代謝組學(xué)在失眠癥及其中醫(yī)藥干預(yù)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

胡 金 韋姍姍 邱祥玉 方留斌 陽 吉 楊夢(mèng)霞 湯滴微

(1 云南中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,昆明,650500; 2 云南中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,昆明,650500)

失眠作為現(xiàn)代社會(huì)普遍存在的健康問題,嚴(yán)重影響人們的生命質(zhì)量和身心健康,甚至?xí)又鼗蛞l(fā)其他疾病。長(zhǎng)期失眠是肥胖、糖尿病、高血壓、心臟病和中風(fēng)的危險(xiǎn)因素,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,可能會(huì)導(dǎo)致過早死亡[1]。大量流行病學(xué)研究顯示,失眠在人群中已相當(dāng)普遍,其發(fā)病率達(dá)35%～50%[2]。失眠已被證明是生物、心理和社會(huì)因素相互作用的結(jié)果,但其影響睡眠時(shí)間和睡眠質(zhì)量的病理作用機(jī)制目前尚未被闡明[3-4]。多導(dǎo)睡眠圖是診斷原發(fā)性失眠的金標(biāo)準(zhǔn),但其價(jià)格昂貴且耗時(shí),在臨床實(shí)施過程中存在一定困難[5]。因此,目前失眠的診斷仍依靠患者的自我報(bào)告,缺乏準(zhǔn)確、快速、客觀的失眠診斷標(biāo)志物。

代謝組學(xué)是一種通過評(píng)估現(xiàn)有條件所帶來的“凈”生物效應(yīng)(無論是健康、疾病還是干預(yù))來認(rèn)知整體的生理或病理狀態(tài)的綜合方法[6]。能夠直接反映在特定時(shí)刻發(fā)生的代謝途徑的活動(dòng),并可以放大在基因組水平上控制的微小變化,在生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、藥物作用機(jī)制、發(fā)病機(jī)制的補(bǔ)充、中醫(yī)辨證等方面發(fā)揮著不可替代的作用。近年來,研究者運(yùn)用代謝組學(xué)方法發(fā)現(xiàn)原發(fā)性失眠與氨基酸代謝通路、神經(jīng)遞質(zhì)代謝通路、能量代謝、脂質(zhì)代謝通路密切相關(guān)。并基于代謝組學(xué)探究相關(guān)催眠藥物(包括中藥、中藥單體、化學(xué)藥物)對(duì)相關(guān)代謝標(biāo)志物的調(diào)控作用。本文總結(jié)了代謝組學(xué)在失眠方面的研究進(jìn)展,以求對(duì)失眠的生物標(biāo)志物和代謝途徑有更深刻的認(rèn)識(shí),為診斷、預(yù)防、治療失眠提供新的思路。

1 代謝組學(xué)技術(shù)及其運(yùn)用

代謝組學(xué)被定義為定量測(cè)量生命系統(tǒng)對(duì)病理生理刺激或基因修飾的時(shí)間相關(guān)多參數(shù)的一門學(xué)科[7]。其基于高效液相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、磁共振成像等技術(shù)平臺(tái),以血液、尿液、腦脊液、組織、糞便、細(xì)胞等為檢測(cè)樣本,以獲得差異性代謝物,并基于差異性代謝物進(jìn)行快速和全面的分析來闡明生理或病理途徑[8]。此外,代謝組學(xué)具有降低檢測(cè)限制和持續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì),其無創(chuàng)性、敏感性和持久性等特性在診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病預(yù)后、藥物作用機(jī)制、藥效評(píng)價(jià)、中醫(yī)辨證方面發(fā)揮著自己獨(dú)特的作用[9]。

2 失眠與相關(guān)代謝途徑

2.1 失眠與氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)代謝 睡眠調(diào)節(jié)包括3個(gè)基本過程:一是調(diào)節(jié)清醒時(shí)睡眠傾向上升和睡眠時(shí)睡眠傾向消散的穩(wěn)態(tài)過程;二是調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律過程,基本上獨(dú)立于先前的睡眠和覺醒狀態(tài),并決定睡眠傾向高低的周期交替;三是在睡眠中發(fā)生的經(jīng)典過程,表現(xiàn)為非快速眼動(dòng)睡眠(Non-Rapid Eye Movement Sleep,NREM)和快速眼動(dòng)睡眠(Rapid Eye Movement Sleep,REM)2種基本睡眠狀態(tài)的交替過程[10]。其調(diào)節(jié)是復(fù)雜的,涉及不同的大腦回路和神經(jīng)遞質(zhì)。一方面,睡眠和覺醒控制是由喚醒促進(jìn)神經(jīng)元和促進(jìn)睡眠的神經(jīng)元相互協(xié)調(diào)并創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)的“開關(guān)”,以此來調(diào)控睡眠覺醒行為。其中覺醒由喚醒促進(jìn)神經(jīng)元控制,包括藍(lán)斑的去甲腎上腺素能神經(jīng)元、中縫核的5-羥色胺能神經(jīng)元、結(jié)節(jié)乳頭核的組胺能神經(jīng)元和下丘腦外側(cè)區(qū)的食欲素神經(jīng)元。促睡眠神經(jīng)元包括間腦的褪黑素神經(jīng)元和視前腹外側(cè)核/中間核、視前正中核和腦干面旁區(qū)的γ-氨基丁酸能神經(jīng)元[11]。另一方面,清醒和睡眠狀態(tài)之間的復(fù)雜調(diào)節(jié)過程需要由腦實(shí)質(zhì)中不同的神經(jīng)化學(xué)變化協(xié)調(diào)。如參與喚醒的分子,食欲素、血清素、去甲腎上腺素、組胺、多巴胺、腎上腺素;用于NREM的γ-氨基丁酸、腺苷、前列腺素和用于REM的乙酰膽堿和谷氨酸等分子負(fù)責(zé)每個(gè)階段的表達(dá)和維持[12]。

氨基酸及其代謝產(chǎn)物在神經(jīng)系統(tǒng)健康和功能中發(fā)揮著重要作用,它們不僅是蛋白質(zhì)的組成部分,也是大部分神經(jīng)遞質(zhì)合成的前體。研究表明,作為自身神經(jīng)遞質(zhì)的氨基酸(如甘氨酸、谷氨酸、天冬氨酸)通常很難通過血腦屏障,而一些作為大腦中各自神經(jīng)遞質(zhì)前體的氨基酸如色氨酸、酪氨酸、精氨酸、蘇氨酸、甘氨酸等則更容易穿過。因此,這些神經(jīng)遞質(zhì)的合成可能會(huì)受飲食提供的這些前體分子的可用性的影響[13]。

其中,色氨酸是神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺的前體,經(jīng)色氨酸羥化酶催化首先生成5-羥色氨酸,再經(jīng)5-羥色氨酸脫羧酶催化成5-羥色胺。色氨酸是一種可減少睡眠潛伏期的氨基酸[14]。一般來說,大腦中的色氨酸是不飽和的,因此服用色氨酸會(huì)導(dǎo)致5-羥色胺合成增加[15]。此外,色氨酸也是合成褪黑素的前體,色氨酸在色氨酸羥化酶的作用下合成5-羥色胺,在脫羧酶的作用下進(jìn)一步形成血清素,在5-羥色胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶和N-乙酰血清素O-甲基轉(zhuǎn)移酶的催化作用合成褪黑素[16]。褪黑素已被證明可以同步晝夜節(jié)律,并改善睡眠的開始、持續(xù)時(shí)間和質(zhì)量[17]。

酪氨酸是兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素合成的前體物質(zhì),其首先在酪氨酸羥化酶的作用下形成二羥基苯丙氨酸,在脫羧的作用下進(jìn)一步形成多巴胺,在多巴胺羥化酶的作用下形成去甲腎上腺素,進(jìn)一步在苯乙胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶酶的作用下合成腎上腺素[18]。多巴胺的細(xì)胞外水平在清醒期間較高,而在NREM期間較低,這表明多巴胺神經(jīng)元具有清醒活性[19]。去甲腎上腺素由幾個(gè)腦干核團(tuán)產(chǎn)生,在激活交感神經(jīng)系統(tǒng)的情況下有助于產(chǎn)生喚醒。藍(lán)斑是前腦去甲腎上腺素的主要來源,其在清醒時(shí)放電最快,在NREM期間活動(dòng)較少,而在REM期間幾乎沉默[20]。夜間睡眠期間的腎上腺素濃度顯著低于清醒期間,而REM期間的腎上腺素濃度顯著低于NREM,在早晨清醒后腎上腺素濃度逐漸開始升高,表明交感神經(jīng)系統(tǒng)腎上腺素的分泌在睡眠覺醒中起到關(guān)鍵作用[21]。研究發(fā)現(xiàn),容易出現(xiàn)睡眠問題的人具有過度活躍的交感神經(jīng)系統(tǒng)[22]。

支鏈氨基酸(包括亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸)被積極用作氨基酸供體以在大腦中合成谷氨酸[23]。而三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物α-酮戊二酸是形成谷氨酸的前體物質(zhì),其在乙酰輔酶A的作用下進(jìn)入三羧酸循環(huán)通過轉(zhuǎn)胺反應(yīng)生成谷氨酸,谷氨酸在γ-氨基丁酸旁路代謝過程中在谷氨酸脫羧酶催化作用下谷氨酸脫羧生成γ-氨基丁酸[24]。γ-氨基丁酸能神經(jīng)元和神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)杏仁核中的大腦回路,以調(diào)節(jié)REM和NREM,尤其是慢波睡眠睡眠和調(diào)節(jié)視交叉上核晝夜節(jié)律[25-26]。

組氨酸是組胺的前體,經(jīng)脫羧后可形成組胺[27]。由于其能夠穿過血腦屏障,故血液中的組氨酸水平可能反映了結(jié)節(jié)乳頭核的腦組胺水平和組胺能神經(jīng)元活動(dòng),它們?cè)诰S持覺醒中起著關(guān)鍵作用[28]。結(jié)節(jié)乳頭核放電率和組胺釋放在清醒時(shí)最高,在NREM睡眠時(shí)較低,在REM睡眠時(shí)最低[29-30]。服用組胺或組胺受體激動(dòng)劑可增加皮層激活和覺醒,同時(shí)減少NREM和REM睡眠[31-32]。相反,減少組胺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的藥物,包括經(jīng)典抗組胺藥,如H1受體拮抗劑苯海拉明、吡拉明和低劑量多塞平會(huì)增加NREM和REM睡眠[33]。膽堿和乙酰輔酶A相互作用生成乙酰膽堿[34],其在REM的觸發(fā)和長(zhǎng)期調(diào)節(jié)中都起著重要作用[35]。神經(jīng)遞質(zhì)合成的前體物質(zhì)及其作用見圖1。

圖1 睡眠與氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)代謝關(guān)系

2.2 失眠與糖、神經(jīng)遞質(zhì)代謝 大腦具有獨(dú)特的代謝特征,只能通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化分解有氧葡萄糖來獲得所需的能量[36]。糖酵解可以忽略不計(jì),僅在長(zhǎng)時(shí)間禁食時(shí)觀察到來自脂肪酸的酮體的使用。神經(jīng)元的活動(dòng)水平與大腦中的能量消耗密切相關(guān),隨著神經(jīng)元活動(dòng)的增加,能量消耗也隨之增加[37]。從能量的角度來看,睡眠主要功能之一是恢復(fù)由清醒的能量需求引起的大腦能量代謝[38]。在睡眠期間,ATP生成增加,使能量?jī)?chǔ)備增加,從而減少炎癥,促進(jìn)細(xì)胞存活。而在睡眠剝奪期間,ATP的生成顯著減少。大腦不再能夠啟動(dòng)修復(fù),導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡。細(xì)胞死亡最終會(huì)導(dǎo)致情感障礙、記憶和學(xué)習(xí)障礙以及認(rèn)知功能障礙[39]。這與突觸穩(wěn)態(tài)理論一致,大腦每天需要與環(huán)境斷開一段時(shí)間,以恢復(fù)清醒時(shí)消耗的能量,在不斷學(xué)習(xí)生活經(jīng)驗(yàn)的過程中建立新的突觸并加強(qiáng)突觸網(wǎng)絡(luò)[40]。

腺苷是“能量貨幣”ATP水解的最終產(chǎn)物。腺苷和睡眠的增加與完整的膽堿能系統(tǒng)有關(guān),腺苷代謝和通過三磷酸腺苷、二磷酸腺苷和單磷酸腺苷的轉(zhuǎn)運(yùn)使腺苷與細(xì)胞的能量代謝直接相關(guān)[37]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,神經(jīng)元活動(dòng)的增加會(huì)增加能量消耗以及細(xì)胞外腺苷濃度。在大腦大多數(shù)區(qū)域,細(xì)胞外高腺苷濃度作用于腺苷受體會(huì)降低神經(jīng)元活性,從而降低能量需求。而在睡眠剝奪期間,腺苷濃度增加將會(huì)誘導(dǎo)睡眠,但在這一過程中也會(huì)阻止腺苷濃度增加從而取消恢復(fù)性睡眠。隨著研究的深入,糖原對(duì)睡眠的影響也逐步進(jìn)入了研究者們的視線。Benington和Heller提出的理論指出,長(zhǎng)時(shí)間清醒會(huì)導(dǎo)致大腦糖原儲(chǔ)存的消耗進(jìn)一步導(dǎo)致睡眠需求的增加[41]。這一理論得到了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持,并引起了人們對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)節(jié)睡眠的關(guān)注(糖原幾乎完全儲(chǔ)存在星形膠質(zhì)細(xì)胞中)[42]。

2.3 失眠與脂質(zhì)代謝 改變脂肪酸代謝會(huì)影響睡眠信號(hào)[43]。CRISPIM等[44]研究發(fā)現(xiàn)高脂肪攝入,特別是在晚餐,與睡眠效率降低、第一次快速眼動(dòng)發(fā)作的時(shí)間延長(zhǎng)、在第二階段睡眠花費(fèi)時(shí)間延長(zhǎng),REM時(shí)間減少,以及在睡眠開始后醒來清醒的時(shí)間增加有關(guān),而纖維攝入則與深度睡眠、恢復(fù)性睡眠有關(guān)。因此,保持富含纖維、低糖和其他非纖維碳水化合物的飲食可能是改善睡眠不良者睡眠深度和結(jié)構(gòu)的有效方法[45]。睡眠時(shí)間的改變可以直接影響脂肪細(xì)胞釋放瘦素,從而改變饑餓的神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)。研究表明,在睡眠期間,與對(duì)照組比較,睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(Obstructive Sleep Apnoea,OSA)患者的游離脂肪酸顯著增加,并且這種增加在整個(gè)睡眠期間持續(xù)存在,尤其以NREM睡眠為主[46]。而兒童受試者比成人OSA受試者表現(xiàn)出更多與碳水化合物和氨基酸代謝異常相關(guān)的代謝產(chǎn)物。此外,成人OSA似乎與肥胖更相關(guān),這可以解釋為什么脂代謝異常在成人中比在兒童OSA患者中更普遍[47]。脂質(zhì)代謝途徑在OSA中已經(jīng)凸顯其發(fā)現(xiàn)診斷標(biāo)志物的潛能。如根據(jù)6種代謝產(chǎn)物(4-羥基戊烯酸、阿拉伯糖、甘鵝去氧膽酸-3-硫酸鹽、異亮氨酸、絲氨酸和黃嘌呤)的表達(dá)水平,可以將OSA患者與健康人區(qū)分開來,其敏感度和特異度分別為75%和78%[48]。提示這些差異性代謝物可能成為OSA的潛在標(biāo)志物。代謝產(chǎn)物見圖2。

圖2 代謝產(chǎn)物在失眠中的網(wǎng)絡(luò)

3 代謝組學(xué)在失眠中的運(yùn)用

3.1 失眠引起其差異物的改變,可能為失眠發(fā)病的潛在機(jī)制 失眠的發(fā)病機(jī)制主要涉及下丘腦-垂體-腎上腺軸、調(diào)節(jié)睡眠覺醒的神經(jīng)遞質(zhì)紊亂等方面[49-50]。通過上述氨基酸代謝與神經(jīng)遞質(zhì)的關(guān)系可以看出,代謝組學(xué)在闡述失眠的機(jī)制方面有一定的潛力,但是在揭示其機(jī)制方面可能還需要優(yōu)化其實(shí)驗(yàn)方案,以求弄清失眠是因,代謝產(chǎn)物變化是果,還是代謝產(chǎn)物變化是因,失眠是果?，F(xiàn)有代謝組學(xué)在失眠方面的運(yùn)用只能提示失眠會(huì)對(duì)氨基酸代謝通路、神經(jīng)遞質(zhì)代謝通路、糖脂代謝通路的代謝產(chǎn)物引起擾動(dòng),但具體能否揭示其機(jī)制,需要進(jìn)一步驗(yàn)證。如當(dāng)缺失這些差異性代謝物時(shí),能否引起失眠是驗(yàn)證其發(fā)病機(jī)制的一個(gè)有效手段。失眠引起其差異性代謝產(chǎn)物的改變具體運(yùn)用見表1。分析失眠患者及動(dòng)物模型差異性代謝產(chǎn)物及其涉及通路發(fā)現(xiàn),雖然失眠動(dòng)物模型和失眠患者所涉及的通路基本相似,涵蓋氨基酸代謝通路和能量代謝通路,但是失眠患者還涉及脂質(zhì)代謝通路,其中存在差異的原因可能為樣品選擇不同所造成(失眠模型選擇腦組織為樣品,而失眠患者主要選擇血清和血漿來進(jìn)行檢測(cè)),但也可能是失眠發(fā)生的一條代謝通路。該結(jié)果提示在失眠的代謝組學(xué)研究中需要考慮種屬以及組織來源問題。而失眠患者之間比較,即使是來源相同的組織,其代謝產(chǎn)物也存在很大差異。此外,失眠患者代謝差異物的變化還與性別相關(guān)。由上可推知,失眠的代謝組學(xué)應(yīng)該考慮性別之間的差異。而對(duì)于失眠患者代謝差異物的不同,在排除代謝組學(xué)測(cè)試處理結(jié)果的問題后,應(yīng)該深層剖析挖掘其是否參與調(diào)控睡眠。

3.2 代謝組學(xué)在失眠中醫(yī)證型方面的運(yùn)用 整體觀念、辨證論治是中醫(yī)診療的核心,而代謝組學(xué)的時(shí)相性、動(dòng)態(tài)性、整體性和系統(tǒng)性等特點(diǎn)與中醫(yī)核心思想不謀而合[56]。非靶代謝組學(xué)注重人體的“態(tài)”,全面系統(tǒng)地反映現(xiàn)階段疾病的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)和態(tài)勢(shì)。而靶向代謝組學(xué)則能實(shí)現(xiàn)打靶,找到病證的特異性標(biāo)志物。非靶與靶向結(jié)合能夠有助于證候模式的識(shí)別、有助于中醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的結(jié)合,并且量化、統(tǒng)一中醫(yī)的一些感官評(píng)價(jià)模式[57]。中醫(yī)研究者將代謝組學(xué)運(yùn)用到失眠的研究當(dāng)中并取得了一些進(jìn)展。失眠的中醫(yī)證型大致可分為肝郁化火證、肝郁脾虛證、心腎不交、心脾兩虛等。鄧丹丹等[58]通過比較肝郁化火證、痰火內(nèi)擾證、陰虛火旺證3種證型的失眠患者的血液,發(fā)現(xiàn)精氨酸、甘氨酸、Phytosphingosine-1-P是其重要差異性代謝物。其中,Phytosphingosine-1-P是區(qū)分失眠肝郁化火證、痰火內(nèi)擾證、陰虛火旺證3種證型之間的典型代謝產(chǎn)物,這或許是能成為這3種失眠證型的鑒別點(diǎn)。楊鈺涵等[59]通過腹腔注射對(duì)氯苯丙氨酸(P-chlorophenylalanine,PCPA)和多因素(四肢束縛、游泳、禁食、禁水、夾尾、明暗顛倒、電擊足底、鼠籠傾斜45°潮濕墊料)交互作用復(fù)制心腎不交證失眠動(dòng)物模型,通過血清代謝組學(xué)分析其代謝產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)多因素共同作用方法復(fù)制的心腎不交與磷酸戊糖代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,組氨酸代謝,?；撬岷蛠喤；撬岽x相關(guān),多因素交互作用的心腎不交模型的3-亞磺酰苯胺和組氨酸含量升高以及其他指標(biāo)升高提示該種模型更符合臨床失眠患者的特點(diǎn)。這或許提供更為可靠的心腎不交失眠證模型,為藥物研究提供模型基礎(chǔ)。見表2。

表2 針對(duì)中醫(yī)證型的失眠代謝組學(xué)研究

3.3 代謝組學(xué)在中醫(yī)藥防治失眠研究方面的應(yīng)用 代謝組學(xué)對(duì)于理解藥效學(xué)、毒理物質(zhì)基礎(chǔ)、作用機(jī)制及劑量和療程的確定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[63]。目前，對(duì)于失眠的代謝組學(xué)研究主要集中在藥物的作用機(jī)制以及藥效學(xué)研究，對(duì)于鎮(zhèn)靜催眠藥物毒理物質(zhì)基礎(chǔ)以及機(jī)制、減毒問題、療程問題未涉及。而失眠患者往往以慢性失眠居多，需要長(zhǎng)期服藥。因此需要在此方面展開研究。從表中看出，不同安神藥物的代謝通路多與氨基酸代謝通路相關(guān)，但部分藥物也有神經(jīng)遞質(zhì)、能量代謝、脂質(zhì)代謝相關(guān)，其原因可能與藥物成分、作用靶點(diǎn)等方面相關(guān)。見表3。

表3 中醫(yī)藥防治失眠的代謝組學(xué)研究

4 討論

代謝組學(xué)作為一種研究工具,為動(dòng)態(tài)觀察人體內(nèi)的生理病理過程提供了便捷的方法。然而分析前階段的樣品選擇、收集、儲(chǔ)存和制備等變量可能會(huì)影響最終結(jié)果。因此,在實(shí)驗(yàn)過程中首先要保證標(biāo)本的可靠性,以獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。此外,代謝組學(xué)需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù),尤其是在小樣本情況下[74]。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)過度擬合可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤,因此需要多組學(xué)相互驗(yàn)證以求更加準(zhǔn)確的結(jié)果[75]。

利益沖突聲明:無。