1. 研究目的与意义
一、研究内容
基于ICP-AES、ICP-MS等仪器分析技术，分析禹余粮给药后腹泻大鼠体内（血清、不同肠段、粪便）金属元素的变化，从金属元素角度探讨禹余粮止泻的作用机制。
二、研究意义
2. 文献综述
金属元素在治疗疾病中的应用及对矿物药的研究意义
15药物制剂 048015120 吴晨曦
摘要：机体中含有多种必需金属元素，除了一些常见的钾、钠、钙、镁、铁、锌外，一些微量甚至痕量的金属元素如锰、硒、镍、钴等在生物机体内也起到很重要的作用。金属元素不仅直接对机体有作用，而且金属和各种蛋白质结合后也可发生相应的生物效应。对于细胞或者组织中所有的金属离子组分的研究称为金属组，对于金属组的研究以及金属组与基因组、转录组、蛋白组和代谢组的关系被称为金属组学，金属蛋白质组学也是其中一个重要的领域。矿物药主含金属元素。本文总结了近年来生物样品中的金属元素研究，从金属元素以及金属组学的角度出发介绍近年来金属元素在治疗疾病中的应用情况，及其对于矿物药的研究意义。
关键词：金属元素；矿物药；金属组学；疾病
The application of metallic elements in the treatment of diseases and the research significance of mineral drugs
Abstract: the body contains a variety of essential metal elements, in addition to some common potassium, sodium, calcium, magnesium, iron, zinc, some trace or even trace metal elements such as manganese, selenium, nickel, cobalt in the biological body also plays a very important role. Metal elements not only have direct effects on the body, but also have corresponding biological effects after the combination of metal and various proteins. The study of all the metal ion components in cells or tissues is called metalloomics, and the study of the metallogroup and its relationship with genome, transcriptome, proteome and metabolome is called metalloomics, and metalloproteomics is also an important field. Mineral drugs contain mainly metallic elements. This paper summarizes the research on metallic elements in biological samples in recent years, and introduces the application of metallic elements in the treatment of diseases in recent years from the perspective of metallic elements and metalloomics, and its significance in the research on mineral drugs.
Key words: Metallic elements; Mineral medicine; Metallography; disease
1 金属元素、金属组以及金属组学
金属元素是生命存在的重要物质基础之一。金属生物分子如金属蛋白、金属酶以及其他含有金属的生物分子以及各种游离的金属离子如K 、Na 、Ca2 、Mg2 等在人类生命活动中具有重要作用[1]。金属的生物功能和毒性效应不仅与其含量有关，更与其存在的化学形态如氧化态、配体性质及分子结构等密切相关。
在生物体中只有少数金属如Na 和K 以自由离子形态参与生命活动，大多数金属和类金属只有和各自的配体结合后才表现出生物活性，若以自由离子存在则表现出或多或少的毒性。金属配体有分为小分子配体如氨基酸、核苷酸、HCO3-、HPO42-和大分子配体如蛋白质、核酸等两类。非必需元素与生物配体的结合是生物体中毒或解毒的机理[1]。
根据金属和类金属的在生物体内存在的化学价态、形态、分子大小、可分为：自由离子、小分子金属化合物、金属与生物合成的大环螯合剂形成的低分子量配合物、生物大分子金属化合物以及生物大分子配合物。
细胞、器官或生物组织中含有的金属蛋白、金属酶和其他含有金属的生物分子以及游离金属离子的集合被定义为金属组[2]。金属组学的研究范围是金属组的价态、形态、浓度、时空分布、生物功能以及与基因组、蛋白质组和代谢组之间的联系。其主要研究目标是确定金属组并阐明它们在生物体系中的生物或生理的功能[3]。目前，人们对通路中各金属酶的结构、功能和机理已有较系统的研究[4]。
金属组学研究目前正处于蓬勃发展的阶段，国内外关于金属组学研究的进展十分迅速。金属组学研究技术的不断发展，正将该领域相关研究推向一个新的高度[5-6]。
金属组学中的一个重要分支为金属蛋白质组学。金属蛋白质组学旨在研究生物体系内金属蛋白质的分布、组成、结构、特征、功能、金属结合环境及其在疾病诊断和药物开发中的应用[7]。因为生物体系中微量元素主要与蛋白质结合形成金属蛋白或金属酶，所以对其进行形态分析的主要内容就是研究金属蛋白种态及其含量，这也是金属蛋白质组学研究的首要内容[1]。
2 金属元素的分离分析方法
2.1 生物样品中的金属元素的前处理[8]
金属元素成分总量分析注重试样的完全分解，是全部分析试样转为液相，而金属元素的形态分析则要求更高，要求分析的全部形态从原试样中定量地提取出来，且完整无损地保留待测元素在原试样中存在的全部状态及其分布。形态分析往往选定某单一元素作为研究的目标物，形态分析特别强调待测形态物的提取，并使之与其他无关的共存物分离，要求采用温和的试剂和操作条件，应尽量避免使用强腐蚀性的无机酸或强氧化剂，以下重点介绍金属元素形态分析的前处理。
生物样品形态分析时常用的样品处理方法有直接稀释和微波消解[9]。湿法消化如酸、碱提取及酶解是最常见的方法。本步骤中的关键是要求保证样品中金属组的形态不能在酸、碱或酶的作用下发生变化。通过超声波或微波辅助技术，可以实现样品的批处理[10]。
2.1.1微波辅助技术
微波场照射提供了一种使试样内部受热的加热方式，通过加入的介质对微波能的吸收，极大地加速了待测物分子与介质分子之间的相互作用，使提取效率显著提高。通过对微波加热参数的调节和控制，可以使待测形态从固体试样中释放出来，从而避免了能量过高引起试样中化学形态的改变，即可保持待测物在提取液中与在原试样中的存在形态的一致性。微波技术可以克服常规分解技术存在的一些缺点（诸如耗时、低效、试剂消耗量大及易引入污染等）。通过低功率聚焦微波溶出技术可以有效地从固体试样中提取待测物，而不致破坏待测物在原试样中的形态及分布。可见，低功率聚焦微波提取技术是一种相对温和、高效、省时、节约试样/试剂、受控和污染小的试样处理方法，已成为一种简便、快捷、安全和高效的试样预处理技术。
2.1.2超声辅助技术
形态分析中的超声辅助提取技术利用一强而高频率的超声波作用于含有固体试样的溶液，使两者充分混合，并发生物理或化学反应。这一过程称为空化作用，形成所谓冷煮沸效应，使得在液体中产生无数个微小气泡，形成冲击波。空化作用的结果是大大加速了固体试样的预处理过程，显著地提高了提取效率。因此，与常规的提取技术相比，超声技术是一个被考虑为优先选择的提取技术。
典型的超声辅助提取步骤为称取一定量的生物试样，置于带盖离心管中，然后加入相应量的萃取剂，并选择一定的频率进行超声震荡；完毕后，将该溶液进行离心移取上层清液，供分离分析使用。
2.1.3酶分析技术
生物试样的酶分析技术是一种用于分析化学的生物技术，其原理是利用某一种转移的生物酶（如朊酶）将蛋白质断裂为氨基酸的生化作用。酶分解是一种温和的试样前处理技术，不会造成对分析试样的破坏。该技术提取率较高，在中药的提取和分离中有着重要的应用前景。酶分解技术的局限性在于：一种酶不能断裂生物试样中的全部蛋白质，且分解过程慢且分解不完全。
2.1.4衍生化技术
由于在自然环境中存在的有机金属化合物大多以极性或离子化的形式存在，因而，GC分离之前的一个必要的步骤就是衍生化。衍生化的目的，一方面，通过衍生化使待测物转化为性的、易挥发的和热稳定性的有机化合物，这些衍生化合物更适合用GC分离，另一方面，通过衍生化步骤可以分离试样中的干扰基体，使供GC分离的试样得到洁净和浓缩。其中包含乙基化反应和氢化物反应，乙基化反应一般用于GC分离/检测，且发生在分离之前，氢化物反应一班用于HPLC分离/检测，但用于HPLC分离之后。前一反应的时间较长，后者成本低，且分析结果的准确度也以后者为优。
2.2生物样品中的金属元素的分析检测方法
金属组学的研究不仅需要从元素的总量来说明，还要从生物体中元素化学形态、分布以及结构方面去研究。组学研究方法的最大特点是高通量（high-throughput），金属组学的研究方法必须能够同时检测多种金属组（含量、分布、化学种态及其相互作用等）或一种金属的多种形态。表1是高通量金属组含量、分布、形态、结构分析的常用研究技术。金属组形态及结构分析通常涉及到样品金属组提取（酸、碱提取，酶解）、分离（GC、LC、EC及GE等）、检测（ICP-MS及NAA等）、鉴定（MALDI-TOF-MS及ESI-MS等）及结构分析（PX、XAS、NS等）。上述各步骤需要高通量分析手段才能满足金属组学研究的高通量分析要求[11]。
表1 金属组学的常见分析研究方法
研究方向 | 研究技术 |
高通量金属组含量分析 | 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和中子活化技术（NAA）等 |
高通量金属组分布分析 | 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）和同步辐射X射线荧光成像（SR-XRF）技术等 |
高通量金属组形态分析 | 分子活化分析技术（MAA）和同步辐射 X-射线吸收光谱（SR-XAS）技术等 |
高通量金属组结构分析 | 分子质谱学技术（MALDITOF-MS或ESI-MS等）和穆斯堡尔谱等 |
2.2.1 高通量金属组含量分析研究技术
（1）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）
基于等离子体技术的仪器电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）是高效、高灵敏度的多元素定量分析技术，因而非常适合金属组的研究。而ICP-MS的检测限可达 pg/g 级，比 ICP-AES高 2~3 个数量级。对ICP-MS而言，液体和气体样品可以直接进样，对固体样品也可通过激光烧蚀（Laser Ablation， LA）技术进行直接测试，所以ICP-MS的测试范围很广[7]。由于LA-ICP-MS具有数据采集快、样品前处理少及灵敏度高等优点，目前已广泛应用于复杂的生物样品、环境样品及地质样品中的元素测定[10]。
此外，ICP-MS与色谱/电泳等分离工具在线联用是元素形态分析和金属组学研究的又一途径。可以利用ICP-MS对蛋白质分子中原有的和人工标记的元素进行非形态特异同位素稀释（species-unspecific isotope dilution）定量，最终实现目标蛋白质的绝对定量分析。值得一提的是，我国科学家在利用基于免疫特异性相互作用的ICP-MS进行生物分子（抗原）分析领域做出了开拓性的研究工作；针对蛋白质中内源S和Se进行同位素稀释ICP-MS实现蛋白质定量分析；基于化学选择性和生物专一性的元素标记策略研究相继展开，极大地展示了ICP-MS在目标蛋白质绝对定量分析中的优势；纳米粒子也被应用于蛋白质分子的标记，放大ICP-MS的检测信号，进一步提高了蛋白质分析的灵敏度。针对肿瘤细胞表面过表达的整联蛋白进行生物选择性稀土元素标记，可以实现肿瘤细胞的绝对计数。利用DNA分子间的碱基互配原理设计元素标记的报告DNA并结合滚环放大（rolling circle amplification）信号放大技术， ICP-MS又可实现目标DNA和病毒的超高灵敏定量分析[12]。
（2）中子活化技术（NAA）
中子活化分析（NAA）是种重要的多元素定量分析技术，它可以同时测定样品中多达30种元素的含量。它的检测限可低至10-6~10-13g/g。样品中的稳定核素（AZ）在入射中子流的作用下发生中子捕获反应，生成放射性核素（A 1Z），核素发生衰变时会发射β粒子和γ射线。利用高分辨的γ射线谱仪检测样品受中子照射后产生的γ射线的强度即可实现对样品中元素进行定性或定量分析。中子活化分析技术的一个最大优点是基质干扰非常少，这是因为无论是探针（中子流）还是分析信号（γ射线）都与样品中的其他元素不发生作用。另外，由于不涉及样品消化或溶解，可最大程度地避免试剂或实验室的污染。
因此， ICP-MS， NAA均为优异的多元素分析技术， NAA更可实现固体样品的非破坏性分析，而配备了激光烧蚀系统的ICP-MS同样也可实现该目标。在获得样品中不同元素的含量后，可以对其进行相关性分析，从而可以发现不同元素间的相互关系。而这种相关性的发现有助于人们进一步研究元素之间协同或拮抗作用研究[10]。
（3）激光诱导击穿光谱LIBS
激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS） 技术是近年来发展起来的对材料所含元素进行定性和定量分析的检测技术，利用激光脉冲光束聚焦在材料表面，实现对待测材料的烧蚀、激发后产生瞬态等离子体，通过收集发光等离子体，进而分析原子或离子的光谱性质。LIBS以其无需样品预处理、快速高效定性或定量分析的优点被广泛关注，被视为一种极具应用潜力的光谱分析检测技术[13]。
激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于原子激励、发射光谱的物质组分分析技术，具有快速、多元素同时探测且无需样品预处理等优点。LIBS可以对生物组织结构中的金属元素进行探测。
LIBS凭借快捷、灵敏、多元素同时探测的优势，检测样品不受样品形态的限制，成功地在环境监测、工业生产、食品安全、空间探测等多个领域得到应用。由于技术的限制等原因，现阶段LIBS仍存在着许多不足。此法存在重复性、探测精度低等问题，同时激光脉冲能量及分布的波动，以及待测样品的不同，易导致探测信号强弱不同且极不稳定。
2.2.2 高通量金属组分布分析
（1）激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）
ICP-MS因其具有灵敏度高、测量线性范围宽（数量级为 10-12~10-6）、可进行多元素同时分析、样品需用量少等特点，适用于大批量样品的测定，成为目前元素分析中首选的分析技术。该方法具有无需消解样品、灵敏度更高、样品用量少，更适合微量元素的检测的优点。
LA-ICP-MS是一种新型的检测手段，只需要极其微量的样品含量选用合适的 LA-ICP-MS条件即可进行样品的烧蚀及分析，准确度可达70%以上。相对于溶液进样方法不需要进行样品消解，需要的样品量很少，可减少前处理过程中元素的损失及污染[9]。
（2）同步辐射X射线荧光成像（SR-XRF）技术
X 射线荧光分析通过检测元素受入射 X 射线激发后发生的特征荧光进行分析XRF分析是一种多元素分析方法，XRF 主要为元素定性技术。当高能X射线与原子发生碰撞时，逐出一个内层电子使整个原子体系处于激发态，如果较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量以辐射形式放出，便产生特征X射线荧光，可利用X射线荧光的能量（波长）进行元素定性分析。SR-XRF可以用于研究生物样品如组织中微量元素的微区分布，也可以用来直接测定生物样品经电泳分离后蛋白条带中的微量元素。
电泳是目前分辨率最高的蛋白质分离技术，应用SRXRF的元素选择性分析模式对电泳分离后蛋白条带进行扫描测定，可以在15 s内得到一个测定点上多种元素的含量，二者结合可以满足高通量金属蛋白质组学研究的要求。用电泳技术结合SRXRF构成了一种准在线联用技术，可以研究生物样品中金属蛋白的物种分布。方法的优势在于电泳分离的分辨率较高同时电泳-SRXRF联用技术还避免了流动相组成对分析结果的影响;在提供微量元素组成信息的同时，还可提供蛋白质含量、特性等电泳数据;分析过程不破坏样品，有利于对感兴趣的金属蛋白质进行进一步的研究[11]。
2.2.3 高通量金属组形态分析
（1）分子活化分析技术（MAA）
分子活化分析是基于传统的中子活化分析与生物环境样品中特定元素化学种态分离技术的结合。相对于其它分析方法，MAA具有灵敏度高、准确度好、在分析过程中可保持元素的化学种态不变、可同时提供多种元素的化学种态信息、无基体效应等优点。然而该方法在线和实时分析尚有困难[11]。
（2）同步辐射 X-射线吸收光谱（SR-XAS）技术
XAS是一个研究金属蛋白质中金属结合位点局域结构的成熟技术。所测得的金属中心结构的精确度和准确度可以和小分子晶体结构数据相比，优于大多数用X射线衍射得到的蛋白质晶体结构数据。XAS可以提供每个选定原子的电子结构信息，应用XAS可以对生物样品中的金属元素进行原位形态分析，这样可以避免样品处理过程对种态分布的影响。
①在基因数据库中识别、选择编码金属蛋白质的基因;②表达单一的金属蛋白;③纯化金属蛋白;④表征金属蛋白的结构，特别是金属结合位点的局域结构[11]。
2.2.4 高通量金属组结构分析
（1）分子质谱学技术（MALDITOF-MS 或 ESI-MS 等）
需要应用分子质谱学技术，如MALDI-TOF-MS或ESI-MS来确认或确定其分子信息。 MALDI-TOF-MS 通常难以与上述的分离技术在线联用，而ESI-MS却可以与HPLC等分离技术在线连接。
应该注意的是，虽然MALDI-TOF-MS及ESI-MS可用于样品形态的鉴定，但由于它们的检测限比较差，故其在金属组学中的应用也受到了一定的限制[10]。
（2）穆斯堡尔谱
晶格束缚中的原子核发射和吸收γ光子时，原子核本身不受反冲的影响，这种原子核无反冲发射和共振吸收γ射线的现象称为穆斯堡尔效应。经吸收后所测得的γ光子数随入射γ光子能量的变化关系图就称为穆斯堡尔谱。因而穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨率，可十分有效地鉴别各种物质内不同的超精细相互作用，灵敏地反映出原子核的周围环境，用于金属蛋白结构研究时可以提供金属结合位点的局域结构信息[11]。
Fe穆斯堡尔谱在生物化学领域中的应用也有新的发展[14]，其一是与快速冷冻淬灭法联合使用，研究生物化学反应过程中铁局域结构的变化。该技术可以捕捉反应的活性中间体，并对其中铁的局域结构细节进行穆斯堡尔谱学表征，以了解含铁酶的反应机理。
穆斯堡尔谱方法的优点在于分辨率高，灵敏度高，抗干扰能力强，对试样无破坏，设备和测量简单，可同时提供金属活性位点的多种物理和化学信息，试样可以是晶态，也可以是粉末、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液。不要求对蛋白质样品进行特别的纯化和结晶处理。其局限性首先表现在只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温以及外加磁场下进行，这使它在应用上受到限制。
穆斯堡尔谱（Mssbauer spectroscopy）同样是一种研究局域结构的方法，它是基于 γ 射线吸收或发射的方法。穆斯堡尔谱在生物样品中应用的最大局限在于可供检测的同位素较少。生物体系中，穆斯堡尔谱研究最常见的同位素是57Fe，利用穆斯堡尔谱可以研究生物样品的铁蛋白。
对上面的金属元素的前处理、分析检测方法进行总结，详情见表2。
表2生物样品中的金属元素分析检测方法
生物样品 | 前处理 | 检测方法 | 分析结果 |
人脑细胞胞质溶胶[10] | 同位素稀释法 | CE-ICP-SFMS | 定量分析S，Cu，Zn，Cd |
兔肝[10] | 同位素稀释法 | CE-ICP-SFMS | 定量分析S，Cu，Zn，Cd |
鼠肝[10] | 同位素稀释法 | CE-ICP-SFMS | 定量分析S，Cu，Zn，Cd |
兔肝[10] | 同位素稀释法 | RP-HPLC-ICP-MS | 定量分析Cd |
鲤鱼肾、肝胞质溶胶[10] | 同位素稀释法 | SE-HPLC-ICP-TOFMS | 定量分析Cu，Zn，Cd |
鳗鱼肝胞质溶胶[10] | 同位素稀释法 | AE-FPLC-ICP-MS | 定量分析Cu，Zn，Cd |
人血清[10] | 同位素稀释法 | AE-ICP-MS | 定量分析Fe，Cu，Zn |
人血清[10] | 同位素稀释法 | AC-ICP-IDMS | 定量分析Se |
人肝[9] | MAA | 探讨I的分布 肝细胞中细胞核中碘含量最高，胞液、线粒体、溶酶体及微粒体中碘含量则依次降低 | |
大鼠[9] | MAA | 在患糖尿病大鼠体内，铬参与糖及脂类代谢 | |
人发[9] | MAA | 甲基汞很容易从母体转移到胎儿 | |
人肝[9] | MAA | 研究硒在人肝细胞的亚细胞组分中分布:几乎一半的硒存在于细胞核中，鉴定了8中含硒蛋白 | |
人发[13] | LIBS | 分析头发组织中有毒金属元素的含量 | |
人牙[13] | LIBS | 分析牙釉质和龋齿的元素的组成 | |
人血[8] | 微波消解/不消解 | LA-ICP-MS | 测定血液中的 Y、Cs、Nd、Gd、Ho、Yb、Lu、Tl 等 8 种微量元素 |
人血[8] | LA-ICP-MS | 检测手段测定了全血中的 Be、Mn、Co、Ni、Tl、Bi、Sb、Cu、Zn、Ba、Mg、Cd 和 Pb 等 13 个微量元素 | |
家蚕血液[15] | 微波消解 | ICP-MS | 测定了家蚕血液中 9 种金属元素含量: Mg、K、Ca 含量丰富，达到μg/mL 级别，其余元素 Mn、Ni 、Cu 、Fe、Zn 和 Rb 含量较低，在μg/L 级别。 |
人血[16] | 石墨消解 | ICP-MS | 分析健康人群血液中34种金属元素含量 |
人血[17] | ICP-MS | 定量分析人血液中14中元素 | |
人血[18] | 湿法消解/直接稀释 | ICP-MS | 定量分析血浆中15中微量元素 |
人血清[8] | 直接稀释 | ICP-MS | 测定血清中37中金属元素 |
人血[19] | 离心、加酸消解 | HPLC-ICP-MS | 定量分析人血中的铅含量 |
大鼠血、毛发及组织脏器[20] | 消化 | ICP-MS | 定量分析生物组织中的铅含量 |
Chang肝细胞[21] | 过滤 | HPLC-ICP-MS | 分析砷代谢产物种类和含量 |
3 金属元素的生物学功能及对疾病治疗的作用
3.1 金属蛋白质及金属酶
金属与蛋白质之间的相互作用在很大程度上决定了许多蛋白质的功能以及金属药物的药效。在生物体液和器官中大多数痕量金属都是与各种蛋白质相结合，称为金属蛋白质。当金属蛋白质在生物细胞和器官中起调节生物反应和生理学功能的生物催化剂作用时，它们就被称为金属酶。金属离子结合到蛋白质分子的正确位置上依赖于一系列的调控过程，包括金属伴侣蛋白质的运输和协助。金属组学的一个重要目的是识别金属蛋白质（金属酶、金属输运蛋白质和金属应激蛋白质），特别是蛋白质的金属结合位点，证实生物体系中存在金属蛋白质[3]。
表2所示为一些典型的金属酶和金属蛋白质。可以看出，金属蛋白质都在特定蛋白质的活性位点上含有特定数目的金属离子，而且都对特定的酶催化反应，如基因合成，新陈代谢和抗氧化作用等起生物催化剂的作用。另外，元素的生物利用度和毒性也都与它们的化学形态有关。因此，近年来化学形态分析或者元素形态分析已被广泛用于在分子基础上阐明元素的生物重要性和毒性。
表3 典型的含金属的酶（和含金属的蛋白质）及其生物学功能[22]。
含金属的酶 | 金属原子数 | 生物学功能 |
铁传递蛋白 | 2Fe | 传递铁 |
铁朊 | 1Fe | 贮存铁 |
过氧化氢酶 | 4Fe | 分解过氧化氢 |
固氮酶 | 24Fe，2Mo | 固氮 |
细胞色素 | 1Fe | 甾类和药物的代谢 |
碳酸酐酶 | 1Zn | H2CO3平衡的催化剂 |
羧基肽酶 | 1Zn | 在羧基端的肽键水解 |
醇脱氢酶 | 4Zn | 醇脱氢 |
碱性膦酸酯酶 | 3.5Zn | 磷酸酯水解 |
DNA聚合酶 | 2Zn | DNA合成 |
RNA聚合酶 | 2Zn | RNA合成 |
蓝色素形成酶 | 1Cu | 电子转移 |
谷胱甘肽过氧化氢酶 | 1Se | 过氧化氢和有机超氧化物分解 |
尿素酶 | 10Ni | 将尿转化为氨 |
大约有40%左右的蛋白和酶的结构中含有金属离子[23]。金属离子通常在蛋白的活性或结构中心发挥作用，控制催化作用、底物的结合、活化转运和储存等功能[24][25]，例如同样是铁，在转铁蛋白中它可起到转运作用，在铁蛋白中起到储存作用，而在糜蛋白酶中则起结合底物的作用。
3.2 金属内稳态
金属元素通过体内平衡机制的调节和控制，使其保持正常水平和金属内稳态（metal homeostasis，MH）。当MH被破坏时，就会对机体造成各种病理性损伤。各种金属元素在机体内的分布、含量和作用必须保持相对稳定，不同的金属元素之间存在着相互作用[26]。
近年来研究最多的是关于铁的内稳态及其相关疾病。其中发现Fe过量可能诱发一些列神经退行性疾病，比如PD、AD、WD以及肌萎缩性侧索硬化等疾病都与大脑中铁离子的过渡沉积导致神经元坏死有关。Fe过量还与肝脏疾病、癌症疾病、心脑血管等疾病有关，还会影响机体对其他金属元素的吸收。这些证据都提示这些疾病的发生都与MH的破坏有关，所以通过对生物机体内金属元素的含量、分布、化学形态及其功能分析是寻求维持机体MH的关键所在，也是目前生命科学研究领域的热点课题之一。
3.3 金属元素及金属组与疾病
机体每一种金属元素都具有独特的生理特征，金属元素通过参与机体的抗氧化机制，维持体内各种酶系的组成和激活。金属元素通过体内平衡机制的调节和控制，使机体保持正常水平和金属稳态。若机体发生异常状态，金属稳态被破坏，金属元素在体内的吸收、分布、排泄发生异常，就会对机体造成各种病理性损害。这或许是症候发生发展的诱因，对疾病的预防、治疗、预后也具有不可忽视的作用。目前已经发现最少258个病种都与某些金属元素含量密切相关，而且存在一种疾病的发生与多种金属元素异常相关，或者一种金属元素异常又可与多种疾病发生相关的现象[27]。
目前，金属组学以其广泛的样本来源已运用到疾病发病机理、诊断、治疗研究以及药物研究中。例如YasudaH等[28]运用金属组学通过检测自闭症儿童头发中金属元素，发现了自闭症儿童患者Zn、Mg等金属元素缺乏，而有毒金属超标，为自闭症疾病的研究提供了一定的线索；李昕[29]建立了给予电感耦合等离子质谱技术与出生缺陷相关疾病的尿液、血清及羊水的金属组学研究方法，考察了妊娠时营养不良的孕鼠和正常孕鼠羊水中金属元素谱的差异，分析了临床诊断孕育神经管缺陷和胚胎停育胎儿孕妇以及正常孕妇尿液和血清金属元素的差异；SussuliniA等[30]运用金属组学的方法研究Li之际对于抑郁症的治疗效果。
3.3.1 解毒作用/金属暴露人群
有些研究测定了长期汞暴露人群补硒前后血清中汞的含量和形态，发现补硒后，汞暴露人群血清中无机汞和甲基汞的含量都显著降低。这些结果表明，补硒可以促进汞暴露人群体内汞的排出，减轻汞暴露所致的脂质损伤及DNA损伤，从而提高汞暴露人群的健康水平[31]。
某些金属蛋白质，比如金属硫蛋白，Hpn（一种幽门螺杆菌中的镍结合蛋白）和铁蛋白对于细胞内的金属动态平衡和解毒过程起到决定性作用。这些组织是通过螯合过剩的金属离子以保护其自身免受重金属离子的毒害。如富含半胱氨酸的一个小蛋白（约6~7kDa）金属硫蛋白[32-33]。
3.3.2 抗肿瘤
不同金属离子的分配可能会影响肝组织中肿瘤的影响。有些研究中磷酸化蛋白揭示潜在的药物靶点。顺铂与卡铂作为抗肿瘤药物已被世界范围内用于治疗多种恶性肿瘤，尤其是睾丸癌和卵巢癌[34-36]。它们被认为有类似的抗肿瘤机制，也就是通过铂结合核DNA上的鸟嘌呤位点从而产生DNA内链交联以及DNA弯曲，导致细胞的程序性死亡[37]。但是顺铂的毒性较大，目前研究表明铜配合物具有高效低度性，被认为最有前途替代称为抗肿瘤药物的金属配合物之一[38]。
3.3.3 抗AD
阿尔茨海默氏病（AD）是一种神经逐步退行性疾病，主要发病机制是β淀粉样蛋白（Aβ，含有42个氨基酸）的异常堆积，Tau蛋白的异常磷酸化造成神经元纤维缠结等。Aβ通常是以可溶的形式出现在生物液体中，它的结构从自然状态过渡到β片层聚集形态，并伴随并行增加神经毒素的功能。越来越多的证据表明在AD影响的大脑中，过渡金属如铜、铁参与了淀粉样蛋白沉淀升高的反应，铜在Aβ中准确的结合位点可能是AD病因的关键[39-40]。
3.3.4 心脑血管疾病
近年来临床及流行病学研究证明，微量元素与脑血管疾病的发生、发展及治疗有很大的关系。脑血管病发病后，人体内微量元素的含量发生改变，Cr、Mn、Mg等元素含量降低[41]。
其中Mn是对心、脑血管有益的微量元素，具有祛脂作用，能加速细胞内脂肪的氧化，改善动脉粥样硬化病人的脂质代谢，并可减少肝脏内脂肪的堆积，有利于保护心、脑血管。Mg是人体内能量代谢和许多酶促反应的激活剂。低Mg可导致心脑功能紊乱和血清高凝状态，促进动脉粥样硬化的形成，引起脂质代谢紊乱，导致急性脑出血的发生。Cr参与脑血管疾病急性损伤期的活动，机体缺Cr导致导致血糖、血脂代谢紊乱，促使动脉粥样硬化和脑血管疾病的发生，因此补Cr可治疗和预防脑血管疾病。目前认为动脉初期损伤血管内皮屏障，结果导致血管平滑肌细胞增生及结缔组织成分和脂肪沉积形成动脉粥样硬化。Cu是赖氨酸氧化酶的组成部分，有维持血管壁完整性作用的赖氨酸氧化酶对动脉粥样硬化的初期形成中可能具有重要作用。Cu又是超氧化物歧化酶、过氧化物酶等多种酶的重要组成成分，Cu缺乏可导致上述两种酶的活性下降，故缺Cu可引起超氧阴离子和过氧化物在体内堆积，造成细胞的结构和功能的损害，导致脑动脉硬化。此外，缺Cu时赖氨酸氧化酶活性降低，弹性蛋白及胶原纤维中共价交联形成障碍，胶原及弹性蛋白成熟迟缓，组织中弹性蛋白合成减少，从而增加血管及组织的脆性，易于造成脑血管破裂出血。Ca在体内有降压和减少中风的发病率的作用。Ca、Mg、Mn、Cu和Cr这些元素在药物的治疗过程中起着不可缺少的作用，对脑血管病的防治起积极的作用。对脑血管病患者进行康复治疗。
3.3.5 增强人体免疫功能呼吸疾病
近年来的实验研究表明，呼吸系统疾病的发生于转归同人体内的微量元素缺乏、过量、平衡失调等有关。Fe是营养上极为重要的必需微量元素，在组织呼吸、生物氧化过程中起着十分重要的作用。锌是人体必需微量元素，对增强人体的免疫功能必不可少。若其含量降低，即可导致免疫力低下及生长发育迟缓，引发反复呼吸道感染。
3.3.6 腹泻相关疾病
金属元素Zn、Cu、Fe、Mn、Cr、Ni、Sr等是人体内的必需金属元素,其异常在消化道疾患可能与胃肠道急、慢性疾病时摄入不足。胃肠功能失调,吸收障碍、排泄增加及有合并症时大量丧失有关,消化系统是金属元素最主要的吸收、代谢、排泄与部分贮存的重要场所。因此,在病理状态下所造成的金属元素的紊乱也是极其显著的,这对于病变组织和器官机能的恢复都是十分不利的。
迁延性或慢性腹泻患儿血锌、镁、铁的降低与饮食摄入的减少，小肠吸收不良和胃肠道（呕吐、腹泻）丢失增多等因素有关；对于此类患儿应进行常规锌、镁、钙、铁的检测及补充，以缩短病程，有利于康复。
3.3.7 抗菌作用
铋为基础的三联疗法已普遍应用于治疗与幽门螺杆菌（H pylori）感染相关的胃炎、胃溃疡铋离子能伴随协同阴离子与人类转铁蛋白（hTF）以及乳铁传递蛋白的N以及C端的结合位点紧密连接。已知病人的胃的分泌液中有大量的hLF以及胃酸，Bi3 可能因此阻挠铁的代谢或是在细菌中与蛋白质或酶相互作用[44]。
病原微生物，如幽门螺杆菌，能产生大量的酶类，因此人们认为铋金属抗溃疡药物主要是通过抑制酶的活性实现的。铋已经证实可以抑制幽门螺旋杆菌中许多酶类，如胞浆酒精脱氢酶（ADH）、F1-ATP 酶以及脲酶[45]。它能与酵母酒精脱氢酶的硫醇基团结合，使得多聚体的酶逐步分解，从天然状态的四聚体变成二聚体[46]。还发现铋金属复合物可能是通过阻断底物进入活性酶位点[47]来抑制脲酶[48]。
3.3.8 类风湿疾病
钾、钠、钙、镁在人体内的作用主要是维持细胞内外渗透压的平衡，调节体液PH值，形成骨骼等硬组织，支撑身体，维持有力的运动形式；并有使血液凝固和酶活化作用。铜参与蛋白质的合成过程，加速红细胞的成熟和释放，能增强机体防御功能，铜通过超氧化物歧化酶催化反应清除自由基。风湿性关节炎患者血清铜增加，而锌、硒降低。锰与结缔组织韧性及硬度和粘多糖合成、硫酸软骨素代谢、钙磷代谢密切相关；慢性膝关节炎病人血清锰含量明显低于正常人。钴能刺激红细胞生成素的产生，钴对铁的代谢、血红蛋白的合成、红细胞的发育成熟以及成熟红细胞的释放等均有重要作用；钴与锌、铜、锰有协同作用。镍参与内分泌的作用及全身代谢。锶与维持人体生理功能有密切关系；锶与钙有协同作用，锶代谢紊乱可引起疼痛和影响骨关节正常功能。由讨论可知，微量元素与类风湿疾病关系密切。
4 对于矿物药的研究意义
4.1 有助于矿物药药理机制的研究
金属元素是中药物质基础的重要组成部分，其特点是数量小，功能作用大，对许多生物分子（蛋白质、酶、激素等）的活性往往起着关键的调控作用。几乎所有的中药均有一定量的微量元素，其种类和含量与其功效有着密切的关系，它们的药理作用部分除有机成分外，无机元素也不容忽视。中药微量元素的研究是中药的药理机制研究的重要内容，抗衰老中药材中所含的微量元素对人体所缺乏的各种微量元素起到重要的补充和调节作用，同时也对各种微量元素在人体新陈代谢中的吸收排泄产生影响，并通过拮抗和螯合间接起到解毒作用，从而达到防病和抗衰老目的[49]。
4.2 从金属元素的角度分析病因选择药对
金日光[50]等将各种中药、人体器官和组织中的金属元素根据金属离子和不同基团的络合能力分为有益元素群（Fe、Cu、Ca、Mg、Mn、Ni、Zn等元素）和有毒元素群（Ag、Cd、Pb、Hg、Tl、Be等元素），试图从金属元素角度分析病因并提供原始科学依据。人体有益的金属元素是中药归经与物质基础的主要组成部分，因此，中药的疗效不仅与其有机成分有关，还与其所含的无机元素的种类及含量有密切关系。中药的金属元素能直接补充和调节人体内的必需而参与机体各种生理生化过程，许多研究表明，微量元素还能影响药效，有的甚至直接参与或协同作用。运用金属组学探讨中药药对作用于大鼠脂肪肝模型药效机制的研究，采用基于微波消解的ICP-MS技术检测动物血清、组织样本中Ca、Fe、Mg、Cu、Mn、Se、Zn等28中金属元素含量，运用SPSS、SIMCA-P 等统计学软件分析给药组和对照组大鼠体内金属元素的差异，试图从金属元素的角度入手，结合疾病自身发生、发展的过程，探讨中药药对发挥疗效的作用机制[51]。
4.3 矿物药的处理方式炮制方式不同影响
张燕[52]等对花蕊石、龙齿等中药炮制前后微量元素的变化及其对功效的影响做了综述，提出炮制方法对微量元素的质和量影响较大，合理的炮制工艺可以增加人体必需微量元素的溶出，减少有害的微量元素溶出，起到增强疗效、降低毒性的作用[51]。
4.4 有助于药物设计
金属蛋白质组学研究可以使我们了解金属蛋白的生物合成过程，包括一系列翻译后过程，如金属吸收、转运、分子组装、簇交换等以及环境因素对这些过程的影响，了解微量元素的生物效应及其机理、与微量元素相关的疾病的发生机制，并为金属药物的设计提供依据，人们还希望通过金属蛋白质组学研究最终实现由一个新的基因序列预测其所表达金属蛋白的功能（功能基因组学）。可以借鉴蛋白质组学研究思路。
4.5 制定合理的金属元素的限量标准
体内的金属元素过少会造成疾病，同时，体内某些金属元素过多会导致中毒的现象，所以制订合理的有毒元素限量标准势在必行。各项不同的研究结果也为国家有关部门制定中成药制剂中的微量、宏量和有毒元素质量标准提供了有用数据。
参考文献
[1]江桂斌,何滨.金属组学及其研究方法与前景[J].中国科学基金,2005(03):151-155.
[2]钟乐,颜崇淮,沈晓明.金属组学元素生命科学发展的新纪元[J].广东微量元素科学,2008,15(11):1-6.
[3]葛瑞光,陈卓,孙红哲.金属组学:研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科[J].中国科学(B辑:化学),2009,39(07):590-606.
[4]朱小飞,谭相石.金属组学:Wood-Ljungdahl通路中的金属蛋白/金属酶[J].中国科学(B辑:化学),2009,39(07):607-619.
[5]金属组学:引领生物金属分析科学迈向新的高度[J].科技导报,2015,33(12):4.
[6]Haraguchi H. Metallomics as Integrated Biometal Science[J]. journal of analytical atomic spectrometry,2004,19: 5-14.
[7]彭红云,杨肖娥.金属有机配体分析方法及金属组学研究[J].分析化学,2006(08):1190-1196.
[8]胡斌,江祖成.色谱原子光谱/质谱联用技术及形态分析[M].北京:科学出版社,2016
[9]田晓莉.激光烧蚀电感耦合等离子体质谱分析金属/类金属元素的方法研究[D].郑州大学,2017.
[10]李玉锋,高愈希,陈春英,等.金属组学:高通量分析技术进展与展望[J].中国科学(B辑:化学),2009,39(07):580-589.
[11]高愈希,陈春英,柴之芳.先进核分析技术在金属蛋白质组学研究中的应用[J].核化学与放射化学,2008(01):1-16.
[12]王秋泉,唐南南,杨利民.电感耦合等离子体质谱分析[J].中国科学:化学,2014,44(05):664-671.
[13]杜青臣,张振振,巨阳.激光诱导击穿光谱技术在金属元素检测中的应用研究进展[J].山东科学,2018,31(02):55-63.
[14]Krebs C, Price J C, Baldwin J, et al. Rapid Freeze-Quench 57Fe Mssbauer Spectroscopy: Monitoring Changes of an Iron-Containing Active Site During a Biochemical Reaction[J]. Inorganic Chemistry, 2005, 44:742-757.
[15]汤冲,刘洪涛,郭丽曼,等.广东省健康人群血液中34种金属元素含量及年龄差异分析[J].广东医学,2016,37(16):2465-2470.
[16]叶敏,王臻,彭志敏,等.贵金属饰品加工作业工人血样中金属元素分析[J].微量元素与健康研究,2016,33(04):52-54.
[17]刘佳佳,孙琳,张红颖,等.基于ICP-MS法筛选高脂血症患者与健康人血浆中差异金属元素[J].沈阳药科大学学报,2017,34(04):302-307.
[18]杨妍婷,赵苏瑛,张亚楠,等.基于电感耦合等离子体质谱法对血流感染患者血清中相关元素的研究[J].南京医科大学学报(自然科学版),2018,38(11):1637-1642.
[19]赵琳琳,李盖,周婉笛,等.电感耦合等离子体质谱法测定工人全血中铅含量[J].中国工业医学杂志,2014,27(06):441-442.
[20]曾静,闫赖赖,欧阳荔,等.电感耦合等离子体质谱法分析大鼠血、毛发及脏器中铅浓度及同位素比值[J].分析化学,2011,39(08):1176-1180.
[21]曹煊,余晶晶,高扬,等.人肝细胞中砷代谢产物分析表征研究[J].分析化学,2011,39(01):1-6.
[22]金伟,牟颖,金钦汉.金属组学、代谢组学及其它[J].理化检验(化学分册),2005(04):296-299.
[23]Liu C,Xu H. The metal site as a template for the metalloprotein structure formation[J]. Inorganic Chemistry, 2002,88(1): 77- 86.
[24]Kennedy M L,Gibney B R. Metalloprotein and redox protein design[J].Current Opinion in Structural Biology, 2001, 11(4): 485- 490.
[25]Lucia Banci. Molecular dynamics simulations of metalloproteins[J].Current Opinion in Structural Biology,2003,7(1):143-149.
[26]王共强,张杰,叶群荣,等.Wilson病精准驱铜与金属内稳态的调控[J].医学研究杂志,2016,45(10):162-164.
[27]李才淑,楼蔓藤,李增禧,等.血清微量元素含量与疾病相关性数据(一)[J].广东微量元素科学,2012,19(10):35-66.
[28]Yasuda H, Yasuda Y, Tsutsui T. Estimation of autistic children by metallomics analysis[J]. Scientific Reports,2013,3:1199.
[29]李昕.基于色谱质谱联用技术的出生缺陷代谢组学和金属组学的研究[D],2010,上海交通大学.
[30]Sussulini A, Banzato C E, Arruda M A. Exploratory analysis of the serum ionomic profile for bipolar disorder and lithium treatment[J].International Journal of Mass Spectrometry,2011, 307(1):182-184.
[31]赵甲亭,李玉锋,朱娜丽,等.金属组学方法研究生物体内汞和硒相互作用.科技导报,2015.33(12):93-100.
[32]Va k M, Hasler D W. Metallothioneins: new functional and structural insights[J]. Current Opinion in Chemical Biology,2000,4(2):177-183
[33]Chasteen N D. Ferritin. Uptake, storage, and release of iron[J].Metal ions in biological systems,1998,35(1):479-514
[34]Jamieson E R, Lippard S J. Structure, recognition, and processing of cisplatin-DNA adducts[J]. Chemical Reviews,1999,99(9):2467-2498
[35]Rosenberg B, van Camp L, Trosko J E, Mansour V H. Platinum compounds: a new class of potent antitumour agents[J]. Nature, 1969,222(5191):385386
[36]Guo Z, Sadler P J. Metals in medicine[J].Angewandte Chemie International Edition, 1999, 38(11):1513-1531
[37]Cohen S M, Lippard S J. Cisplatin: From DNA damage to cancer chemotherapy[J].Prog Nucleic Acid Res Mol Biol, 2001,67(1):93-130
[38]赖兰海.金属铜超分子聚合物的设计、合成与其抗肿瘤活性的研究[D].暨南大学,2016.
[39]Strozyk D, Bush A I. From DNA damage to cancer chemotherapy. Wiley, 2006.1-7
[40]张聪,王晓明.金属离子在阿尔茨海默病中作用及其影像学评价.磁共振成像,2018.9(07): 545-549.
[41]赵文秀,朱志国,李妍,等.几种治疗脑血管病中成药中金属元素含量检测及临床意义.光谱实验室,2005(02):257-259.
[42]吴燕莉,梁东东.消化系统8种疾病血清金属元素测定与分析[J].微量元素,1991(03):23-26.
[43]李猛.迁延性或慢性腹泻患儿血锌、镁、钙、铜、铁、铅的检测与分析[J].首都食品与医药,2017,24(12):36.
[44]Ge R, Sun H. Bioinorganic chemistry of bismuth and antimony: target sites of metallodrugs. Accounts of Chemical Research,2007,40(4):267-274
[45]Lambert J R, Midolo P. The actions of bismuth in the treatment of Helicobacter pylori infection. Alimentary Pharmacology Therapeutics,1997,11(Suppl 1):27-33
[46]Zhang L, Mulrooney S B, Leung F K, etc. Inhibition of urease by bismuth(III): implications for the mechanisms of action of bismuth drugs. BioMetals,2006,19(5):503-511
[47]Asato E, Kamamuta K, Akamine Y, etc. Bismuth(III) complexes of 2-mercaptoethanol: Preparation, structural and spectroscopic characterization, anti bactericidal activity toward Helicobacter pylori, and inhibitory effect toward H. pylory-produced urease. Bulletin of the Chemical Society of Japan,1997,70(3):639-648
[48]Jin L, Szeto K Y, Zhang L, etc. Inhibition of alcohol dehydrogenase by bismuth.[J] Inorganic Chemistry,2004,98(8):1331-1337
[49]韩丽琴,董顺福,刘建华.模糊分类在中草药金属元素分析中的应用研究[J].中国卫生统计,2008,25(06):618-619.
[50]金日光,牟雪雁.关于生物高分子元素活性中心分布规律的第四统计力学理论标度的研究(Ⅲ)论各种化学元素成为生物高分子活性中心元素的先决条件[J].北京化工大学学报(自然科学版),2003(04):41-44.
[51]张燕,李飞,王文全,等.中药炮制前后微量元素的变化及其对功效的影响[J].微量元素与健康研究,2006(06):54-57.
[52]李倩华,孙淑军,王洋,等.金属元素在中医药研究中的现状[J].世界科学技术-中医药现代化,2015,17(04):901-906.
3. 设计方案和技术路线
一、研究方案
课题名称：禹余粮对腹泻大鼠不同肠段中金属元素的影响
研究目标：探究给药前后腹泻大鼠模型不同肠段中金属元素的变化，从金属元素角度探究禹余粮止泻作用机制。
4. 工作计划
进度安排
2022.1-2022.2：查阅相关文献，设计实验方案。
2022.3-2022.4：禹余粮样品的制备，腹泻模型的制备。
5. 难点与创新点
1.禹余粮中主要成分是无机金属元素，金属元素可能是其涩肠止泻的关键因素，本课题从无机金属化学领域角度来认识和探究禹余粮预防、治疗腹泻的物质基础和作用机制。
2.金属元素及金属组学的研究蓬勃发展，金属组学的研究对于疾病治疗的作用机制有重要的研究意义，也对富含金属元素的矿物药的临床应用以及作用机制研究有重大研究意义。
