基于宏基因組學研究中醫“肺與大腸相表里”的初步分析與設想

田蕾 吳昊 韋昱 鄭敏 何磊 趙燕

·理論探討·

基于宏基因組學研究中醫“肺與大腸相表里”的初步分析與設想

田蕾 吳昊 韋昱 鄭敏 何磊 趙燕

在中醫學中,“肺與大腸相表里”是重要的臟腑相關理論,自古便有效的指導著中醫關于肺腸相關疾病的治療,受到了學術界的廣泛關注。隨著現代分子生物學的發展,宏基因組學作為21世紀生命科學的產物,其是以生態環境中的所有細菌與真菌的基因組DNA作為研究對象,通過克隆與異源表達的方式篩選出有用的基因及其產物,并進一步研究這些細菌與真菌的基因組DNA之間的功能與彼此之間的相互作用與聯系。因此能夠擺脫傳統只依靠培養微生物基因的方式來進行研究的束縛,顯著擴大微生物基因的可探測范圍,近些年來廣泛應用于醫學研究領域當中。本文通過對肺與大腸相表里的機制及臨床研究的情況進行初步的歸納、分析并對宏基因組學技術及其在肺、腸疾病中的研究應用進行介紹,旨在提出借助宏基因組學的技術與方法來研究中醫“肺與大腸相表里”理論的初步設想。

肺; 大腸; 宏基因組學

“肺與大腸相表里”理論是中醫藏象學說從整體的功能狀態把握與認識人體生命活動的重要理論之一,最早記載在《黃帝內經》中,如《靈樞·本輸》[1]云“肺合大腸”以及《靈樞·九針》[1]云“手陽明太陰為表里”。

“肺與大腸相表里”是指肺與大腸之間存在著彼此互通、對立互根、交互表征的關系,這種“表里”關系,不僅體現在經絡之間的相互聯屬,生理狀態下的彼此協同,還體現在病理狀態下的相互影響。隨著現代醫學,特別是組織學、免疫學、分子生物學等學科的飛速發展,人們以現代醫學手段為支撐,不斷的深入與豐富著對于“肺與大腸相表里”的認識,本文通過分析總結近年來學者對“肺與大腸相表里”的機制研究及臨床研究,發現目前針對肺與大腸相表里的研究還存在著許多短板,關于肺的病理改變所引起腸道病變的分子生物學機理的報道較少,是一個迫切需要更多臨床與實驗證據的嶄新的領域,具有很重要的現實指導意義,基于此,開展肺與腸道微生態的研究是個十分迫切且重要的任務。而宏基因組學在分子生物學與分子遺傳學理論和技術方法的支撐下,以基因組學為基礎,可以更深入、廣泛地了解到人體腸道的微生態,為“肺與大腸相表里”理論的深入研究帶來契機。

1 “肺與大腸相表里”的機理研究

1.1 生理研究

在生理研究方面,從免疫學角度[2],呼吸道與胃腸道具有上皮與固有層等典型的黏膜結構,且作為SIgA免疫反應的主要場所,分泌了大量的SIgA并可通過“歸巢”與共同的免疫系統而相互關聯。另外有研究發現[3]肺組織與大腸組織分別在高、低氧,限食以及限水的條件刺激下全部模型組中的PGE2含量的變化均表現出一定的相關性聯系,提示肺與大腸之間存在著共同的免疫物質基礎,即肺與大腸存在著一定的免疫相關性。

在神經系統方面[4],氣道的神經調節系統除去經典的膽堿能與腎上腺能神經系統以外,還包含了非腎上腺非膽堿能的神經系統。而腸道中的一些神經肽素物質,也大量的分布在氣道與肺血管上,并具有調節呼吸道的內分泌功能的作用。

從內分泌角度來看[5],肺和腸道均屬于內分泌器官,都可以合成血管活性腸肽、P物質及表面活性物質等來調節肺與腸的功能和活動。如回腸和結腸的H細胞分泌出的血管活性腸肽可以刺激呼吸,使氣管松弛從而導致肺臟通氣過度。

組織胚胎學的研究也已經證實[6],原腸的前腸分化成了肺與氣管,原腸內胚層還分化出了呼吸道上皮與腺體。由此可見肺、氣管以及腸的結構來源是相同的,這便被認為是“肺與大腸相表里”的組織結構基礎。

1.2 病理研究

在病理研究方面,一方面,肺病及腸,支氣管哮喘發作期的患者與慢性阻塞性肺疾病的急性發作期的患者其大便異常率分別是70.3%與86.7%[7]。檢查肺臟多鱗細胞癌的患者可發現[8-10],癌細胞會轉移到小腸與十二指腸。

另一方面,腸病及肺,從腸缺血的大鼠模型中可以發現[11],由腸道分泌出來的淋巴因子會刺激肺部產生一定的炎癥介質,從而會導致肺黏膜的分子表達發生改變,最終致使肺部細胞凋亡[12]。用潰瘍性結腸炎的大鼠模型,分別在模型的不同時點對大鼠的呼吸道與腸道的部分菌群進行檢測,發現腸病的大鼠出現了呼吸道的菌群改變,在“腸病及肺”的整個病理傳變的過程中,腸病的大鼠呼吸道與腸道的部分菌群出現了同步性的改變,或是同步增多,或是同步減少[13]。

2 “肺與大腸相表里”的臨床研究

2.1 肺病治腸

李麗[14]通過觀察宣白承氣湯加味干預慢性阻塞性肺疾病的急性加重期證屬痰熱郁肺的臨床療效,發現宣白承氣湯加味聯合西藥的常規治療,可以更好地改善慢性阻塞性肺疾病急性加重期患者的臨床癥狀與體征,使白細胞總數降低、中性粒細胞的比例下降,并認為其作用機制可能是通過給邪以出路的方式,從而使腸腹氣機通暢,最終達到宣降肺氣,化痰平喘的療效。呂江夏[15]也發現宣白承氣湯口服聯合加味大承氣湯保留灌腸的方法治療慢性肺心病急性加重期證屬痰濁腑實證的患者較中西醫常規治療有顯著優勢,并初步推測其作用的機理可能在于使低氧與高碳酸血癥得以糾正,從而使血液的高凝高黏的狀態得到改善,繼而達到抑制炎癥反應,保護腸道的作用。

付鈺等[16]觀察采用針刺支氣管哮喘的患者肺與大腸的經穴,發現無論是從肺論治、從腸論治還是肺腸同治都可以達到顯著改善哮喘患者的肺系的癥狀與腸系的癥狀的作用,并且進一步發現肺與腸癥狀的改變之間存在著密切的相關性。

姫旭科[17]通過臨床觀察評價以“肺與大腸相表里”理論為指導的從腸論治肺癌患者證屬痰熱壅盛證的臨床療效,發現從腸論治總的有效率為93.33%,明顯高于從肺論治的總有效率。

2.2 腸病治肺

張亞琴等[18]觀察了在常規西醫治療的基礎上結合從肺治療慢性非特異性潰瘍性結腸炎的患者,并與單純的西醫治療進行對照觀察,發現從肺治療慢性非特異性潰瘍性結腸炎,不但可以彌補因單純西藥治療所造成的不良反應,還能夠提高患者自身的免疫力,改善患者腸道黏膜微循環,從而達到增加組織血供、修復并愈合潰瘍的效果。胡靜平[19]運用清肺愈結湯加減來治療慢性結腸炎患者,發現本方對慢性結腸炎有顯著療效。馮昭明等[20]運用調理肺臟氣機的方法來調理大腸的氣機,應用清肅肺氣湯治療18例大腸黑變病的患者,經臨床試驗研究,總有效率達88.89%,效果顯著。此外,高強等[21]觀察運用宣肺理氣活血法治療38例便秘型腸易激綜合征的患者,總有效率達97.3%。

綜上所述,從臨床干預試驗來看,肺病的患者從腸論治以及腸病的患者從肺論治均能達到顯著的治療肺病與腸病的療效,一定程度上也反證了肺與大腸之間相表里的關系。

通過整理歸納“肺與大腸相表里”的現代醫學機制及臨床研究發現,現代研究已經證實了肺與大腸之間存在著物質以及功能上的關聯性,認識到了肺與大腸之間存在共同的組織胚胎學基礎,彼此之間相互影響的免疫系統、神經系統以及內分泌系統,但其生理及病理功能的關聯性目前大多采用臨床干預實驗的研究來反證,因此目前的認識存在一定的模糊性,尤其若可以從分子生物學的角度細致深入的研究,將能更好地使“肺與大腸相表里”的理論客觀化、標準化,這對今后肺腸疾病的診斷及治療有著重要的指導意義。

3 基于宏基因組學技術研究“肺與大腸相表里”的初步思考

3.1 宏基因組學

1998年,Handelsman等[22]在進行土壤微生物的研究時,首次提出了宏基因組學的概念。宏基因組學中的“宏”字對應的英文前綴為“meta”,其源自于希臘語,含有超越(overrach)、在外(beyond)以及在上(above)等的含義,在metagenome中包含更高級和更復雜的意思。宏基因組學是以生態環境中的所有細菌與真菌的基因組DNA作為研究的對象,通過克隆與異源表達的方式篩選出有用的基因及其產物,并進一步研究這些細菌與真菌的基因組DNA之間的功能與彼此之間的相互作用與聯系。因為宏基因組學并不是采用傳統的培養微生物基因的方式來進行研究,而是采取直接提取微生物中的總DNA進行研究,因此宏基因組學技術的產生,使人們對占總體99%以上的不可培養的微生物的研究成為可能,這樣便顯著地擴大了微生物基因的可探空間。截止到目前為止,宏基因組學的研究對象已經由最早的土壤微生物發展到了水體浮游微生物,以及空氣中的懸浮物,現在也包括生物體附生的微生物等,因此在生物醫學等領域存在著廣闊的應用前景。2004年,美國的國立衛生研究院專門開設了“應用宏基因組學來研究口腔微生物”的科研項目,不僅說明國際學術界對于宏基因組學的技術方法的重視,也表明宏基因組學的技術方法運用于醫學研究領域的可行性。

微生物作為自然界中廣泛存在著的一群微小生命,與人類的生存與生活密切相關。人體自身便存在著適合微生物生長的環境,如腸道、口腔、皮膚等,因此利用宏基因組學的方法來研究這些寄居在人體肺及腸道的微生物群體,尤其是其在肺系及腸道疾病過程中的發展變化,對于人類進一步揭秘機體的肺腸疾病的內在機制可以提供更堅實且客觀的證據。

3.2 基于宏基因組學研究肺、腸疾病的研究現狀

迄今為止,宏基因組學在醫學領域中的應用,尤其是針對肺或腸道疾病的研究還處在起步的階段,如楚亞男[23]通過運用宏基因組學技術對肺炎病患者支氣管肺泡灌洗液進行檢測,取得了下呼吸道的樣本總DNA,經過生物信息學的分析,鑒定出了20種與呼吸道重癥感染密切相關的細菌物種,并鑒定到了兩種呼吸道潛在的致病菌Microbacterium laevaniformans與Borrelia garinii,并檢測出了4種耐藥基因與6種細菌侵染時所需要的毒力因子,發現患者的臨床癥狀和宏基因組學的研究結果之間是相互吻合的,這便為肺炎患者快速診斷和合理用藥提供了有力的依據。Manichanh等[24]運用了宏基因組學的技術方法研究對比了正常人與節段性回腸炎患者的腸道微生物多樣性,發現患有節段性回腸炎的患者腸道微生物的多樣性顯著降低,特別是硬壁菌門的細菌種類減少明顯。Law等[25]應用宏基因組學技術對慢性乙肝、丙肝、以及非酒精脂肪肝等患者的血漿進行研究,發現該方法不僅快速并且證據可靠,且該方法使檢測的范圍擴大到患者的尿液、膽汁以及其他體液,這樣就為臨床診治肝病提供了更多可靠證據。魏曉[26]運用宏基因組學的方法對16例乙型肝炎肝硬化的患者腸道菌群結構變化與功能代謝的變化進行了分析,發現與正常人對比,乙型肝炎肝硬化患者存在著不同程度腸道菌群失調,主要表現為腸桿菌科與韋榮氏球菌的顯著富集、擬桿菌屬缺少,并發現乙型肝炎肝硬化的患者腸道微生物的功能代謝出現異常。

3.3 基于宏基因組學研究“肺與大腸相表里”的思考

應用宏基因組學來解釋疾病的過程,與中醫的整體觀及辨證論治的思維方式是一致的,但是從目前的研究來看,宏基因組學的技術方法僅單獨涉及到肺或是腸道疾病的研究,尚未有人運用宏基因組學的方法全面系統的研究肺與大腸相表里的理論。然而,宏基因組學特點主要體現在從系統、整體的角度觀測研究對象,而非傳統的從單個微生物或化合物的變化入手,這種特點是符合中醫臟腑表里關系理論中整體性的特點,基于以上認識,筆者認為基于宏基因組學來研究闡釋“肺與大腸相表里”的理論是一種新的思路,且具備一定的可行性。

基于宏基因組學的方法,借助其系統、動態、全面分析于一體的研究特點,筆者初步設想以中醫“肺與大腸相表里”的中醫經典理論為指導,可對慢性阻塞性肺疾病穩定期患者進行橫斷面臨床信息采集,主要觀測患者的一般情況,借助肺功能儀、脈象儀、舌象儀,檢測患者的肺功能及舌脈象,同步收集患者的大便樣本,運用16SrRNA基因測序及腸道微生物全基因組測序,進行腸道微生物的定性、定量分析,基于宏基因組學提取不同常見證候與腸道微生物特征的關聯關系,并應用信息分析技術建立常見慢性阻塞性肺疾病的證候與腸道微生物特征的關聯模型,從而找到“肺與大腸相表里”的內在微觀物質基礎,為中醫“肺與大腸相表里”的科學內涵及中醫理論的客觀化、標準化提供堅實依據。

宏基因組學已經成為世界生命科學技術研究的熱點與前沿。國外運用宏基因組學在醫學方面的研究尚處在起步階段,國內相關的研究較少,特別是涉及到中醫經典理論相結合的研究更是沒有,因此迅速開展有關宏基因組學的研究,使中醫學借助現代技術得到發展,同時也促進了中國在宏基因組學研究中的創新與突破。

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Preliminary analysis and assumption of“the lung and the large intestine being interior-exteriorly related”in Chinese medicine based on metagenomic

TIAN Lei,WU Hao,WEI Yu,et al.
Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China

ZHAO Yan,E-mail：yanzh3232@126.com

“The lung and the large intestine being interior-exteriorly related” is one of the important theory of viscera correlation in TCM,the theory effective guidance of Chinese medicine in the treatment of pulmonary and intestinal diseases since ancient times,has

extensive attention from the academic circles.With the development of modern molecular biology,Metagenomics as a product of life science in 21st century,the genome of DNA of all bacteria and fungi in the ecological environment is regarded as object of study,through cloning and heterologous expression to screen out the useful genes and their products,further study the function and interaction between the genome DNA of these bacteria and fungi.Therefore,it is possible to get rid of the bondage of traditional methods that only rely on the cultivation of microbial genes,and significantly expand the detection range of microbial genes,which has been widely used in the field of medical research in recent years.This paper summarizes and analysis the mechanism and clinical research of“The lung and the large intestine being interior-exteriorly related”,and metagenomic technology and its application in lung and intestine disease are introduced,to propose a preliminary idea to study“The lung and the large intestine being interior-exteriorly related” theory with the techniques and methods of metagenomic.

Lung; Intestinum crissum; Metagenomics

R223.1

A

10.3969/j.issn.1674-1749.2017.10.008

2016-07-23)

(本文編輯：禹佳)

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2011CB505101);國家自然科學基金(81373771)

100029 北京中醫藥大學基礎醫學院[田蕾(碩士研究生)、吳昊、韋昱、鄭敏、何磊、趙燕]

田蕾(1989-),女,2014級在讀碩士研究生。研究方向：中醫證候的規范化、標準化研究。E-mail：tianlei1949@sina.com

趙燕(1977-),女,博士,副教授,碩士生導師。研究方向：中醫證候的規范化、標準化研究。E-mail：yanzh3232@126.com