基于代謝組學的中醫(yī)藥防治心力衰竭的研究進展

張雪莎,彭芳

作者單位: 671000 云南省大理市,大理大學藥學院(張雪莎、彭芳)

671000 云南省大理市,云南省昆蟲生物醫(yī)藥研發(fā)重點實驗室(彭芳)

心力衰竭(HF)是一種發(fā)病率和死亡率均較高的心血管疾病,也是其他心血管疾病如高血壓、冠心病發(fā)展的終末期階段,是我國居民病死的主要原因之一[1],HF的防治一直是醫(yī)學界討論的熱點話題。中醫(yī)藥是中華民族的瑰寶,是我國臨床用于防治HF的重要手段。中醫(yī)學強調(diào)人體本身的統(tǒng)一性和整體性,代謝組學是系統(tǒng)生物學的一部分,其系統(tǒng)觀與中醫(yī)學的整體觀念相通[2]。本文就近年基于代謝組學就中醫(yī)藥防治HF的研究進行綜述,以期為臨床防治HF提供參考。

1 HF差異代謝物的研究概況

1.1 HF機體能量代謝機制 心臟通過將血液泵出血管輸送至全身來維持機體的正常運轉(zhuǎn),在生理狀態(tài)下心臟工作需要消耗大量能量,這些能量主要由機體葡萄糖代謝和脂肪酸β氧化代謝提供[3],當糖脂代謝異常導致能量供應(yīng)不足于維持心肌生命活動時,機體會動員氨基酸代謝加強供能,因此推測HF的發(fā)生發(fā)展與機體內(nèi)三羧酸循環(huán)、糖脂代謝、氨基酸代謝有關(guān)[4]。在病理狀態(tài)下,心臟的能量代謝發(fā)生了改變,導致心肌能量供應(yīng)不足,而不足的能量供應(yīng)又會加重HF,周而復始,患者的心臟負擔日益加重,繼發(fā)其他并發(fā)癥,進而增加患者病死率。因此,改善心臟能量代謝不失為一種治療HF的新方法。

1.2 HF機體代謝差異物研究 代謝組學是利用現(xiàn)代技術(shù)定量分析機體所有代謝物,探究這些代謝物與機體病理生理的關(guān)系,尋找藥物干預前后差異代謝物以判斷藥物對病理機體的作用。因此,探究HF機體與正常機體的差異代謝物是利用代謝組學分析HF的中醫(yī)學診斷及中藥干預效果的關(guān)鍵。但HF并不是一種簡單的臨床綜合征,根據(jù)病情嚴重程度和射血分數(shù)又可分為不同類型[5],而不同類型及同種類型不同發(fā)展階段的HF機體代謝物存在差異[6]。故近年來雖關(guān)于HF的代謝組學研究較多,但研究的生物代謝標志物卻各有不同,目前尚無統(tǒng)一的代謝標志物。有研究對比分析了健康人群與HF患者血漿中氨基酸含量,結(jié)果顯示,HF患者的必需和非必需氨基酸含量均較低,中醫(yī)藥介入治療后患者的心功能有所改善,這些必需和非必需氨基酸含量趨于健康人群水平[7]。除了疾病分型和發(fā)展階段不同引起研究的生物代謝標志物不同外,同一個體收集的不同分析樣本差異代謝物的分析結(jié)果也不同。常用的分析樣本有血液、尿液、糞便及腸內(nèi)容物等。有研究發(fā)現(xiàn),當樣本為尿液時,慢性HF患者的差異代謝物主要為尿苷和丙氨酰色氨酸,表明心臟局部的嘧啶代謝及色氨酸代謝參與了HF的發(fā)生發(fā)展[8]。鐘森杰等[9]以血漿為樣本,研究HF大鼠與健康大鼠的差異代謝物,結(jié)果顯示,HF大鼠的多種非必需氨基酸、花生四烯酸、丙酮酸濃度均高于健康大鼠,而丙二酸、尿素以及必需氨基酸色氨酸、亮氨酸的濃度低于健康大鼠[10],氨基酸濃度異常說明其代謝異常,氨基酸代謝異常提示糖脂代謝為心肌提供的能量已不足以維持機體運轉(zhuǎn),需要氨基酸代謝供能。

2 基于代謝組學防治HF的中醫(yī)藥手段

中醫(yī)學認為,HF的根本病因是心氣虧虛,屬本虛標實之證,本虛以氣虛為主,常兼陽虛、陰虛,標識以血瘀為主,常兼水飲、痰濁,發(fā)病機制可概括為“虛”“淤”“水”,故其治療原則為益氣、活血、利水[11]。HF的發(fā)病機制與病情變化較復雜,單純西藥治療或單純中藥治療均難以取得最佳療效?！堵孕牧λソ咧形麽t(yī)結(jié)合診療專家共識》[12]推薦中藥和西藥聯(lián)合治療HF患者以增強療效。目前,臨床上使用中成藥輔助治療HF的現(xiàn)象較為普遍,但由于中成藥具有化學成分復雜,具體作用機制難以明確,應(yīng)用于臨床的有效性和安全性的證據(jù)不足[11]。目前利用代謝組學技術(shù)探究中醫(yī)藥治療HF作用機制的研究較多,為中醫(yī)藥應(yīng)用于臨床提供了更多證據(jù)。

2.1 基于代謝組學方法探究中醫(yī)藥治療HF作用機制的研究概況 參麥注射液的主要成分包括紅參和麥冬,源自生脈飲[13],可糾正心肌缺血缺氧狀態(tài),適用于治療HF[14],已有多項研究基于代謝組學方法研究其治療HF的作用機制,但研究方法和樣本不同,導致結(jié)果也有所差異。王邵梅[15]采用單盲、隨機、對照研究對HF患者分組并對其中一組給予參麥注射液干預,檢測HF患者治療前后血清中游離脂肪酸、葡萄糖、丙酮酸和乳酸等代謝物的變化及心肌代謝過程中關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)運體的表達,結(jié)果顯示,經(jīng)參麥注射液治療后游離脂肪酸、丙酮酸、乳酸水平下降,并發(fā)現(xiàn)參麥注射液可上調(diào)參與能量代謝的關(guān)鍵酶及轉(zhuǎn)運體蛋白表達,進而調(diào)節(jié)心肌細胞的能量代謝,保護受損心肌,最終達到治療HF的目的。鐘森杰等[16]采用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及多元統(tǒng)計分析了HF大鼠血漿代謝情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),參麥注射液使HF大鼠的亮氨酸、鳥氨酸、丙氨酸、4-羥基—脯氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺、蘇糖醇、丙酮酸、尿素濃度趨于健康大鼠;其另一項研究將樣本換成糞便,結(jié)果表明,參麥注射液使HF大鼠神經(jīng)氨酸、尿苷、丙氨酰色氨酸、酪氨酰纈氨酸、苯丙氨酰甘氨酸、?；敲撗跄懰?、糞甾烷酸、白三烯E4水平上調(diào)[17]。表明參麥注射液可通過調(diào)節(jié)HF患者的氨基酸、蛋白質(zhì)、糖代謝來恢復心肌細胞的能量代謝,從而達到改善HF患者心功能的效果。

黃芪是心血管疾病的常用中藥,牛倩蕓[2]利用核磁共振(NMR)技術(shù)對大鼠血清和尿液中的代謝物進行分析,結(jié)果在血清中發(fā)現(xiàn)了甘油、亮氨酸、β葡萄糖、肌醇等17項生物標志物,尿液中發(fā)現(xiàn)了琥珀酸、馬尿酸、尿囊素等8項生物標志物,涉及到脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝、糖代謝、嘌呤代謝、苯丙氨酸代謝等10條代謝通路紊亂,而給予黃芪干預后,發(fā)現(xiàn)其對HF大鼠糖代謝、氨基酸代謝、苯丙氨酸代謝等均有糾偏效應(yīng),對嘌呤代謝有調(diào)節(jié)作用。歐紅令等[18]采用超高液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對HF患者血清的代謝組物進行分析后發(fā)現(xiàn),應(yīng)用參芎葡萄糖注射液能有效調(diào)節(jié)HF患者血清小分子代謝物如組氨酸、牛磺酸、磷酸膽堿、白三烯A4甲酸、檸檬酸、乳酸含量,從而改善患者的心功能指標。

《慢性心力衰竭中醫(yī)診療專家共識》[11]指出,HF陽氣虧虛者可選用芪藶強心膠囊。Li等[19]采用隨機、雙盲、安慰劑對照試驗對比HF患者使用芪藶強心膠囊與安慰劑治療后心功能指標變化情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),芪藶強心膠囊能明顯降低HF患者N末端腦鈉肽前體(NT-proBNP)水平、提高左心室射血分數(shù)(LVEF),進而有效治療HF。常麗萍[20]對給予芪藶強心膠囊治療后的HF大鼠血漿樣本進行分析,發(fā)現(xiàn)芪藶強心膠囊能調(diào)節(jié)HF大鼠的2-羥基丁酸、甲基丙二酸、3-羥基丁酸水平,并提出可將這3種有機酸作為HF代謝組學研究的生物標志物,從而為芪藶強心膠囊治療HF的作用機制提出一種可能,也為中成藥應(yīng)用于臨床提供更充分的依據(jù)。陳品良[21]通過隨機對照試驗對使用心陽片治療的HF氣陽虛血瘀水停證患者的血液樣本采用液質(zhì)聯(lián)用儀液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測分析后發(fā)現(xiàn),心陽片的作用機制可能為通過反向性上調(diào)溶血磷脂酰膽堿(LPC)等7個血漿代謝物,反向性下調(diào)13-HPODE等25個血漿代謝物,同向性上調(diào)4-乙氧基-N-氨基苯酚調(diào)節(jié)代謝以改善心功能。李潔[22]通過對給予芪參益氣方治療的HF大鼠的血液進行分析,結(jié)果顯示該藥通過參與涉及纈氨酸、乳糖、亮氨酸、同型半胱氨酸和異亮氨酸的降解、葡萄糖丙氨酸循環(huán)、糖異生、酮體代謝、乙酰基向線粒體的轉(zhuǎn)移等代謝通路的調(diào)節(jié)來治療HF。郭麗君[23]采用酶聯(lián)免疫吸附法檢測參附強心丸對HF大鼠血清心房利鈉肽(ANP)、腦鈉肽(BNP)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)參附強心丸通過降低ANP和BNP水平延緩心室重構(gòu),進而發(fā)揮抗HF的作用。

2.2 基于代謝組學探究HF中醫(yī)診斷的研究進展 一項通過質(zhì)譜分析的新型代謝組學生物標志物的研究表明,組氨酸、精氨酸、苯丙氨酸可用于診斷HF,與臨床上常用的BNP相似[24]。在中醫(yī)學中,HF可分為氣虛血瘀、氣陰兩虛血瘀、陽氣虧虛血瘀3種證型。楊夢等[25]用代謝差異物對中醫(yī)診斷HF研究進行歸納總結(jié),結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同分型HF患者有不同的特征標志物,但不同分型HF的代謝途徑相似,均會出現(xiàn)糖脂代謝、能量代謝和氨基酸代謝紊亂。譚楠楠[26]通過收集HF患者的尿液,利用NMR對尿液樣本進行分析,發(fā)現(xiàn)血紅蛋白和尿液代謝物3-甲基戊二酸、同型半胱氨酸、巖藻糖、肌酐、順式烏頭酸與慢性HF氣虛證相關(guān),可鑒別診斷慢性HF氣虛證。

2.3 基于代謝組學腸道微生物的研究 以腸道微生態(tài)為靶標,詮釋中醫(yī)藥防治慢性HF的科學內(nèi)涵,會再次更新慢性HF的治療理念,從而提高慢性HF的治療效果[27]。有研究發(fā)現(xiàn)隨著HF的發(fā)生發(fā)展,機體會伴隨腸道結(jié)構(gòu)和功能的改變,HF患者的腸動脈血流量減少,且HF的嚴重程度與腸動脈血流量減少有關(guān)[28]。一項對腸道細菌16SrRNA基因測試結(jié)果顯示,HF患者腸道菌群的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,這種改變是HF發(fā)展的潛在因素[29]。有研究通過使用Cox比例風險回歸分析探討了由膳食膽堿和L-肉堿被腸道細菌代謝生成的三甲胺與心血管預后之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)三甲胺是心肌梗死后慢性HF患者發(fā)生主要不良事件的預測指標,更加揭示了HF的發(fā)生發(fā)展與腸道微生物菌群有著密切關(guān)系[30]。除此之外,很多藥物對心功能不全患者也是通過改變病變的腸道結(jié)構(gòu)和腸道菌群發(fā)揮治療作用。林王歐等[31]通過實驗研究觀察益氣活血藥對心肌梗死大鼠的腸黏膜和腸道菌群變化的影響,發(fā)現(xiàn)益氣活血藥干預可改善心肌梗死大鼠腸道形態(tài)結(jié)構(gòu),提高小腸的消化與吸收能力,調(diào)節(jié)小腸菌群。益生菌可調(diào)節(jié)腸道菌群,一項對益生菌布拉氏酵母菌治療HF的隨機雙盲對照研究結(jié)果顯示,布拉氏酵母菌可降低HF患者的血肌酐、尿酸、超敏C反應(yīng)蛋白等炎性標志物水平,改善LVEF、左心室血管內(nèi)徑從而改善心功能[32]。腸道微生物的研究不僅對治療HF有幫助,還有望在中醫(yī)對HF辯證分型提供依據(jù)[27]。

雖然基于代謝組學的研究中不同中藥通過調(diào)節(jié)不同的代謝成分發(fā)揮治療HF的作用,但其作用機制的共同之處均是通過調(diào)節(jié)糖脂代謝、氨基酸代謝以及腸道菌群來緩解心臟供能障礙,進而達到治療HF的效果。除治療之外,代謝組學技術(shù)還可用于診斷HF分型,其與腸道菌群研究相結(jié)合對診斷、治療HF具有一定的參考價值。

3 代謝組學的常用研究技術(shù)

代謝組學常用NMR、色譜[包括氣相色譜(GC)和液相色譜(LC)]、質(zhì)譜(MS)等技術(shù)手段定量分析代謝物[24],這幾種研究工具各有優(yōu)劣。NMR作為首個應(yīng)用于代謝組學樣本研究,很小的研究樣本即可進行分析,且不會破壞樣本,但其靈敏度低于MS,對于濃度較低的代謝物分析不夠準確。MS較NMR更靈敏[24,33],可以檢測大量的代謝物,針對低濃度的代謝物常使用色譜進行分析,但MS分析工藝較為復雜,代謝分子需要提前用色譜識別和分析[34]。在實際應(yīng)用中,由于代謝物不固定,應(yīng)用單一的研究技術(shù)常無法滿足需求,需要實施代謝組學的整合[10],目前可用NMR-LC、LC-MS、GC-MS及其聯(lián)合來分析血液、尿液、腸內(nèi)容物、糞便樣本。對于代謝物明確的定量分析使用何種方法取決于該代謝物的物理性質(zhì)如極性、揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性等。

4 小結(jié)與展望

HF是一種慢性消耗性疾病,HF的防治方案一直是臨床上急需解決的難題。中醫(yī)藥是我國延續(xù)數(shù)千年行之有效的傳統(tǒng)醫(yī)療方法,是我國古代醫(yī)藥者智慧的結(jié)晶,但其經(jīng)驗治療的特點限制了其在國際上的傳播與推廣。代謝組學方法被國人用于中醫(yī)藥的研究,揭示了HF的發(fā)生發(fā)展與機體能量代謝的關(guān)系,為中醫(yī)藥應(yīng)用于臨床提供了依據(jù)。腸道菌群對心血管疾病的發(fā)生發(fā)展具有密切關(guān)系,基于代謝組學與腸道菌群相結(jié)合研究為中醫(yī)診斷HF、中藥治療HF的作用機制探討開拓了新思路。

利益沖突:所有作者聲明無利益沖突。