王會琳，高建平

(上海中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，上海 201203)

代謝組學(xué)的概念來源于代謝組，代謝組是指某一生物或細(xì)胞在特定生理時期內(nèi)的所有低分子代謝產(chǎn)物，代謝組學(xué)則是對這些低分子量代謝產(chǎn)物同時進行定性或定量分析的一門新學(xué)科，這個概念是2000年德國馬普所的Fiehn等［1］提出的。代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后系統(tǒng)生物學(xué)的又一重要組成部分，從宏觀層面上更準(zhǔn)確地把握生命體代謝活動所蘊含的信息，明確基因和蛋白質(zhì)的變化在生命體代謝產(chǎn)物的具體表現(xiàn)，是組學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一，也被視為組學(xué)研究的“終點”。近年來，隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展和完善，代謝組學(xué)的方法將有可能成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的有力工具。

心血管疾病是威脅人類生命健康的重大疾病之一，也是世界范圍內(nèi)常見的致死原因之一，因此受到專家學(xué)者們的關(guān)注。隨著核磁共振和質(zhì)譜等技術(shù)的發(fā)展，以及主成分分析法(principal component analysis，PCA)等能夠?qū)Υx組數(shù)據(jù)進行合理分析的方法的應(yīng)用，帶動代謝組學(xué)迅速發(fā)展成熟，而心血管疾病所引起的體內(nèi)代謝物的變化，為代謝組學(xué)以獨特的優(yōu)勢預(yù)測心血管疾病的發(fā)生發(fā)展以及研究藥物的效應(yīng)和作用機制提供有效的方法［2－5］。本文通過查閱近年來國內(nèi)外關(guān)于代謝組學(xué)技術(shù)在心血管藥理學(xué)研究中應(yīng)用的研究文獻加以綜述。

1 代謝組學(xué)在抗高血壓藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

高血壓是心血管系統(tǒng)的常見病，截至2012年10月，我國高血壓患者已逾2.5億。另外高血壓也是其他心腦血管等疾病的一個主要危險因素［6］，血壓升高可使腦卒中、充血性心力衰竭及腎功能衰竭等的發(fā)生率增加。然而，目前高血壓的發(fā)病機制仍不十分清楚，這為高血壓的根治帶來一定的困難。隨著代謝組學(xué)的發(fā)展，代謝組學(xué)技術(shù)在高血壓的預(yù)測及抗高血壓藥物治療的研究中逐步得到應(yīng)用。

Jiang等［7］采用超高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究復(fù)方中藥平肝方對自發(fā)性高血壓大鼠的干預(yù)作用，PCA結(jié)果顯示，對血漿中的3種比率的溶血卵凝脂22∶6，20∶4和18∶1的異常有調(diào)節(jié)作用，另外，對膽酰甘氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷酸鞘氨醇、2，4－甲硫基苯酚丁酸也有調(diào)節(jié)作用，而這些代謝物與鞘脂類代謝和脂肪類代謝有關(guān)，提示平肝方對高血壓的干預(yù)作用可能與干擾脂質(zhì)代謝有關(guān)。

Wang等［8］采用代謝組學(xué)技術(shù)對β受體阻滯劑卡維地洛的對映體S－卡維地洛和R－卡維地洛對高血壓大鼠的血管平滑肌細(xì)胞(A7r5)的作用進行了研究，對細(xì)胞的內(nèi)應(yīng)答、分泌代謝物以及鈣離子變化進行分析。對A7r5細(xì)胞的32個代謝物的檢測結(jié)果顯示，只有S－卡維地洛處理組細(xì)胞內(nèi)的肌糖、5－羥色胺、L－蘇氨酸顯著下降，棕櫚酸、肉豆蔻酸、乙醇酸、乳酸以及L－絲氨酸顯著上升。細(xì)胞分泌代謝物的檢測結(jié)果顯示，S－卡維地洛組的 L－丙氨酸、L－亮氨酸、L－纈氨酸和琥珀酸4個代謝物顯著上升，說明S－卡維地洛的降壓作用可能與調(diào)控3種支鏈氨基酸的合成以及降低琥珀酸脫氫酶活性有關(guān);對A7r5細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的檢測結(jié)果顯示，只有S－卡維地洛組細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度顯著降低。這些結(jié)果提示，S－卡維地洛對高血壓大鼠血管平滑肌細(xì)胞的作用可能優(yōu)于R－卡維地洛。

Wikoff等［9］研究了不同種族高血壓人群在接受藥物治療中的機體代謝組情況。分別給予黑種人和白種人高血壓患者β受體阻滯劑阿替洛爾，給藥后第9周，收集患者的血漿進行機體代謝物分析，發(fā)現(xiàn)白種人服藥后血漿中飽和棕櫚酸、單不飽和油酸、棕櫚油酸、多不飽和花生四烯酸、亞麻酸以及游離脂肪酸水平顯著下降，酮體3－羥基丁酸水平的下降尤其明顯，但黑種人則不顯示這種變化。此項研究提示，可以借助代謝組學(xué)技術(shù)從機體代謝物入手追蹤不同種族或個體的遺傳基因的差異，來判斷藥物對不同高血壓患者治療效果的差異性。

2 代謝組學(xué)在抗高脂血癥藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

高脂血癥是由于脂肪代謝或運轉(zhuǎn)異常而引起的一種全身性疾病，表現(xiàn)為血中總膽固醇或甘油三酯過高，或高密度脂蛋白過低，該病對身體的損害是隱匿、進行性和全身性的。同時脂代謝紊亂也是動脈粥樣硬化、冠心病、腦卒中、糖尿病并發(fā)癥和代謝綜合征等人類重大疾病的重要危險因素。高脂血癥往往涉及機體的代謝異常，因此可以利用代謝組學(xué)技術(shù)對藥物的作用進行研究。

Zhang等［10］以高脂血癥大鼠為研究對象，對銀杏葉提取物的抗高脂血癥作用進行了代謝組學(xué)研究。結(jié)果顯示，無論是預(yù)防性給藥還是治療性給藥，銀杏葉提取物均能顯著降低大鼠體內(nèi)總膽固醇和低密度脂蛋白的水平，升高高密度脂蛋白水平。給藥后大鼠血漿中山梨醇、酪氨酸、谷氨酰胺以及葡萄糖含量明顯上升，檸檬酸、半乳糖、棕櫚酸、花生四烯酸、乙酸、膽固醇、丁酸鹽、肌酸酐、亞油酸、鳥氨酸以及脯氨酸水平顯著下降，說明銀杏葉可翻轉(zhuǎn)淀粉樣β蛋白阻礙谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，并降低膽固醇水平，提示銀杏葉對高脂血癥的作用體現(xiàn)在對某些機體代謝物的改善作用。Liu等［11］結(jié)合代謝組學(xué)與金屬組學(xué)對注射小檗堿后的高脂血癥大鼠尿液進行研究，高脂血癥大鼠體內(nèi)的檸檬酸循環(huán)、膽固醇代謝以及滲透調(diào)節(jié)過程被擾亂，給藥后大鼠體內(nèi)琥珀酸鹽、三甲胺以及肌酸酐水平上升，丙酮酸鹽和谷氨酸鹽水平下降。金屬組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一些金屬元素發(fā)生變化，其中釩的上升說明給藥后血糖和膽固醇代謝的變化，錳的下降提示脂質(zhì)代謝可能被擾亂。結(jié)合代謝組和金屬組的方式為尋找高血脂癥潛在標(biāo)志物以及藥物的研究提供一個新思路。

Sun 等［12］利用代謝組學(xué)研究 2'，3'，5'－三乙?；璑6－(3－羥基苯胺)腺苷(WS070117)對高脂血癥倉鼠的影響。與對照組相比，WS070117使甘油三酯、膽固醇、乳酸以及丙氨酸水平上升，而膽堿磷酸、卵磷脂和甘油磷酰膽堿等化合物以及甜菜堿水平下降，說明WS070117具有促進極低密度脂蛋白的合成，同時促進甘油三酯從肝中排除，從而預(yù)防脂肪在肝和血漿中的蓄積，達到控制高脂血癥的目的。Patterson等［13］對過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator－activated receptor α，PPARα)誘導(dǎo)脂肪酸β氧化作用進行了代謝組學(xué)分析，高血脂患者連續(xù)14 d給予貝特類藥物，分析患者尿液中與脂肪酸β氧化作用有關(guān)的潛在生物標(biāo)記物的變化。結(jié)果顯示，與對照組比較，給藥后患者尿液中泛酸和乙酰肉堿水平明顯下降，血清膽固醇、甘油三酯和尿酸以及尿中丙肉毒堿、異丁酰肉毒堿、甲基丁酰肉堿和異戊酰肉堿水平均呈下降趨勢，提示貝特類藥物可能促進輔酶A的合成，進而促進脂肪代謝。

3 代謝組學(xué)在抗動脈粥樣硬化藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

動脈粥樣硬化是指動脈血管中的脂質(zhì)沉淀形成內(nèi)膜粥樣斑塊，以動脈壁增厚、變硬和彈性減退為特征的動脈硬化性疾病。動脈粥樣硬化是多種心血管疾病的主要誘發(fā)因素之一，根據(jù)心血管疾病預(yù)測結(jié)果［14］以及動脈粥樣硬化風(fēng)險性研究［15］顯示，心血管疾病的致死病例中，多數(shù)伴隨動脈粥樣硬化或動脈局部硬化。而動脈粥樣硬化往往伴有脂質(zhì)代謝的異常，因此，代謝組學(xué)研究為動脈粥樣硬化的診斷和藥物作用的評價提供了幫助。

Jové等［16］利用代謝組學(xué)與脂類組學(xué)相結(jié)合的方法，對倉鼠動脈粥樣硬化模型的早期血漿中的生物標(biāo)志物進行探索。結(jié)果顯示，高脂飲食改變了主動脈脂質(zhì)中的甘油磷脂、鞘脂類、甘油糖脂以及一些游離的脂肪酸和甾醇類的水平，增加血管緊張素酶抑制劑的活性，誘導(dǎo)PPARγ，使DNA損傷修復(fù)標(biāo)記物γ－H2AX水平上升。在模型動物的飼料中補充葡萄柚種子提取物，發(fā)現(xiàn)該給藥組倉鼠的主動脈中牛黃膽酸含量與游離膽固醇量呈正相關(guān)，驗證了牛黃膽酸可作為動脈粥樣硬化的潛在生物標(biāo)志物，這為其進一步治療奠定基礎(chǔ)。

脂質(zhì)代謝在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，而載脂蛋白則在脂質(zhì)代謝中扮演重要角色。Leo等［17］對小鼠進行載脂蛋白E基因敲除以制備動脈粥樣硬化動物模型，并對其用卡托普利干預(yù)。通過PCA顯示，治療組的尿囊素水平顯著升高，提示尿囊素水平可作為卡托普利治療效果評價的依據(jù)。Ou 等［18］對載脂蛋白 AI模擬肽(D－4F)抑制動物動脈粥樣硬化作用進行了相關(guān)探討。復(fù)制LDLr－/－小鼠動脈粥樣硬化模型，腹腔注射D－4F進行干預(yù)，血漿代謝組分析結(jié)果顯示，模型組動物的一系列磷脂代謝產(chǎn)物，包括溶血卵磷脂、溶血磷脂酰乙醇胺、卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂和二酰基甘油，尤其是長鏈的溶血卵磷脂含量急劇上升，而D－4F治療組動物上述代謝物含量減少。提示D－4F可能通過調(diào)節(jié)血漿磷脂類代謝產(chǎn)物特別是減少長鏈溶血卵磷脂來抑制動脈粥樣硬化。

4 代謝組學(xué)在抗心肌缺血藥理學(xué)研究中的應(yīng)用

心肌缺血是各種原因引起心臟血液灌注減少，心肌對氧的供需失去平衡，心肌能量代謝不正常，不能支持心臟正常工作的一種病理狀態(tài)。心肌缺血最常見的原因是心肌梗死，另外動脈粥樣硬化、高血脂、高血壓和高血糖等心血管疾病也是其重要危險因素。心肌缺血會導(dǎo)致體內(nèi)活性氧缺乏，機體內(nèi)相應(yīng)的代謝物也會發(fā)生變化［19－20］，所以代謝組學(xué)為在抗心肌缺血藥理學(xué)方面的研究提供了一個平臺。

Jiang等［21］在對麝香保心片對心肌梗死性心肌缺血大鼠的藥效學(xué)研究中，利用代謝組學(xué)技術(shù)對尿液進行分析，結(jié)果顯示有16種代謝物包括2－脫氧－d－核糖－5－磷酸、肌酸、尿苷、3，4－二羥基杏仁酸、色氨酸、半胱氨酸－高半胱氨酸、二硫化物、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、馬尿酸、煙酰胺單核苷酸、褪黑素、苯乙酰甘氨酸、11－脫氫皮質(zhì)酮、黃嘌呤核苷以及3－甲基尿苷可以用來評價心肌梗死的發(fā)生發(fā)展以及麝香保心丸的作用效果，其中肌酸、尿苷、谷氨酸、泛酸、草酰琥珀酸、煙酰胺單核苷酸、苯乙尿酸、黃嘌呤核苷與ATP的生成有關(guān)，即這8個代謝物與能量代謝途徑有關(guān)，而能量代謝的異常能顯著影響心肌梗死的生物學(xué)進程。

Li等［22］用心肌梗死模型對可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑的藥理作用進行研究，進行生物代謝組分析發(fā)現(xiàn)模型組小鼠體內(nèi)環(huán)氧二十碳三烯酸與二羥基－20碳三烯酸比例上升，并且炎性細(xì)胞因子如干擾素γ、單核細(xì)胞趨化蛋白1、白細(xì)胞介素6和白細(xì)胞介素10水平上升。在模型小鼠飲水中加入1－金剛烷胺基－3－{5－〔2－(2－乙氧基－乙氧基)－乙氧基〕－戊基}－尿素或反式－4－〔4－(3－金剛烷基－1－尿基)－環(huán)己氧基〕－苯甲酸兩種類型的可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑，則均能減小心肌梗死面積和降低炎性細(xì)胞因子水平，說明可溶性環(huán)氧化物水解酶抑制劑對于治療心肌缺血具有一定的可靠性。

5 展望

代謝組學(xué)作為一門新興技術(shù)，呈現(xiàn)了生物體內(nèi)小分子代謝物系統(tǒng)而又全面的特征。如今，代謝組學(xué)在疾病以及藥理學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。心血管疾病嚴(yán)重影響人類健康，對該類疾病的治療和研究越來越受到人們的關(guān)注。心血管疾病的發(fā)病機制迄今仍有很多不明確的方面，而很多類型的心血管疾病與機體的代謝異常有關(guān)，因此，代謝組學(xué)這一技術(shù)手段為心血管藥理學(xué)研究提供了一個較好的切入點。隨著代謝組學(xué)生物信息分析檢測手段等的不斷創(chuàng)新，對疾病狀態(tài)下內(nèi)源性代謝譜中生物標(biāo)志物或生物標(biāo)志群的確定會更靈敏和準(zhǔn)確，這將為心血管疾病藥物的療效評價以及尋找有效的作用靶點研究提供更可靠的研究手段。

然而，代謝組學(xué)的研究還有很多有待解決的問題。首先，基于生物標(biāo)本的復(fù)雜性，從中找出特異性的生物標(biāo)志物已成為代謝組學(xué)研究的重點和難點之一。其次，體內(nèi)生物代謝物會受到很多因素如飲食、環(huán)境因素、機體狀態(tài)以及取樣時間等的影響，這對結(jié)果的重現(xiàn)性具有較大的影響。目前各種分析技術(shù)的分辨率、靈敏度以及動態(tài)范圍等的限制，尚不能完全做到將所有代謝產(chǎn)物同時定性定量地檢測出來，只能通過各種分析技術(shù)的結(jié)合來解決部分問題。同時通過代謝組學(xué)分析技術(shù)可以得到大量的差異代謝產(chǎn)物，而對這些差異代謝物與疾病發(fā)病的相關(guān)性以及藥物作用機制的關(guān)聯(lián)性分析還很欠缺，這些問題的解決需要借助于分析技術(shù)的不斷進步、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫的不斷完善以及代謝產(chǎn)物與疾病發(fā)病機制的深入研究。

未來的科學(xué)研究中，代謝組學(xué)仍有很大的發(fā)展空間，相信這門技術(shù)將能大大推動心血管藥理學(xué)研究領(lǐng)域的進一步完善。

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