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Phenomics | 南京中医药大学高梓珊团队揭示针刺特定穴位调节无氧糖酵解和线粒体功能从而缓解偏头痛的经穴特异性代谢
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该研究采用基于1H-NMR核磁共振的代谢组学方法，分析了针灸治疗偏头痛的疗效特异性的代谢机制。研究招募了40例偏头痛患者和10名健康对照者，通过中心随机化将患者分为真针灸组（电针特定穴位）和假针灸组（电针非经非穴），所有患者接受20次相应治疗。研究者收集了治疗前后的血浆样本进行1H-NMR代谢组学检测，并运用一系列机器学习特征筛选统计方法及IPA代谢网络分析，筛选出体现针刺经穴特异性效应的代谢物靶标和代谢通路。
研究发现，真针灸（电针特定穴位）能显著调节偏头痛患者血浆中的丙酮酸、乳酸和柠檬酸水平。这表明其通过显著增强无氧糖酵解为患者快速提供能量，并改善线粒体功能，从而缓解偏头痛发作。假针灸（电针非经非穴）则可能通过调控脂质代谢，显著改变血浆脂质、甘油和丙酮酸水平，为患者提供部分能量，也能在一定程度上缓解偏头痛发作。进一步的代谢网络分析表明，真针灸与假针灸通过不同的能量供应途径（无氧糖酵解 vs. 脂质代谢）发挥疗效，这可能是两者疗效差异的关键原因。该研究为针刺镇痛的经穴特异性效应机制提供了新的代谢组学证据，并可能为针灸镇痛机制的研究开辟新的方向。
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论文DOI链接：
https://doi.org/10.1007/s43657-024-00205-6
论文引用格式：
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
针灸疗法在全球范围内被广泛应用于偏头痛的预防和缓解。Cochrane 系统评价证实，针灸能有效降低偏头痛发作强度、频率和天数，且安全性良好。然而，尽管临床疗效明确，针灸缓解偏头痛的生物学机制尚未完全阐明。近年研究强调了能量代谢异常在偏头痛发病中的核心作用：患者脑糖原不足导致线粒体呼吸抑制和自由基过量生成，这些代谢异常可能激活皮质扩散性抑制（CSD）从而触发偏头痛。代谢组学技术为揭示针灸效应机制提供了新视角，已成功应用于针灸治疗高血压、功能性消化不良等疾病的研究。本研究采用核磁共振（1H-NMR）代谢组学技术，分析了一项随机对照试验中40例女性偏头痛患者（随机分配至真针灸组或假针灸组）及10例健康对照者的血浆代谢表型。研究采用严谨的统计分析流程：首先通过正交信号校正偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）揭示组间代谢特征差异；随后运用Lasso回归筛选鉴别真针灸与假针灸的潜在生物标志物；对筛选出的标志物进行Box-Cox转换和方差分析（ANOVA）；最后经Bonferroni多重检验校正，并通过受试者工作特征（ROC）曲线评估其鉴别效能。结合Ingenuity Pathway Analysis (IPA)通路分析，研究旨在探索针刺缓解偏头痛的经穴特异性代谢组学机制。
研究结果
本研究纳入40例符合偏头痛标准的20-45岁女性患者完成4周基线期评估，采用中心随机被随机分配至少阳经特定穴位电针组（真针刺）或非经非穴电针组（假针刺）（特定穴位见图1a）。经过四周治疗，与基线期相比，真针刺组（用科恩d值评价针灸疗效效应值）：偏头痛天数减少（效应值d= 0.50，95% CI 0.17–0.82）；偏头痛发作频率减少（d = 0.71, 95% CI 0.0000703–1.41）；视觉模拟评分法(VAS)评分降低（d = 0.61, 95% CI -0.26–1.47）。与假针刺组相比，真针刺组在降低VAS评分方面的效应值为0.585（95% CI −0.19 – 1.36），这意味着在降低VAS评分方面，真针灸组效果优于假针灸组。
图1 针刺穴位位置及血浆样本的1H NMR谱图
偏头痛患者的代谢特征
在运用主成分分析（PCA）排除纳入的偏头痛患者中具有异常代谢谱和基线值的离群值后，使用SIMICA-P统计软件进行正交偏最小二乘法判别分析（OPLS-DA）分析结果显示，偏头痛组与健康对照组之间存在明显分离（x轴；R²Y = 75.8%）（图2a）。经Lasso回归、ANOVA（结合Box-Cox变换）及Bonferroni校正后，筛选出8种显著差异的代谢标志物：甘油、胆碱、柠檬酸、丙酮酸、谷氨酰胺、甘氨酸、丙氨酸、脂质（均 p < 0.05）。其中柠檬酸诊断效能最佳（AUC = 0.87, p = 0.005）（图3a）。通过Ingenuity Pathway Analysis (IPA)软件进行代谢网络和通路分析，我们发现健康对照组与偏头痛组之间，tRNA氨酰化通路（tRNA charging pathway）发生显著变化（p = 0.031），而变化最显著的代谢网络是碳水化合物代谢、分子转运和小分子生物化学网络（carbohydrate metabolism, molecular transport, and small molecule biochemistry）（评分 = 14）
图2 各组间代谢图谱的显著分离
针刺特定穴逆转偏头痛的代谢图谱和血浆柠檬酸盐水平
本研究的主要目的是探究针灸治疗偏头痛疗效的代谢组学机制。研究结果发现，对少阳经特定穴进行4周/20次电针治疗后，真针刺组代谢图谱向健康对照组趋近，并与基线期形成显著分离（图2c,d），这表明针刺能逆转偏头痛的异常代谢状态。值得注意的是，经过Bonferroni校正后，真针刺组较偏头痛组血浆柠檬酸（p = 0.00079）与丙酮酸（p = 0.012）水平显著降低（图3b），这一结果表明，在临床环境下，针刺可能通过改变血浆柠檬酸盐和丙酮酸的水平来缓解偏头痛。此外，与针刺治疗前的基线期组相比，我们在真针刺组检测到血浆乳酸显著增加（p = 0.031）和血浆乙酰乙酸显著减少（p = 0.025）。这些显著变化的代谢物可能作为针刺缓解偏头痛疗效的生物标志物。同时，IPA代谢网络通路分析揭示，丙酮酸发酵生成乳酸通路（pyruvate fermentation to lactate pathway）（p = 0.0175）在偏头痛患者接受电针特定穴治疗后被显著逆转，并且碳水化合物代谢、能量产生和脂质代谢网络（carbohydrate metabolism, energy production, and lipid metabolism networks）（评分 = 9）是偏头痛患者接受电针治疗后变化最显著的网络。这些结果提示真针刺可能通过降低血浆柠檬酸盐和丙酮酸水平，同时升高血浆乳酸水平，从而增强无氧糖酵解，改善线粒体功能（调节TCA循环），从而改善偏头痛患者代谢图谱，缓解偏头痛。
图3 针灸临床效应代谢标志物与相关代谢网络
针灸特异性效应作用的代谢基础（真针刺 vs. 假针刺）
为研究针刺特异性效应的代谢基础，实验进一步对健康对照组、偏头痛组、真针刺组和假针刺组的代谢组学数据进行了OPLS-DA分析。结果显示，假针刺组与健康对照组的代谢谱明显分离，但其与治疗前相似（图2e），同时偏头痛组和假针刺组的代谢谱无明显分离（图2f），但假针刺组的丙酮酸水平较偏头痛组显著降低。OPLS-DA结果也显示了真针刺组、假针刺组和健康对照组在代谢谱上显著分离（图2g；R²Y = 88.5%），相对于假针刺组，真针刺组的代谢图谱更接近健康对照组。代谢谱差异表明，是真针刺治疗（而非假针刺治疗）能够将偏头痛患者的代谢图谱改善至健康对照状态。OPLS-DA结果进一步显示真针刺组和假针刺组在代谢图谱上存在明显区别（图2h；R²Y = 94.8%），这表明真针刺和假针刺之间存在可区分的代谢表型。之后，通过Lasso回归分析发现，甘氨酸、甘油、丙氨酸、3-羟基丁酸、异亮氨酸、低密度脂蛋白_极低密度脂蛋白、乙酰乙酸和谷氨酰胺可能是区分真针刺与假针刺的潜在代谢标志物，且真针刺组的谷氨酰胺水平较假针刺组显著降低 (p < 0.05), 这些代谢标志物可能为针灸的特异性作用提供了潜在的代谢基础。IPA代谢通路分析发现，tRNA氨酰化通路（p = 0.0307）在真针刺组和假针刺组之间存在显著差异，而区分真针刺组和假针刺组的首要网络是碳水化合物代谢、分子转运和小分子生物化学网络（评分 = 14，图3c）。与假针刺组相比，甘油（glycerine）位于真针刺组代谢网络的中心附近（图c）。这些显著变化的代谢通路和网络可能是真针刺（相对于假针刺）特异性作用的功能基础。
首次揭示真针灸和假针灸效应差异的代谢组学机制
基于当前针灸试验面临的方法学挑战，本实验提出了一种独特的代谢机制来解释针刺临床疗效的特异性效应：我们证明，真针刺（电针特定穴）和假针刺（电针非经非穴）在缓解偏头痛方面，存在着重要但不同的两种能量供应方式。
(i) 与假针刺相比，真针刺特异性地通过无氧糖酵解为偏头痛患者的能量代谢缺失供能。具体而言，真针刺可以通过增强无氧糖酵解和血浆中乙酰乙酸的分解来恢复偏头痛患者的能量代谢缺乏，这可以快速补偿偏头痛患者的能量不足，从而减少触发偏头痛的皮质扩散性抑制（CSD）。相比之下，假针刺可能通过脂质代谢动员脂肪来部分地为偏头痛患者提供能量。此外，网络分析显示，甘油（脂肪动员的经典产物）是真针刺（相较于假针刺）代谢网络中的关键节点（图3c）。因此，我们可以提出假设：这些不同的能量供应方式可能是导致真针刺与假针刺疗效差异的关键因素。
(ii) 真针刺通过逆转柠檬酸盐水平，从而调节线粒体功能障碍来特异性缓解偏头痛（与假针刺相比）。 三羧酸循环（TCA循环）是体内能量代谢的中心。具体来说，我们的实验结果显示，真针刺（而非假针刺）能够逆转血浆柠檬酸盐水平，进而调节线粒体中TCA循环的功能障碍，从而恢复偏头痛患者的代谢谱并缓解偏头痛（图4）。
(iii) 谷氨酰胺在真针刺组中相比假针刺组显著降低。谷氨酰胺是一种经典的兴奋性神经递质，可促进CSD并与偏头痛强度相关。这一结果与我们先前在急性偏头痛大鼠模型中的代谢组学研究结果一致。真针刺组中谷氨酰胺的显著降低进一步解释了为什么真针刺在缓解临床偏头痛疼痛方面比假针刺更有效。
此外，我们的研究发现，真针刺和假针刺都显著增加了甘油水平，从而为偏头痛患者提供能量。这一发现为在这些临床试验中观察到的真针刺和假针刺的非特异性效应（即两者都有效）提供了一个可能的解释。
图4 针刺治疗偏头痛的代谢机制
研究结论
我们的研究结果表明，针刺通过增强偏头痛患者地无氧糖酵解、降低血浆柠檬酸盐和谷氨酰胺水平来特异性的缓解偏头痛。我们的研究具有重要意义，因为它为针灸缓解偏头痛的特异性效应提供了科学证据和解释，供临床医生和决策者参考。通过应用现代机器学习技术，这些代谢证据可能为针灸镇痛机制开辟一个全新的研究方向，这也将为未来的针灸研究提出新的挑战。
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.
作者简介
第一作者、通讯作者
高梓珊（1982-2013年曾用名高骏），女，博士，南京中医药大学副教授，研究生导师，玛丽居里学者，DAAD-王宽诚博士后奖学金获得者，国家公派访问学者，江苏省“333高层次人才”青年人才，国家自然科学基金通讯评审专家，世界中联翻译专业委员会理事，世界针灸杂志青年编委，南京中医药大学民盟青年委员。近年来一直从事针灸镇痛、抗炎效应规律的免疫机制、代谢组学、系统生物学以及临床方法学研究。2016-2017在德国亥姆霍兹慕尼黑中心流行病学研究所留学期间主要从事基于KORA 队列的多组学关联分析，作为GWAS senior analyst 和合作作者参与GIANT consortium 2022 年在Nature 发表的世界最大规模540 万人身高表型的saturated map of common genetic variants GWAS分析。科研方面主持2项国家自然科学基金课题及2项省部级课题，主持、参与国家级、部省级课题共16项，在Nature、American Journal of Human Genetics、Phenomics等杂志发表论文38篇，其中SCI论文10篇，总被引次数为1378次，BMJ open, Frontiers in neuroscience, acupuncture medicine, eCAM等 SCI杂志审稿人，《循证针灸学》、《经穴特异性》两书编委。
通讯作者
梁繁荣教授，欧洲自然科学院院士，成都中医药大学终身教授，博士生导师，国家重点学科针灸推拿学带头人，享受国务院特殊津贴专家，全国优秀科技工作者，全国创新争先奖状获得者，全国中医药杰出贡献奖获得者，国家中医药管理局岐黄工程首席科学家，国家“万人计划”教学名师，全国名老中医经验传承指导教师，四川省科技杰出贡献奖获得者，四川省杰出人才奖获得者，“四川省万人计划”天府杰出科学家，四川省有突出贡献优秀专家。他是全国针灸学科领域第一位牵头了两项“973计划”项目的首席科学家（2006、2012年）；是全国中医药领域第一位国家自然科学基金重大项目的主持人（2016年）；是中医药领域获得国家自然基金委资助经费排名第一，并且是唯一一位进入医科学科部总资助经费前50强的中医科学家（排名第26名）。梁繁荣教授围绕中医针灸经穴特异性科学基础开展了一系列国际认可的高水平临床、基础研究，研究成果以第一作者和通讯作者多次发表在JAMA Internal Medicine、America Journal of Gastroenterology、Neurology等高质量期刊，取得了一系列国际认可的高水平研究成果，先后主持国家“973计划”项目、国家自然科学基金重大项目等各级课题46项，先后荣获国家科学技术进步二等奖1项，部省级科技进步一等奖10项；发表论文700余篇，其中SCI源刊247篇，入选Elsevier中国高被引学者。
通讯作者
Christian Gieger 博士（H-index=167），现任德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心流行病学研究所分子流行病学系(AME)系主任。分子流行病学研究系主管一个有数十万人类生物样本的生物银行，主管了德国KORA队列，德国国家队列（NAKO）的基因组、表观遗传组、蛋白组、代谢组学数据库，提供一系列从基因组到代谢组学的多组学分析。Christian Gieger博士是世界上第一位完成全基因组-代谢组学关联分析(mGWAS)的统计学家和科学家，主要研究方向为复杂疾病如心血管疾病、糖尿病等的多组学关联分析研究以及基于多组学的精准医学研究。他致力于开发将各种组学数据相结合的多维度分析技术和策略。他的研究室参与并组织了许多大的国际合作基因组Meta-分析联盟（GIANT,ENGAGE, DIAGRAM, MAGIC, CARDIoGRAM, HaemGen, CHARGE, etc）。在过去的十五年里Christian Gieger博士在国际顶尖基因学和医学杂志上发表了383篇经过同行评议的文章，其中有27篇发表在Nature杂志，104篇发表在Nature Genetics杂志。这些文章的总引用率超过123,761次，他的H-index=167（截止2025年1月统计）。根据汤姆森路透文献统计分析，从2002到2025年，他是世界上文献引用率最高的百分之一的科学家之一。
https://wap.sciencenet.cn/blog-3558836-1491266.html
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