血浆代谢组学结合超微弱发光表征早期2型糖尿病的中医证型

来源：中国工程院院刊

本文选自Engineering期刊2019年第5期

作者：何敏，孙濛濛，Slavik Koval，Roeland Van Wijk，Thomas Hankemeier，Jan Van der Greef，Eduard P.A. Van Wijk，王梅

来源：Traditional Chinese Medicine-Based Subtyping of Early-Stage Type 2 Diabetes Using Plasma Metabolomics Combined with Ultra-Weak Photon Emission[J].Engineering,2019,5(5):916–923.

一、引言

中医药基于综合性整体观概念从系统宏观层面提供了对疾病综合征和亚型的描述参考（如可用于诊断慢性疾病早期症状的描述）。中医辨证理论关于2型糖尿病前期的描述中认为“气阴两虚”（QYD）为糖尿病早期较常见的中医证型之一。气阴两虚的症状与湿邪或气滞等其他病理因素可相互作用影响，进而可导致疾病向不同的方向或状态发展。

从中医与西方代谢及病理学关联性角度来看，气阴两虚某种程度上可反映由代谢亢进引起的轻度炎症反应状态和慢性疲劳症状。湿邪和气郁气滞与现代人不健康的生活方式和不良饮食习惯密切相关：湿邪可引起糖尿病晚期相关的并发症，如代谢综合征、高血压和绞痛病等；而气郁气滞可能与情志、压力和紧张调节相关，因而气郁气滞可能导致情绪问题（如抑郁）、血液循环障碍和糖尿病性周围神经病变等，即中医概念下的“瘀”。此类中医理论对于糖尿病证型的相关描述可为实施疾病早期及个性化诊疗提供指导或参考。

为此，基于中医概念对2型糖尿病前期证型进行研究，将展示中医基础理论在协助开发个性化医疗方面的可能性及其潜在重要的巨大作用，从而在中西医之间搭建桥梁，提供在生化层面可循证的科学数据。据此，基于中医理论辨证论治，整合现代系统生物学（包括代谢组学）的研究方法，将有望成为探索基于生化反应过程的疾病亚分型的有效研究方法。

通常情况下，患者在疾病被临床正式确诊前就已存在数年的代谢紊乱状况，而近年来代谢组学技术这种基于体内代谢轮廓分析的技术正被广泛用于预测和诊断疾病相关研究。代谢组学提供了小分子代谢物在生物系统中的综合概况，可用作表示生物机体生理、病理状态的示值。

从理论上讲，这种方法具有适用于研究基于中医理论的疾病诊断研究的可能性。代谢组学通常用于研究血液、尿液和脑脊液等体液。尿液不但易获取，而且包含了与产物排泄相关的信息，并能反映代谢过程随疾病过程的变化，所以代谢组学往往采用尿液进行研究。目前已有研究通过尿液代谢组学探索了基于中医理论的疾病诊断和2型糖尿病综合征亚型。

然而，血液与尿液具有一定相似性，其同样包含了大量关于身体调节变化状态的动态信息，但二者提供的体内代谢物信息量及信息种类具有显著差异性。通过代谢组学研究不同的体液，提供整体信息间的相互验证和补充差异，可深化对2型糖尿病的系统整体性认识。

在一项探索性研究中，荷兰应用科学研究组织（TNO）设计由3名受专业中医培训的医师组成的小组对44名处于2型糖尿病前期的受试者进行了诊断。本文中，我们将通过血浆代谢组学分析来展示这些受试者从中医角度划分的疾病前期亚型的可能性。

最近，有人提出了通过一种非介入性技术的应用来研究基于中医理论的疾病诊断。这项被称为超微弱发光（UPE）的技术通常被用于测量皮肤表面自发的光子辐射。由于UPE可从系统整体水平反映身体的生理和病理变化状态，所以它被认为具有无损临床疾病诊断的应用潜能。UPE的发光过程被认为与生命体新陈代谢过程中的生化反应，尤其是与代谢过程中的氧化还原反应产生的活性氧簇相关。

尽管近年来有研究者总结了基于中医理论应用UPE进行疾病诊断的潜能，但是对UPE的分子阐释相关机制及理论基础仍需进一步了解。将基于中医理论下的疾病诊断与代谢组学技术相结合也有利于更好地理解UPE技术背后的生物学意义，并探索代谢组学及UPE技术的在诊断应用上相关的附加价值。

UPE已经被成功用于区别本研究中所用的同批次44名2型糖尿病前期的受试者的亚型，这便于我们可同时研究2型糖尿病前期的受试者UPE和血浆代谢组学之间的关联。

二、研究结果与讨论

我们在分析中首先聚焦在研究血浆代谢组学能否区分2型糖尿病前期的3种中医亚型（即气阴两虚对比气阴两虚挟痰湿，气阴两虚对比气阴两虚挟血瘀，气阴两虚挟痰湿对比气阴两虚挟血瘀）这个问题上。3D主成分分析图用于直观展示这3组亚型在3D空间中的自然分布趋势。前3项主成分因子PC1、PC2、PC3的综合计算主成分值可代表66.5%的血浆代谢组总分布信息（图1）。

图1 2型糖尿病前期亚型患者经对数变换和帕累托缩放后血液代谢组数据的3D主成分分析得分图

PC：主成分

从自然分布的主成分分析结果，我们发现3种亚型组别之间并没有产生较大的分布距离，这个结果并不令人意外，因为3种亚型在中医诊断条目中经常产生共性以及相互联系，并且这些中医亚型的疾病发展并非线性阶段性相互独立，而是相互扰动后朝不同方向动态发展变化。但我们的确观察到亚型间出现了聚集的趋势，尽管主成分分析中存在轻微样本组别重叠。

我们对处于2型糖尿病前期的受试者进行了UPE测量。实验组前期研究已经报道了关于使用16个UPE参数来划分这3种中医证型的研究成果。然而，UPE参数的分子水平阐释仍需深入研究。可行的策略之一是代谢组学与UPE相结合。

鉴于血浆代谢组学和UPE都能有效地将同批2型糖尿病前期受试人群进行证型分组，因此，血浆代谢组学数据可为UPE的生化理解提供有效信息。为了探索这两种技术之间的关系，我们使用斯皮尔曼等级相关系数建立了基于相关性的代谢物-UPE网络。这种相关性网络可能为进一步区分疾病亚型提供额外的信息，同时为UPE参数提供生化阐释。

我们在最后选定的23种对疾病分型具有重要作用的代谢标志物和16种UPE重要参数之间建立了相关性网络，以便直观展示与3种亚型分组最密切的相关性（图2）。这些网络清楚揭示了3种亚型之间UPE与代谢物的相关性的不同分布情况。

图2 2型糖尿病前期亚型的代谢变量和UPE参数之间的相关性网络

（a）气阴两虚；（b）气阴两虚挟痰湿；（c）气阴两虚挟血瘀。图中仅绘制了代谢物与UPE参数之间相对较强的相关性（|r| > 0.3）

三、结论与展望

血浆代谢组学可用于对早期2型糖尿病的3种中医亚型进行分型，并提供了比尿液代谢组学更完善的分型统计结果。具体而言，甘油三酯和胆固醇酯等血浆脂质水平的升高，可能指示着特定亚型患者罹患心血管疾病的风险增加。

此外，我们以非介入性的UPE对2型糖尿病前期进行亚分型，UPE参数与特定的血浆代谢物相关（主要是脂质代谢物），这类相关性在3种亚型之间有所区别。因此，将UPE与血浆代谢组学相结合，可从系统生物学角度加深对疾病诊断和UPE生化基础的认识。

通过参考中医理论下的疾病诊断与分型来鉴别2型糖尿病前期亚型，从而达到未来实施个性化治疗的目的，这种研究是非常必要的，因为早期诊断、分型可以大大提高患者的治疗效果。本研究为整合代谢组学与UPE来实现个性化医疗、提高对疾病的早期诊断水平提供了可能性。但当下代谢组学平台没有必要检测并完全涵盖理想目标下的所有代谢轮廓图谱，实验中往往需要根据现有代谢组学平台进行选择使用。

由于难以仅仅通过代谢组学获得反映复杂动态变化的综合信息，我们将基于中医理论指导下的疾病诊断方式与代谢组学和UPE相结合，对于促进2型糖尿病的早期诊断具有特别的贡献。为了扩展代谢物和UPE参数之间的相关性网络，还需采取进一步深入研究。此外，现有的各种对2型糖尿病亚型分类方法基于不同表型症状及诊断标准的实施，这些标准亟需依赖客观参数统一，以便进一步实施临床诊断标准化。