基于代谢网络和砷形态分析的纳米雄黄肝毒性及作用机制研究

The introduction of nano-technology into traditional Chinese medicine (TCM) is a double-edged sword. The toxicity of nano-TCM is lack of enough attention and research. Traditional realgar (TR) is toxic and its hepatotoxicity has been confirmed by many researches. However, the hepatotoxicity and mechanism of realgar nanoparticle (NR) is still unclear. In order to solve this problem, we propose a "four in one" strategy consisted of particle size, hepatotoxicity, metabolic network and arsenic speciation. First, TR and NR exposed rat models are built, and hepatotoxicity is evaluated by biochemical analysis and histopathological examination. Then, the metabolic network in rat serum and liver are obtained by GC/MS and LC/MS based metabolomics approaches, while the arsenic speciation analysis is accomplished by HPLC-ICP-MS. Finally, the four aspects are compared between seven groups (control, low, middle and high dose of TR and NR) and five time points (0, 2, 4, 8, 12 weeks) by data mining techniques. The predictable success of this project will add value to elucidate the molecular mechanism of NR induced hepatotoxicity, provide the scientific basis for further research and development of NR, and set up an example in the field of studying the toxicity of nano-TCM.

中药纳米化是一把“双刃剑”，可能减毒增效，也可能减效增毒。传统雄黄“有毒”，“归肝、大肠经”，其肝毒性已被现代药理研究证实；但纳米雄黄的肝毒性及作用机制尚不明确。在前期研究发现的基础上，本项目创新性地从“粒径、肝毒性、代谢网络、砷形态”四位一体的视角出发，以不同剂量纳米雄黄和传统雄黄染毒大鼠模型为研究载体，依托现代色谱-质谱联用技术（GC/MS和LC/MS），同步分析各组大鼠血清、肝脏的小分子代谢网络，并测定各种形态砷化物的含量，利用统计分析、机器学习等数据挖掘技术，通过横向（不同分组大鼠）和纵向（不同采样时间点）比较，筛选可指示纳米雄黄肝毒性的标志物，并探索从代谢调控（小分子代谢物网络）、物质基础（砷形态）两方面共同阐释纳米雄黄肝毒性作用的分子机制和化学内涵。本项目的开展将为纳米雄黄临床合理应用以及进一步研究开发提供科学依据，同时也为纳米中药毒性及作用机制研究提供新的思路和借鉴。

中药纳米化是一把“双刃剑”，可能减毒增效，也可能减效增毒。传统雄黄“有毒”，“归肝、大肠经”，其肝毒性已被现代药理研究证实；但纳米雄黄的肝毒性及作用机制尚不明确。针对此，本项目提出从“粒径、肝毒性、代谢网络、砷形态”四位一体的视角出发，引入代谢组学技术和砷形态分析技术，从代谢调控、物质基础两方面共同阐释纳米雄黄肝毒性作用的分子机制和化学内涵。围绕上述实验设想，课题建立了纳米雄黄和传统雄黄经口染毒大鼠模型，利用血清生化指标和组织病理学检查，发现长期给予纳米雄黄会导致大鼠肝脏损伤，且同剂量下造成的损伤程度比传统雄黄更严重；依托色谱-质谱联用（LC-MS和GC-MS）技术，测定不同时间点、各组大鼠血清和肝脏的代谢物谱，利用自主编写的Mathematica软件包对谱图数据进行预处理和统计分析，筛选和鉴定出差异代谢物40个；采用HPLC-ICP-MS技术建立了四种不同砷形态（三价砷、五价砷、一甲基砷和二甲基砷）的定量测定方法，首次发现雄黄纳米化后会导致大鼠血清和肝脏中毒性砷化物浓度水平显著升高。在此基础上，对“肝毒性指标-差异代谢物-砷形态”进行关联分析，结果显示，琥珀酸、柠檬酸、油酸和胆固醇等物质与纳米雄黄所致肝脏损伤以及体内砷暴露量紧密相关；整合其所属代谢通路，发现纳米雄黄可能通过调节肝脏脂肪合成、脂肪酸β氧化、三羧酸循环、丙氨酸-葡萄糖循环等通路，产生肝脏毒性。本项目研究结果为纳米雄黄毒性作用机理的深入阐释、指导临床合理用药以及进一步研究开发提供了实验数据支撑，同时也为纳米中药毒性及作用机制研究提供借鉴。相关研究已发表论文4篇，其中SCI论文2篇；编写程序包2个；培养研究生3名。