中医药防治阿尔茨海默病的代谢组学研究*

李全，张健，王琪，周妍妍

1.黑龙江中医药大学附属第一医院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江中医药大学基础医学院，黑龙江 哈尔滨 150040

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一种以认知功能障碍为临床表现的中枢神经系统退行性疾病［1］。β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉积、Tau蛋白过度磷酸化是AD的主要病理改变。AD早期主要以轻度认知功能障碍为临床表现，发病多具有隐匿性，因此AD的早期诊断较为困难，并且目前AD发病原因尚未确切，治疗难度较大，针对单一靶点的药物治疗效果不甚理想，因此评价其治疗效果大多以改善认知功能为标准，并不能彻底逆转该病。近年来，代谢组学技术已检测出多种与AD相关的生物代谢标记物，并基于代谢组学技术探究中药对相关代谢标记物的调控作用。因此，本文就中药防治AD的代谢组学实验研究进展进行综述，总结近年来AD的代谢组学实验研究成果以求对AD的生物代谢标记物及代谢途径有更深刻的认识，为防治AD提供新的思路。

1 代谢组学技术

自系统生物学出现后，组学技术逐渐成为国内外研究的热点，系统生物学下分多种组学技术，主要包括基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等，而不同种组学技术之间又可相互联合形成新的分析方法［2］。代谢组学基于高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）、气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometr，GCMS）、液相色谱-质谱联用（liquid chromatographymass spectrometr，LC-MS）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等技术平台，以尿液、血液、粪便、细胞作为检测样品，并结合主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘判别分析（partial least-squares discrimination analysis，PLS-DA）、正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least-squares discrimination analysis，OPLSDA）等数据处理方法，通过比对代谢组学数据库筛选出差异代谢物［3］，这种技术可将基因和蛋白质表达的微小变化在代谢产物上放大，从而使检测更加便捷［4］，代谢组学数据分析流程见图1。

图1 代谢组学数据分析流程

2 AD与相关代谢途径

2.1 AD与氨基酸代谢氨基酸具有合成神经递质、维持突触功能的作用，人的记忆认知功能和神经元信号传导可受不同种氨基酸代谢影响［5］。如色氨酸参与5-羟色胺的代谢，5-羟色胺能够提高记忆功能并激活小胶质细胞吞噬Aβ，有研究发现在轻度认知功能障碍和AD患者体内的5-羟色胺含量下降以及转运体功能中断的发生［6］。丝氨酸、甘氨酸参与乙酰胆碱的代谢，乙酰胆碱负责神经元电信号的传导并且同样具有维持人记忆功能的作用，当脑内乙酰胆碱水平下降，其学习记忆能力亦受到影响。

2.2 AD与脂质代谢脂质代谢紊乱同样是诱发AD的危险因素之一，脂质能够储存能量，并参与神经元细胞的生长发育、损伤修复及信号传导过程。脂质类物质中胆固醇以及载脂蛋白E与AD的发病密切相关，有研究表明胆固醇代谢产物能促进Tau蛋白过度磷酸化和Aβ的沉积［7］，同时在AD患者的血液代谢产物中同样发现了高密度游离胆固醇、高密度脂蛋白磷脂及甘油磷脂等代谢标记物［8］。载脂蛋白E的等位基因载脂蛋白E4能够与小胶质细胞结合并使小胶质细胞过度活化，促进炎症介质的释放并介导神经炎症的发生。

2.3 AD与葡萄糖代谢葡萄糖可为大脑提供能量支持，保证脑组织代谢正常进行。但既往研究表明糖代谢异常也存在诱发AD的风险，体内葡萄糖代谢主要有两种途径，即葡萄糖转运和细胞内葡萄糖降解，当葡萄糖转运蛋白不能通过血脑屏障将葡萄糖转运出去而滞留于脑内则易引发Aβ沉积和Tau蛋白过度磷酸化，进而加快AD发病［9］。细胞内葡萄糖代谢所产生的乙酰辅酶A是合成乙酰胆碱的前体物质，若细胞内糖代谢发生紊乱则乙酰胆碱的合成同样会受到影响并出现学习记忆功能减退的症状。有趣的是，胰岛素抵抗同样会导致AD的发生，甚至有AD为“3型糖尿病”的说法［10］。

2.4 AD与其他代谢途径除上述代谢途径之外，AD的发生还与肠道菌群、神经递质、能量、维生素代谢密切相关。涉及肠道菌群代谢的双歧杆菌、乳酸杆菌、类杆菌；合成神经递质的γ-氨基丁酸、乙酰辅酶A、5-羟色胺；涉及能量代谢的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）以及合成维生素的烟酸、烟酰胺均在既往的AD代谢组学研究中被检测出过。

3 中药防治AD的代谢组学研究

3.1 中药复方防治AD的代谢组学研究

3.1.1 定志小丸王义民［11］通过尿液代谢组学分析发现，在AD模型大鼠尿液代谢分析共鉴别出了牛磺酸、尿酸、柠檬酸、肌酐、半胱氨酸等28种内源性生物标记物，涉及12条代谢途径，经定志小丸给药后这些差异代谢物水平均有所回调，这提示定志小丸可通过改善氨基酸、能量及肠内菌群代谢提高大鼠学习记忆功能。

3.1.2 补阳还五汤汪白云等［12］在APP／PS1小鼠的尿液代谢产物中鉴别出花生四烯酸、神经胺、L-棕榈酰肉毒碱、甘油磷脂酰胆碱等四种生物代谢标记物，并发现补阳还五汤对花生四烯酸、L-棕榈酰肉毒碱、甘油磷脂酰胆碱具有明显抑制作用，而这些生物代谢标记物与氧化应激、免疫炎症、Aβ沉积的发生密切相关。

3.1.3 开心散Chu等［13］基于血液代谢组学分析发现，在AD模型大鼠血液代谢物中检测出48种潜在生物标记，开心散可回调其中36种生物代谢标记物，并提高AD模型大鼠细胞凋亡抑制因子Bcl-2和胆碱乙酰转移酶的表达，促进神经递质合成，减少细胞凋亡。

3.1.4 恒清Ⅱ号方孟胜喜等［14］在APP／PS1小鼠尿液代谢产物中鉴别出α-生育三烯酚、鞘氨醇激酶、多巴胺、胆固醇等四种生物标记物，经恒清Ⅱ号方给药后小鼠的多巴胺、α-生育三烯酚、鞘氨醇激酶等标记物的表达提高，胆固醇含量降低，这提示恒清Ⅱ号方能够促进神经递质的合成，减少神经元细胞的凋亡。此外，在APP／PS1小鼠粪便代谢分析中共鉴别出了10种潜在生物标记物，涉及6条代谢途径。经恒清Ⅱ号方给药后小鼠体内的乳酸、焦谷氨酸、L-谷氨酸等9种物质的含量上升，L-酪氨酸、L-色氨酸含量降低，其防治AD机制可能与该方调节氨基酸生成与代谢途径有关［15］。

3.1.5 补肾填髓方Zhang等［16］基于血清代谢分析，在AD模型大鼠血清代谢物中共鉴别出78个潜在生物标记物，这些生物标记主要涉及亚油酸、色氨酸、甘油磷脂等6条代谢路径，经补肾填髓方给药后这些潜在生物标记物大多被调节到正常水平，并且该方可通过磷脂酰激醇3激酶／蛋白激酶B信号通路减少神经元细胞凋亡，这与给药后大鼠学习记忆能力的提高相印证。

3.2 中药药对防治AD的代谢组学研究李卉［17］以人参及远志提取物对AD模型大鼠进行干预治疗，通过尿液、血清、脑组织代谢组学分析鉴别出3-甲基二氧辛醇、脱氧鸟苷、5-磷酸核糖基-N-甲酰甘氨酸酰胺等8种潜在生物标记物，涉及9条代谢途径，并且人参皂苷配伍远志皂苷可回调上述差异代谢标记物含量，这提示人参皂苷配伍远志皂苷可提高AD模型大鼠抗氧化能力，并减少神经细胞凋亡。

3.3 中药提取物防治AD的代谢组学研究

3.3.1 人参皂苷Re李菁媛［18］基于血浆代谢组学研究表明，经人参皂苷Re给药后AD模型小鼠的血浆代谢物中苯丙氨酸的含量降低；色氨酸、16碳鞘氨醇、植物鞘氨醇、溶血磷脂酰胆碱的含量上升。这提示人参皂苷Re可通过调节AD小鼠体内氨基酸、卵磷脂和鞘脂代谢，进而起到防治AD的作用。

3.3.2 丹参提取物张民勇［19］以Aβ诱导细胞损伤形成AD细胞模型，通过细胞代谢组学鉴别出色氨酸、L-苯丙氨酸、L-精氨酸等33种潜在生物标记物，涉及丙氨酸-天冬氨酸和谷氨酸代谢、谷胱甘肽代谢等9条代谢途径，并且经丹参提取物给药后，其中15种生物标记物可恢复到正常水平，这说明丹参提取物可通过减少氧化应激、炎症反应的发生达到防治AD的作用。

3.3.3 益智仁提取物张梦雅［20］基于脑组织、血浆代谢组学技术探讨益智仁提取物对AD模型大鼠干预机制。经代谢组学检测共鉴别出29种血浆代谢标记物和11种脑组织代谢标记物，并且益智仁有效成分可使23种血浆代谢标记物和9种脑组织代谢标记物恢复正常水平，这些代谢标记物主要通过氨基酸代谢、脂类代谢和能量等代谢途径减少Aβ在脑组织的沉积。

3.3.4 黑水缬草提取物王喆等［21］通过血浆代谢分析发现，在AD模型小鼠血浆代谢物中共鉴别出组氨酸、溶血磷脂酰胆碱、二氢神经鞘氨醇等10种潜在生物标记物，并且经黑水缬草提取物给药后可回调这些代谢差异物至正常水平，这与给药后小鼠行为学测试结果相符合。这说明黑水缬草提取物具有促进神经递质的合成，改善认知功能的作用。

3.3.5 白藜芦醇ATP是维持机体糖代谢平衡的重要物质，随着年龄的增加ATP含量逐渐减少，导致脑组织能量代谢异常，这与AD的认知障碍密切相关。张玉霖等［22］基于脑组织代谢组学分析发现，AD模型大鼠脑内ATP含量降低、ADP含量升高；而经过白藜芦醇给药后的大鼠脑内ATP、ADP含量均回归正常水平，并且大鼠的学习记忆能力得以改善，这说明白藜芦醇可通过调节能量代谢达到防治AD的目的。

3.3.6 五味子木脂素韦梦莹［23］基于血浆代谢组学检测共鉴别出17种潜在生物标记物，这些潜在标记物主要涉及脂肪酸、鞘脂类、甾醇类代谢等5种代谢途径。并且五味子木脂素可对其中15种生物标记物起到正向调节作用，这提示五味子木脂素可通过减轻氧化应激、神经炎症介导的神经毒性损伤，发挥防治AD的作用。

3.3.7 五味子多糖Liu等［24］基于尿液代谢组学检测发现，经五味子多糖给药后的AD模型大鼠超氧化物歧化酶、γ-氨基丁酸、乙酰胆碱、5-羟色胺、多巴胺等含量显著上升；糖原合成酶激酶-3β、乙酰胆碱酯酶、一氧化氮合酶含量显著下降，这表明五味子多糖可通过降低氧化应激水平、保护中枢神经、调节能量代谢和肠道微生物代谢等方式发挥防治AD的作用。

3.3.8 蛇床子素闫宇辉［25］基于脑组织代谢组学在APP／PS1模型小鼠中鉴别出腺苷、黄嘌呤5-三磷酸、5-氨基咪唑核糖核苷酸等10余种潜在生物标记物，这些代谢标记物主要涉及嘌呤、维生素、脂质等代谢途径，蛇床子素可通过磷脂酰激醇3激酶／蛋白激酶B信号通路调节上述代谢途径，降低氧化应激水平，减少细胞凋亡数量，从而发挥防治AD的作用。

3.3.9 巴戟天低聚糖巴戟天具有补肾壮阳，祛风除湿，强健筋骨之功效，Yang等［26］探讨中药巴戟天的提取物巴戟天低聚糖防治AD的肠道菌群机制，经血清代谢组学研究发现，与模型组相比给药组有14种代谢标记物被上调，8种代谢标记物被下调，主要涉及脂质、神经递质等代谢途径，巴戟天低聚糖可减少APP／PS1小鼠脑内不饱和脂肪酸的合成，降低氧化应激水平，并改善小鼠肠道菌群结构发挥改善AD症状的作用。

3.3.10 灯盏花素吴玲玲［27］通过血浆代谢分析发现，在AD模型大鼠血浆中共鉴别出3-吲哚丙烯酸、C16二氢神经鞘氨醇、溶血磷脂酰乙醇胺等10种代谢标记物。经灯盏花素给药后，这些差异代谢物水平均有恢复正常的趋势，这提示灯盏花素可能通过调控脂质代谢，促进神经递质的合成，降低胆固醇的含量实现防治AD作用。

综上，本研究从药物类型、研究对象、样品、技术和防治AD作用机制等方面，大致概述了近年来代谢组学在中药防治AD研究中的相关文献，为此类研究提供一定借鉴，详见表1、表2。

表1 中药复方防治AD的代谢组学研究

表2 中药提取物、中药药对提取物防治AD的代谢组学研究

4 总结与展望

本文综述了5种中药复方、10种中药提取物、1组中药药对防治阿尔茨海默病的代谢组学研究，经过大量的实验研究表明AD潜在生物代谢标记物大多为色氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、胆固醇、花生四烯酸、神经鞘氨醇、溶血磷脂酰胆碱等，并涉及氨基酸代谢、脂质代谢、神经递质代谢、肠道菌群代谢、能量代谢等途径。目前，中药对阿尔茨海默病的代谢标记物调控作用以及认知功能改善效果显著，这些潜在生物标记物为阿尔茨海默病的早期诊断和治疗方案提供了参考依据，合理利用代谢组学技术可充分发挥中药防治AD的优势。

但是，代谢组学在阿尔茨海默病研究中也存在一些问题。一者，AD的代谢组学技术研究大多集中在动物实验上，临床研究相对较少；二者，AD的代谢组学研究的样品多为尿、血浆等，脑组织、粪便代谢研究并不多见；三者，代谢组学技术虽然可检测出与AD相关的代谢标记物，但缺少对中药调控代谢标记物的机制研究；四者，代谢组学样品检验昂贵，这在一定程度上制约了AD代谢组学研究的开展；五者，缺少中药与针灸、中药与西药联合防治AD的代谢组学研究；六者，代谢组学与其他组学联用的AD研究亦鲜有报道。因此，未来代谢组学在阿尔茨海默病的中医药研究仍需解决这些问题。