近日，南京中醫(yī)藥大學高梓珊團隊在《表型組學（英文）》（Phenomics）在線發(fā)表了題為“代謝組學揭示針灸治療偏頭痛的經(jīng)穴特異性效應機制：無氧糖酵解與線粒體檸檬酸在緩解偏頭痛中的作用”（Metabolomics reveals reasons for the efficacy of acupuncture in migraine patients: The role of anaerobic glycolysis and mitochondrial citrate in migraine relief）的研究論文。

該研究采用基于1H-NMR核磁共振的代謝組學方法，分析了針灸治療偏頭痛的療效特異性的代謝機制。研究招募了40例偏頭痛患者和10名健康對照者，通過中心隨機化將患者分為真針灸組（電針特定穴位）和假針灸組（電針非經(jīng)非穴），所有患者接受20次相應治療。研究者收集了治療前后的血漿樣本進行1H-NMR代謝組學檢測，并運用一系列機器學習特征篩選統(tǒng)計方法及IPA代謝網(wǎng)絡分析，篩選出體現(xiàn)針刺經(jīng)穴特異性效應的代謝物靶標和代謝通路。

研究發(fā)現(xiàn)，真針灸（電針特定穴位）能顯著調(diào)節(jié)偏頭痛患者血漿中的丙酮酸、乳酸和檸檬酸水平。這表明其通過顯著增強無氧糖酵解為患者快速提供能量，并改善線粒體功能，從而緩解偏頭痛發(fā)作。假針灸（電針非經(jīng)非穴）則可能通過調(diào)控脂質(zhì)代謝，顯著改變血漿脂質(zhì)、甘油和丙酮酸水平，為患者提供部分能量，也能在一定程度上緩解偏頭痛發(fā)作。進一步的代謝網(wǎng)絡分析表明，真針灸與假針灸通過不同的能量供應途徑（無氧糖酵解 vs. 脂質(zhì)代謝）發(fā)揮療效，這可能是兩者療效差異的關鍵原因。該研究為針刺鎮(zhèn)痛的經(jīng)穴特異性效應機制提供了新的代謝組學證據(jù)，并可能為針灸鎮(zhèn)痛機制的研究開辟新的方向。

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論文DOI鏈接：

https://doi.org/10.1007/s43657-024-00205-6

論文引用格式：

Gao, Z., Yan, X., Wang-Sattler, R. et al. Metabolomics Reveals Reasons for the Efficacy of Acupuncture in Migraine Patients: The Role of Anaerobic Glycolysis and Mitochondrial Citrate in Migraine Relief. Phenomics (2025). https://doi.org/10.1007/s43657-024-00205-6?

研究背景

針灸療法在全球范圍內(nèi)被廣泛應用于偏頭痛的預防和緩解。Cochrane 系統(tǒng)評價證實，針灸能有效降低偏頭痛發(fā)作強度、頻率和天數(shù)，且安全性良好。然而，盡管臨床療效明確，針灸緩解偏頭痛的生物學機制尚未完全闡明。近年研究強調(diào)了能量代謝異常在偏頭痛發(fā)病中的核心作用：患者腦糖原不足導致線粒體呼吸抑制和自由基過量生成，這些代謝異?？赡芗せ钇べ|(zhì)擴散性抑制（CSD）從而觸發(fā)偏頭痛。代謝組學技術為揭示針灸效應機制提供了新視角，已成功應用于針灸治療高血壓、功能性消化不良等疾病的研究。本研究采用核磁共振（1H-NMR）代謝組學技術，分析了一項隨機對照試驗中40例女性偏頭痛患者（隨機分配至真針灸組或假針灸組）及10例健康對照者的血漿代謝表型。研究采用嚴謹?shù)慕y(tǒng)計分析流程：首先通過正交信號校正偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）揭示組間代謝特征差異；隨后運用Lasso回歸篩選鑒別真針灸與假針灸的潛在生物標志物；對篩選出的標志物進行Box-Cox轉(zhuǎn)換和方差分析（ANOVA）；最后經(jīng)Bonferroni多重檢驗校正，并通過受試者工作特征（ROC）曲線評估其鑒別效能。結(jié)合Ingenuity Pathway Analysis (IPA)通路分析，研究旨在探索針刺緩解偏頭痛的經(jīng)穴特異性代謝組學機制。

研究結(jié)果

本研究納入40例符合偏頭痛標準的20-45歲女性患者完成4周基線期評估，采用中心隨機被隨機分配至少陽經(jīng)特定穴位電針組（真針刺）或非經(jīng)非穴電針組（假針刺）（特定穴位見圖1a）。經(jīng)過四周治療，與基線期相比，真針刺組（用科恩d值評價針灸療效效應值）：偏頭痛天數(shù)減少（效應值d= 0.50，95% CI 0.17–0.82）；偏頭痛發(fā)作頻率減少（d = 0.71, 95% CI 0.0000703–1.41）；視覺模擬評分法(VAS)評分降低（d = 0.61, 95% CI -0.26–1.47）。與假針刺組相比，真針刺組在降低VAS評分方面的效應值為0.585（95% CI ?0.19 – 1.36），這意味著在降低VAS評分方面，真針灸組效果優(yōu)于假針灸組。

圖1 針刺穴位位置及血漿樣本的1H NMR譜圖

偏頭痛患者的代謝特征

在運用主成分分析（PCA）排除納入的偏頭痛患者中具有異常代謝譜和基線值的離群值后，使用SIMICA-P統(tǒng)計軟件進行正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）分析結(jié)果顯示，偏頭痛組與健康對照組之間存在明顯分離（x軸；R2Y = 75.8%）（圖2a）。經(jīng)Lasso回歸、ANOVA（結(jié)合Box-Cox變換）及Bonferroni校正后，篩選出8種顯著差異的代謝標志物：甘油、膽堿、檸檬酸、丙酮酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、脂質(zhì)（均 p < 0.05）。其中檸檬酸診斷效能最佳（AUC = 0.87, p = 0.005）（圖3a）。通過Ingenuity Pathway Analysis (IPA)軟件進行代謝網(wǎng)絡和通路分析，我們發(fā)現(xiàn)健康對照組與偏頭痛組之間，tRNA氨?；罚╰RNA charging pathway）發(fā)生顯著變化（p = 0.031），而變化最顯著的代謝網(wǎng)絡是碳水化合物代謝、分子轉(zhuǎn)運和小分子生物化學網(wǎng)絡（carbohydrate metabolism, molecular transport, and small molecule biochemistry）（評分 = 14）

圖2 各組間代謝圖譜的顯著分離

針刺特定穴逆轉(zhuǎn)偏頭痛的代謝圖譜和血漿檸檬酸鹽水平

本研究的主要目的是探究針灸治療偏頭痛療效的代謝組學機制。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對少陽經(jīng)特定穴進行4周/20次電針治療后，真針刺組代謝圖譜向健康對照組趨近，并與基線期形成顯著分離（圖2c,d），這表明針刺能逆轉(zhuǎn)偏頭痛的異常代謝狀態(tài)。值得注意的是，經(jīng)過Bonferroni校正后，真針刺組較偏頭痛組血漿檸檬酸（p = 0.00079）與丙酮酸（p = 0.012）水平顯著降低（圖3b），這一結(jié)果表明，在臨床環(huán)境下，針刺可能通過改變血漿檸檬酸鹽和丙酮酸的水平來緩解偏頭痛。此外，與針刺治療前的基線期組相比，我們在真針刺組檢測到血漿乳酸顯著增加（p = 0.031）和血漿乙酰乙酸顯著減少（p = 0.025）。這些顯著變化的代謝物可能作為針刺緩解偏頭痛療效的生物標志物。同時，IPA代謝網(wǎng)絡通路分析揭示，丙酮酸發(fā)酵生成乳酸通路（pyruvate fermentation to lactate pathway）（p = 0.0175）在偏頭痛患者接受電針特定穴治療后被顯著逆轉(zhuǎn)，并且碳水化合物代謝、能量產(chǎn)生和脂質(zhì)代謝網(wǎng)絡（carbohydrate metabolism, energy production, and lipid metabolism networks）（評分 = 9）是偏頭痛患者接受電針治療后變化最顯著的網(wǎng)絡。這些結(jié)果提示真針刺可能通過降低血漿檸檬酸鹽和丙酮酸水平，同時升高血漿乳酸水平，從而增強無氧糖酵解，改善線粒體功能（調(diào)節(jié)TCA循環(huán)），從而改善偏頭痛患者代謝圖譜，緩解偏頭痛。

圖3 針灸臨床效應代謝標志物與相關代謝網(wǎng)絡

針灸特異性效應作用的代謝基礎（真針刺 vs. 假針刺）

為研究針刺特異性效應的代謝基礎，實驗進一步對健康對照組、偏頭痛組、真針刺組和假針刺組的代謝組學數(shù)據(jù)進行了OPLS-DA分析。結(jié)果顯示，假針刺組與健康對照組的代謝譜明顯分離，但其與治療前相似（圖2e），同時偏頭痛組和假針刺組的代謝譜無明顯分離（圖2f），但假針刺組的丙酮酸水平較偏頭痛組顯著降低。OPLS-DA結(jié)果也顯示了真針刺組、假針刺組和健康對照組在代謝譜上顯著分離（圖2g；R2Y = 88.5%），相對于假針刺組，真針刺組的代謝圖譜更接近健康對照組。代謝譜差異表明，是真針刺治療（而非假針刺治療）能夠?qū)⑵^痛患者的代謝圖譜改善至健康對照狀態(tài)。OPLS-DA結(jié)果進一步顯示真針刺組和假針刺組在代謝圖譜上存在明顯區(qū)別（圖2h；R2Y = 94.8%），這表明真針刺和假針刺之間存在可區(qū)分的代謝表型。之后，通過Lasso回歸分析發(fā)現(xiàn)，甘氨酸、甘油、丙氨酸、3-羥基丁酸、異亮氨酸、低密度脂蛋白_極低密度脂蛋白、乙酰乙酸和谷氨酰胺可能是區(qū)分真針刺與假針刺的潛在代謝標志物，且真針刺組的谷氨酰胺水平較假針刺組顯著降低 (p < 0.05), 這些代謝標志物可能為針灸的特異性作用提供了潛在的代謝基礎。IPA代謝通路分析發(fā)現(xiàn)，tRNA氨酰化通路（p = 0.0307）在真針刺組和假針刺組之間存在顯著差異，而區(qū)分真針刺組和假針刺組的首要網(wǎng)絡是碳水化合物代謝、分子轉(zhuǎn)運和小分子生物化學網(wǎng)絡（評分 = 14，圖3c）。與假針刺組相比，甘油（glycerine）位于真針刺組代謝網(wǎng)絡的中心附近（圖c）。這些顯著變化的代謝通路和網(wǎng)絡可能是真針刺（相對于假針刺）特異性作用的功能基礎。

首次揭示真針灸和假針灸效應差異的代謝組學機制

基于當前針灸試驗面臨的方法學挑戰(zhàn)，本實驗提出了一種獨特的代謝機制來解釋針刺臨床療效的特異性效應：我們證明，真針刺（電針特定穴）和假針刺（電針非經(jīng)非穴）在緩解偏頭痛方面，存在著重要但不同的兩種能量供應方式。

(i) 與假針刺相比，真針刺特異性地通過無氧糖酵解為偏頭痛患者的能量代謝缺失供能。具體而言，真針刺可以通過增強無氧糖酵解和血漿中乙酰乙酸的分解來恢復偏頭痛患者的能量代謝缺乏，這可以快速補償偏頭痛患者的能量不足，從而減少觸發(fā)偏頭痛的皮質(zhì)擴散性抑制（CSD）。相比之下，假針刺可能通過脂質(zhì)代謝動員脂肪來部分地為偏頭痛患者提供能量。此外，網(wǎng)絡分析顯示，甘油（脂肪動員的經(jīng)典產(chǎn)物）是真針刺（相較于假針刺）代謝網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點（圖3c）。因此，我們可以提出假設：這些不同的能量供應方式可能是導致真針刺與假針刺療效差異的關鍵因素。

(ii) 真針刺通過逆轉(zhuǎn)檸檬酸鹽水平，從而調(diào)節(jié)線粒體功能障礙來特異性緩解偏頭痛（與假針刺相比）。 三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）是體內(nèi)能量代謝的中心。具體來說，我們的實驗結(jié)果顯示，真針刺（而非假針刺）能夠逆轉(zhuǎn)血漿檸檬酸鹽水平，進而調(diào)節(jié)線粒體中TCA循環(huán)的功能障礙，從而恢復偏頭痛患者的代謝譜并緩解偏頭痛（圖4）。

(iii) 谷氨酰胺在真針刺組中相比假針刺組顯著降低。谷氨酰胺是一種經(jīng)典的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，可促進CSD并與偏頭痛強度相關。這一結(jié)果與我們先前在急性偏頭痛大鼠模型中的代謝組學研究結(jié)果一致。真針刺組中谷氨酰胺的顯著降低進一步解釋了為什么真針刺在緩解臨床偏頭痛疼痛方面比假針刺更有效。

此外，我們的研究發(fā)現(xiàn)，真針刺和假針刺都顯著增加了甘油水平，從而為偏頭痛患者提供能量。這一發(fā)現(xiàn)為在這些臨床試驗中觀察到的真針刺和假針刺的非特異性效應（即兩者都有效）提供了一個可能的解釋。

圖4 針刺治療偏頭痛的代謝機制

研究結(jié)論

我們的研究結(jié)果表明，針刺通過增強偏頭痛患者地無氧糖酵解、降低血漿檸檬酸鹽和谷氨酰胺水平來特異性的緩解偏頭痛。我們的研究具有重要意義，因為它為針灸緩解偏頭痛的特異性效應提供了科學證據(jù)和解釋，供臨床醫(yī)生和決策者參考。通過應用現(xiàn)代機器學習技術，這些代謝證據(jù)可能為針灸鎮(zhèn)痛機制開辟一個全新的研究方向，這也將為未來的針灸研究提出新的挑戰(zhàn)。

Abstract

Acupuncture is used worldwide to treat migraine, but its scientific mechanism remains unclear. Here, we report a 1 H NMR metabolomics study involving 40 migraine patients and 10 healthy individuals randomly receiving acupuncture or sham acupuncture, followed by machine learning techniques and functional analysis. We found that acupuncture at acupoints particularly enhanced anaerobic glycolysis and modified mitochondrial function by adjusting the levels of plasma pyruvic acid (p = 0.012), lactic acid (p = 0.031) and citrate (p = 0.00079) at a Bonferroni-corrected level of significance compared to the pre-treatment level of these three metabolites in migraine patients. Therefore, acupuncture supplies energy to migraine patients and relieves migraine attacks. In contrast, we observed that sham acupuncture may partially supply energy to migraine patients through lipid metabolism by changing the levels of plasma lipid (p = 0.0012), glycerine (p = 0.021), and pyruvic acid (p = 0.047) at a Bonferroni-corrected level of significance. The functional network analysis further indicates this different way of supplying energy contributes to the different effects of acupuncture and sham acupuncture. Our findings reveal novel metabolic evidence for the specific effect of acupuncture in relation to sham acupuncture. This metabolic evidence could enlighten a brand new direction into acupuncture analgesia mechanism, which in turn would pose fresh challenges for future acupuncture research.

作者簡介

第一作者、通訊作者

高梓珊（1982-2013年曾用名高駿），女，博士，南京中醫(yī)藥大學副教授，研究生導師，瑪麗居里學者，DAAD-王寬誠博士后獎學金獲得者，國家公派訪問學者，江蘇省“333高層次人才”青年人才，國家自然科學基金通訊評審專家，世界中聯(lián)翻譯專業(yè)委員會理事，世界針灸雜志青年編委，南京中醫(yī)藥大學民盟青年委員。近年來一直從事針灸鎮(zhèn)痛、抗炎效應規(guī)律的免疫機制、代謝組學、系統(tǒng)生物學以及臨床方法學研究。2016-2017在德國亥姆霍茲慕尼黑中心流行病學研究所留學期間主要從事基于KORA 隊列的多組學關聯(lián)分析，作為GWAS senior analyst 和合作作者參與GIANT consortium 2022 年在Nature 發(fā)表的世界最大規(guī)模540 萬人身高表型的saturated map of common genetic variants GWAS分析?？蒲蟹矫嬷鞒?項國家自然科學基金課題及2項省部級課題，主持、參與國家級、部省級課題共16項，在Nature、American Journal of Human Genetics、Phenomics等雜志發(fā)表論文38篇，其中SCI論文10篇，總被引次數(shù)為1378次，BMJ open, Frontiers in neuroscience, acupuncture medicine, eCAM等 SCI雜志審稿人，《循證針灸學》、《經(jīng)穴特異性》兩書編委。

通訊作者

梁繁榮教授，歐洲自然科學院院士，成都中醫(yī)藥大學終身教授，博士生導師，國家重點學科針灸推拿學帶頭人，享受國務院特殊津貼專家，全國優(yōu)秀科技工作者，全國創(chuàng)新爭先獎狀獲得者，全國中醫(yī)藥杰出貢獻獎獲得者，國家中醫(yī)藥管理局岐黃工程首席科學家，國家“萬人計劃”教學名師，全國名老中醫(yī)經(jīng)驗傳承指導教師，四川省科技杰出貢獻獎獲得者，四川省杰出人才獎獲得者，“四川省萬人計劃”天府杰出科學家，四川省有突出貢獻優(yōu)秀專家。他是全國針灸學科領域第一位牽頭了兩項“973計劃”項目的首席科學家（2006、2012年）；是全國中醫(yī)藥領域第一位國家自然科學基金重大項目的主持人（2016年）；是中醫(yī)藥領域獲得國家自然基金委資助經(jīng)費排名第一，并且是唯一一位進入醫(yī)科學科部總資助經(jīng)費前50強的中醫(yī)科學家（排名第26名）。梁繁榮教授圍繞中醫(yī)針灸經(jīng)穴特異性科學基礎開展了一系列國際認可的高水平臨床、基礎研究，研究成果以第一作者和通訊作者多次發(fā)表在JAMA Internal Medicine、America Journal of Gastroenterology、Neurology等高質(zhì)量期刊，取得了一系列國際認可的高水平研究成果，先后主持國家“973計劃”項目、國家自然科學基金重大項目等各級課題46項，先后榮獲國家科學技術進步二等獎1項，部省級科技進步一等獎10項；發(fā)表論文700余篇，其中SCI源刊247篇，入選Elsevier中國高被引學者。

通訊作者

Christian Gieger 博士（H-index=167），現(xiàn)任德國亥姆霍茲慕尼黑研究中心流行病學研究所分子流行病學系(AME)系主任。分子流行病學研究系主管一個有數(shù)十萬人類生物樣本的生物銀行，主管了德國KORA隊列，德國國家隊列（NAKO）的基因組、表觀遺傳組、蛋白組、代謝組學數(shù)據(jù)庫，提供一系列從基因組到代謝組學的多組學分析。Christian Gieger博士是世界上第一位完成全基因組-代謝組學關聯(lián)分析(mGWAS)的統(tǒng)計學家和科學家，主要研究方向為復雜疾病如心血管疾病、糖尿病等的多組學關聯(lián)分析研究以及基于多組學的精準醫(yī)學研究。他致力于開發(fā)將各種組學數(shù)據(jù)相結(jié)合的多維度分析技術和策略。他的研究室參與并組織了許多大的國際合作基因組Meta-分析聯(lián)盟（GIANT,ENGAGE, DIAGRAM, MAGIC, CARDIoGRAM, HaemGen, CHARGE, etc）。在過去的十五年里Christian Gieger博士在國際頂尖基因?qū)W和醫(yī)學雜志上發(fā)表了383篇經(jīng)過同行評議的文章，其中有27篇發(fā)表在Nature雜志，104篇發(fā)表在Nature Genetics雜志。這些文章的總引用率超過123,761次，他的H-index=167（截止2025年1月統(tǒng)計）。根據(jù)湯姆森路透文獻統(tǒng)計分析，從2002到2025年，他是世界上文獻引用率最高的百分之一的科學家之一。

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