代谢组学的概念、分类及特点

代谢组学的概念、分类及特点

代谢组是20世纪90年代以来发展起来的一个学科，经过基因组学和蛋白质组学。这是关于生物内源性代谢物质的性质、数量和变化规律的科学。它研究的是生物整体、系统器官的内源性代谢物质及其所受内在或外在的影响,是系统生物学的重要组成部分。代谢组学的研究方法依赖于分析化学中的各种谱学技术,如核磁共振波谱、质谱、高效液相色谱、红外光谱、紫外可见光谱以及各种原子光谱等,而基于核磁共振(NMR)的代谢组学研究技术是目前研究和应用较多的一种。NMR的优势在于所检测样品无需繁琐的预处理,就能够对样品实现简单性、无创性、无偏向的检测,具有好的客观性和重现性。代谢组学技术强调把人作为一个完整的系统来研究,通过测定生物体系受刺激或扰动后其代谢产物的变化或其随时间的变化来研究该生物体代谢网络在疾病和药物作用下的变化。代谢组学能够对活体组织器官进行无损伤、几乎接近生理条件的动态研究,这种研究特点与中医学的整体观、系统观和辨证论治思维相吻合,与中医认识和解释疾病的方法相一致。随着生物科技的飞速发展,中医药的现代化研究正面临着寻找合适的切入点,借鉴新的观念和技术来促进自身发展。代谢组学将为中医药的研究提供一种非常有用的技术手段,为中医的现代化研究提供一个新的机遇。1中医1.1从代谢组学的研究方法、目的及对证:证近几年来,中医学术界研究的热点之一是对于证本质的研究。辨证论治是中医药理论的核心,是中医认识疾病和治疗疾病的原则。其实质是根据患者个体差异性及其当时的疾病状态和所处环境因素而有针对性地进行个体化的疾病的治疗和预防,以达到最佳治疗效果。对于中医来说,“证”是“论治”的起点和核心,是中医治疗的关键所在。多年来很多学者对“证”进行研究,但有说服力的成果却很少。其主要问题很可能出在思路、方法,以及研究手段受到限制上。要继续推动中医研究,就要重新审视,调整思路,利用现代最新的技术手段,探讨新的研究途径。“证”是机体在疾病发展过程中某一阶段的病理概括,它包括了病变的部位、原因、性质,以及正邪关系,反应疾病发展过程中某一阶段的病理变化的本质。每一个证都有其外候与内涵,外候是疾病及其病理的外在表现,是中医通过四诊所获得的信息经过思考和整理而得到的心得,它很大程度上依赖于医生的诊疗水平和对疾病的心得体会,具体辨证诊察时亦受到医患双方主观因素的影响而难以客观化和量化。如果能够对“证”的内涵进行研究和阐述,则应当能够避免人为主观因素的误诊。任何一种生物体受刺激后而发生的病理变化过程中,必然影响其生物代谢网络产生相应的变化,从系统生物学的代谢物组学角度建立代谢物谱图并挖掘这些谱图所隐含的信息,则可阐明疾病的微观本质。代谢组学研究技术通过分析某一病证相关小分子代谢产物的共性,以更好地探讨和和解释该疾病患者当时体内的代谢状况,有助于发现疾病的生物标记物的而达到辅助临床诊断的目的。这种依赖于高科技的研究方法不但与中医司外揣内的思想相吻合,还可以提高诊治的科学化,从而避免了人为因素的误诊。上海交通大学药学院实验室采用代谢组学研究,发现肾阳虚模型动物的代谢网络明显偏离正常组动物,而用温阳中药干预后,模型动物的代谢谱回归至正常范围,呈现网络修复的结果。李林等以基于核磁共振的代谢组学研究气虚血瘀证大鼠尿液,将气虚血瘀证大鼠对比于正常大鼠的尿液组成变化,发现病变大鼠尿液中甲酸、肌氨酸酐、α-酮戊二酸、柠檬酸、牛磺酸、氧化三甲胺、琥珀酸、马尿酸等成分的含量发生了变化,说明尿液代谢组学分析能够较好的反应气虚证的代谢特征,为进一步提示气虚血瘀的产生机制和病症治疗提供了基础。北京中医药大学罗和古等应用基于核磁共振的代谢组学研究方法研究慢性束缚应激大鼠(肝郁脾虚模型)的血浆代谢表型改变,开展中医证候学的研究,试图通过对慢性束缚应激大鼠代谢物组的共性分析和生物标记物的发现,寻找肝郁脾虚证候的生物学本质,探讨代谢组学在中医证候中的应用。结果发现大鼠血浆1HNMR谱的主成分分析,各组动物代谢谱各不相同,与已知应激状态下动物体内代谢的调节过程及结果相一致。正常对照组与模型组相比较发现,醋酸、乳酸、酪氨酸、低密度脂蛋白和3.44ppm的未知化合物的谱峰峰形改变较为明显。这些发生改变的代谢物可以作为肝郁脾虚证的生物标志物做进一步的研究,而且可能从中找出特异的标志性代谢产物,阐释中医证候的生物学本质。由此可预见,代谢组学分析是一种有良好发展前景的中医证候学研究方法。郑丽红采用病证结合的方法,选择慢性胃炎、消化性溃疡病等脾气虚证患者为实验组,以正常人作为正常对照组,以慢性胃炎、消化性溃疡病等湿热蕴脾证患者为实验对照组,发现与正常对照组相比,脾气虚证组唾液中则乳酸(1.34pPm)、N-乙酞糖蛋白(2.1pPm)、乙醇(1.18PPm)等物质含量相对较高,而湿热蕴脾组唾液中主要是醋酸盐(1.9ppm,1.94ppm)、丙酸盐(1.06ppm)、丙氨酸(3.78ppm)含量相对较高,为脾气虚证的客观化研究提出了一条思路。代谢组学研究思想与辨证论治的“治病求本”的这一特点相似,它能够帮助人们更好的理解病变的代谢本质。同时,代谢组学还有助于进一步探讨证的物质基础,甚至发现证的疾病代谢标记物,而达到辅助临床诊断的目的并且避免了人为因素的误诊。因此,对于“证”的研究可以和处于科学前沿的系统生物之学代谢组学研究方法相结合,代谢组学的研究方法可将“证”的研究推向科学发展的前沿,成为中医现代化最重要的研究方向之一。1.2“藏象”与“象”的变化中医的整体观认为人体自身是一个有机整体,构成人体的各个组成部分之间是相互关联的,它们在结构上不可分割,功能上相互协调、相互为用,病理上相互影响。人生活在自然、社会环境中,必然受到自然与社会环境各种变化的影响,人类在适应自然和社会环境的斗争中维持着机体的正常生命活动。这种内外环境的统一性,机体自身整体性的思想就是整体观。中医整体观的体现之一就是中医的“藏象学说”,它是以研究脏腑生理功能、病理变化为中心,以及脏腑之间、脏腑与形体官窍及自然社会环境之间的相互关系的学说。藏,是指藏于体内的内脏;象,是指表现于外的生理病理现象,所谓“藏象”者,即是内脏外在之功能表现,“有诸内,必形诸外”。张介宾所言:“象,形象也,藏居于内,形见于外,故曰藏象。”张景岳在《类经》中说:“象,形象也。藏居于内,形见于外,故曰藏象。”王冰所注《内经》言:“象谓所见于外,而可阅者也”。“藏”的变化决定“象”,而“象”的变化反映着“藏”,“藏象”把形与象有机地结合起来,较确切地反映了中医学整体观对人体生理病理活动的认识方法。整体观和藏象学说应用于中医学,体现在局部的病变可以影响及全身的病变,并且可以从五官四肢体表各个方面反映出来,就叫做“司外揣内”。代谢组学研究的思想是把人与环境(地理的、社会的)、人与肠道菌群之间的相互作用加以综合考虑,这种思想与传统中医药强调人与社会环境的整体观,四时和饮食对人的影响等思想是十分契合的,和中医的整体观及其诊疗模式不谋而合。代谢组学是动态的对活体内外的非损伤组织、器官进行无损伤性、几乎接近生理条件的研究方法,这与中医的“司外揣内”的理论体系相类似,可以作为中医的一种新的观察方法。有着代谢组学之父之称的英国Nicholson教授也认为人体应当作为一个完整的系统来研究。有学者以代谢组学方法研究不同物种内在因素对代谢的影响,发现即使是同一种物质,不同物种对其代谢也具有差异。Jones研究灵长类、啮齿类及兔类尿中甘氨酸含量,发现其差别较大,提示了在不同物种间葡萄糖醛酸化通路具有差异性。Costa发现色氨酸在两种白化的小鼠及三种大鼠间的代谢不同,不同种的雄性小鼠对氯仿肾毒性及镉肝毒性的易感性也不同。Stanley对HW大鼠尿核磁共振谱图分析发现,雄性波峰的变异性明显高于雌性,而前者对药物及毒物的敏感性也高研究也证实,这种性别的差异一定程度上与激素水平的差异相关,提示了性别差异在代谢谱上也有反映。年龄也是一个影响因素,Rikans等在四氯化碳的肝毒性模型研究中发现28月龄的F3大鼠较5月龄的敏感性差;并随年龄增长,尿液中三羧酸的代谢产物也不同,可能与肾脏酸碱调节的改变有关。昼夜节律更替影响了体内激素水平,血清代谢谱亦随之变化。Kishikawa等研究发现,白天尿中的牛磺酸、马尿酸、肌酐水平较高,而葡萄糖、琥珀酸、二甲基甘氨酸、肌酸等相应较低,反映了在昼夜间,血清内的磷酸盐及钙盐的水平呈现负相关。Phipps利用NMR分析尿液、血液发现,饮食状态不同,其中的马尿酸、氯原酸等代谢产物的量也随之改变,这表明饮食对尿和血的代谢谱均有显著影响。Zuppi通过NMR一维氢谱发现温度、觉醒等刺激,甚至周围气候不同、菌群的改变都可以影响代谢组的种类及数量。近年来,系统生物学及相关技术随着科技的发展而快速发展,这为从不同的视角来认识中医药疗效及其机制提供了重要的基础和技术条件。代谢组学技术有着整体、动态的研究观点与特点,强调把人体作为一个完整的系统来研究,通过测定人体各种小分子代谢物的变化来认识和反映人体代谢网络在疾病和药物作用下的变化规律,这与中医学的整体观和藏象理论等方面思路相近。大量实验表明:若二者能够结合起来应用于中医研究,将是一个极富创造性而且可行性的研究方法,可以进一步促进中医药研究的现代化进程。2代谢组学研究及其药物毒副反应随着科技的发展,医学对于药物分析的手段和效果的要求也越来越高。代谢是生命活动中所有生物化学变化的总称,代谢活动是生命活动的本质特征和物质基础。代谢组指的是生物体的一个细胞、组织或者器官中所有代谢组份的集合,所有对生物机体有影响的因素均可反应在代谢组中,因此,研究代谢组学对研究药物及其治疗有重要的意义。在国外,代谢组学技术被应用于药物毒理学研究,评价药物毒性,为确定药物安全性研究的风险发挥着有利的作用。药物毒理研究是代谢组学研究的初衷,也是目前研究最为活跃的领域之一。代谢组学在未知化合物的毒性预测中的应用具有广阔的前景,这将大大降低新药的创新成本和研发周期。2.1中药的活性成分及代谢产物的研究中药是我国的瑰宝,无论是在药理或者毒理方面,如“四气五味”、“升降沉浮”、“性味归经”、“相反相畏”等,都凝聚着历史的智慧,然而却缺乏现代科学的内涵。其次,中药大多来自植物、动物和矿物,其疗效受到产地、炮制、储藏等条件的影响,致使到目前为止,其质量的控制方法,一直是中药研究的一个难点和重点。中药的药效是其内在多种成分共同作用的结果,如仅仅采用单一指标成分的定性、定量分析往往难以切实地、全面地反映其临床功效。因此,这些造成了中药市场杂乱,缺乏量化标准,难以全面走向国际市场,使得中药在新时代的发展中遭遇了一个重要问题,就是如何找到一个既符合传统中药应用的方式,又可以揭示中药内在性质的方法,从而使中药可以标准化的应用于临床。因此,以现代科学来解释中药的药理及毒理,建立统一的可量化的药物标准,是既必要又紧迫的。国内外学者对中药单纯从中药的化学成分入手,进行了大量的活性成分研究,然而,这种“西化”的研究方式却只适用于西医学的还原论,并不能以中医的整体论来解释中药,不能从本质上探讨中药的内在机制,致使中药质量标准化研究进展缓慢,严重制约了我国中药产品的开发和质量水平的提高。如果对中药的研究能解决以上这些问题,不仅对目前的药物制造厂家有积极意义,对新药方剂的发现有重要的基础作用,而且可以加速中医药现代化。植物代谢物是中药的活性成分,应用现代代谢组学研究方法对药材进行指纹图谱水平鉴别,检测药物的活性成分和代谢产物,将会对中药的研究起到一定的推动作用。Nicholson等用代谢组学法进行有关欧洲黄菊和芦笋对人体内分泌的影响的研究。初步结果表明,代谢组学法用于植物药(混合物)有其他方法无法比拟的优势。陈文学等观察当归对大鼠缺血性脑损伤代谢物质的变化,发现大鼠急性脑缺血时大多数代谢物含量均明显低于正常对照组,经过当归治疗后,这些代谢产物的含量会有不同程度的增加,这证明当归对大鼠缺血性脑损伤具有明显的保护作用。Fiehn等对不同表型阿拉伯荠的代谢产物进行代谢组学分析,结合化学计量学方法对这些植物的表型进行了分类,发现与线粒体和叶绿素中的基因型结果一致,苹果酸、柠檬酸、葡萄糖和果糖是在分类中起重要作用的代谢物质。由此可设想,如果将代谢组学技术应用于其他中药的活性成分的研究,则可以筛选出中药的药物活性成分,以便对其再做进一步研究。中药的质量问题主要就是植物代谢组的问题,而中药药物的药理和毒理就是在服药后,药物会对机体内分泌和代谢产生一定的影响。以代谢组学法检测这些外源性刺激引起机体内分泌和代谢网络的改变,可监测药物本身在体内的代谢变化过程,更重要的是可以通过观察药物所引起的内源性代谢物的变化,以推断中药在体内药物作用的靶点、受体和作用机制,利用代谢物的终端性信息寻找或阐明药将会对中药的研究和发展。可以预见,代谢组学能以现代化的科技手段实现对中药的整体评价,如:中药的检测监督、质量控制、中药防伪、中药活性成分鉴定等方面起到一定的作用,确保中药能有效而安全地使用,推动中药发展的现代化步伐。2.2基于代谢组学的中药复方整体效应评价方法方剂是中医治疗疾病的特色,是在辨证立法的基础上选药配伍组成的。方剂的组成既有严格的原则性,又有极大的灵活性。方剂讲究君臣佐使的原则,又遵循方从法出的灵活运用。在其独特的理论及治法下,中医可以对一些西医疗效欠佳的疾病有不可思议的治疗效果,然而其大部分机制却不能用现代技术加以阐释,因此也很难为国内外学者认同。目前在研究中药方剂学方面,大多采用的仍然是化学的研究模式,忽视了方剂配伍的复杂、中药成分的复杂、中医理论的指导和方药与病证二者之间的相互作用关系,从而难以取得突破性的进展。方剂是祖国医学整体观和辨证施治特点的集中体现,也是中医临床用药的特点和疗效的优势所在,方剂研究在理论和技术等方面迫切需要建立符合自身特点的研究方法。代谢组学在方法学上具有无创伤、动态、接近生理条件下研究等特点,与中药治疗中整体动态性原则具有很大的趋同性,为中药复方整体效应评价方法的创新提供了机遇。它采用系统生物学的策略和方法,基于疾病和药物干预下的系统代谢网络的整体性和动态性的变化评价中药整体效应,从而解释中药方剂对疾病的治疗作用。罗和古在基于代谢组学的逍遥散方证相关的机理研究中发现逍遥散的作用,显示出多途径、多靶点、双向调节的特点。其作用的靶点包括肝、脑、肾、肌肉、胃肠、脂肪组织、红细胞等多脏器组织细胞,初步以系统生物学的客观化手段解释了逍遥散的作用机理。蒋宁等应用代谢组学方法研究比较六味及八味地黄汤的作用机理,发现两者均能够对快速老化亚系大鼠的血清代谢产物产生影响。二方剂可能主要通过对葡萄糖、胆碱和脂类的含量的调节而改善了大鼠能量代谢障碍和学习记忆里下降,提示两方剂能够在代谢网络多个节点上对大鼠的代谢紊乱起到调节和改善作用。这些代谢产物为深入研究六味和八味地黄汤的作用机制的现代生物学基础提供了新的线索和依据。方剂的特点是药效物质对机体进行多成分、多途径、多靶点的整体调节。代谢组学以系统生物学整体的方法来进行研究方剂,可以在研究药物本身在体内的代谢变化过程的同时,通过观察药物所引起的生物体内小分子代