基于UPLC-Q-Exactive-MS代謝組學技術的蒙藥塔布森-2對去勢大鼠代謝的調控作用研究

楊 帆，馮文斌，董 馨，馬飛祥，陸景坤，薛培鳳*

1.內蒙古醫科大學藥學院，內蒙古 呼和浩特 010110

2.呼倫貝爾市中蒙醫院 藥劑科，內蒙古 呼倫貝爾 021000

蒙藥塔布森-2 又稱二味杜仲湯，由杜仲與蒙藥藍刺頭配伍而成，記載于經典的蒙醫醫學著作《蒙醫金匱》，是蒙醫治療骨傷的常用方劑，可固骨質、接骨愈傷、清赫依，用于治療骨折、骨熱、赫依癥等。應用蒙藥二味杜仲湯臨床治療60 例絕經后骨質疏松癥患者，總體治愈率達到90%[1]。蒙藥二味杜仲湯可通過類雌激素樣作用抑制骨吸收，促進骨形成，調節骨吸收與骨形成的耦聯，降低骨轉換率，減少骨丟失，延緩絕經后骨質疏松癥的發生發展過程[2]。

本課題組前期對蒙藥塔布森-2 進行了提取工藝、體內藥理學、網絡藥理學、藥動學、血清藥物化學及血清代謝組學研究[3-4]，發現蒙藥塔布森-2能夠明顯改善去勢大鼠骨密度、骨體積/總體積、骨小梁數量、骨小梁分離度等骨微結構參數。采用網絡藥理學預測了蒙藥塔布森-2 與絕經后骨質疏松密切相關的3 個創新性靶點并在血清中進行了機制驗證，結果表明蒙藥塔布森-2 能夠降低血清中維生素D 受體（vitamin D receptor，VDR）、細胞色素P450 19A1（cytochrome p450 19A1，CYP19A1）含量從而發揮抗絕經后骨質疏松的作用。但是僅僅通過藥效學、藥動學和血清藥物化學的研究單一且分散，不能很好地反映蒙藥治療疾病的整體觀。而網絡藥理學雖然具有“多成分、多目標”的整體觀念，但只能起到預測的作用。

代謝組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學后興起的系統生物學分支，被認為是最新的“組學”科學，可以對來自組織、細胞或生物體液的小分子代謝產物進行全面、系統地分析[5]。代謝物的組成和濃度可能隨著疾病的進展而改變，代謝組學有助于篩選與疾病密切相關的潛在生物標志物或靶向治療途徑的基因[6]。因此，本研究從尿液糞便樣品入手，采用超高效液相色譜聯用四極桿-靜電場軌道阱高分辨質譜（UPLC-Q-Exactive-ΜS）代謝組學技術研究蒙藥塔布森-2 對去勢大鼠代謝的調控作用，以期更加全面地闡述蒙藥塔布森-2 治療絕經后骨質疏松的代謝通路。

1 材料

1.1 動物

SPF 級Wistar 雌性大鼠48 只，12 周齡，體質量（220±20）g，購自內蒙古醫科大學實驗動物研究中心，動物許可證號SCXK（蒙）2015-0001。動物于溫度20～23 ℃、相對濕度50%～60%、12 h晝夜交替的環境中適應性飼養7 d，自由進食飲水。動物實驗經內蒙古醫科大學醫學倫理委員會批準（批準號YKD2018056）。

1.2 藥材

蒙藥藍刺頭藥材于2019年8月采自內蒙古呼和浩特市武川縣，杜仲藥材（批號112987）購自安徽亳州市大禹藥業有限公司，經內蒙古醫科大學藥學院薛培鳳教授鑒定分別為菊科植物驢欺口Echinops latifoliusTausch 的干燥花序、杜仲科植物杜仲Eucommia ulmoidesOliv.的干燥樹皮。

1.3 藥品與試劑

結合性雌激素片（批號20170102，每片含結合雌激素0.625 mg）購自新疆新姿源生物制藥公司生產；骨疏康顆粒（批號180108073，10 g/袋）購自遼寧康辰藥業；水合氯醛（批號RH122661）購自羅恩試劑；質譜級甲酸、甲醇購自美國Thermo Fisher Scientific 公司；超純水經ALH-600-U 凈化系統制備。

1.4 儀器

UPLC-Q-Exactive-ΜS（美國 Thermo Fisher Scientific 公司）；BA210 型數碼顯微鏡（麥克奧迪實業集團有限公司）；EYELAN-1100 型旋轉蒸發器（上海愛郎儀器有限公司）；移液槍（德國Eppendorf公司）；離心機（德國CHRIST 公司）；BCD-290W型電冰箱（青島海爾股份有限公司）。

2 方法

2.1 蒙藥塔布森-2 藥液的制備

根據本課題組前期確定的蒙藥塔布森-2 的最佳提取工藝進行藥液制備，具體操作如下：將方中藍刺頭與杜仲粉碎后過篩制得粗粉，各取250 g，加入10 倍量蒸餾水浸泡30 min，連續加熱回流提取2 次，30 min/次。合并濾液，減壓濃縮，冷凍干燥，凍干粉末于4 ℃保存，使用時用適量蒸餾水溶解。該法平均得粉率為25%，蒙藥塔布森-2 藥液含有效成分京尼平苷酸0.100 mg/g、新綠原酸0.086 mg/g、綠原酸0.587 mg/g、京尼平苷0.021 mg/g、松脂醇二葡萄糖苷0.140 mg/g、異綠原酸A 0.116 mg/g、1,5-O-二咖啡酰基奎寧酸0.070 mg/g、異綠原酸C 0.042 mg/g、紫云英苷0.025 mg/g。

2.2 造模、分組與給藥

大鼠隨機分為空白組、假手術組、模型組、結合雌激素組（0.065 mg/kg）、骨疏康顆粒組（105.1 mg/kg）和蒙藥塔布森-2 高、中、低劑量（950.0、475.0、237.5 mg/kg，分別相當于臨床4、2、1 倍劑量）組，每組6 只。除空白組外，其余各組均進行卵巢摘除術，假手術組只摘除相應位置的部分脂肪團。術后連續3 d 大鼠im 青霉素鈉，防止術后感染。手術7 d 后，取空白組和模型組大鼠進行陰道上皮角化實驗，每日涂片1 次，連續觀察5 d，細胞的形態及染色情況見圖1，空白組大鼠表現為動情周期交替出現，模型組大鼠連續5 d 均表現為發情間期，提示造模成功[7]。蒙藥塔布森-2 凍干粉溶于0.9%氯化鈉溶液，分別配制成質量濃度為29.69、59.38、118.75 mg/mL 的溶液；骨疏康顆粒溶于0.9%氯化鈉溶液，分別配制成質量濃度為13.14 mg/mL 的溶液；結合雌激素片溶于0.9%氯化鈉溶液，分別配制成質量濃度為8.13 mg/mL 的溶液。手術7 d 后，各給藥組ig 相應藥物，空白組、假手術組和模型組ig 等體積0.9%氯化鈉溶液，1 次/d，連續8 周。大鼠末次給藥后，進入代謝籠飼養，期間禁食不禁水，24 h 后收集尿液和糞便，迅速分裝后于-80 ℃保存備用。

圖1 顯微鏡下大鼠動情周期陰道涂片Fig.1 Rat estrus cycle vaginal smear under microscope

2.3 UPLC-Q-Exactive-MS 代謝組學分析

2.3.1 尿液、糞便樣本的處理 取出凍存尿液，自然解凍，每個尿液樣本取200 μL，分別置于干燥的離心管中，加入3 倍量甲醇渦旋3 min，4 ℃、3500 r/min 離心10 min，收集上清液。取出凍存糞便，自然解凍，每個糞便樣本取50 mg，加入3 倍量甲醇進行研磨，渦旋5 min，4 ℃、3500 r/min 離心10 min，收集上清液。將所有的上清液于35 ℃減壓干燥后加入200 μL 甲醇復溶，渦旋3 min，離心，取上清液，經0.22 μm 微孔濾膜濾過，轉移至自動進樣瓶，進行UPLC-Q-Exactive-ΜS 分析。

2.3.2 質控樣本的處理 將所有待測尿液或糞便樣本按“2.3.1”項下方法處理，得到上清液，各取20 μL，混合成糞便或尿液質控樣本，經0.22 μm 微孔濾膜濾過，轉移至自動進樣瓶，進行UPLC-QExactive-ΜS 分析。進樣時，每走完1 組樣本，插入1 針質控樣本。

2.3.3 色譜條件 Waters Acquity UPLC HSS T3 色譜柱（50 mm×2.1 mm，1.8 μm），流動相為甲醇（A）-0.1%甲酸水溶液（B），梯度洗脫：0～1.7 min，5%～15% A；1.7～3.0 min，15%～17% A；3.0～3.3 min，17% A；3.3～8.0 min，17%～25% A；8.0～9.7 min，25%～30% A；9.7～10.6 min，30%～35% A；10.6～14.1 min，35%～55% A；14.1～4.6 min，55% A；14.6～15.1 min，55%～100% A；15.1～17.0 min，100% A；17.0～18.1 min，100%～5% A；18.1～20 min，5% A；柱溫為35 ℃；體積流量為0.4 mL/min；進樣量為5 μL。

2.3.4 質譜條件 電噴霧離子源（ESI）；正離子模式下離子源電壓為4 kV，鞘氣體積流量為40 L/min；負離子模式下離子源電壓為3.2 kV，鞘氣體積流量為35 L/min；離子源溫度為350 ℃；飽和輔助氣體積流量為2 L/min；裂解電壓為300 V；霧化氣為氮氣；數據采集范圍m/z100～1100，采用全掃描方式。

2.3.5 多元數據分析及數據處理 原始數據文件通過Discoverer Compound（CD）? 2.0 軟件，進行峰對齊、峰過濾、峰提取和自動積分，最終創建了1個包含相對分子質量、保留時間（tR）、峰面積、mzCloud 等信息的多維峰表。利用SIΜCA-P 14.1軟件進行主成分分析（principal component analysis，PCA）以識別每組樣品的總體代謝譜。通過正交偏最小二乘法-判別分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）對蒙藥塔布森-2 中劑量組和模型組的數據進行統計分析，用于降低所獲得的多維復雜數據的維度，繪制出反映組間離散程度的得分圖。

篩選出變量重要性投影值（VIP，variable importance plot）＞1 且P＜0.05 的離子作為潛在的特征性生物標志物，將潛在的生物標志物與人類代謝組數據庫（HΜDB，http://www.hmdb.ca/）和mzCloud（https://www.mzcloud.org/）進行生物標志物的名稱和HΜDB 編號等信息的匹配。再利用ΜetaboAnalyst（http://www.metaboanalyst.ca/）分析參與代謝的生物通路和意義。

3 結果

3.1 潛在生物標志物的篩選

3.1.1 尿液樣本中潛在生物標志物的篩選 各組大鼠尿液的PCA 得分圖見圖2，在正負離子模式下，質控樣品分布集中，顯示出良好的重現性和可靠性；模型組與其他組的數據得到了良好區分，空白組和模型組大鼠樣品距離較遠，表明造模成功；空白組數據有一些離散，可能是由大鼠的個體差異和進樣的時間差異導致的。OPLS-DA 是基于偏最小二乘法的降噪方法，可以消除與變量相關的正交成分，提高模型的準確度和有效性，很好地揭示組間差異，排除潛在混淆的影響與組差異無關的變量[8]。為了進一步探索蒙藥塔布森-2 治療絕經后骨質疏松的尿液潛在生物標志物，將蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組進行OPLS-DA 分析，見圖3。采用200 次置換檢驗的方法對模型進行驗證，具體擬合參數結果見表1，正離子模式下：模型解釋率（R2Y）＝0.998，模型預測率（Q2）＝0.934；負離子模式下：R2Y＝0.995，Q2＝0.896，表明模型未過擬合，具有很好的預測能力及可靠性。模型組與蒙藥塔布森-2 中劑量組樣本具有很好的區分。結合VIP-plot 分析結果，篩選VIP＞1 且P＜0.05 的離子作為差異性代謝物，最終篩選得到28 個潛在差異生物標志物見表2，其中正離子15 個、負離子13 個。

表1 200 次置換檢驗后蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠尿液樣本的OPLS-DA 模型擬合參數Table 1 OPLS-DA model parameters of urine samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group by 200 permutation tests

表2 蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠尿液樣本的潛在差異代謝物Table 2 Potential different metabolites in urine samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group

圖2 正離子 (A) 和負離子 (B) 下各組大鼠尿液樣本的PCA 得分圖Fig.2 PCA score plot of urine samples of rats in each group in positive ion (A) and negative ion (B)

圖3 正離子 (A) 和負離子 (B) 下蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠尿液樣本的OPLS-DA 得分圖Fig.3 OPLS-DA score plot of urine samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group in positive ion (A) and negative ion (B)

3.1.2 糞便樣本中潛在生物標志物的篩選 各組大鼠的糞便代謝輪廓PCA 得分圖見圖4，在正負離子模式下，質控樣品均顯示出良好的集中趨勢，表明本次實驗的可靠性。為了篩選糞便樣本中蒙藥塔布森-2 治療絕經后骨質疏松的潛在生物標志物，進一步采用有監督的OPLS-DA，可以更好地獲取組間差異信息，并對樣品的分組進行預測，結果見圖5。采用200 次響應排列測試對模型的質量進行研究，模型未過擬合，具有很好的預測能力及可靠性，具體擬合參數見表3，表明模型組與蒙藥塔布森-2 中劑量組樣本得到了良好的區分。結合VIP-plot 分析結果，篩選VIP＞1 且P＜0.05 的離子作為差異性代謝物，最終篩選得到28 個潛生物標志物見表4，其中正離子19 個、負離子9 個。

表3 200 次置換檢驗后蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠糞便樣本的OPLS-DA 模型擬合參數Table 3 OPLS-DA model parameters of feces samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group by 200 permutation tests

表4 蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠糞便樣本的潛在差異代謝物Table 4 Potential different metabolites in feces samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group

圖4 正離子 (A) 和負離子 (B) 下各組大鼠糞便樣本的PCA 得分圖Fig.4 PCA score plot of feces samples of rats in each group in positive ion (A) and negative ion (B)

圖5 正離子 (A) 和負離子 (B) 下蒙藥塔布森-2 中劑量組與模型組大鼠糞便樣本的OPLS-DA 得分圖Fig.5 OPLS-DA score plot of feces samples of rats in medium-dose Mongolian medicine Tubson-2 group and model group in positive ion (A) and negative ion (B)

3.2 代謝通路的分析

3.2.1 尿液樣本中潛在生物標志物的代謝通路分析 為了進一步探索蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠尿液潛在生物標志物的代謝通路，將上述分析得到的28 個差異性代謝物導入ΜetaboAnalyst 數據庫對鑒定出的差異代謝生物標志物進行代謝通路的富集，將通路影響值＞0.1 的代謝通路作為目標代謝通路。如圖6和表5所示，蒙藥塔布森-2 主要通過參與組氨酸代謝、牛磺酸和亞牛磺酸的代謝以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝3 個代謝通路來治療去勢大鼠的絕經后骨質疏松癥。

圖6 蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠尿液潛在生物標志物的代謝通路Fig.6 Metabolic pathway of Mongolian medicine Tubson-2 regulated potential biomarkers in urine of ovariectomized rats

表5 蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠尿液潛在生物標志物的代謝通路分析Table 5 Metabolic pathways analysis of Tubson-2 regulated potential biomarkers in urine of ovariectomized rats

3.2.2 糞便樣本中潛在生物標志物的代謝通路分析 為了進一步探索蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠糞便潛在生物標志物的代謝通路，將上述分析得到的28 個差異性代謝物導入ΜetaboAnalyst 數據庫進行代謝通路富集，將通路影響值＞0.1 的代謝通路作為目標代謝通路。如圖7和表6所示，蒙藥塔布森-2 主要通過參與維生素B6代謝、丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代謝、谷氨酰胺和谷氨酸代謝3 個代謝通路來治療去勢大鼠的絕經后骨質疏松癥。

表6 蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠糞便潛在生物標志物的代謝通路分析Table 6 Metabolic pathways analysis of Mongolian medicine Tubson-2 regulated potential biomarkers in feces of ovariectomized rats

圖7 蒙藥塔布森-2 調節去勢大鼠糞便潛在生物標志物的代謝通路Fig.7 Metabolic pathway of Mongolian medicine Tubson-2 regulated potential biomarkers in feces of ovariectomized rats

4 討論

骨質疏松癥是一種由多種原因引起的代謝性骨疾病，隨著世界老齡化進程的加速，骨質疏松癥的發病率已躍居慢性病第3 位。我國骨質疏松癥的總患病率平均為13%[9]。其中最常見的類型為絕經后骨質疏松癥，它是一種由雌激素缺少而導致的骨量低下、骨質量受損及骨強度降低的原發性I 型骨質疏松疾病。目前雌激素代替療法仍然為治療絕經型骨質疏癥的“黃金手段”，但是長期采用此療法會誘發卵巢疼痛和浸潤性乳腺癌[10]。因此尋找安全可靠的抗絕經后骨質疏松藥物意義重大。

通過對大鼠的尿液樣品、糞便樣品的代謝組學分析可知，蒙藥塔布森-2 治療絕經后骨質疏松癥與多條代謝通路的紊亂相關，包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝及牛磺酸和亞牛磺酸的代謝、組氨酸代謝和維生素B6代謝。其中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝為尿液、糞便樣本中共同存在的代謝通路。天冬氨酸是一種興奮性神經遞質，參與機體內多種代謝過程，通常情況下，機體代謝發生異常均會引起丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的紊亂。模型組大鼠尿液、糞便樣本中天冬氨酸水平均有所升高，而蒙藥塔布森-2 能夠顯著回調天冬氨酸水平，其發生機制和變化的意義尚缺乏文獻報道，需要進一步研究。

組氨酸代謝主要通過下調組氨酸及上調尿刊酸水平來干擾組氨酸代謝的紊亂，進而控制去勢大鼠的骨質疏松進程，達到治療絕經后骨質疏松癥的作用。組氨酸脫羧基生成組氨，組氨可以間接增加破骨細胞的數量和活性，進而導致骨質疏松癥和異常骨組織形態學指標的發生[11]，組氨酸的水平降低能夠抑制破骨細胞活性，降低骨質疏松癥的發生率。本研究結果顯示，經蒙藥塔布森-2 治療后大鼠尿液中組氨酸水平下降，尿刊酸水平上升，進而減輕絕經后骨質疏松的程度。尿刊酸是由L-組氨酸通過組氨酸解氨酶脫氨而來，是組氨酸的下游產物[12]。蒙醫理論認為，骨病的治療原則與赫依盛型腎病相吻合，因此推測尿刊酸可能通過影響腎功能進而影響骨代謝。牛磺酸是牛磺酸與亞牛磺酸代謝通路的關鍵代謝物，具有抗氧化應激的作用，能夠提高超氧化物歧化酶活性、降低丙二醛水平[13]。研究表明，老年大鼠體內雌激素水平下降，導致骨組織中丙二醛水平升高，超氧化物歧化酶活性下降，進而造成骨流失[14]。吡哆醛、吡哆醇、吡哆胺是維生素B6的3 種存在形式，而吡哆氨5′-磷酸鹽、4-吡哆酸是維生素B6的2 種活性存在形式，均是維生素B6代謝途徑上的關鍵代謝產物。飲食中維生素B6的攝入量低或血液中維生素B6的含量低可能是誘導骨質疏松癥的重要危險因素[15]。蒙藥塔布森-2 干預后，大鼠糞便中吡哆醛、吡哆醇、吡哆胺、吡哆氨5′-磷酸鹽、4-吡哆酸的代謝量發生改變，表明蒙藥塔布森-2 調節大鼠機體內的維生素B6代謝進而減輕去勢大鼠的骨質疏松程度，與本課題組前期血清代謝組學研究結果一致，豐富了蒙藥塔布森-2 通過調節維生素B6代謝紊亂來治療絕經后骨質疏松癥的科學內涵。

通過分析骨疏康顆粒與雌激素組對去勢大鼠尿液、糞便樣品的潛在生物標志物的代謝通路發現，雌激素通過調節三羧酸循環、牛磺酸和亞牛磺酸代謝以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、苯丙氨酸、絡氨酸和色氨酸的生物合成和苯丙氨酸代謝來改善去勢大鼠的絕經后骨質疏松程度；其中，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝及牛磺酸和亞牛磺酸代謝與蒙藥塔布森-2 的代謝組學研究結果一致，均調節L-天冬氨酸、牛磺酸含量，調節趨勢一致，但對牛磺酸含量的調節強度較蒙藥塔布森-2 稍弱。骨疏康通過調節組氨酸代謝、三羧酸循環、牛磺酸和亞牛磺酸代謝、維生素B6代謝、精氨酸生物合成以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝來改善絕經后骨質疏松程度；其中，組氨酸代謝、牛磺酸和亞牛磺酸代謝及維生素B6代謝與蒙藥塔布森-2 的代謝組學研究結果相同，調節趨勢一致，強度相近。

綜上所述，蒙藥塔布森-2 主要通過調節組氨酸代謝、牛磺酸和亞牛磺酸代謝以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、維生素B6代謝治療絕經后骨質疏松癥。此外，蒙藥塔布森-2 在調節牛磺酸和亞牛磺酸代謝紊亂方面優于骨疏康顆粒與雌激素，其他通路上的調節作用差異不大。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突