張寧,李自輝,葉濤,龐牧,劉樹民*,李玲
(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.貴州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,貴州 貴陽 550001)
四性(氣)是中藥藥性理論的重要組成部分,是說明藥物作用的主要理論依據(jù)之一[1]。課題組前期嚴(yán)格按照首席科學(xué)家匡海學(xué)教授提出的中藥性(氣)味科學(xué)內(nèi)涵新假說內(nèi)容,建立與冰水浴誘導(dǎo)的寒凝血瘀證病理相關(guān)的動(dòng)物寒證模型,基于“寒者熱之,熱者寒之”理論,用于中藥藥性(氣)關(guān)鍵科學(xué)問題研究[2]。而代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分,其研究思想與中醫(yī)藥研究思想的整體觀相似,已廣泛應(yīng)用于中藥藥性理論研究,這對(duì)推動(dòng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化具有重要作用[3]。近年來研究表明,代謝組學(xué)技術(shù)可較好探討寒證的科學(xué)本質(zhì)[4-7]。
《靈樞·邪氣藏府病形》中說:“有所墮墜,惡血留內(nèi),……積于脅下,則傷肝”。瘀血停于體內(nèi),當(dāng)“惡血?dú)w肝”超越肝本身的“去瘀生新”,即新陳代謝功能的最大限度時(shí),會(huì)阻滯氣機(jī),產(chǎn)生傷肝的病理變化。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為肝既藏有形之血,又疏泄無形之氣,其中疏泄調(diào)暢氣機(jī)是其基本功能,貫穿其他功能之中。古人又有“肝主血?!敝f,可見肝與瘀血的形成關(guān)系密切。且課題組前期已初步驗(yàn)證建立的寒凝血瘀大鼠模型具有一定的科學(xué)性[2]。故本研究運(yùn)用肝臟代謝組學(xué)技術(shù),探討寒凝成瘀的可能機(jī)制。
清潔級(jí)SD 大鼠,雄性,20 只,體質(zhì)量180~220 g,由遼寧長(zhǎng)生生物技術(shù)有限公司提供,合格證號(hào):SCXK(遼)2015-0001。動(dòng)物飼養(yǎng)于黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心的代謝籠中,室內(nèi)溫度20~25℃,相對(duì)濕度40%~60%,12 h避光,12 h光照,自由飲食。經(jīng)黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理和使用委員會(huì)審核,符合科技部《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見》和《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理和使用委員會(huì)章程》的相關(guān)規(guī)定,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理審查批準(zhǔn)編號(hào)為DWLL20151108001。
乙腈(色譜級(jí),F(xiàn)isher 技術(shù)有限公司,美國(guó));蒸餾水(廣州屈臣氏食品飲料公司);甲酸和亮氨酸腦啡肽(Sig-ma-Aldrich,美國(guó));細(xì)胞色素C 氧化酶(COX)、ATP 合酶(ATPase)、腺苷激酶(ADK)和Na+-K+-ATP 酶酶聯(lián)免疫試劑盒(南京建成生物工程研究所,批號(hào):20160320)。
AcquityTMUPLC 液相色譜與Q-TOF-MS 質(zhì)譜儀(Waters 集團(tuán)公司,美國(guó));MassLynxV4.1 工作站(Waters集團(tuán)公司,美國(guó));KDC-160HR型高速低溫離心機(jī)(科大創(chuàng)新股份公司);Milli-Q超純水系統(tǒng)(Milli-Q公司);超低溫冰箱(賽默飛世爾科技中國(guó)有限公司);AL204電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司);MS3 digital 渦旋儀(德國(guó)IKA公司);Anthos2010酶標(biāo)儀(奧地利安圖斯公司)。
大鼠隨機(jī)分為空白組和寒凝血瘀模型組兩組,每組10只。除空白組外,模型組大鼠置于0~1 ℃冰水中15 min,每日1次,連續(xù)15 d,造成寒凝血瘀模型。
末次冰水浴24 h 后,將大鼠麻醉,取相同部位肝臟加入9 倍體積4 ℃生理鹽水制備成10%組織勻漿,于4 ℃3 500 r/min 離心10 min,取上清液,根據(jù)酶聯(lián)免疫檢測(cè)法,嚴(yán)格按照試劑盒說明書操作檢測(cè)肝臟組織上清液中COX、ATPase、ADK 和Na+-K+-ATP含量。
末次冰水浴24 h后,將大鼠麻醉,取相同部位肝臟加入10倍體積4 ℃甲醇,制備成勻漿,渦旋混勻3 min,于4 ℃12 000 r/min 離心15 min,取上清液存于離心管,重復(fù)上述條件離心一次,用于代謝組學(xué)分析。
色譜柱:ACQUITY UPLC?BEH C18色譜柱(2.1 mm × 50 mm,i.d.1.7 μm);進(jìn)樣量:2 μL;流速:0.4 mL/min;流動(dòng)相:0.05%甲酸乙腈(A)-0.05%甲酸水溶液(B);洗脫梯度:2%~40%A(0~8 min),40%~98% A(8~10 min),98%~100% A(10~13 min),100%~2% A(13~14 min),2%A(14~17 min);柱溫:40 ℃。電噴霧離子源(ESI),源溫度110 ℃,脫溶劑氣流量750 L/h,脫溶劑氣溫度350 ℃。正離子模式下,毛細(xì)管電壓1 300 V,樣品錐孔電壓60 V,離子能量35 V;負(fù)離子模式下毛細(xì)管電壓1 500 V,樣品錐孔電壓70 V,離子能量34 V,質(zhì)量掃描范圍100~1 500 Da。
MS 數(shù)據(jù)首先導(dǎo)入到Progenesis QI 3.0.3 軟件進(jìn)行色譜峰匹配、提取、標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化等,將正、負(fù)離子模式下每個(gè)代謝物的m/z、保留時(shí)間和離子強(qiáng)度,導(dǎo)入到EZinfo3.0.3 軟件進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)用于觀察每組樣本代謝輪廓是否能夠顯著分開,然后用正交偏最小二乘判別分析(orthogonal to partial least squares-discriminate analysis,OPLS-DA)表征冰水浴誘導(dǎo)的代謝擾動(dòng)[8]。通過與EZinfo3.0.3的無縫集成來利用高級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Umetrics,V 2.0 版)得到展現(xiàn)貢獻(xiàn)度最大變量的S-plots 圖和變量權(quán)重值(VIP)。根據(jù)VIP > 1、S-plot 和P< 0.05 選擇冰水浴誘導(dǎo)的寒凝血瘀證的潛在生物標(biāo)志物。應(yīng)用HMDB(http://www.hmdb.ca/)、KEGG(https://www.kegg.jp/)以及MetPA(https://www.metaboanalyst.ca/)數(shù)據(jù)庫對(duì)潛在差異代謝標(biāo)記物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定及代謝通路拓?fù)浞治觯U釋其生物學(xué)意義,評(píng)價(jià)冰水浴對(duì)大鼠物質(zhì)能量代謝的影響。
各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均用SPSS22.0 軟件做統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,結(jié)果以±s表示,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,組間比較用最小顯著差異(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn),P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
與空白組相比較,模型組大鼠肝臟中COX和Na+-K+-ATP 酶的含量顯著性降低(P< 0.05),ATPase 和ADK的含量極顯著性降低(P<0.01)。見表1。
表1 冰水浴對(duì)正常大鼠COX、ATPase、ADK、Na+-K+-ATP酶的影響(±s,n=10)
表1 冰水浴對(duì)正常大鼠COX、ATPase、ADK、Na+-K+-ATP酶的影響(±s,n=10)
注:與空白組相比,▲P<0.05,▲▲P<0.01。
組別空白組模型組COX(ng/mL)1.49±0.12 1.26±0.20▲ATPase(ng/mL)5.19±0.35 4.55±0.33▲▲ADK(ng/mL)2.31±0.33 1.89±0.19▲▲Na+-K+-ATP(gprot/L)7.82±1.94 6.00±1.22▲
應(yīng)用Marker Lynx XS 對(duì)大鼠肝臟樣品的離子峰進(jìn)行識(shí)別與匹配,得到空白組和模型組總離子流色譜圖(TIC)。結(jié)果兩組數(shù)據(jù)代謝產(chǎn)物分離,輪廓清晰。見圖1。
圖1 正、負(fù)離子模式下空白組和寒凝血瘀證模型組大鼠肝臟代謝TIC圖
應(yīng)用監(jiān)督性3D-PCA 表現(xiàn)大鼠肝臟樣本代謝輪廓的狀態(tài)。結(jié)果表明空白組與模型組明顯分開,提示兩組之間存在顯著性差異且造模成功。由S-Plot 圖可知,大多數(shù)代謝產(chǎn)物離子在原點(diǎn)周圍聚集,偏離原點(diǎn)的離子占少數(shù),說明兩組之間存在差異;經(jīng)VIP> 1 篩選得到VIP-Plot 圖并預(yù)選出潛在生物標(biāo)志物。見圖2。
圖2 正、負(fù)離子模式下冰水浴前后各組大鼠肝臟代謝輪廓3D-PCA、S-Plot和VIP-Plot模式識(shí)別圖
篩選符合VIP > 1 及Fold Change > 1.0 的代謝產(chǎn)物,對(duì)空白組與模型組進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)25 個(gè)差異代謝產(chǎn)物(見表2);經(jīng)過離子強(qiáng)度的比較發(fā)現(xiàn),與空白組相比,模型組16 個(gè)生物標(biāo)志物顯著上調(diào)(P<0.05),9 個(gè)生物標(biāo)志物顯著下調(diào)(P<0.05),見圖3。
圖3 冰水浴對(duì)正常大鼠肝臟中潛在生物標(biāo)志物離子強(qiáng)度的影響
針對(duì)被篩選出的潛在生物標(biāo)志物,根據(jù)HMDB 數(shù)據(jù)庫中所描述的細(xì)胞位置、生物功能、生物進(jìn)程和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。在細(xì)胞位置上,大約53%位于細(xì)胞外,41%位于細(xì)胞膜,3%位于細(xì)胞漿,3%位于溶酶體上;在生物功能上,用于能源、膜穩(wěn)定劑和儲(chǔ)能的各占29%,用于炎癥的占5%,用于藥物代謝物和廢品的各占6%;在生物進(jìn)程方面,參與脂代謝的占25%,參與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的占22%,參與磷脂代謝的占10%;在化學(xué)結(jié)構(gòu)上,大約68%的屬于脂肪族無環(huán)化合物,大約16%屬于脂肪族雜環(huán)化合物,大約8%屬于脂肪族同多環(huán)化合物,見圖4。
將表2 中被篩選出來的生物標(biāo)志物通過Meta PA分析,得到8 條相關(guān)代謝途徑,見表3。將代謝通路影響值的臨界值> 0.10 確定與所分析物組相關(guān)性最強(qiáng)的代謝通路。冰水浴對(duì)正常大鼠代謝道路分析圖見圖5,冰水浴主要影響甘油磷脂代謝。
圖5 冰水浴對(duì)正常大鼠代謝通路分析圖
表3 利用Meta PA分析冰水浴對(duì)正常大鼠的代謝指紋通路
在細(xì)胞呼吸中處于細(xì)胞色素系統(tǒng)末端的細(xì)胞色素C 氧化酶(Cytochrome C Oxidase),亦稱細(xì)胞色素氧化酶,此酶是通過自動(dòng)氧化作用把呼吸底物的電子經(jīng)過細(xì)胞色素系統(tǒng)直接傳遞給分子態(tài)氧[9]。ATP 合酶(ATPase)又稱為三磷酸腺苷酶,可將三磷酸腺苷(ATP)催化水解為二磷酸腺苷(ADP)和磷酸根離子,同時(shí)釋放能量[10]。在大多數(shù)情況下,能量通過傳遞而被用于驅(qū)動(dòng)另一個(gè)需要能量的化學(xué)反應(yīng),此過程被所有已知的生命形式廣泛利用[11]。鑲嵌于線粒體內(nèi)膜上的鈉鉀泵又稱鈉泵、鈉鉀ATP 酶(Na+-K+-ATP 酶),是維持線粒體膜流動(dòng)性正常的關(guān)鍵酶,若該酶活性下降,損傷線粒體膜正常的流動(dòng)性,從而造成線粒體功能障礙,導(dǎo)致ATP 合成不足,繼而又使Na+-K+-ATP 酶的活性降低,二者相互影響[12]。腺苷參與調(diào)控機(jī)體的心肌能量代謝、脂肪代謝、免疫反應(yīng)、炎性反應(yīng)等一系列生理過程,而腺苷激酶(Adenosine kinase,ADK)在腺苷代謝中起到至關(guān)重要的作用,其催化腺苷生成AMP,進(jìn)而調(diào)節(jié)腺苷的濃度,最終參與調(diào)控機(jī)體的不同生理過程。ADK 可以催化ADP 合成ATP[13]。本研究中,冰水浴抑制COX、ATPase、ADK 和Na+-K+-ATP酶的表達(dá),說明冰水浴對(duì)于正常大鼠機(jī)體的呼吸鏈表現(xiàn)出抑制作用,其抑制氧化磷酸化反應(yīng)中ATP 生成的機(jī)制可能與抑制COX 和ATPase 活性、抑制線粒體Na+-K+-ATP酶的功能有關(guān)。
脂質(zhì)是生物膜的骨架成分,既參與生物的生命活動(dòng)又為生物提供能量的重要物質(zhì)[14]。磷脂是生物膜的主要結(jié)構(gòu)成分,包括一系列的脂肪?;皖^部親水性成分,如磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰膽堿[15]。本研究中溶血磷脂酸LPA[0:0/18:1(9Z)]、磷脂酰乙醇胺PE(P-18:0/22:6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z))和PC(15:0/18:0)參與甘油磷脂代謝。
迄今發(fā)現(xiàn)的一種最小、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的磷脂是溶血磷脂酸(LPA),主要是由凝血過程中的血小板受到凝血酶活化而釋放入血的,是凝血和血栓形成過程中的重要分子產(chǎn)物[16]。LPA 的含量在一定程度上反映了血瘀證的發(fā)展與轉(zhuǎn)歸,據(jù)報(bào)道LPA與凝血過程密切相關(guān)[17]。本研究中,模型組大鼠LPA(0:0/18:1(9Z))水平較正常對(duì)照組明顯增加(P<0.05),提示采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法,冰水浴誘導(dǎo)的寒凝血瘀證大鼠模型,顯示模型復(fù)制成功。
膽堿通過膽堿激酶催化生成的PC(又稱膽堿磷酸甘油酯)是一種至關(guān)重要的生物分子,是磷脂合成的前體。在生物界分布很廣,且有重要的生物功能,有控制動(dòng)物機(jī)體脂肪代謝作用[18]。據(jù)報(bào)道,磷脂酰膽堿通過直接影響膜結(jié)構(gòu)使受損的肝功能和酶活力恢復(fù)正常,維持肝臟的能量平衡,進(jìn)而促進(jìn)肝組織再生,將中性脂肪和膽固醇轉(zhuǎn)化成容易代謝的形式,穩(wěn)定機(jī)體膽汁水平[19]。本研究,模型組大鼠PC(15:0/18:0)水平較正常對(duì)照組明顯降低(P<0.05),說明冰水浴通過下調(diào)磷脂酰膽堿水平進(jìn)而降低寒凝血瘀大鼠機(jī)體能量代謝。
PE,磷脂質(zhì)的一種。在動(dòng)物中,經(jīng)過CDP 乙醇胺和1,2-甘油二酯的反應(yīng)生成PE。后者經(jīng)磷脂酶A 作用生成溶血磷脂酰乙醇胺[20]。據(jù)報(bào)道,在老鼠肝臟中,它與卵磷脂一起在微粒體和線粒體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移,影響肝細(xì)胞膜Na+-Ca2+轉(zhuǎn)導(dǎo),影響能量代謝[21]。另外,PE與血液凝固有關(guān),可能是凝血酶激活酶的輔基[16]。本研究中,模型組大鼠PE(P-18:0/22:6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z))水平較正常對(duì)照組明顯降低(P<0.05),說明冰水浴可能通過下調(diào)PE 水平進(jìn)一步催化凝血酶產(chǎn)生血瘀反應(yīng),同時(shí)抑制寒凝血瘀大鼠機(jī)體的能量代謝。
建立相應(yīng)的寒凝血瘀證動(dòng)物模型,分析生物樣本,有助于進(jìn)一步探討寒凝血瘀證科學(xué)本質(zhì),為臨床診斷和治療奠定實(shí)驗(yàn)依據(jù)。孟憲生等[22]注射大劑量腎上腺素和冰浴誘導(dǎo)氣滯寒凝血瘀模型,基于血漿代謝組學(xué)找到其潛在生物標(biāo)志物及機(jī)制。MA等[23]運(yùn)用冰水浴和注射腎上腺素誘導(dǎo)急性血瘀證,發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)和網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)有助于評(píng)價(jià)急性血瘀證機(jī)制。課題組前期研究[2]發(fā)現(xiàn),16S rRNA 的高通量基因測(cè)序技術(shù)與糞便上清代謝組學(xué)技術(shù)的聯(lián)用可用于評(píng)價(jià)冰水浴誘導(dǎo)的寒凝血瘀證的病理機(jī)制。WU等[24]用冰水浴聯(lián)合皮下注射鹽酸腎上腺素誘導(dǎo)大鼠血瘀證,發(fā)現(xiàn)血清代謝組學(xué)可較好的評(píng)價(jià)血瘀證的病理機(jī)制。然而,尚未發(fā)現(xiàn)肝臟代謝組學(xué)技術(shù)與寒凝血瘀證的相關(guān)研究。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為,肝乃藏血之臟,肝失疏泄則肝氣郁結(jié),氣滯血瘀可能為寒凝血瘀證病因之一。故從肝臟代謝組學(xué)角度出發(fā),闡明寒凝血瘀證的病理機(jī)制為本研究的特色和創(chuàng)新之處。
綜上所述,本研究在傳統(tǒng)生理、生化基礎(chǔ)上,通過肝臟代謝組學(xué)分析技術(shù),尋找出25 個(gè)具有生物學(xué)意義的顯著差異潛在生物標(biāo)志物,闡明寒凝血瘀的主要代謝通路為甘油磷脂代謝。冰水浴通過影響正常大鼠的能量代謝過程相關(guān)指標(biāo)、肝臟代謝產(chǎn)物和相關(guān)潛在代謝通路,抑制機(jī)體能量代謝和功能活動(dòng),符合寒證特點(diǎn),為從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證匡海學(xué)教授中藥性(氣)味科學(xué)內(nèi)涵新假說奠定扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),這對(duì)中藥藥性理論研究以及推動(dòng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化具有重要作用。