唐才林，周洋，张荣菲，魏平，谢沛盛，廖弦，赵志敏，杨得坡*

1.中山大学 药学院，广东 广州 510006；2.贵州省人民医院 药剂科，贵州 贵阳 550002；3.广州至信中药饮片有限公司，广东 广州 511430

近些年来，代谢组学在探讨中医药治疗效果，中药品种差异、产地来源等因素对中药质量的影响，中药作用机制及潜在作用靶点等方面发挥越来越重要的作用。代谢组学是系统生物学的重要组成部分，也是最有潜力的系统研究方法。其主要以相对分子质量<1500 的小分子代谢物为研究对象[1]，对生物体中的代谢物进行全面的定性定量分析。该技术用于表征生物体为应对外界刺激而引起整体代谢物的改变，并且成功应用于许多领域[2]，如药理学、临床诊断和预后、毒理学、药物作用机制、个体化医疗等[3-5]。生物体内小分子代谢物因化学结构多样、含量差异较大、理化性质复杂，给代谢物的检测带来巨大挑战。随着质谱技术的发展进步，生物体中越来越多的代谢物得以准确检出和识别，为各领域科研工作的深入开展提供支撑。

质谱分析是一种测量离子质荷比的分析方法，具有高灵敏度和高特异性的优势，色谱则具备强大的分离能力，质谱与液相色谱联用提高了代谢物鉴定和定量的灵敏度和分辨力，具有分析多种代谢物的通用性，两者联用是目前代谢组学样品检测的主要手段。质谱分析平台的发展进步极大促进了代谢组学研究工作的开展，为检测生物样品中大量的代谢物提供了可能。当前代谢组学研究的技术平台主要包括气相色谱-质谱法（GC-MS）、液相色谱-质谱法（LC-MS）、核磁共振[6]、毛细管电泳-质谱法[7]、电感耦合等离子体质谱法[8]等。在这些检测平台中，GC-MS、LC-MS 和核磁共振是目前代谢组学研究中主要采用的检测手段[6,9]。研究人员可以根据自己的研究目的及关注的代谢物类型选择合适的分析检测平台，最大限度地发挥不同检测平台的优势。

在代谢组学研究过程中，样本采集和处理对研究结果影响较大，尤其在处理生物样本时要特别小心，尽量减少取样后残留的酶活性或氧化过程造成代谢物的形成或降解，一般采用液氮冻结、冰甲醇淬灭等方式抑制生物样本的代谢活动[10-11]。另外，可重复的样品处理方法是代谢组学实验成功的前提之一，有效的提取方法对代谢物的精确测量起着至关重要的作用。代谢物提取过程中需要考虑溶质与溶剂的相互作用，还要考虑溶质或被分析物与基体的分离等过程。因此，溶剂的选择及基质在提取过程中的处理对代谢物的释放有重要的影响，所用溶剂类型、基质的物理化学特性、pH 对基质的影响、基质和溶剂的接触时间都将是代谢物提取过程中需要考虑的因素[12]。

质谱技术通过分析代谢物化学结构和质谱信号强度差异来实现对代谢物的鉴定和定量。色谱中的反相色谱包括非极性固定相和极性流动相，是最常用的分离方式，其中亲水作用液相色谱和反相色谱与离子对试剂已经广泛用于各种代谢组学研究。代谢组学后期数据处理主要采用多元统计分析结合化学计量学的方法，从海量数据中挖掘有价值的信息。数据处理过程主要包括峰提取、对齐、归一化等预处理环节，这些数据处理环节可以借助一些专业的数据在线分析平台或仪器厂商开发的商业软件来完成，如MetaboAnalyst 5.0、Agilent Mass Hunter、Waters Progenesis QI、Compound Discoverer、XCMS 等[13-16]。此外，以主成分分析（PCA）[17]、分层聚类分析[18]、偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）和正交偏最小二乘法-判别分析（OPLS-DA）[19]为主的数据分析方法在代谢组学数据处理中均得到广泛的应用。

1 代谢组学在中药质量评价研究中的应用

1.1 在中药品种与产地来源鉴定方面的应用

中药材常注重道地性，道地药材一般是指在特定地域（自然条件和生态环境）内所产的药材，其品质和疗效与其他地区所产同种中药材相比更好，质量稳定可靠，并经过中医临床长期应用实践优选而来。道地药材品质佳、疗效好，市场需求量巨大，但同时其市场价格相比于其他地区的同类药材更高，在市场供求矛盾日益突出的情况下，部分商贩为了谋取更大的经济利益，常将道地和非道地药材混合销售，这严重损害了消费者合法权益，扰乱了市场经济秩序。因此，对中药品种和产地来源进行识别鉴定显得十分必要。

不同品种药材基因型不同，这是成百上千年自然选择的结果，再受到产地生长环境长期的影响，逐渐形成了道地产区药材独有的形、色、气、味特征，也形成了特有的代谢物指纹信息，这些信息将是识别药材产地和品种来源的客观依据。不同产地和不同品种药材间的代谢物差异特征可以通过代谢组学的方法进行表征，再结合多元统计分析方法对代谢组学捕获的数据进行分析，从而实现对中药品种和产地来源的识别和区分[20]。

Mais 等[21]通过代谢组学方法成功区分了来自加纳和中国的生姜样品，找到能够区分2 种样品的化学标记物。Ghisoni 等[22]采用代谢组学结合多元统计分析方法对15 个榛子栽培品种进行识别，并对来自4 个主要种植区（智利、格鲁吉亚、意大利和土耳其）6 个品种的地理来源进行区分。Yao 等[23]基于核磁共振氢谱（1H-NMR）方法区分枸杞的2 个品种，并用于枸杞质量评定。Li 等[24]借助代谢组学方法区分不同的贝母品种，该方法将5 种类型的贝母较好地区分为3组，同时发现并鉴定了18个代谢标记物，分析结果提示所研究的5 种类型贝母化学特征不同，应加以区分，以供临床使用。还有学者基于直接实时分析飞行时间质谱的代谢组学方法成功辨别韩国和中国产的当归样品，该研究策略成为有效、准确识别韩国和中国产当归地理来源的方法[25]。Liu 等[26]采用基于超高效液相色谱-四级杆-飞行时间质谱法（UHPLC-Q-TOF-MS）的代谢组学分析法对33 份来源于姜黄属4 个不同种的郁金药材进行鉴别研究，根据PCA 和OPLS-DA 结果发现，来源于4 个不同种的郁金样本化学成分差异明显，姜黄素、莪术双环烯酮、姜黄烯醇和莪术氧酮有可能分别是姜黄、温郁金、广西莪术和蓬莪术的独有化学标记物。由此可见，代谢组学方法在中药品种和产地识别研究方面具有较大潜力。

1.2 在中药炮制方面的应用

炮制是许多中药加工处理过程中的重要环节，可以起到减毒增效的作用，从而进一步提高中药的疗效和安全性。中药所含的化学成分在炮制过程中必然会发生改变，通过代谢组学方法结合数据挖掘手段对炮制过程中改变的物质进行综合分析，找到因炮制引起丰度显著变化的物质，这些变化的物质可能是炮制发挥减毒增效的物质基础。

莫毛燕等[27]利用1H-NMR 研究姜炭炮制前后对虚寒性出血症大鼠尿液代谢表型的影响，代谢组差异分析结果表明，姜炭可以使因虚寒性出血证引发代谢紊乱的内源性生物标志物回归正常水平，且效果优于干姜，这提示炮制后的姜炭作用效果的确优于炮制前的干姜。周国洪等[28]采用超高效液相-飞行时间质谱探讨了王不留行炮制前后的代谢组变化，通过对代谢组学数据的统计分析，发现46 个初级代谢物发生显著改变，且炮制对苯丙氨酸代谢途径影响最大。文旺等[29]运用UPLC-Q-TOF-MS 分别采集甘草片、清炒甘草和蜜炙甘草的代谢物信息，采用多元统计分析获取不同甘草炮制品间的差异性成分，共检测到10 个质量差异标志物，以甘草酸和甘草苷衍生物为主。这些标志物可为甘草炮制品质量控制和炮制方法的改进提供参考。

1.3 在中药品质评价方面的应用

绝大部分中药来源于植物，具有植物生长发育过程的所有特征，不同产地的温度、土壤、光照、降雨量等环境因素必定会对植物代谢物的产生和积累带来影响，而植物代谢物往往又是其药用功效和品质的直接体现。因此，中药的品质问题与植物代谢物种类和含量密切相关。代谢组学技术可以对植物代谢物实现高通量测定，从化学组成层面客观体现中药化学成分差异，从而反映药材的药效差异。

邓静等[30]基于GC-MS 代谢组方法，对不同表型单面针和两面针初级代谢产物进行分析，研究表型差异对初级代谢产物影响的机制，研究结果表明，两者初级代谢物差异较大，进一步分析得到5 个高度相关的差异标志物，分别是奎宁酸、D-塔罗糖、丙三醇、D-葡萄糖和D-果糖；代谢通路富集结果表明，苯丙氨酸途径、果糖和甘露糖代谢、糖酵解及淀粉与蔗糖代谢是两者主要差异代谢通路，其中的苯丙氨酸途径是植物界中生物碱合成的主要途径之一，由此推测这可能是单面针和两面针生物碱含量差异的主要因素之一。彭克忠等[31]借助1H-NMR 代谢组分析平台，建立手参药材整体1H-NMR 指纹图谱，从代谢物水平系统分析不同产地手参药材初生和次生代谢产物差异，鉴定了14 个化合物，其中天麻素、对羟基苯甲醇、丙氨酸等是不同产地手参的主要差异代谢标志物，从而实现对不同产地手参质量的整体评价。Cui 等[32]采用GC-MS 代谢组学平台，分析了浙贝母不同部位的化学成分差异，鳞茎是浙贝母重要的药用部位，研究发现，更多种类的营养成分常储存于鳞茎中，为再生叶和茎的生长提供营养。因此，为了促进鳞茎的生长，花、尖叶和尖茎需在3 或4 月份被摘除。Yao 等[33]采用比较形态学结合代谢组学分析方法，对来自中国4个主产区的51份枸杞样品进行了分析，发现季风、高原、干旱和半干旱地区的枸杞不仅果实形态不同，而且抗氧化活性、含糖量也有所差异，建议根据枸杞特定的形态和化学特征将来自不同地区的枸杞用于不同的目的，产于高原个头大的枸杞适合作为新鲜水果销售，抗氧化活性高且带有苦味的枸杞建议作为药用。

中药品质的影响因素是多方面的，传统经验鉴别往往通过判断中药材的形、色、气、味特征来识别其质量，但这一般需要具有丰富的实践经验积累。随着现代检测分析技术的发展，用于开展中药品质评价工作的方法越来越多样，特别是基于质谱方法的代谢组学技术的快速发展，为中药材品质评价提供了新思路。

2 代谢组学在中药抗菌作用研究中的应用

长期以来，抗生素的不合理和不规范使用使得各种耐药菌加速产生，细菌耐药已经被世界卫生组织（WHO）列为重大公共卫生事件，并呼吁世界各国积极采取有效措施共同遏制细菌耐药[34]。相比非耐药的同类细菌感染，耐药菌感染的患者死亡风险高，治疗困难，也将消耗更多的医疗资源，必定会带来更高的医疗成本。研发新型抗生素难度越来越大，研发速度远远赶不上细菌的耐药速度[35]。中医药对于细菌感染性疾病的治疗有独特的优势，中药活性成分众多，不易产生耐药性，为感染性疾病的治疗提供了新的思路[36]。

一些中药能够抑制细菌的生长和繁殖，通过多靶点、多途径发挥抗菌作用，通过代谢组学方法研究中药抗菌作用过程，不仅可以从代谢角度认识中药抗菌作用机制，而且对细菌的耐药代谢机制也有进一步的了解。通过对具有潜在抗菌活性化合物或者中药提取物进行代谢组学分析，能够进一步明确其抗菌作用代谢途径，发现新的抗菌作用靶点和途径，为新型抗菌药物的开发提供参考。

Xu 等[37]报道了茶树油通过抑制三羧酸（TCA）循环中的关键代谢酶，提高过氧化氢水平，引起细胞膜内物质渗漏，导致线粒体功能紊乱和氧化应激的发生，从而抑制灰霉菌的生长。有学者基于LC-MS的代谢组学技术研究巴拉圭茶水提物对鼠伤寒沙门菌的作用，结果发现，巴拉圭茶水提物可以诱导鼠伤寒沙门菌的中心碳代谢改变，包括对TCA 循环和糖酵解通路的影响，降低过氧化氢酶活性，降低的TCA循环可能最大程度阻碍还原型辅酶Ⅰ（NADH）产生，最终达到抑制细菌生长的目的[38]。Chen 等[39]采用GC-MS 非靶向代谢组学技术，探讨了香樟挥发油抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的作用机制，结果表明，香樟挥发油通过破坏细胞膜、诱导细胞凋亡、干扰氨基酸代谢等途径发挥抗菌作用。Liu 等[40]通过代谢组学技术比较了头孢他啶耐药溶藻弧菌和头孢他啶敏感溶藻弧菌之间的代谢差异，结果表明，在头孢他啶耐药溶藻弧菌中，丙酮酸循环和呼吸作用效率降低，脂肪酸生物合成增加，膜质子动力势降低，这些发现有助于加深对细菌耐药机制的理解，为开发更加有效的策略来治疗、管理和预防因抗生素耐药菌引起的感染提供了有意义的探索。

3 代谢组学在中药抗炎作用研究中的应用

炎症是机体抵抗外界刺激做出的一种防御性反应，在组织再生和修复中起着关键作用[41]。然而，过度的炎症反应会严重影响机体的正常运转，与肿瘤、糖尿病、哮喘等疾病的发生发展密切相关[42-43]。借助代谢组学技术研究抗炎药物，探讨其作用机制，筛选潜在的作用靶点，为抗炎药物开发和临床应用提供理论支撑。

Yuan 等[44]用血清代谢组学揭示连翘水提物和精油对卡拉胶致水肿大鼠的抗炎作用机制，血清分析中发现13 个改变的生物标志物，连翘精油则影响鞘磷脂代谢、甘油磷脂代谢，连翘提取物和精油通过影响与炎症通路相关的特定作用靶点来恢复体内代谢紊乱状态。Wei 等[45]采用UPLC-Q-TOF-MS 代谢组学方法，以关节炎模型大鼠尿液为分析样本，探讨甘草黄酮成分治疗类风湿性关节炎的作用机制，通过比较模型组和黄酮处理组代谢物变化，找到20 个潜在的且与嘌呤代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、色氨酸代谢、苯基丙氨酸代谢和TCA 循环相关的生物标记物。Liu 等[46]采用代谢组学手段分别评估了甘草黄酮对脂多糖诱导的小鼠巨噬细胞RAW264.7 炎症模型的抗炎效果，研究发现，与脂多糖模型组比较，甘草黄酮处理的RAW264.7 细胞代谢谱更加趋近于对照组，提示甘草黄酮处理后可以逆转脂多糖造成的一些影响。Zhong等[47]用角叉菜胶诱导急性炎症模型大鼠，给予不同炮制品当归挥发油，运用GC-MS代谢组学方法测定炎症渗出物和血浆样本的差异代谢物，结果表明，当归挥发油可以显著抑制前列腺素E2（PGE2）、组胺（HIS）、5-羟色胺（5-HT）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等炎症因子的释放，检测并鉴定到14 个潜在生物标记物，且在炒当归挥发油组和酒制当归挥发油组中变化最为显著。Chen等[48]采用GC-MS 代谢组学方法探讨了香樟挥发油抗炎作用机制，研究表明，香樟挥发油可以显著降低小鼠小胶质细胞BV2一氧化氮（NO）释放和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，同时还能降低脂多糖诱导的炎症细胞因子mRNA 表达和分泌水平；进一步的代谢组分析发现了39 个差异代谢物，显著富集到了5 条代谢通路，与对照组相比，脂多糖组培养上清液中葡萄糖水平降低，乳酸水平升高，而经过香樟挥发油处理后逆转了葡糖糖和乳酸的变化趋势，且香樟挥发油组中糖酵解关键代谢酶活性降低，表明香樟挥发油可能通过削弱BV2 细胞的糖酵解代谢水平发挥抗炎作用。补肺汤具有补肺益气、止咳平喘的功效，主治肺虚咳喘、短气自汗等证，对治疗过敏性支气管炎具有一定效果，Shi等[49]以家兔为实验动物模型，采用代谢组学方法研究补肺汤对过敏性支气管炎的治疗效果，代谢组学分析发现，在过敏性支气管炎模型组家兔血清中，苹果酸、葡萄糖酸和缬氨酸丰度升高，半乳糖、硬脂酸、吡喃葡萄糖丰度降低，这些变化的物质可以成为过敏性支气管炎的生物标志物，但是经过补肺汤治疗后，上述7 个生物标志物出现了不同程度的逆转，从代谢层面说明，补肺汤的确具有改善过敏性支气管炎的作用。苗雨露等[50]采用1H-NMR 代谢组学技术结合免疫印迹法探讨还阳参抗炎作用机制，代谢组学分析找到了4 个显著性相关的代谢物（琥珀酸、蛋氨酸、甘氨酸和肌酸）；对1H-NMR 图谱采用多元统计分析，结果发现，还阳参水提物组和阳性对照组均向空白组靠近，表明还阳参水提物能有效缓解大鼠的炎症症状，发挥抗炎效果。

由此可见，代谢组学方法在中药抗炎作用研究方面得到广泛应用，从代谢组角度阐述中药抗炎的作用过程，为开展中药抗炎机制研究提供了新的思路。代谢组学通过比较炎症模型组、对照组和给药组的代谢谱，寻找差异代谢物，并借助生物信息学、化学计量学、相关性分析等数据分析方法，进一步揭示差异代谢标志物与生物学功能和表型之间的关系，从而表征药物抗炎过程中相关代谢物的变化，以及差异代谢物与炎症指标之间的相关性，为发现与抗炎作用调节相关的代谢物和潜在作用代谢途径提供技术支撑。

4 结语与展望

代谢组学技术在中药质量控制、品质评价和抗菌抗炎作用机制研究方面具有广阔的应用前景，该技术以获取高质量质谱数据为基础，结合多样化的数据处理方法，找到与实验目的相关的生物学信息。中医药治病强调整体观和辨证论治，特别是中药复方更加突出体现药物的整体药效，作用机制网络非常复杂，传统一对一单靶点的研究方法已经不能满足中药复杂机制的研究需求，而代谢组学具有整体性和系统性的特点。因此，代谢组学在中医药研究领域具有自己独特的优势，能够发现其他组学不能发现的信息。

尽管代谢组学技术的应用领域越来越广泛，但基于目前的技术水平，其局限性和不足之处也逐渐凸显。随着质谱技术的快速发展，能够检测到的物质越来越多，但是物质解析能力还有待提高。尤其是非靶向代谢组学研究，需要严重依赖质谱数据库进行后续物质的鉴定分析。对于生物体内成千上万的代谢物而言，在质谱数据库中，具有标准谱图的物质并不多，许多物质是没有标准谱图且无法获得相应标准物质，这就给物质鉴定带来极大困难。为了解决这一问题，近年来科研人员通过不断改进代谢物鉴定算法提升代谢物鉴定能力[51]。同时也在改变研究策略，从检测代谢物静态变化到检测代谢物在生物体内的动态变化，基于同位素标记的代谢物追踪技术可以实现体内代谢物动态变化检测，这为了解代谢物在生物体内整个变化过程和流向提供了可能[52]。

检测技术的不断发展进步是必然的，这将更加有利于解决越来越复杂的问题，为推动中医药作用机制研究、中药质量标准制定等工作提供强大的技术保证。在中医药现代化、标准化研究过程中，既要继承和发扬中医药的优势，也要善于借助现代研究技术手段，在用现代科学语言阐述中医药发挥作用的同时逐渐形成一套具有中医药自身特色的研究模式。