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整合药理学:中药现代研究新模式

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-24  浏览次数:518
核心提示:中药方剂是中医临床治疗的主要形式和手段,探索中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律,是揭示中药方剂治疗原理、发现
中药方剂是中医临床治疗的主要形式和手段,探索中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律,是揭示中药方剂治疗原理、发现中医原创思维科学价值的基本路径。中药方剂是一个复杂化学体系,生物机体也是一个复杂生命系统,使得中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律研究,尚未形成有效模式和方法学体系,也就成为制约中药现代研究的瓶颈,是亟待突破的关键科学问题。当前的中药药理学基本往往沿用了西药药理学的研究方法和思路,对研究对象中药方剂的物质基础与机体生命活动的交互规律的层次性重视不够,也没有充分重视中药组效关系,未能形成独立的研究体系,学科特点不明确。面对中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律研究,必须以多学科交叉、融合为基础,构建新的研究体系,以满足“整体与局部研究相结合”,“体内ADME过程与活性评价相结合”、“计算、体外与体内相结合”等多层次、多环节的整合研究的需要,这一学科即为整合药理学。本文就整合药理学的研究背景、概念、研究内容及其应用领域等,探讨如下。


1. 提出背景

中药方剂是中医临床治疗的基本形式,“药有个性之特长,方有合群之妙用”,中药方剂通过配伍发挥临床疗效和降低毒性。与西药的单一“基因-疾病-药物”研究模式相比,中药方剂强调的是药物组合,“七情和合”是中药方剂配伍的基本原则,由此可见,“组效关系”是中药方剂研究的核心问题之一。然而,中药方剂是复杂体系,机体同样是复杂体系,中药方剂治疗疾病的过程是两个复杂体系相互作用的过程,也就成为制约中药现代研究的瓶颈,是亟待突破的关键科学问题。

中药药理往往按照西医病理观点和治疗学原理来看待中药的临床应用价值,认识和解释中药的药理作用。对于中药方剂研究,往往也是采用还原论的方法,如在药理活性导向下植物化学分离,主要有2种研究思路:先化学后药效或者先药效后化学该思路对单一成分药物的发现与研究比较适合,例如抗疟疾药物—青蒿素发现就是通过这种研究思路获得的,但是,对于大多数中药方剂,往往不是通过单一成分发挥治疗作用的,它往往割裂了成分与成分之间的协同作用。

随着组学技术的发展,系统生物学和网络生物学发展十分迅速,开始从生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质等)认识机体的生命活动规律。特别是在2007年网络药理学的提出,这些研究方法同样受到中医药学者青睐,被广泛应用到中药方剂的研究,取得许多可喜的成果。罗国安提出了“系统-系统”的中药方剂研究模式,李梢建立中药网络药理学研究平台,并成功应用于中药方剂作用机理的解析等。特别是陈竺院士通过系统生物学从“整体-器官-细胞-分子-基因”水平全面揭示了急性早幼粒白血病的发病机理及其复方黄黛片治疗的作用机理,到目前为止,是最具有里程碑意义的方剂作用机理研究的范例。但是,现在中药系统生物学和中药网络药理学研究重视中药方剂对机体的生物效应,往往忽视机体对药物的处置过程,即中药物质基础的体内过程研究,致使未能对中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律的深入阐释。

当然,中药体内ADME过程研究受到中药学者高度重视,提出了一些新的研究思路并进行了大量的研究工作,如杨秀伟提出了基于体内过程的中药有效成分和有效效应物质的发现策略,王喜军建立血清药物化学的技术方法体系,并应用到多味中药或者中药方剂中研究,李川从成药性特性[drug-like]角度鉴定了口服三七提取物后的药代标记物,王广基基于曲线下面积(AUC 0-∞)并自定义权重系数,对三七总皂苷进行多效应成分整合药代动力学研究。中药药代动力学研究促进了中药现代化发展,有些学者也开始尝试进行中药PK-PD模型的研究,但是,到目前为止,具有里程碑意义的研究范例尚比较缺乏。

为此,本课题组在不同层次上积极探索体内过程与活性评价相结合中药现代研究模式。在体外研究时,建立了“肠吸收-活性评价”联用模型,该模型具有稳定性强、重现性好和灵敏度高等优点,同时能排除未被吸收成分对药理活性的干扰,并通过“肠吸收-血管活性”对不同厂家、不同批次的元胡止痛片含药肠吸收液进行舒张血管活性评价,基于灰色关联分析方法,构建了多成分组合与血管活性之间关联的数学模式,进行了“组效关系”解析,进而辨识出具有舒张血管活性的关键成分,提高了中药质量评价水平。在网络药理学研究方面,提出了基于体内ADME过程和网络药理学的中药现代研究思路,并通过“化学指纹-代谢指纹-网络药理学”三维研究模式,系统地揭示元胡止痛片的药效物质基础及其作用机理。

中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律研究是十分复杂的过程,在某一环节上或者某一个方面,无论在研究技术方面还是研究内容方面都取得较好的研究结果,促进了中药方剂的现代化研究,但是,往往环节上关联不够,注重中药方剂的药代动力学研究时往往对药理学研究的深入不够,反之也一样。在研究层次上,已有从“整体-器官-细胞-分子-基因”水平复方黄黛片治疗急性早幼粒白血病的方剂作用机理研究成功范例,但是,对于大多数中药方剂来说,成分更加复杂,仅仅通过药理试验难以实现,需要计算与试验相结合。中药方剂的现代研究,需要加强整合,包括整体与局部的整合,宏观和微观的整合,体内ADME过程与活性评价的整合,计算与实验的整合,也就是进行整合药理学研究。

 

2. 整合药理学概念和研究思路


整合药理学(integrated pharmacology,IP),是研究多成分药物与机体相互作用及其整合规律和作用原理的一门学科,是药理学研究的新领域,中药方剂物质实体与机体交互作用规律是整合药理学研究的关键科学问题之一,是中药学、化学、药代动力学、药理学、计算科学等多学科融合的交叉学科。整合药理学在中药现代研究中的应用思路,如图1、2所示。



图1中药现代研究的关键科学问题


由图2可知,整合药理学主要包括三方面的内容:一是在计算层次上,通过对“药物溶出-肠内菌代谢-肠吸收-肝药酶代谢”等预测模块,并于计算生物学或者网络药理学相结合,从计算机虚拟角度进行中药方剂与体内相互作用研究;二是在体外试验层次上,通过整合“药物溶出-肠内菌代谢-肠吸收-肝药酶代谢”等体外模块,并于细胞、组织、器官等体外药理评价相结合,从而在体外试验角度进行中药方剂与体内相互作用研究;三是在整体动物试验上,进行体内药代动力学与药效学评价相结合研究,尤其是中药方剂代谢指纹与系统生物学相结合,药代标志物与生物标志物相关联的中药方剂与体内相互作用研究。从多层次、环节的中药方剂与机体的相互作用关系研究,从而系统地、全面地揭示中药方剂的药效物质基础及其作用机制,为中药临床应用、质量评价、药效物质基础、方剂作用原理和中药新药研究等方面提供依据,促进中药的国际化和现代化发展。



图2.整合药理学在现代中药研究中应用思路

 

3. 整合药理学的主要内容


3.1 计算ADME复合模型与计算生物学/网络药理学整合研究

中药方剂主要是口服制剂,在体内经过一系列ADME 过程后到达靶标器官、靶组织,与分子靶标网络相互作用而发挥治疗作用,为此,笔者提出过基于体内ADME过程和网络药理学的中药现代研究思路。中药方剂是复杂体系,在体内药物代谢过程十分复杂,与分子靶标网络相互作用过程更加复杂。仅通过试验研究费时、费力、费钱,同时,受到研究技术、手段的影响,有限研究难以进行,例如,在中药方剂ADME研究时,微量化合物体内分析方法受到仪器的灵敏度影响建立难度大;在中药方剂代谢指纹与分子生物网络相互作用关联更加难以研究。然而,通过计算机的虚拟预测技术和生物信息技术的发展,为中药方剂与机体相互作用研究提供了有力的技术手段,受到了广泛重视。

在药代动力学研究方面,自从Lipinski提出“五规则(Rule of 5)”,计算ADME早期预测技术发展十分迅速,多个ADME预测模式,包括肠道通透性、口服生物利用度、血脑屏障渗透性和P450代谢等代谢预测模块被建立,被广泛应用到早期药物成药性评价和先导化合物的发现,近年来,也被应用到中药方剂的药效物质筛选和代谢产物的预测。然而,现在ADME预测模块是基于单体化合物的构建了,往往没有考虑药物-药物相互作用(成分-成分之间相互作用),没有考虑成分是存在与复杂的中药方剂中,所以为了符合中药方剂特点,需要对现有ADME预测模块进行改良的。同时,现有的单一化ADME预测模块,应该发展“药物溶出-肠内菌代谢-肠吸收-肝脏代谢-组织分布”等ADME预测整合模型。

在药效学方面,随着计算机辅助药物分子设计方法(Computer aided moleculardesign, CADD)迅速发展,基于计算机虚拟筛选被广泛应用到新药发现和药物设计研究,同样被应用到中药有效成分筛选研究。尤其是网络药理学引起中医学者的广泛兴趣,被广泛应用到中药的药效物质基础与作用机制的研究。然而,现在中药网络药理学研究,往往是通过中药数据库、文献中选用中药方剂中的原型成分,忽略了中药在体内的ADME过程,不符合中药方剂在体内与机体之间的相互作用实际情况。所以,整合药理学研究需要加强对中药方剂进行计算ADME过程与计算生物学/网络药理学整合研究,尤其是进行ADME预测整合模型与计算生物学/网络药理学整合研究,研究思路见图3。



图3. 通过计算ADME预测-计算生物学/网络药理学的结合研究


3.2 体外ADME复合模型与体外活性评价整合研究

体外试验能排出体内复杂环境的干扰,往往具有操作简便、敏感特异、条件易控等优点。在体外ADME方面,从“药物溶出-肠道菌群转化-肠道吸收到肝药酶代谢-血脑屏障”各个环节都已有成熟的体外模型,例如模拟胃肠道消化的仿生提取法,模拟肠道吸收的Caco-2细胞模型法和外翻肠囊法、模拟肝脏代谢的肝微粒体体外孵育法等。在体外活性评价方面,目前主要采用的方法有直接添加法和间接添加法 (血清药理学方法)。直接添加法,忽略了体内ADME过程,与中药方剂和机体之间的相互作用关系不一致。血清药理学同样存在一些局限性,血清中药物浓度非常低、基质干扰大,难以深入研究中药方剂与机体之间的相互作用关系。近年来,有研究表明,未被吸收入血的成分未必就不是有效成分,有些成分是通过调节肠道菌群而发挥治疗作用。

在体外试验研究时,整合药理学需要从体外ADME模型与体外活性评价相结合开展中药方剂研究,其研究思路见图4。一是加强体外ADME模型整合研究,建立“药物溶出-肠内菌代谢-肠吸收-肝脏代谢-组织分布”复合代谢模型,在体外代谢角度较好的模拟中药方剂在体内的药物代谢过程。二是体外ADME过程与体外活性评价相结合研究,即通过对中药方剂在体外代谢物(中药方剂体外代谢指纹)在细胞、组织和器官等水平上进行活性评价,并通过数据挖掘建立成分与活性之间关联,即中药方剂“组效关系”,从而从体外试验揭示中药方剂的药效物质基础及其作用机制。笔者建立“肠吸收-血管活性”联用模型,并成功应用到元胡止痛方“组效关系”研究中,辨识关键性药效成分。



图4. 中药方剂体外ADME复合模型与体外活性评价整合研究思路


3.3 基于整体的中药方剂的药物代谢研究与系统生物学整合研究

中药方剂是通过中药方剂代谢指纹与证候/疾病的分子生物网络相互作用而发挥治疗作用,所以,在整体动物水平,通过对中药方剂进行药物代谢动力学和系统生物学研究,尤其是随着新技术应用,提高了中药方剂的研究水平,更能系统地、全面地揭示中药方剂的作用原理。在药物代谢方面,液相-质谱联用仪等技术的飞速发展,在定量研究时,如UPLC-QQQ等仪器,能建立多成分同时测定的体内分析方法,尤其是微量成分的体内分析方法建立提供了技术手段。在定性研究时,高分辨质谱,如RRLC-Q-TOF等,通过精确分子量和碎片信息,以及进一步代谢产物预测软件,如MassHunter软件等,能高通量、快速的进行代谢产物分析。在药理研究方面,系统生物学,包括基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等,被广泛应用到中药复方的药效物质基础和作用机制研究,能从分子水平认识中药方剂作用的机理。然而,从系统生物学的角度,多组学数据融合还面临许多问题,难以构建一张完整的疾病分子生物网络,同时,中药方剂的代谢指纹与证候/疾病分子生物网络相关性研究比较少。

基于整体的整合药理学研究,更加强调多组学数据融合,以及药代与药效关联性研究,主要包括以下内容:一、对中药复方进行较为系统的药物代谢研究,包括血清药物化学、组织药物化学以及多成分的药代动力学研究等,获得中药方剂代谢指纹及其代谢轨迹;二、通过系统生物学技术,包括基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学和网络药理学等,对中药复方进行系统地药理学研究,并加强多组学数据融合,获得中药方剂调节疾病失衡的分子生物网络;三、建立中药方剂代谢指纹与疾病的分子生物网络之间的关联,从“点-线-面”建立多维度的中药方剂与机体之间的相互作用关系;四、通过数据挖掘建立药代标志物与与生物标志物之间关联关系,即“组效关系”,以及构建多成分的“PK-PD”模型。



图5. 基于整体的中药方剂的药物代谢研究与系统生物学整合研究思路

 

4. 展望


整合药理学是多学科融合的交叉科学,强调多层次、多环节整合研究,重点发展多模块的整合,例如“药物溶出-肠道菌群转化-肠道吸收到肝药酶代谢-血脑屏障”在计算和体外整合研究,便于更好的模拟药物在体内ADME动态过程;在计算和体外研究,中药方剂对酶、细胞、器官的药理作用与整体药理学之间的关联等。整合药理学研究是采用“化学指纹-代谢指纹-分子生物网络-药理效应”多维研究模式,在靶标分子、细胞、组织、器官和整体等多个水平上,基本讲清证候/疾病的分子生物网络,基本讲清中药复方的化学成分及其在体内的药物代谢过程,以及基本讲清中药复方的分子生物网络和药理效应。整合药理学不仅可以被广泛应用到中药方剂药效物质基础、作用机理、配伍规律等方面,以促进中药现代研究水平,而且,可以探索多成分组合药物的研究方法,为开创中西医统一的新医药学奠定基础。

 
 
 
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