代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后的又一新的组学，是系统生物学的重要分支^[1]。代谢组学是利用现代分析技术定量测定生物样品中的内源性代谢产物，考察生物体在不同状态下的代谢产物变化，通过对代谢物图谱的整体分析直接认识生理、病理状态，确定外源性物质刺激及生理病理状态下引起的内源性代谢物组的变化规律，获得表征生物体在特定时间和环境下的整体功能状态与生物标识物^[2]。

代谢组学的分析技术包括数据采集、数据分析和标示物识别等步骤。首先采集样品（如血液、尿液、唾液、组织等），对采集的样品进行预处理，再运用核磁共振（NMR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）等现代分析技术对样品进行分析，从而得到大量原始的反映生物样品信息的实验数据，进一步使用多变量数据分析方法对所获得的实验数据进行深层次的挖掘，从而筛选出最能反映代谢变化的代谢产物即为生物标识物^[3-5]。血液是代谢组学研究领域中的重要样本，主要分为血清和血浆。由于血清不含纤维蛋白原，与血浆相比成分较为简单，所以对血清中所含成分进行分析，寻找血清生物标示物是现代代谢组学研究中的重要环节之一。

1 中药研究与代谢组学技术

中药是中华民族的宝贵财富，在我国已有上千年的使用历史。近年来中药已被国际社会广泛关注，需求量日益增长，但由于其药效物质基础的复杂性和多靶点发挥药效的特殊性，给中药现代化研究带来了很多困难。代谢组学强调将机体作为一个完整系统进行研究，观察样本的代谢轮廓，通过生物信息、化学计量学、统计学分析，从而获得代谢产物对生物体功能的科学信息。代谢组学这一研究方法与中药多组分、多靶点、多途径治疗疾病的特点相适应。目前，代谢组学技术已经广泛运用于研究中药作用机理、药效物质基础、预测临床疗效和评价药物毒性等方面，已成为研究中药、实现中药现代化研究的重要手段之一。

2 中药治疗疾病的血清代谢组学研究 2.1 中药治疗心脑血管疾病的研究

高脂血症是常见的心脑血管疾病，是指各种原因导致的血浆中总胆固醇、甘油三脂和低密度脂蛋白胆固醇过高或高密度脂蛋白胆固醇过低的一种全身脂代谢异常。高脂血症常常会引发动脉粥样硬化而危及人体健康，代谢组学技术已初步应用于寻找高脂血症的生物标示物及其生物化学作用机制研究。基于LC-MS的代谢组学技术，Sun等^[6]对祛痰化瘀通脉片治疗动脉粥样硬化作用进行了评价，血清代谢组学研究发现溶血卵磷脂、脂肪酸和维生素D-3可以作为其治疗动脉粥样硬化的生物标示物。研究表明，调节磷脂类代谢、脂肪酸代谢是祛痰化瘀通脉片治疗动脉粥样硬化的机制。血府逐瘀汤由桃仁、红花、当归、生地黄、牛膝、川芎等组成，是治疗胸中血瘀证常用方剂，基于¹H NMR的代谢组学研究显示，血府逐瘀汤可以调控高脂血症大鼠血清中缬氨酸、乳酸盐、丙氨酸和丙酮酸盐的浓度，增强谷胱甘肽的合成，通过恢复异常的能量代谢和脂质代谢达到治疗目的^[7]。花生四烯酸和二十二碳六烯酸是机体中2种重要的不饱和脂肪酸，具有改善血液循环降低血脂的作用。Wang等^[8]的代谢组学研究发现，绞股蓝可以促进花生四烯酸和二十二碳六烯酸的合成，降低机体内异常升高的血脂水平。这些研究提供了可能的生物标示物、代谢通路的调节，但对作用靶点的阐述缺乏特异性，应用于临床上的疾病诊断与用药指导还需进一步的研究。

中医理论认为中心气不足是心气虚损所致运血无力、心动失常的病理变化，其与现代医学中心力衰竭相对应，该病证往往会对脂肪酸代谢、嘌呤代谢、能量代谢等造成影响^[9]。Zhang等^[10]运用代谢组学技术对升陷汤的慢性心力衰竭的治疗作用进行了研究。升陷汤可以不同程度逆转血清中肉毒碱、长链脂肪酸和鞘氨醇的浓度，使机体的脂肪酸代谢和鞘脂类代谢恢复正常。传统中药组方参附汤包含人参、附子、青黛等中药，主要用于治疗元气大亏、脉微欲绝等症。Guo等^[11]利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱（UPLC-QTOF/MS）的代谢组学技术，研究了参附汤对心力衰竭大鼠治疗效果，发现给药前后氨基酸、柠檬酸盐、花生四烯酸、牛磺酸和马尿酸的浓度有明显变化，表明参附汤有助于调节心力衰竭引起的能量代谢异常和氨基酸代谢异常。Jiang等^[12]采用血清代谢组学对麝香保心丸治疗由心力衰竭导致心肌梗死的作用进行评价，鉴定得到了5-甲氧胞嘧啶、尿酸、胱硫醚酮亚胺等可以作为心力衰竭的生物标示物^[12]，研究表明，麝香保心丸能够恢复由心肌梗死引起的能量代谢异常和花生四烯酸代谢异常^[13-14]。此外，代谢组学研究证明了双龙方对心肌梗死也有治疗作用^[15]。

急性心肌缺血是心脑血管疾病之一，其发生往往伴随心律失常、休克或心力衰竭，常会危及生命。代谢组学技术已成功应用于预防和治疗急性心肌缺血。Li等^[16]运用基于¹H NMR的代谢组学技术分析法研究了薤白对急性心肌缺血的治疗作用，通过对血清代谢物的研究发现，薤白升高血清中氨基酸、3-羟基丁酸、氨基葡萄糖苷酶、二甲基甘氨酸和肌酐的浓度，同时降低脂质、乙酰乙酸盐、甘氨酸、α-葡萄糖和β-葡萄糖的浓度，薤白通过恢复异常的糖酵解以及氨基酸代谢从而达到治疗目的。高良姜素是姜科植物高良姜根部提取物，Gao等^[17]采用高分离度快速相色谱-质谱联用（RRLC-MS）技术，对高良姜素治疗脑缺血的研究发现，蛋氨酸、半胱氨酸、谷氨酸和色氨酸可作为其治疗作用的生物标示物，且谷氨酸和半胱氨酸可以调控酪氨酸氨基转移酶、谷氨酰胺合成酶以及单羧酸转运蛋白的合成，这3种酶与脑缺血的发病机制有密切联系。黄连解毒汤也对由缺血引起的中风有治疗作用，研究表明黄连解毒汤可以恢复中风导致的异常能量代谢、膜代谢、线粒体代谢、氨基酸代谢和神经递质代谢，从而达到治疗目的^[18]。

血清代谢组学的研究证明氨基酸代谢、TCA循环、脂肪酸代谢是心脑血管疾病的主要代谢途径，这些代谢途径可能是将来药物治疗的研究靶点，上述中药对这些代谢途径有部分程度上的改善作用，证明氨基酸代谢、三羧酸循环、脂肪酸代谢是这些中药治疗的作用靶点，进而阐明这些中药治疗心脑血管疾病的生物化学作用机制。

2.2 中药治疗肝肾损伤的研究

Zhao等^[19]采用基于NMR的代谢组学，研究莪术油抗肾纤维化作用机制，发现肾纤维化大鼠血清中低密度脂蛋白胆固醇、醋酸盐、甘油三酯、葡萄糖、乳酸盐的浓度偏高，3-羟基丁酸、乙酰乙酸盐、丙酮酸盐、柠檬酸盐和甘氨酸浓度偏低，这些生物内源性物质与机体脂质代谢、能量代谢和甲胺代谢有关。莪术油对甘油三酯、葡萄糖、乳酸盐、丙酮酸盐和甘氨酸有不同程度的逆转作用，证明莪术油可以通过调节脂质代谢、能量代谢和甲胺代谢对肾纤维化起治疗作用。Xiang等^[20]在代谢组学技术的基础上构建化学组分-蛋白质-代谢产物网络，研究发现大黄酸、大黄素、儿茶酸和表儿茶酸是大黄抗肾纤维化的活性成分。这些活性成分主要通过调节细胞外异常积累的控制炎症因子的释放，同时维持纤维蛋白溶解凝固平衡，从而治疗肾纤维化。上述结果可以看出，同种疾病可能存在不同的发病机制，不同药物对于同种疾病的治疗也可能通过不同的途径，因此研究药物作用机制至关重要。

知柏地黄片的主要成分为知母、黄柏、熟地黄、山药、牡丹皮等，常用于治疗潮热盗汗、耳鸣遗精、口干咽燥等症。Zhao等^[21]运用¹H NMR代谢组学技术，寻找知柏地黄片肾毒性的生物标示物，发现乳酸盐和3-羟基丁酸乙酯可以作为肾毒性生物标示物。对巴戟天治疗肾阳虚证进行血清代谢组学研究表明，巴戟天可以对能量代谢、氨基酸代谢以及肠道菌群进行调节^[22]。本课题组运用基于UPLC-HDMS的代谢组学，研究腺嘌呤诱导肾毒性大鼠血清代谢轮廓，发现二氢神经鞘氨醇、植物鞘氨醇、色氨酸、肌酐、溶血卵磷脂等可以作为肾毒性大鼠血清的生物标示物^[23]。进一步验证了麦角甾酮和茯苓皮对腺嘌呤诱导肾毒性的治疗作用，血清代谢组学分析结果显示，两者皆对血清中肾毒性生物标示物浓度有不同程度的逆转作用，可改善腺嘌呤导致的代谢紊乱^[24-27]。

运用基于¹H NMR代谢组学技术对重楼的主要成分重楼皂苷进行研究，发现重楼皂苷可以不同程度逆转由于肝损伤造成的血浆中低密度脂蛋白胆固醇、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、胆碱和α-葡萄糖的异常变化，说明重楼皂苷是通过影响机体柠檬酸循环、氨基酸代谢以及脂肪氧化达到对肝损伤的治疗^[28]。Liu等^[29]运用基于UPLC-QTOF/MS的代谢组学，研究四逆散对肝损伤的治疗作用，血清代谢组学分析显示，吲哚丙烯酸、苯丙氨酸、吲哚乙醛、色氨酸、酪氨酸、肉毒碱、苯丙酮酸和视黄醇等可以作为四逆散治疗肝损伤的生物标示物，其能改善肝损伤造成的氨基酸代谢以及视黄醇代谢紊乱。Wang等^[30]运用UPLC-MS技术和PLS-DA分析肝损伤大鼠血清后发现，赤芍和白芍可以降低血清中胆汁酸的浓度，提高胆碱和亚甲基四氢叶酸的浓度，从而起到肝脏保护作用。

目前临床上将肌酐、尿素氮作为检测肾病的主要指标，然而尚没有适合的生物标示物用于早期诊断，故发现新的生物标示物对临床的早期诊断有着重要的意义，这些研究表明中药对治疗肝肾损伤有着一定作用。氨基酸、尿毒症毒素、糖类、脂类等代谢产物是肝肾损伤的生物标示物，具有肝肾保护效应的中药对这些内源性代谢产物和代谢途径有不同程度的改善作用。这些研究阐明了中药对肝肾保护的生物化学作用机制，揭示了这些中药抗肝肾纤维化的药效物质基础，为这些中药的临床应用及质量标准的制定和完善提供一定的参考。

2.3 中药抗炎抗病毒的研究

补肺汤作为传统中药方剂，含有黄芪、甘草、钟乳、人参、桂心等多味中草药，具有补肾纳气、清肺平喘、活血化瘀等功效。Shi等^[31]运用基于GC-MS的代谢组学，研究了补肺汤对过敏性支气管炎的治疗作用，发现过敏性支气管炎组家兔血清中缬氨酸、葡萄糖酸、苹果酸含量上升，同时半乳糖、吡喃葡萄糖、6-去氧甘露糖和硬脂酸含量下降，这7个代谢产物可作为血清中过敏性支气管炎的生物标示物。而通过对治疗组家兔的血清进行分析发现，补肺汤可以不同程度地逆转这7个生物标示物的浓度，表明补肺汤对过敏性支气管炎有一定的治疗作用。九味羌活汤由羌活、防风、细辛、苍术、白芷等组成，主治外感风寒湿邪，内有蕴热证。Chen等^[32]运用基于LC-MS的代谢组学技术，研究了九味羌活汤对于H1N1流感大鼠的治疗作用，结果显示九味羌活汤能改善由H1N1病毒引起的氨基酸、脂肪酸和花生四烯酸的代谢紊乱。

黄连素是黄连、黄柏的主要活性成分，具有显著的抑菌活性。Li等^[33]运用基于UPLC-MS的血清代谢组学，研究了黄连素对多囊卵巢综合征的治疗作用，发现黄连素可以改善异常的脂质代谢，使血清中卵磷脂、鞘磷脂、硬脂酸和芥酸酰胺浓度恢复正常。利用GC-MS代谢组学技术对黄连导致腹泻的原因进行探讨，结果发现甘氨酸、谷氨酸盐的浓度上升，表明黄连可对正常的肠道菌群造成影响，从而导致腹泻^[34]。黄连解毒汤由黄连、黄芩、黄柏、栀子组成，主治三焦火毒证，Zhang等^[35]运用UPLC-QTOF/MS代谢组学技术，揭示了黄连解毒汤对胶原诱导关节炎大鼠的治疗的生物化学作用机制，发现致病组大鼠血清中存在尿酸、组氨酸和苯丙氨酸的代谢异常。而黄连解毒汤治疗组大鼠的血清中这3种代谢产物都恢复到接近正常水平，表明黄连解毒汤对胶原诱导关节炎有一定的治疗作用。与中药治疗心脑血管疾病、肝肾保护效应相比，代谢组学对中药抗炎抗病毒研究仍然处于初级阶段，有待进一步研究。

3 结语

血清作为常用的代谢组学样品之一，与组织相比，具有创伤小、易获得的特点；与尿液相比，具有极性低、重复性好的特点。在代谢组学的许多方法中，基于LC-MS的血清代谢组学经常被用于中药治疗心脑血管疾病、肝肾损伤及抗炎抗病毒的研究，是系统地研究中药疗效的重要工具，能够寻找潜在的生物标示物并探索其作用机制。活性研究是新药研发和中药临床应用主要研究内容之一。因西药单一成分作用到单靶点对疾病的动态化和整体化有时候没有显著的疗效，故而中医药的多成分对应多靶点的特点在疾病治疗中起到重要的作用。代谢组学技术具有大的应用前景和科学价值，通过组学的研究，人们更好地了解中药活性，有利于中药的现代化发展。

通过代谢组学应用于治疗心脑血管疾病、治疗肝肾损伤及抗炎抗病毒的研究，我们提出如下研究思路：1）采用药效学与血清代谢组学相结合方法，评价中药对心脑血管疾病、肝肾损伤的疾病及抗炎抗病毒的生物活性及其生物化学作用机理；2）以从中药提取物及其有效成分对上述疾病治疗的活性评价（药效学）到阐明其治疗的生物化学作用机制（代谢组学）为研究思路，发现生物标示物，明确治疗提取物或活性成分治疗心脑血管疾病、肝肾损伤及抗炎抗病毒的作用靶点，揭示中药多成分作用多靶点的特点；3）寻找并阐明中药及其有效成分治疗疾病作用机理的新方法和新路径，进一步推广代谢组学技术在中药研究的应用。

作为高通量的技术平台，代谢组学已应用于活性筛选、机制阐明、临床疗效以及相关的生物标示物的鉴定中，以此作为体内药物活性评价的方法，可更快、更准确地发现活性成分和其作用靶点。然而，代谢组学在中药治疗心脑血管疾病、肝肾损伤及抗炎抗病毒研究方面仍有很大的挑战。首先，由于内源性代谢物标准品的价格昂贵且不易获得，内源性代谢产物的鉴定阻碍着代谢组学的快速发展，尚未能达到鉴定全部代谢物的目标；第二，中药代谢组学研究大多局限在对表型的描述性研究，缺乏对代谢机制的解释和总结；第三，代谢组学的结果很难与其他实验结果建立关系。目前，代谢组学虽然已经广泛应用于中药活性的评价，但相关研究主要集中在动物模型阶段，对于中药治疗心脑血管疾病、肝肾损伤及抗炎抗病毒的代谢组学研究较少，其临床疗效及其作用机制阐明极待明确。因此，加强代谢组学与基因组学、转录组学、蛋白质组学等的结合，并运用于中药治疗心脑血管疾病、肝肾损伤及抗炎抗病毒的动物模型及临床研究，进一步阐明中药的临床疗效及其作用机制，对实现中药的现代化发展有重要意义。