基于组学技术的心脏毒性评价新方法及在中药安全性研究中的应用

Based on genomics and metabolomics, we carry out a feasibility study on the use of the mouse embryonic stem cells (mESC) to evaluate the cardiotoxicity of Traditional Chinese Medicines. Firstly, we establish stable and controllable methods to culture mESC and mESC-CM, then using omics technology find the changes in their genes and metabolites caused by cardiotoxic agent. By using statistical tools, we integrate the omics data from mESC, mESC-CM and mouse to confirm markers for cardiac toxicity in mESC and elaborate their involvement in metabolic pathways and their biological significance. Finally, using these markers to evaluate Traditional Chinese Medicines safety, then apply pattern recognition technology to validate the accuracy of this method. The aim of this study is to provide an experimental basis for the in vitro evaluation method of drugs' cardiotoxicity based on mESC omics technology.

本项目拟以全能的小鼠胚胎干细胞（mESC）为主要研究对象，基于基因组学和代谢组学的研究策略，开展mESC组学技术的药物心脏毒性评价的可行性研究，并应用到中药毒性评价中。首先建立稳定、可控的mESC和胚胎干细胞诱导的心肌细胞（mESCs-CM）的培养方法，采用组学技术筛选具有心脏毒性药物作用于mESC、mESCs-CM和小鼠的差异基因和代谢标志物。整合mESC、mESC-CM和小鼠的组学数据，寻找其差异和相关性，明确mESC组学技术的心脏毒性标志物，阐述其所涉及的代谢途径和生物学意义。进而将mESC整合生物标志物应用到中药心脏毒性评价中，采用模式识别技术判断该方法的准确性，为建立基于mESC组学技术的药物心脏毒性体外评价方法提供实验依据。

中医药在人类健康事业中占有重要地位，但近年来关于中药引起心脏毒性的报道日益增多，严重制约中药的现代化发展。组学技术随着系统生物学的产生和发展应运而生，它把生物体作为一个完整的系统来考察由于外界环境、病理生理刺激或遗传修饰引起的内源性物质变化及规律。组学技术具有高通量、特异性、快速的特点，可以在较小毒性剂量下检测生物体内基因组和代谢物组发生的变化，可应用于药物毒性评价及其毒性机制研究。本项目基于质谱技术建立了内源性物质分离分析平台，一是针对内源性物质制备与分析过程中出现的繁琐、耗时等问题，建立了基于固相萃取与柱切换技术的小分子代谢组与脂质组的快速提取与无靶向分析方法；二是针对体内代谢物数量庞大、种类繁多等难题，建立了基于金字塔型筛选方法的复杂生物样本中内源性物质分类与鉴定的方法。随后，本项目以胚胎干细胞（mESC）、心肌细胞、动物为研究对象，基于基因组学和代谢组学技术，开展药物心脏毒性评价的可行性研究。首先利用心脏毒性药物分别作用于mESC、心肌细胞和动物，建立心脏毒性模型，然后采用组学技术筛选具有心脏毒性的药物作用于mESC、心肌细胞和动物的差异基因和代谢标志物，寻找心脏毒性相关的特异性生物标志物，最终得到10个特异性生物标志物，分别为左旋肉碱、19-羟基脱氧皮质酮、LPC（14:0）、LPC（20:2）等物质；3个特异性基因标志物，即Bsn、Dusp8和Rps6kb1，主要涉及磷脂代谢和能量代谢通路，致使心肌组织受损病变，影响正常生理功能。进而采用模式识别技术将整合生物标志物应用于中药心脏毒性评价，预测准确率达90%以上。该方法能够快速、准确、高通量的对常用中药的心脏毒性做出预测，为建立基于组学技术的药物心脏毒性评价方法提供依据。