代谢组学在中药现代研究的应用与展望(1)
[收稿日期] 2014-03-22
[基金项目] 国家自然科学基金项目(81274056)；江苏省自然科学基金项目(BK2011135)；江苏省普通高校研究生创新工程计划项目(CXZZ13_0626)；江苏省第九批“六大人才高峰” 计划项目(WS-029)
[通信作者] * 蔡宝昌， 教授，博士生导师，Tel：(025)68193567-8050，E-mail：bccai@126.com
[作者简介] 秦昆明，博士研究生，E-mail：qinkm123@126.com
[摘要] 代谢组学是研究机体代谢网络和代谢产物整体变化及内在变化规律的重要方法，与中药学的研究思路有一定的相似性。在中药现代化的研究过程中，充分借鉴代谢组学的研究方法，将加快传统中药学与现代生命科学的结合，推动中药现代化的发展。该文主要从代谢组学的概念、代谢组学在中药毒性作用机制、中药方剂配伍机制、中药方剂药效作用机制和中药炮制机制等研究中的应用予以阐述。总结了代谢组学在中药现代研究中存在的问题，并展望了发展前景。
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[关键词] 代谢组学；中药；机制
代谢组学(metabolomics/metabonomics)是20世纪90年代末期迅速发展起来的一门新兴学科，是系统生物学(system biology) 研究的重要组成部分。1999年，代谢组学之父，英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授[1]首次提出代谢组学概念：代谢组学是生物体在病理生理刺激和遗传因素改变的条件下，在不同时间、多方位定量检测其代谢变化，通过测定整个机体的代谢图谱来探讨基因功能调控机制的学科。代谢组学主要通过多指标综合分析，研究生物体在内、外因素(如疾病侵袭、药物干预、环境变化等)作用下内源性小分子代谢物(一般指MW<1 000) 种类、数量的变化规律及相互关系[2-3]。代谢组学把人体作为一个完整的系统来研究，在方法学上具有融整体、动态、综合、分析于一体的特点，对于揭示复杂性疾病的机制和药物的代谢模式具有独特的优势。应用代谢组学来认识疾病过程，与中医的整体观、系统观和辨证论治不谋而合，从而给中医药复杂理论体系的研究提供了新的思路和方法[4-5]。近几年国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划(973)等课题资助了多个课题，利用代谢组学技术对中医证候理论、中医临床疗效以及中药药效物质及作用机制进行研究[6-7]，取得了突出成果，充分展示了代谢组学技术在中医药领域的广阔应用前景。
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1 代谢组学的研究内容与流程
代谢组学研究最早主要进行代谢轮廓分析，经过不断发展，目前，代谢组学研究主要开展4个层次研究：第1个层次为代谢物靶标分析(metabolite target analysis)，目标是定量分析一个靶蛋白的底物和/或产物；第2个层次为代谢轮廓分析(metabolic profiling analysis)，采用针对性的分析技术，对特定代谢过程中的结构或性质相关的预设代谢物系列进行定量测定；第3个层次为代谢指纹分析(metabolic fingerprinting analysis)，不分离鉴定具体单一组成，定性并半定量分析细胞外、细胞内全部代谢物；第4个层次为代谢组学，定性和定量分析一个生物系统全部代谢物[8]。
完整的代谢组学研究的流程包括样品的制备、数据的采集和数据的分析及解释，见图1。其样品主要是尿液、血浆或血清、唾液以及细胞和组织的提取液。样品的制备包括样品的提取、预处理和化合物的分离。样品通常用水或有机溶剂甲醇、乙腈等提取。分析之前，样品常先用固相微萃取、固相萃取或亲和色谱等预处理。核磁共振(NMR)、色谱-质谱联用等是最常用的分析方法。随着电喷雾等软电离技术的出现，质谱联用亦越来越多地应用于代谢组学的研究中，如气-质联用(GC-MS，GC-Q-TOF-MS/MS)、液-质联用(LC-MS，UPLC-MS，UPLC-MS/MS)、电泳-质谱联用(CE-MS)和等离子体质谱(ICP-MS)等联用技术[9]。但无论采用哪种分析技术，代谢组学都要处理海量的原始数据信息，通过统计学处理，充分抽提数据中的潜在信息，解读数据中蕴藏的生物学意义，这是代谢组学研究的关键内容。
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代谢组学研究可以获得大量的、多维信息。为了充分抽提所获得数据中的潜在信息，对数据的分析需要应用一系列的方法。首先必须对数据进行预处理，包括归一化和滤噪，后期的数据处理主要采用模式识别技术，包括主成分分析(principal components analysis，PCA)、非线形映射(nonlinear mapping，NLM)、簇类分析(hierarchical cluster analysis，HCA)等非监督(un-supervised)方法和SIMCA(soft independentmodeling of class analogy)，PLS-DA(PLS discriminant analysis)， ANN(artificial neural network)等有监督(supervised)方法[10]。
图1 中药代谢组学研究流程
Fig.1 Flow chart for metabonomics research of traditional Chinese medicine
2 代谢组学在中药现代研究中的应用
2.1 中药材品质评价研究 中药的质量与其品种、产地、采收期、药用部位等密切相关，目前，由于中药材来源较为混乱，质量参差不齐，如何评价中药品质成为一个关键问题。传统的中药品质评价方法主要为采用各种分析方法对主要成分进行分析，难以全面了解中药的品质情况。为了对中药单味药更加深入的研究，通过代谢组学研究单味药的“代谢指纹图谱”，不仅能够研究药物内源性代谢物的变化，还能为全面评价中药质量提供可靠的方法和依据。近年来，国内外专家采用代谢组学方法对多种中药进行品种评价研究，主要研究见表1。, 百拇医药(秦昆明 王彬 陈林伟 章茂森 杨光明 束雅春 蔡宝昌)
[基金项目] 国家自然科学基金项目(81274056)；江苏省自然科学基金项目(BK2011135)；江苏省普通高校研究生创新工程计划项目(CXZZ13_0626)；江苏省第九批“六大人才高峰” 计划项目(WS-029)
[通信作者] * 蔡宝昌， 教授，博士生导师，Tel：(025)68193567-8050，E-mail：bccai@126.com
[作者简介] 秦昆明，博士研究生，E-mail：qinkm123@126.com
[摘要] 代谢组学是研究机体代谢网络和代谢产物整体变化及内在变化规律的重要方法，与中药学的研究思路有一定的相似性。在中药现代化的研究过程中，充分借鉴代谢组学的研究方法，将加快传统中药学与现代生命科学的结合，推动中药现代化的发展。该文主要从代谢组学的概念、代谢组学在中药毒性作用机制、中药方剂配伍机制、中药方剂药效作用机制和中药炮制机制等研究中的应用予以阐述。总结了代谢组学在中药现代研究中存在的问题，并展望了发展前景。
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[关键词] 代谢组学；中药；机制
代谢组学(metabolomics/metabonomics)是20世纪90年代末期迅速发展起来的一门新兴学科，是系统生物学(system biology) 研究的重要组成部分。1999年，代谢组学之父，英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授[1]首次提出代谢组学概念：代谢组学是生物体在病理生理刺激和遗传因素改变的条件下，在不同时间、多方位定量检测其代谢变化，通过测定整个机体的代谢图谱来探讨基因功能调控机制的学科。代谢组学主要通过多指标综合分析，研究生物体在内、外因素(如疾病侵袭、药物干预、环境变化等)作用下内源性小分子代谢物(一般指MW<1 000) 种类、数量的变化规律及相互关系[2-3]。代谢组学把人体作为一个完整的系统来研究，在方法学上具有融整体、动态、综合、分析于一体的特点，对于揭示复杂性疾病的机制和药物的代谢模式具有独特的优势。应用代谢组学来认识疾病过程，与中医的整体观、系统观和辨证论治不谋而合，从而给中医药复杂理论体系的研究提供了新的思路和方法[4-5]。近几年国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划(973)等课题资助了多个课题，利用代谢组学技术对中医证候理论、中医临床疗效以及中药药效物质及作用机制进行研究[6-7]，取得了突出成果，充分展示了代谢组学技术在中医药领域的广阔应用前景。
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1 代谢组学的研究内容与流程
代谢组学研究最早主要进行代谢轮廓分析，经过不断发展，目前，代谢组学研究主要开展4个层次研究：第1个层次为代谢物靶标分析(metabolite target analysis)，目标是定量分析一个靶蛋白的底物和/或产物；第2个层次为代谢轮廓分析(metabolic profiling analysis)，采用针对性的分析技术，对特定代谢过程中的结构或性质相关的预设代谢物系列进行定量测定；第3个层次为代谢指纹分析(metabolic fingerprinting analysis)，不分离鉴定具体单一组成，定性并半定量分析细胞外、细胞内全部代谢物；第4个层次为代谢组学，定性和定量分析一个生物系统全部代谢物[8]。
完整的代谢组学研究的流程包括样品的制备、数据的采集和数据的分析及解释，见图1。其样品主要是尿液、血浆或血清、唾液以及细胞和组织的提取液。样品的制备包括样品的提取、预处理和化合物的分离。样品通常用水或有机溶剂甲醇、乙腈等提取。分析之前，样品常先用固相微萃取、固相萃取或亲和色谱等预处理。核磁共振(NMR)、色谱-质谱联用等是最常用的分析方法。随着电喷雾等软电离技术的出现，质谱联用亦越来越多地应用于代谢组学的研究中，如气-质联用(GC-MS，GC-Q-TOF-MS/MS)、液-质联用(LC-MS，UPLC-MS，UPLC-MS/MS)、电泳-质谱联用(CE-MS)和等离子体质谱(ICP-MS)等联用技术[9]。但无论采用哪种分析技术，代谢组学都要处理海量的原始数据信息，通过统计学处理，充分抽提数据中的潜在信息，解读数据中蕴藏的生物学意义，这是代谢组学研究的关键内容。
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代谢组学研究可以获得大量的、多维信息。为了充分抽提所获得数据中的潜在信息，对数据的分析需要应用一系列的方法。首先必须对数据进行预处理，包括归一化和滤噪，后期的数据处理主要采用模式识别技术，包括主成分分析(principal components analysis，PCA)、非线形映射(nonlinear mapping，NLM)、簇类分析(hierarchical cluster analysis，HCA)等非监督(un-supervised)方法和SIMCA(soft independentmodeling of class analogy)，PLS-DA(PLS discriminant analysis)， ANN(artificial neural network)等有监督(supervised)方法[10]。
图1 中药代谢组学研究流程
Fig.1 Flow chart for metabonomics research of traditional Chinese medicine
2 代谢组学在中药现代研究中的应用
2.1 中药材品质评价研究 中药的质量与其品种、产地、采收期、药用部位等密切相关，目前，由于中药材来源较为混乱，质量参差不齐，如何评价中药品质成为一个关键问题。传统的中药品质评价方法主要为采用各种分析方法对主要成分进行分析，难以全面了解中药的品质情况。为了对中药单味药更加深入的研究，通过代谢组学研究单味药的“代谢指纹图谱”，不仅能够研究药物内源性代谢物的变化，还能为全面评价中药质量提供可靠的方法和依据。近年来，国内外专家采用代谢组学方法对多种中药进行品种评价研究，主要研究见表1。, 百拇医药(秦昆明 王彬 陈林伟 章茂森 杨光明 束雅春 蔡宝昌)