综述 | Nature子刊（IF=39.3）：小分子代谢物：生物标志物和治疗靶点的发现（一）（国人佳作）

综述 | Nature子刊（IF=39.3）：小分子代谢物：生物标志物和治疗靶点的发现（二）（国人佳作）

在过去的几十年里，超过一半的新药和药物先导化合物是从天然产物中开发出来的，这些天然产物具有巨大的化学结构和各种生物特性。近年来，药用植物中的天然产物，如生物碱、类黄酮、萜类、类胡萝卜素、糖苷等具有治疗作用，被用作新的治疗药物。临床上，草药产品与常规药物联合使用，以提高药理作用。来自天然产物的活性成分或药物先导化合物是一个关键来源，但由于其复杂性，其鉴定一直是一个挑战。要了解天然产物及其衍生物或合成药物的作用机制，就必须阐明其对复杂植物成分的药理反应。尽管取得了很大的进步，但研究者发现新活性成分的一个主要挑战是不清楚药理机制。草药的作用机制和潜在用途的疗效概况应该为阐明活性成分发现的潜在机制提供深入的信息。

药用植物如草药提取物、配方和不同化合物，由于多种化合物相互作用和不同的化学结构，通过调节代谢紊乱和机制途径发挥药理作用。高通量代谢组学对包括药用植物、制剂、活性化合物、水提取物和配方或成药在内的草药的综合机制功效具有整体性的观点和见解。靶向小分子代谢物筛选为从天然产物中发现功能成分提供了众多优势，是药物开发的宝库，可以深入了解可能的靶点和作用机制。LC-MS、NMR、GC-MS等先进的代谢组学技术，结合模式识别分析或多变量统计分析，可以识别大量代谢物及其对疾病诊断、生物标志物发现、表型研究、生理状态分类和治疗反应、揭示代谢靶向药物的疗效、覆盖药用植物先导化合物发现和开发的全部途径。基于疾病发病机制中涉及的多种代谢改变，探索代谢性疾病的这些机制基础、受损代谢途径和治疗靶点的中药源性生物活性成分尤为关键。此外，我们还对草药衍生的生物活性成分进行了体外和体内的筛选和验证，以研究小分子代谢物和代谢途径的潜在变化，并寻找潜在的靶点(图6)。它们可以提供化学多样性与代谢物变化之间的功能关系。

天然化合物作为潜在的治疗药物，由于其靶向代谢的能力和其多样化的结构越来越受到人们的关注。参与代谢改变的不同代谢物由于其在临床中的疗效，可以被活性成分靶向。各种草药衍生的生物活性化合物可以针对疾病的代谢调节机制，发挥治疗潜力。细胞培养和动物模型实验已经分析了其潜在疗效和代谢活性，还需要进一步的临床研究来充分阐明其治疗效果和作用机制。高分辨率预测技术或可视化方法增强了天然产物中先导化合物的筛选和验证。有研究者共鉴定出89种化合物，并验证了木通苯乙醇苷B、异毛蕊花糖苷和2'-乙酰基毛蕊花糖苷对肾纤维化的治疗作用。天然生物活性化合物调节代谢途径或整个代谢的功能机制需要阐明，以便作为治疗药物使用。生物活性化合物可以靶向特定表型的小分子代谢物相关代谢过程，并调节不同途径的代谢活性，作为高度复杂疾病的治疗制剂具有巨大潜力。

通过对小分子代谢物的相关性分析，研究者从钩藤中筛选出具有潜在血管舒张作用的化合物，如柯诺辛碱、钩藤碱、异钩藤碱。研究者利用质谱法对西洋参的体外和体内成分进行了深入研究，然后利用体内成分与标志物代谢产物之间的相关性分析，探索了与治疗效果相关的天然生物活性化合物，并揭示了人参皂苷Rd，伪人参皂苷F11可能是西洋参的潜在活性标志物。通过对黄芩抗炎活性与小分子代谢物的相关性分析，共筛选出10个具有高相关系数的潜在成分。一项体内研究表明，木蝴蝶苷A通过抑制TLR4/NF-κB信号通路发挥潜在的防腐作用。

自19世纪初以来，从鸦片植物中分离出的吗啡等天然产物已被探索用于药物开发。随着回归自然的理念，天然产物受到了人们的广泛关注，是发现先导化合物和新型有效药物的有效试剂。被称为天然产物的草本植物化学物质具有健康益处，其活性和潜在机制仍然难以捉摸，因为缺乏一种方法来表征活性成分的整体效果，以可视化的体内动态变化，这些成分具有不同的效果。揭示多组分、多靶点草本植物化学物质的药理作用，应重点解决以下问题:如何检测低含量的活性成分，阐明代谢途径，揭示整体体内代谢过程和有效机制。考虑到其复杂性，同时在体内代谢反应众多，产生的代谢物多种多样。体内代谢过程的研究对于确定药效的多组分特征，指导新药开发，或加速天然产物药物的发现具有重要意义。

从天然产物中发现药物的过程显示出活性成分的提取、纯化和分离所带来的一些障碍。通过采用基于小分子代谢物的筛选，研究者已经解决了一些障碍。通过I期和II期反应介导的生物转化或肠道微生物群对疗效的直接影响，对于确定一段时间内器官和组织中活性成分的药代动力学参数十分重要。为了揭示多种活性成分的体内过程（吸收、分布、代谢、排泄），研究者可以阐述功效的物质基础。体内代谢参数Cmax、Tmax、t1/2和AUC0-t的计算量最大。活性物质来自于进入人体循环的原型和代谢产物，这与代谢过程直接相关。内源性小分子代谢产物可以与特定的代谢表型、活性或功能联系在一起，与治疗效果密切相关，帮助研究者筛选出整个体内过程中的关键成分。

了解活性成分的代谢命运是开发新治疗药物的关键因素。然而，已确定的草药衍生的生物活性代谢物表明，通过调节疾病相关网络的多个靶点，其具有治疗潜力。现代质谱色谱联用技术具有较高的灵敏度和稳定性，在活性成分的体内代谢研究中具有举足轻重的作用。研究者利用计算机辅助、高通量虚拟筛选、基于网络和机器学习技术的化学信息学为利用天然产物发现铅化合物和活性成分开辟了一条新途径。针对给药样品中存在而空白生物样品中不存在的体内代谢物进行非靶向代谢组学筛选，可以进行剂量-效应关系的探索。选择与治疗效果相关的体内代谢产物作为反映整体疗效的药理指标具有重要意义。由于与共存成分的复杂相互作用，在体内同时测定草药成分在技术上具有挑战性。由于活性成分复杂，对疗效的贡献权重不同，有必要基于AUC加权法探索多种活性成分组合的体内代谢过程，以指导临床实际给药。

通过高效构建内源代谢物与化合物之间的关系，可以帮助研究者深入了解体内代谢的全过程。基于体内代谢网络构建关系的不同分值，研究者利用分子网络技术可以有效筛选出与小分子代谢物高度相关的代谢产物或原型等活性成分标记。研究者可以通过相关分析模型筛选出具有高相关性的化合物，筛选出揭示整体效应的潜在活性候选化合物。通过表型筛选可优化活性成分的适当组合，通过网络药理学、人工智能或计算机对接可揭示活性成分的靶点和分子机制。

越来越多的证据表明，人体的稳态平衡依赖于与肠道微生物群的相互作用。微生物失调是疾病发生和发展的一个促成因素。肠道菌群在控制体内平衡、调节免疫环境和维持系统健康方面的作用是一个新兴的研究方向。肠道菌群产生大量的小分子代谢物，调节宿主的代谢反应和代谢紊乱。到目前为止，越来越多的证据表明，大多数小分子代谢物对宿主有有益的影响。肠道菌群可以产生各种代谢物，作为宿主和微生物之间的信使。宿主与肠道菌群之间的主要交流是通过代谢产物，如乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐，以及通过菌群组成调节代谢过程进行的。肠道菌群通过其受体信号产生活性代谢物，调节宿主代谢，影响全身健康，并对宿主产生从塑造肠道结构和功能到调节宿主状态的多种作用。越来越多的证据表明，肠道环境紊乱可影响各器官，导致代谢性疾病。肠道菌群失衡与疾病机制密切相关，意味着一种新的治疗途径。

益生菌可以改善宿主的肠道微生态平衡，对增强机体免疫力、帮助营养物质吸收起到积极作用。宿主还可以产生各种重要的代谢产物，这些代谢产物也会影响微生物群的平衡。肠道微生物群通过产生各种生物活性化合物进而与药理作用息息相关，在药物吸收、代谢和疗效中发挥着重要作用。肠道微生物群作为调节药物代谢不可或缺的“器官”，影响药物的固有生物利用度，以降低毒性并提高靶向疗效。它可以激活或失活天然产物的药理作用。天然产物可以通过调节宿主代谢来改变微生物群组成或其代谢产物，这可以增强治疗效果并减轻药物开发中的不良反应。例如，一些代谢产物作为配体代谢信号可以激活细胞表面GPCR，并可能提供潜在的靶点。草药成分可以通过改变肠道微生物群来调节代谢，特别是揭示与肠道微生物群相互作用的代谢途径中失调的代谢产物。由于天然产物主要在肠道中代谢并被吸收，次级代谢产物可以调节代谢紊乱。微生物衍生产品在疾病治疗中受到了相当大的关注，因为它们通过调节代谢调节分子的表达来发挥功效。

人体代谢也受肠道菌群调节的影响，肠道菌群可调节宿主的代谢产物进入宿主循环系统，参与体内代谢调节机制。三甲胺作为一种穿过肠道-血液屏障的有毒分子，对心血管疾病的循环系统稳态起着重要作用。肠道菌群作为信号，通过体循环影响控制宿主血管和能量稳态的病理过程。由于肠道微生物生态失调，能量稳态平衡失调在疾病进展中起着关键作用。一些证据表明肠道代谢产物在调节能量代谢方面的重要作用。例如，短链脂肪酸作为激活细胞信号级联的配体在调节能量代谢方面具有多种有益影响，特别是在肥胖相关疾病中。肠道微生物的小分子代谢物，如胆汁酸(BAs)、氨基酸等可降低胰岛素敏感性，调节代谢功能障碍和免疫稳态，对血糖调节起着至关重要的作用。肠道菌群与BAs的相互作用通过调节代谢稳态对疾病进展产生深远影响(图7)。此外，许多研究表明肠道菌群与BAs之间的关系在系统稳态中起着至关重要的作用。

宿主与肠道菌群维持生物过程稳态的相互关系是动态平衡的，并受内源性代谢物或其前体生物效应的影响。肠道菌群可产生各种小分子和代谢产物，通过代谢产物作为影响疾病状态的信使，在维持肠道热稳态和内部稳定方面发挥生理作用。此外，有些代谢产物仅由肠道菌群释放，如细菌素、短链脂肪酸等。这表明，色氨酸也可以被肠道微生物群代谢，导致生物活性吲哚的合成。此外，肠道菌群代谢胆汁酸，显示出对胃肠道疾病的保护作用。肠道菌群及其代谢产物作为一个整体，被认为是维持机体稳态的多功能“器官”。由于肠道微生物代谢产物，如继发性胆汁酸和短链脂肪酸，可以通过与宿主受体相互作用改变代谢通量，从而显著影响导致疾病的代谢稳态。这些代谢物参与多种代谢过程，如细胞通讯、能量代谢和宿主免疫，可能影响人体生理，未来的研究应明确其在疾病发病机制中的功能相关性。

肠道菌群在影响代谢稳态方面起着重要作用。基于小分子代谢物的代谢组学与肠道菌群相结合，探索代谢物、肠道菌群与疾病亚型之间的系统相互作用，已受到越来越多的重视。通过组学分析，小型代谢生物标志物被用于分析肠道微生物组成与代谢之间的相互作用。最近，研究人员发现马尿酸盐是宿主-微生物的关键共同代谢产物，可以介导与高丰度微生物群相关的代谢改善。《自然》杂志最近的一项研究发现了宿主-微生物的相互作用，微生物群来源的肌醇磷酸盐代谢通过介导肠道中的HDAC3活性来促进肠道稳态。

对血清组成和微生物组数据集的分析表明，肠道微生物群可以影响代谢。研究人员通过分析类风湿关节炎患者代谢组和微生物组发现41种代谢物发生显著改变，通过功能预测模型可以观察到氨基酸生物合成通路的失调。研究者整合宏基因组和代谢组学分析揭示了早发型结直肠癌患者代谢产物与肠道微生物群的相互作用，有助于解释疾病的发病机制。微生物代谢产物如胆汁酸、色氨酸和胆碱可用于疾病的准确和快速检测。肥胖患者队列中几种氨基酸代谢产物水平的变化，如苯乙酰谷氨酰胺的减少和L -组氨酸的增加，与肠道菌群组成和功能的变化有关。 P. pentosaceus 和 L. lactis 可以通过调节肠-肝轴的色氨酸代谢来改善NAFLD的进展，并与胆汁酸和吲哚的代谢失调密切相关。一项研究分析了老年慢性心力衰竭患者血清代谢物和肠道微生物群之间的相关性，从而帮助研究者了解了代谢表型。此外，生物色素与志贺氏杆菌呈负相关，乳糖、蔗糖与嗜血杆菌呈负相关，胆红素与克雷伯氏菌呈正相关，肌苷、核黄素与克雷伯氏菌呈负相关。