖醇、甘氨酸、半乳糖酸、馬尿酸、假尿苷水平顯著升高；磷酸鹽、L-蘇氨酸水平顯著下降。這些差異性代謝物涉及能量代謝、腸道菌群代謝和核苷酸代謝等4條代謝通路，這可能為尋找兒童哮喘氣陰兩虛證的物質基礎提供參考。

4.5肺氣虛證李博林［49］選擇肺氣虛型支氣管哮喘患者和健康人，運用HPLC-MS技術對兩組的血漿代謝物進行檢測分析發現，與健康人比較，氣虛型支氣管哮喘患者血漿的代謝譜有明顯不同，其中有9個差異性代謝物被認為是肺氣虛型支氣管哮喘的潛在代謝標志物。Liu等［50］采用HPLC-MS／MS技術檢測慢性阻塞性肺疾病肺氣虛證穩定期患者和健康人群的血漿代謝物發現，在慢性阻塞性肺疾病患者血漿中發現15種可能的疾病標志物。二者全譜氨基酸代謝組學結果也顯示出不同的特點。

5 討論

綜上所述，現代醫學運用代謝組學技術研究肺系疾病方面已經取得了一定的研究進展［51-53］。結合近期已發表的相關文獻發現，肺系疾病的發生機制可能與氨基酸代謝、脂肪酸代謝、腸道菌群代謝及糖代謝有密切關系［54-55］。但是在運用代謝組學探索疾病證候，特別是肺系疾病的證候的物質基礎的相關研究中，雖然初步得到部分證候的典型代謝產物，但受限于臨床收集患者證型的典型度、樣本量、病種以及不同疾病人群人口學特征匹配度低等局限，故還有待于擴大樣本量。此外，各證型的辨證標準尚未完全達成共識、納入及排除標準受臨床醫師主觀因素等影響，有待日后進一步完善。

另外，中醫藥對于肺系疾病的研究多為非靶向代謝組學，進一步驗證靶向代謝組學還需結合分子生物學技術。隨著代謝組學的不斷發展，將蛋白質組學與代謝組學的研究有機結合勢必會成為下一步的發展趨勢。代謝組學在深入揭示肺系疾病與證候的標志性代謝物，闡釋中醫證候的生物學本質，闡明相關疾病的病因機制、發生發展規律及早期診斷中發揮作用。