中药代谢组学研究与应用 中药是国宝发掘 提高 现代化 国际化 中医药为世界所关注WorldattendstoTraditionalChineseMedicinesScience2003January 中医药为世界所关注 美国 科学 杂志创刊125年以来用3页介绍中药研究开发的新面貌是前所未有的关注 传统药物在世界保健中地位 药物研究开发中的作用被WHO认可研究开发指南为世界所采纳 RecognizetoTCMs对中药的认同 国外在某些治疗中应用中药 如癌15 60 TCMsareusedin15 60 ofcancerpateins 用P450研究中药的诱导和抑制 P450InhibitionandinductionofTCMs 国内外用分析方法研究中药的指纹图谱 FingerprintsofTCMs FDA用代谢组学方法研究单一植物的安全性 MetabonomicsisusedinsafetyofmedicinalplantsinFDA 作用物质说不清 WhatareactivecompoundsinTCM 作用机理说不清 WhatisactionmechanismofTCM 质量控制说不清 HowtocontrolthequalityofTCM 安全问题说不清 HowtounderstandthesafetyofTCM 药物相互作用说不清 HowtounderstandtheinteractionofTCM 中药代谢组学研究与应用 介绍代谢组学的研究流程和分析技术代谢组学在中药资源与质量控制中药药效作用物质基础与作用机制中药安全性等方面的应用进展 中药代谢组学具有广泛的发展前景 将对中药的深入研究产生深远影响 代谢组学 metabonomics metabolomics 是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想 利用现代分析技术定量测定生物体液 如尿液 血浆 组织提取液等 中的内源性代谢产物 考察生物体在不同状态下 生理病理状态 给药前后等 其代谢产物的变化特征 通过代谢物图谱的整体分析直接认识生理 病理及生化状态 结合化学信息学分析方法确定内源性小分子代谢物成分的变化模式 获得相应的生物标记物群 表征或揭示生物体在特定时间 环境下整体的功能状态 研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质 在中药现代化研究中 代谢组学在中药资源和质量控制 中药药效作用物质基础 中药安全性等方面具有重要的理论意义和应用价值 1 现代分析技术在代谢组学中的应用 代谢组学研究的基本流程见图1 一般包括生物样品的采集和预处理 仪器分析与鉴定 数据预处理 多变量数据分析 标记物识别和途径分析等步骤 先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法 研究技术主要为质谱 MS 和核磁共振 NMR 等高灵敏度 高选择性 高通量的分析手段 主成分分析 PCA 及偏最小二乘法 判别分析 PLS DA 等多元模式识别方法是代谢组学常用的数据降维和信息挖掘方法 图1代谢组学研究的基本流程 1 1NMR技术1 2质谱联用技术MS具有高选择性 高灵敏度等优点 与气相 GC 液相 LC 毛细管电泳 CE 等分离技术相结合 成为代谢组学研究的理想方法 1 2 1GC MS CE MS1 2 2LC MS1 2 2 1超高效液相色谱 质谱 UPLC MS 联用技术1 2 2 2毛细管柱液相色谱 质谱技术 2中药资源与质量控制的代谢组学研究中药的多种组分 其实质就是其多种代谢产物的集合 其组成 含量和存在状态等受到产地 气候 采集季节及后处理等多方面因素的影响 代谢组学可以用于分析中药中各种组分的类型 含量和状态随各种因素的变化 可以定量地对其进行评价 从而实现其质量控制 中药指纹图谱在中药的质量评价系统中扮演重要角色 广泛地应用于中药及其制剂的质量控制 3中药药效作用物质基础及作用机制的代谢组学研究中药药效作用物质基础是中药研究的核心之一 但中药所含确切成分不清 作用途径不明 靶点不定等因素给中药现代化研究带来巨大的困难 虽然可以提取和筛选中药中确有临床疗效的药效物质成分 研究其药代动力学 结合分子药理学 细胞分子生物学等学科 深化对中药效应成分 药效作用和相关机制的认识 但中药是在以整体治疗疾病的 其整体性作用机制很难在单一机制的药理模型和分子水平加以诠释 需要我们建立适用于中药多组分 多靶点整体综合效应的药效评价体系和研究方法学 代谢组学很有可能在这套符合中医整体观念的药效评价体系建立中扮演不可缺少的角色 中药 尤其是复方 进入生命体后 起效的是中药中的原形成分或代谢产物 或与机体作用形成的新成分 三者构成体内中药成分的代谢物组 中药代谢物组通过多靶点 多系统 协调干预人体内源性代谢物组来治疗疾病 追踪体内中药代谢物组的组成和变化 阐明其引起内源性代谢物组变化的关系 可以证实传统中药的疗效 阐明中药的作用机制 4中药安全性的代谢组学研究20世纪90年代初出现了服用含中药广防己的减肥药导致肾功能衰竭的报道 随后出现了服用含有马兜铃酸的中草药引起肾脏疾病的报道 这些使得人们日益关注起中药的安全性问题 代谢组学通过研究不同时间点的生物机体的体液 在毒性的 终点 位置分析代谢谱的改变 通过模式识别方法 确定毒性靶组织 毒性作用过程 机制以及生物标志物 可动态无伤害检测机体生物体液代谢图谱的变化 动态评价药物毒性效应 5结语与展望目前 代谢组学在中药质量控制 中药药效和作用机制 中药安全性等方面都取得可喜的成就 获得了相关的生物标记物 为中药的进一步探索提供了一定的理论基础 但我们应该看到 当前的代谢组学研究仅处于模式识别和生物标记物识别的层次 只能解决中药是否有效 对机体哪些代谢通路或通路中哪些物质产生了影响等问题 如何在此研究结果上 对中药药效进行定量表征 对中药整体药效作用机制与单个有效成分作用机制的区别进行阐述 获得中药作用的综合认识 是值得进一步思考的问题 其次 由于中药成分及其体内代谢的复杂性 未知性 如何剔除干扰的成分 确保中药药效作用 以及代谢组学研究结果的可靠性 真实性 是一个很大的技术难题 另外 很多代谢组学的研究方法多局限在部分峰或化合物的测定和相应数据量处理 距离全面的代谢组学研究目标还有一定差距 如何建立专业 系统的方法对所有能采集到的图谱信息数据进行全面分析 对样品图谱中所有有差异的部分进行分析和研究也是影响其发展的关键技术难题 但是 相信在现有代谢组学研究的基础上 伴随着各种高分辨 高通量 高灵敏度分析技术的产生 各种多元统计方法的更新和代谢数据库的不断完善 代谢组学将会对中药的深入研究产生深远的影响 代谢组学和系统生物学 MolecularPhenotype Genome Geneexpression Proteins Metabolism Metabonomics Proteomics Transcriptomics Genomics Genotype Environmentalstressors 从生物技术发展看 代谢组学 metabonomics 1999 metabonomicsJeremyK Nicholson代谢组学内源性物质定量 定性生物标志物Metabolomics代谢物组学外源性物质 Figure1 1Metabonomicsofyore Thisurinewheelwaspublishedin1506byUllrichPinder inhisbookEpiphanieMedicorum Itdescribesthepossiblecolours smellsandtastesofurine andusesthemtodiagnosedisease 1 研究情况 代谢组学是近10年的发展的 组学 之一Metabonomicsisaoneof omics inrecent10years 一代谢组学技术 当机体受到毒性物质 代谢障碍或者生理因素的影响时 生物体液的组成就会产生变化代谢组学就是通过检测代谢物水平的整体和动态变化 提取相关的生物代谢标志物群体 在此基础上寻找所受影响的相关代谢途径或环节 从中上推寻找相关蛋白质组的对应变化 确立代谢网络调控机制 进而联系和认识转录组与相关的调控基因功能 中国科技期刊网检索相关文献 代谢组学是系统生物学研究的关键技术 系统生物学与医药学相结合 研究中医药问题大有作为 代谢组学研究方法 代谢组学技术分析平台 EvolutionofMetabonomics NMR 几千条可分辨的谱线以千计的代谢物 Results DeconvolutionAnalysis BioinformaticsMethodology Bioinformaticsfordataanalysis BioinformaticsinMetabonomics生物信息学与代谢组学 代谢组学的应用Applicationofmetabonomics 疾病研究和标记物的发现 Discoveryofmarkersindiseases 药物发现 作用机制 靶标 Discoveryofmechanismandactiontargetofnewdrugs 药物开发 有效性和安全性 Efficacyandsafetyofdrugs 植物 物种 遗传 突变 代谢组学 Metabolomicsofspecies geneticsandmutationinplants medicinalplants 微生物代谢组学 Metabolomicsofmicroorganism 中药现代研究 ModernresearchoftraditionalChinesemedicines Metabonomicsstudiesin4levels4层次的代谢组学研究 根据研究对象和目的不同 OliverFiehn将代谢组学分为4个层次 代谢物的靶标分析 metabolitetargetanalysis 代谢轮廓 谱 分析 metabolicprofilinganalysis 代谢组学分析 metabonomics 代谢指纹分析 metabolicfingerprintinganalysis 代谢组学需要 分析 高灵敏度 高选择性 高通量的分析仪器核磁共振 NMR 质谱 MS 数据处理手段来提取分析有效信息ThechoicebetweenNMRandMSapproachesisultimatelymatrixorproblemdependent Bothtechnologiesrequirefurtherdevelopment especiallyofhigh throughputanddata processingmethods tooptimizetheiruseincomplexmetabolismstudies JeremyK Nicholson JohnConnelly JohnC Lindon ElaineHolmes NatureReviewDrugDiscovery 2002 1 2 153 161 研究方法和技术 代谢组学研究一般包括代谢组数据的采集 数据预处理 多变量数据分析 标记物识别和途径分析等步骤 生物样品 如尿液 血液 组织 细胞和培养液等 采集后进行生物反应灭活 预处理运用核磁共振 质谱或色谱等检测其中代谢物的种类 含量 状态及其变化 得到代谢谱或代谢指纹 多变量数据分析方法对获得的多维复杂数据进行降维和信息挖掘 研究相关代谢物变化涉及的代谢途径和变化规律 阐述生物体对相应刺激的响应机制 发现生物标记物 药物安全性和有效性是药物发展的永恒主题 药物及外源性化学物质的生物效应 有效性和安全性 问题是中西药物研究的基础为了确保药物安全性评价的严肃性和科学性 不少国家制定了药物安全性评价的标准 而且以立法的形式加以强化 在药物发现和开发过程中的相应阶段均需要规范的安全性评价早期药物筛选明确药效特点是新药研发工作者面临的重大挑战 国家支持 国家973计划 启动基础研究探索 国家863计划 技术平台建设 国