代謝組學在肺系疾病與證候研究中應用現狀與展望

劉宣妤，陳夢琦，李麗博，魏海峰，宋衛娜，勞慧敏

（1.山東中醫藥大學，山東 濟南 250355；2.德州市人民醫院，山東 德州 253000；3.山東中醫藥大學附屬醫院，山東 濟南 250011）

對中醫學辨病與辨證的科學化、客觀化與標準化的研究一直是推動中醫現代化發展的關鍵點，先進的組學方法與技術為中醫現代化研究提供了科學支持［1-2］。其中，代謝組學與中醫學辨證論治、整體觀念不謀而合，可以有效地展現在不同外界環境影響下，機體病理生理狀態中的代謝物動態改變，同時對代謝產物特定組分共性進行研究，發現客觀的特殊代謝產物，找到關鍵生物學標志物，對疾病發病機制、診療方案以及中醫不同證候的標準化研究提供思路和方向［3］。通過系統地歸納分析近年來代謝組學在肺系疾病及證候方面的研究進展，提出問題與思考，以展望代謝組學在中醫疾病及證候研究方面的應用前景。

1 代謝組學的優勢

代謝組學是具有高靈敏度、高分辨率和高通量的現代分析技術，與轉錄組學、基因組學、蛋白質組學等同屬于現代組學研究的重要組成部分。與其他組學相比，代謝組學可以放大蛋白或基因所表達的細小變化，且更接近受試者表型，越來越成為組學研究的熱點之一。

代謝組學應用先進的核磁共振（NMR）光譜、氣相色譜質譜聯用技術（GC-MS）、超高效液相色譜串聯四級桿飛行時間質譜（UPLC-Q-TOF-MS）以及液相色譜質譜聯用（LC-MS）等技術，對機體體液（血液、唾液、腦脊液等）、細胞及組織中存在的低分子量代謝物進行定量和定性分析。代謝組學是通過對機體內源性小分子代謝物質動態變化的精準描述，實現對人體生理與病理情況的即時記錄，旨在通過發現潛在的生物標志物和代謝通路來闡明生物系統中涉及代謝物質的生化過程，為疾病診斷、發病機制、治療與預后提供依據［4-6］。近年來，隨著代謝組學分析技術應用領域的逐漸擴大與深入，代謝組學技術在肺系疾病證候方面的研究也取得了長足發展，為中醫辨病與辨證理念提供了強有力的系統生物學支持［7-9］。

2 代謝組學在肺系疾病臨床診斷中的應用

現代醫學的支氣管肺炎、肺纖維化、慢性阻塞性肺疾病、哮喘等均歸屬于中醫肺系疾病。據國內外文獻報道，采用GC-MS、NMR、LC-MS等代謝組學技術，探尋與肺系疾病發病機制有關的生物標志物，有利于疾病的早期正確診治與預后［10］。

2.1 代謝物質可作為肺系疾病診斷的潛在生物標志物

通過代謝組學技術對機體體液進行研究，探尋與發病機制有關的生物標志物，有利于疾病的早期診 治［11］。

陳黎等［12］的一項研究通過比對哮喘患兒和健康兒童的尿液代謝，發現哮喘患兒組的α-L-吡喃甘露、D-葡萄糖、肌醇、β-D-呋喃木糖等顯著升高，蘇氨酸、磷酸鹽顯著降低，提示哮喘與氨基酸代謝、能量代謝、腸道菌群代謝有相關性。

WU Huan等［13］研 究雄性C57BL/6小鼠 在 肺癌發病和發展過程中血漿的代謝變化，有15種失調的代謝產物如膽固醇硫酸鹽、替格雷卡尼汀、2-硬脂酰甘油過磷酸肌醇等被識別，并涉及甘油磷脂代謝、脂肪酸代謝等。另一項研究發現，代謝物二乙酰丙胺是非小細胞肺癌的極好預測因子［14］。

Rindlisbacher Barbara等［15］對肺纖維化（IPF）患者血清進行取樣檢測，發現血清中潛在溶血卵磷脂和3-羥基癸酰肉堿水平升高，顯示溶血卵磷脂-脫脂轉化酶途徑在肺纖維化中具有關鍵作用。研究發現，脯氨酸和甲硫氨酸可能是肺纖維化的潛在生物標志物，并顯示代謝組學的介入可填補目前肺纖維化在診斷和預測能力缺乏敏感性與特異性的空 缺［16-17］。

以上研究證實了這些內源性生物標志物作為潛在診斷指標的可行性。

2.2 代謝物可用于臨床病原學診斷

目前病原檢測技術不斷改進，但精準識別方法具有有創性，而無創識別方法診斷作用有限或所需檢驗時間較長，實現早期、精準病原診斷仍有困難，代謝組學技術為解決這一難題提供了新思路［18］。有研究采用液相色譜質譜聯用技術，用肺炎鏈球菌與病毒性肺炎患兒的尿液進行代謝組學分析，結果初步表明不同類型的肺部感染以不同的方式影響其代謝組，肺炎球菌性肺炎中腎上腺類固醇途徑的破壞更為嚴重，病毒性肺炎患兒尿液的甘氨酸-L-羥基脯氨酸濃度上調，這一發現有利于對肺炎病原體的早期鑒別［19］。另一項研究對肺炎支原體感染小鼠血清進行代謝組學檢測，結果顯示維生素A、鳥氨酸、色氨酸等水平下降，次黃嘌呤和尿酸等水平上調，涉及17條代謝通路，包括視黃醇代謝、甾類激素合成、精氨酸與脯氨酸代謝等。此項發現有助于構成肺炎支原體肺炎代謝網絡及臨床早期快速、精準的病原診斷［20］。

2.3 機體代謝物可用于疾病重癥、危重癥的識別

潛在生物標志物水平的差異能為疾病臨床分級及診療提供幫助，以實現早期預警與早期干預，降低疾病重癥化。有學者對重癥哮喘患兒、非重癥哮喘患兒和健康兒三組進行對比觀察，對呼出氣冷凝液采用質譜聯用技術進行檢測，研究顯示維生素D、腺苷酸、血栓素B2、視黃酸指標能夠有效區分三者，尤其在重癥哮喘組，維生素D水平明顯下調，且下調水平與重癥哮喘嚴重程度呈相關［21］。Viswan Akhila等［22］應用核磁共振技術對兩組樣本（包括輕度和中度/重度急性呼吸窘迫綜合征組）的肺泡灌洗液進行檢測，顯示6種代謝產物包括賴氨酸、精氨酸、?；撬?、谷氨酸等被識別，可用于區分輕度和中度/重度急性呼吸窘迫綜合征（ARDS），多條代謝途徑被識別。該項研究通過代謝組學技術更好地解釋ARDS的嚴重程度分類。

2.4 代謝物改變與疾病死亡風險相關

通過對疾病過程中生物標志物的動態觀測，密切關注疾病嚴重程度變化，有助于改善患者預后情況，降低病死率。何權等［23］對健康成人與重癥社區獲得性肺炎患者包括存活組和死亡組的血漿代謝物進行分析，顯示5-羥色胺水平在各組存在差異，其中在重癥肺炎組中，死亡組5-羥色胺水平顯著低于存活組，而重癥肺炎組的5-羥色胺水平又明顯低于健康組，提示5-羥色胺水平越低，重癥肺炎預后越不佳。這一研究結果提示，代謝組學技術可為肺系疾病嚴重程度及預后情況進行早期預警。

代謝組學還可以將代謝產物與死亡風險相關聯，以期找到具有疾病預測性和預后性的生物標志物［24］。有研究基于液相色譜和氣相色譜/質譜方法研究重度慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者（包括平均2年后死亡的非幸存者及存活患者）和健康對照組之間的代謝譜差異，顯示重癥COPD患者氨基酸支鏈減少，棕櫚酰和硬脂酰鞘磷脂增加，這一現象可能與能量代謝、氧運輸、線粒體功能障礙以及凝血級聯有關［25］。與重癥COPD的幸存組相比較，非幸存組代謝物中乳酸、果糖、木糖酸鹽及三羧酸循環中間產物支鏈氨基酸消耗的增加更為顯著，與線粒體功能障礙相關。

2.5 體內代謝物的差異有利于疾病分型

有學者利用超高效液相色譜串聯質譜法（UPLCMS）及GC-MS技術分析了兩種組織學亞型的原發性肺癌患者與健康人群的肺組織樣本。與正常肺組織相比，兩種原發性肺癌組中的核苷酸代謝存在變化，尤其在鱗狀細胞癌組織中變化更為顯著。還發現黃嘌呤核苷50-單磷酸的表達僅在鱗狀細胞癌樣本中發生顯著變化，且20-氧甲基鳥苷和5-甲基尿苷對鱗狀細胞癌具有最高預測能力，而5，6-二氫尿嘧啶和肌苷對腺癌具有最高的預測能力［26］。這揭示了在腺癌和鱗狀細胞癌病例中存在明顯的代謝物變化，意味著兩種組織學亞型以不同的方式調節核苷酸代謝。此項研究表明代謝組學技術對肺系疾病臨床分型具有一定意義。

3 代謝組學與肺系疾病證候相關性研究

代謝組學研究不僅為肺系不同疾病的診斷提供了科學依據，對肺系疾病不同證候的鑒別與診療等也具有應有價值。從中醫學角度出發，辨證論治是中醫學的診治特色，“證候”是對人體受內外界復雜因素影響所致機體動態變化的特征總結，精準辨證是探究人體平衡破壞情況的關鍵所在。中醫通過四診采集患者機體的各種信息，做出最精準的個體化診療方案。如果把宏觀視為證候，微觀視為其內在本質，那么可以通過現代的代謝組學技術來表現這種內在本質，這為中醫藥的現代化發展提供了新的思路［27-28］。以下總結概述了肺系疾病常見證候的相關代謝組學研究成果。

3.1 風寒郁肺證

任靖等［29］基于GC-MS技術對健康兒童組與病毒性肺炎風寒郁肺證組血清進行代謝組學分析。研究表明，風寒郁肺組與對照組血清中代謝產物存在顯著性差異，以氨基酸類為主，尤其是天冬氨酸和支鏈氨基酸水平在病毒性肺炎風寒郁肺組明顯上升，并涉及5條相關的靶標代謝通路異常。

3.2 痰熱壅盛證

楊秀云等［30］的一項研究顯示，COPD急性加重期痰熱壅肺證患者血清中膽堿、異亮氨酸、1-甲基組氨酸等差異代謝物下調，而3-羥基丁酸、丙酮酸和谷氨酰胺等差異代謝物上調，提示COPD痰熱壅肺證患者存在顯著的能量和蛋白質代謝紊亂。孫瑗［31］基于UPLC-MS技術對急性加重期COPD痰熱壅肺證患者血清進行檢測。結果顯示，與急性加重期COPD患者相關的代謝通路有9條（花生四烯酸代謝、糖基磷脂酰肌醇錨定生物合成等）被識別，急性加重期COPD痰熱壅肺證患者所涉及的7條代謝通路異常，包括甘油磷脂代謝、鞘脂類代謝等，這可能與脂肪、氨基酸代謝紊亂相關。

同時研究者們還發現，代謝組學研究結果可以有效闡釋中醫“同病異治”理論?！巴‘愔巍笔侵嗅t診治法則的特色，是對中醫辨證論治理論的體現。探尋同一肺系疾病不同證候間代謝物質的差異，為臨床疾病不同證型鑒別及選方用藥提供了有力的代謝組學支持。有研究者通過GC-MS/MS技術對小兒支氣管哮喘（發作期）痰熱阻肺證與非痰熱阻肺證患者的尿液進行比對，發現痰熱阻肺證患者9種代謝產物水平下調（包括草酸、嘧啶、L-蘇氨酸等），4條代謝通路發生改變（包括戊糖磷酸途徑、肌醇磷酸代謝等）［32］。

邊遜等［33］對毛細支氣管炎痰熱閉肺證與風熱閉肺證患者的代謝組學特征進行分析，結果表明不同中醫證型間代謝物存在顯著性差異，識別到痰熱閉肺證較風熱閉肺證有13種差異生物標志物，包括1-蘇氨酸、犬尿酸、L-蘇糖醇、果糖等，同時研究還發現兩種證型間具有差異性的代謝通路改變。以上研究顯示，代謝組學在證候鑒別方面具有較大的應用價值，有利于臨床精準辨證論治。

3.3 寒飲伏肺證

姚夢雪等［34］對寒飲伏肺證哮喘大鼠血清、尿液成分進行GC-MS技術檢測。結果顯示，與健康組相比，模型組有37種差異性代謝物被識別，其中十七烷、D-（-）-塔羅糖、軟脂酸、丁二酸、己二酸等9個差異代謝物水平上升；D-松醇、硬脂酸、乳酸、核糖酸、磷酸（3∶1）、甘油、L-蘇糖酸等28個差異代謝物質水平下降。研究還篩選了7條相關代謝通路，包括肌醇磷酸代謝、乙醛酸與二羧酸代謝、檸檬酸代謝等。這有助于對哮喘寒飲伏肺證發病機制及其診療的研究。

宋紅等［35］的一項研究基于1HNMR技術檢測小青龍湯證（寒飲伏肺證）實驗大鼠的肺組織觀測指標，發現與健康組相比，模型組（寒飲伏肺證）中甲硫氨酸、蘇氨酸等水平下調，組氨酸、纈氨酸、?；撬岬人缴险{。

3.4 氣陰兩虛證

周賢梅等［36］采用GC-MS技術對肺癌氣陰兩虛證患者呼出氣冷凝液進行檢測，結果表明氣陰兩虛組肺癌患者呼出氣冷凝液中3，5-二叔丁基苯酚、二十三烷酸、甲氧基甲酯存在差異。除此之外，1-（苯基磺?；┻量┍话l現是氣陰兩虛證特有代謝物質。

劉海葉等［37］采用HPLC-MS技術方法對COPD穩定期氣陰兩虛證患者的血漿成分進行檢測，結果顯示代謝物質具有明顯差異，存在多條代謝通路異常，包括氨基酰-tRNA生物合成、谷胱甘肽代謝、氮代謝等。這可能為COPD氣陰兩虛證的診斷提供幫助。

3.5 腎虛證

宋紅等［38］基于NMR技術聯合PCA、OPLS-DA等對腎氣虛哮喘模型大鼠與正常組大鼠血清進行檢測分析，結果顯示腎氣虛哮喘組比正常對照組血中脂類含量高，并且亮氨酸、異亮氨酸、3-羥基丁酸等氨基酸水平上升，這說明膽堿、氨基酸、脂類含量與哮喘腎氣虛證有關。

嚴興海等［39］將腎虛組、肺虛組哮喘緩解期患者血漿作為標本，通過NMR技術進行代謝組學分析。研究發現與肺虛組比較，腎虛組患者血漿中肌酐、肌酸、乳酸等水平明顯降低，丙酮、乙酰乙酸等水平顯著升高。結果表明腎虛緩解期哮喘患者在能量消耗、機體失衡狀態和免疫功能紊亂方面更為嚴重，這一研究結果從代謝組學角度豐富了“久病及腎”的理論內涵。

4 肺系疾病代謝組學研究中存在的問題及展望

現代的代謝組學技術與中醫基礎理論相契合，運用先進的設備進行分析、檢測，尋找有效的生物標志物，為肺系疾病證候研究提供有力代謝組學支持，推動中醫藥科學化、現代化、定量化的發展。隨著研究的不斷深入，代謝組學在肺系疾病方面的研究還存在一些問題。

一方面，代謝組學尋找相關生物標志物不是最終目的，借助代謝組學差異代謝物來探索其作用機制及對不同表型結果的影響是今后努力的方向。為此，代謝組學、蛋白質組學、基因組學等多組學技術聯合應用及構建肺系疾病的代謝網絡，以實現對肺系疾病及證候動態變化的了解，尤為重要。

另一方面，全面廣泛的非靶向代謝組學在差異代謝物的精確度上表現不足，可初步表達機體對刺激的反應變化。而靶向代謝組學研究可以明確代謝產物的特異性，通過“特寫模式”，對差異代謝產物進行更加深入的分析，獲得可靠性更高的數據信息，這逐漸成為系統生物學的重要研究方式。

最后，肺系疾病代謝組學中證候學研究缺乏廣度和深度，需要加強對證候本質內涵的深入探索，擴大樣本量及獨立樣本，逐漸豐富臨床證候量表，跟進證候后續研究，以增強證候研究的客觀性。相信在不久的將來，代謝組學技術在肺系疾病及證候方面的研究將取得長足發展。