代謝組學的概念、分類及特點

代謝組學的概念、分類及特點

代謝組是20世紀90年代以來發(fā)展起來的一個學科，經過基因組學和蛋白質組學。這是關于生物內源性代謝物質的性質、數(shù)量和變化規(guī)律的科學。它研究的是生物整體、系統(tǒng)器官的內源性代謝物質及其所受內在或外在的影響,是系統(tǒng)生物學的重要組成部分。代謝組學的研究方法依賴于分析化學中的各種譜學技術,如核磁共振波譜、質譜、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)的代謝組學研究技術是目前研究和應用較多的一種。NMR的優(yōu)勢在于所檢測樣品無需繁瑣的預處理,就能夠對樣品實現(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。代謝組學技術強調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物的變化或其隨時間的變化來研究該生物體代謝網絡在疾病和藥物作用下的變化。代謝組學能夠對活體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來促進自身發(fā)展。代謝組學將為中醫(yī)藥的研究提供一種非常有用的技術手段,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從代謝組學的研究方法、目的及對證:證近幾年來,中醫(yī)學術界研究的熱點之一是對于證本質的研究。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。其實質是根據(jù)患者個體差異性及其當時的疾病狀態(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)治療的關鍵所在。多年來很多學者對“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,調整思路,利用現(xiàn)代最新的技術手段,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,以及正邪關系,反應疾病發(fā)展過程中某一階段的病理變化的本質。每一個證都有其外候與內涵,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。如果能夠對“證”的內涵進行研究和闡述,則應當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絡產生相應的變化,從系統(tǒng)生物學的代謝物組學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。代謝組學研究技術通過分析某一病證相關小分子代謝產物的共性,以更好地探討和和解釋該疾病患者當時體內的代謝狀況,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)司外揣內的思想相吻合,還可以提高診治的科學化,從而避免了人為因素的誤診。上海交通大學藥學院實驗室采用代謝組學研究,發(fā)現(xiàn)腎陽虛模型動物的代謝網絡明顯偏離正常組動物,而用溫陽中藥干預后,模型動物的代謝譜回歸至正常范圍,呈現(xiàn)網絡修復的結果。李林等以基于核磁共振的代謝組學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,說明尿液代謝組學分析能夠較好的反應氣虛證的代謝特征,為進一步提示氣虛血瘀的產生機制和病癥治療提供了基礎。北京中醫(yī)藥大學羅和古等應用基于核磁共振的代謝組學研究方法研究慢性束縛應激大鼠(肝郁脾虛模型)的血漿代謝表型改變,開展中醫(yī)證候學的研究,試圖通過對慢性束縛應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本質,探討代謝組學在中醫(yī)證候中的應用。結果發(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,與已知應激狀態(tài)下動物體內代謝的調節(jié)過程及結果相一致。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物,闡釋中醫(yī)證候的生物學本質。由此可預見,代謝組學分析是一種有良好發(fā)展前景的中醫(yī)證候學研究方法。鄭麗紅采用病證結合的方法,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。同時,代謝組學還有助于進一步探討證的物質基礎,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前沿的系統(tǒng)生物之學代謝組學研究方法相結合,代謝組學的研究方法可將“證”的研究推向科學發(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,構成人體的各個組成部分之間是相互關聯(lián)的,它們在結構上不可分割,功能上相互協(xié)調、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)境之間的相互關系的學說。藏,是指藏于體內的內臟;象,是指表現(xiàn)于外的生理病理現(xiàn)象,所謂“藏象”者,即是內臟外在之功能表現(xiàn),“有諸內,必形諸外”。張介賓所言:“象,形象也,藏居于內,形見于外,故曰藏象?！睆埦霸涝凇额惤洝分姓f:“象,形象也。藏居于內,形見于外,故曰藏象?！蓖醣ⅰ秲冉洝费?“象謂所見于外,而可閱者也”。“藏”的變化決定“象”,而“象”的變化反映著“藏”,“藏象”把形與象有機地結合起來,較確切地反映了中醫(yī)學整體觀對人體生理病理活動的認識方法。整體觀和藏象學說應用于中醫(yī)學,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”。代謝組學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。代謝組學是動態(tài)的對活體內外的非損傷組織、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”的理論體系相類似,可以作為中醫(yī)的一種新的觀察方法。有著代謝組學之父之稱的英國Nicholson教授也認為人體應當作為一個完整的系統(tǒng)來研究。有學者以代謝組學方法研究不同物種內在因素對代謝的影響,發(fā)現(xiàn)即使是同一種物質,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,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物也不同,可能與腎臟酸堿調節(jié)的改變有關。晝夜節(jié)律更替影響了體內激素水平,血清代謝譜亦隨之變化。Kishikawa等研究發(fā)現(xiàn),白天尿中的牛磺酸、馬尿酸、肌酐水平較高,而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相應較低,反映了在晝夜間,血清內的磷酸鹽及鈣鹽的水平呈現(xiàn)負相關。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)生物學及相關技術隨著科技的發(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和技術條件。代謝組學技術有著整體、動態(tài)的研究觀點與特點,強調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絡在疾病和藥物作用下的變化規(guī)律,這與中醫(yī)學的整體觀和藏象理論等方面思路相近。大量實驗表明:若二者能夠結合起來應用于中醫(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代謝組學研究及其藥物毒副反應隨著科技的發(fā)展,醫(yī)學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變化的總稱,代謝活動是生命活動的本質特征和物質基礎。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在代謝組中,因此,研究代謝組學對研究藥物及其治療有重要的意義。在國外,代謝組學技術被應用于藥物毒理學研究,評價藥物毒性,為確定藥物安全性研究的風險發(fā)揮著有利的作用。藥物毒理研究是代謝組學研究的初衷,也是目前研究最為活躍的領域之一。代謝組學在未知化合物的毒性預測中的應用具有廣闊的前景,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”、“相反相畏”等,都凝聚著歷史的智慧,然而卻缺乏現(xiàn)代科學的內涵。其次,中藥大多來自植物、動物和礦物,其療效受到產地、炮制、儲藏等條件的影響,致使到目前為止,其質量的控制方法,一直是中藥研究的一個難點和重點。中藥的藥效是其內在多種成分共同作用的結果,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)中藥應用的方式,又可以揭示中藥內在性質的方法,從而使中藥可以標準化的應用于臨床。因此,以現(xiàn)代科學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。國內外學者對中藥單純從中藥的化學成分入手,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,不能從本質上探討中藥的內在機制,致使中藥質量標準化研究進展緩慢,嚴重制約了我國中藥產品的開發(fā)和質量水平的提高。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,應用現(xiàn)代代謝組學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等用代謝組學法進行有關歐洲黃菊和蘆筍對人體內分泌的影響的研究。初步結果表明,代謝組學法用于植物藥(混合物)有其他方法無法比擬的優(yōu)勢。陳文學等觀察當歸對大鼠缺血性腦損傷代謝物質的變化,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,經過當歸治療后,這些代謝產物的含量會有不同程度的增加,這證明當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物進行代謝組學分析,結合化學計量學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。由此可設想,如果將代謝組學技術應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,藥物會對機體內分泌和代謝產生一定的影響。以代謝組學法檢測這些外源性刺激引起機體內分泌和代謝網絡的改變,可監(jiān)測藥物本身在體內的代謝變化過程,更重要的是可以通過觀察藥物所引起的內源性代謝物的變化,以推斷中藥在體內藥物作用的靶點、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見,代謝組學能以現(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基于代謝組學的中藥復方整體效應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)代技術加以闡釋,因此也很難為國內外學者認同。目前在研究中藥方劑學方面,大多采用的仍然是化學的研究模式,忽視了方劑配伍的復雜、中藥成分的復雜、中醫(yī)理論的指導和方藥與病證二者之間的相互作用關系,從而難以取得突破性的進展。方劑是祖國醫(yī)學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等方面迫切需要建立符合自身特點的研究方法。代謝組學在方法學上具有無創(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,為中藥復方整體效應評價方法的創(chuàng)新提供了機遇。它采用系統(tǒng)生物學的策略和方法,基于疾病和藥物干預下的系統(tǒng)代謝網絡的整體性和動態(tài)性的變化評價中藥整體效應,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的逍遙散方證相關的機理研究中發(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)生物學的客觀化手段解釋了逍遙散的作用機理。蔣寧等應用代謝組學方法研究比較六味及八味地黃湯的作用機理,發(fā)現(xiàn)兩者均能夠對快速老化亞系大鼠的血清代謝產物產生影響。二方劑可能主要通過對葡萄糖、膽堿和脂類的含量的調節(jié)而改善了大鼠能量代謝障礙和學習記憶里下降,提示兩方劑能夠在代謝網絡多個節(jié)點上對大鼠的代謝紊亂起到調節(jié)和改善作用。這些代謝產物為深入研究六味和八味地黃湯的作用機制的現(xiàn)代生物學基礎提供了新的線索和依據(jù)。方劑的特點是藥效物質對機體進行多成分、多途徑、多靶點的整體調節(jié)。代謝組學以系統(tǒng)生物學整體的方法來進行研究方劑,可以在研究藥物本身在體內的代謝變化過程的同時,通過觀察藥物所引起的生物體內小分子代