中藥四性數(shù)學模型的建立與實驗研究

賀福元 ，鄧凱文 ，黃 勝 ，劉文龍 ，石繼連 ，周宏灝

（1.湖南中醫(yī)藥大學藥學院，湖南 長沙 410208；2.中藥藥性與藥效國家中醫(yī)藥管理局重點實驗室，湖南 長沙 410208；3.湖南中醫(yī)藥大學現(xiàn)代中藥制技術與評價實驗室，湖南 長沙 410208；4.湖南中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，湖南 長沙 410007；5.中南大學臨床藥理研究所，湖南 長沙 410078）

中藥藥性理論是我國歷代醫(yī)家在長期醫(yī)療實踐中，以陰陽、臟腑、經絡學說為依據(jù)，根據(jù)藥物的各種性質及所表現(xiàn)出來的治療作用總結出來的用藥規(guī)律。它是中醫(yī)學理論體系中的一個重要組成部分。其中中藥四性是傳統(tǒng)中醫(yī)藥性理論的重要組成部分，是中醫(yī)賴以處方遣藥的依據(jù)。中國最早的藥學專著《神農本草經》指出“藥有寒熱溫涼四氣(性)，“療寒以熱藥，療熱以寒藥”，明確以病證寒熱作為用藥依據(jù)的基本治療原則。然而，中藥四性的客觀有效的判別標準和方法是什么?四性的生理活性及物質基礎是什么等問題一直為醫(yī)藥研究者所關注，是中醫(yī)藥現(xiàn)代化可能實現(xiàn)的突破口，本文根據(jù)物理化學燃燒的基本概念,初步建立中藥四性的數(shù)學模型，旨在為中藥藥性理論研究奠定基礎。

1 基本思路與原理

1.1 基本思路

中藥四性，亦為藥物的寒、熱、溫、涼四種基本藥性，古時也稱四氣。其中溫熱與寒涼屬于兩類不同的性質。而溫與熱，寒與涼則分別具有共同性；溫次于熱，涼次于寒，即在共同性質中又有程度上的差異。對于有些藥物，通常還標以大熱、大寒、微溫、微寒等詞予以區(qū)別。藥物的寒、熱、溫、涼，是從藥物作用于機體所發(fā)生的熱效應概括出來的。是與所治疾病的寒、熱性質相對而言。能夠減輕或消除熱證的藥物，一般屬于寒性或涼性，如黃芩、板藍根對于發(fā)熱口渴、咽痛等熱證有清熱解毒作用，表明這兩種藥物具有寒性。反之能夠減輕或消除寒證的藥物，一般屬于溫性藥物，如附子、干姜對于腹中冷痛、脈沉等寒證有溫中散寒作用，表明這兩種藥物具有熱性。在治則方面，《素間.至真要大論》云：“寒者熱之，熱者寒之?！边@是基本的用藥規(guī)律[1]。實質上來說，四性是藥物作用于人體后，機體所產生系列生化反應時總體上伴有能量改變的兩種趨勢，亦產熱還是吸熱，這一物理化學現(xiàn)象經機體感受后產生溫熱和寒涼兩種情況。此外，還有一些平性藥，是指藥性寒、熱之性不甚顯著、作用比較和緩的藥物。其中也有微寒、微溫的，仍屬四性的范圍，但卻有平性藥物存在，這些藥物與機體所形成的化學鍵與原植物所存在的化學鍵的形式相同[2]。

燃燒焓是指1 moL的物質在1大氣壓下完全燃燒時的熱效應[3]。完全燃燒的含義是使其燃燒產物為CO2（g）、H2O（L）、N2（g）、HCl（aq)、SO2(g)。 通常指定 298 K，1 標準壓力下各物質的燃燒焓為標準燃燒焓。用ΔCHΘm表示，單位為kJ·moL-1。由于中藥提取物為混合物，不可能用kJ·moL-1表示，但可以用kJ·g-1表示。中藥提取燃燒焓反映中藥成分的中藥原生物貯存的藥物成分化學能。由于中藥為多成分體系，來源于自然界，它由植物體以各酶系，特別是細胞色素P450家族酶主導而生，當進入人體后，被人體相似的酶系，包括CYP450代謝、轉化和產生靶效應，由自然界各酶系相互聯(lián)通，各成分在體內的代謝動力學由總量（濃度、生物能）控制，按“網通虹勢”的規(guī)律[4]、質量作用定律，人體必然向與中藥藥性相反的方向移動，達到中醫(yī)學上的“熱者寒之、寒者熱之、虛者補之、實者瀉之”等的反治互補的藥效，同時機體伴有能量的吸收或釋放。當整體反應以吸熱為主，則機體主觀感覺表現(xiàn)為寒性藥物，當整體反應表現(xiàn)為放熱時，機體主觀感覺為熱性藥物。因此通過測定中藥成分群燃燒焓就能獲得中藥四性的初期信息，同時對構建中藥四性宏觀狀態(tài)函數(shù)（數(shù)學模型）和中藥藥性理論的研究具有重要的意義。

1.2 基本原理

1.2.1 中藥四性數(shù)學模型的建立 將人看成一個孤立體，其吸收能量的總和與放出能量的總和相等。人體的治病過程是運用藥的“偏性”糾正人體的“偏性”，從中藥四性的角度來說，是利用藥物的寒、熱、溫、涼糾正人體的陰陽之偏性。故藥物與人體作用的過程可用圖1表示[5]。

由圖1可知，人體始狀的熱焓為ΔHBB，服用燃燒焓為ΔHP的中藥進入過渡態(tài)（人體+藥物）后，中藥與機體產生作用，中藥對機體產生藥理反應，促使機體向中藥性能相同的方向移動，機體對藥物進行生化代謝反應，兩類反應與熱效應偶聯(lián)，整體上產生吸熱和放熱效應，機體向環(huán)境的產熱為Q，同時由肺部呼出CO2，由二便排出代謝產物ΔHM，人體最終過度到終態(tài)ΔHEB，在等壓條件下，根據(jù)熱力學第一定律及Hess定律[6]，則有式（1）

式中△Hp、△Hm、△HBB、△HEB分別為藥物、 二便代謝產物、給藥前生物體、給藥后生物體的熱焓，Q為該過程放出的熱量。由熱力學第一定律可知，H為狀態(tài)函數(shù)，但Q與過程有關，但當△Hp、△Hm、△HBB、△HEB確定后，其值也一定，由中藥與生物體的起始點與機體對藥物代謝后的狀態(tài)決定，由式（1）可得式（2）：

由式（2）可知，人體的 ΔHBB、ΔHEB不便測出，可采用與平性藥比較的方法測定。由式（2）得平性藥物的熱平衡式（3）：

當平性藥（用下標e表示）與原機體代謝保持平衡，機體前后無熱效應變化，機體的溫度相等，ΔU=0。由于壓力相等，給藥前后機體前體排出的體積相等，故Δ（PV）=0，因 ΔH=ΔU-Δ（PV），自然 ΔHBB-ΔHEB=0，與正常狀態(tài)下代謝產物只以 CO2（g）和 H2O（l）排出體外，ΔHMe=0，但有些平性藥物在體內也有代謝產物排出。故式（3）變?yōu)椋?/p>

也就是說平性藥物在維持人體代謝平衡情況下 （人體不增質量，也不減質量），全部轉變成CO2和H2O排出體外，所轉變的能量供機體基礎代謝用。

非平性藥物的熱平衡式為式（5）：

式（5）減出式（4）得式（6）：

式（6）中的 ΔHpn-ΔHMn-（ΔHpe-ΔHMe）為中藥代謝熱焓項，計為 ΔHM，ΔHBBn-ΔHEBn為機體熱焓改變項，計為 ΔHB。本式為中藥四性測定的通用公式?？啥ㄖ兴幩男杂嬎闶綖槭剑?）：

自然對于不同的化合物有不同的 Qn，當 SQ＜0，Qn＜Qe，機體向環(huán)境放熱，中藥藥性體現(xiàn)熱性，SQ＞O，Qn＞Qe，機體向環(huán)境吸熱，中藥體現(xiàn)寒性，SQ=0，Qn=Qe，機體與環(huán)境達到熱平衡，中藥體現(xiàn)平性。但藥物在體內表現(xiàn)出可逆轉、不可逆轉、蓄積等情況，其四性的測定方法不同。

1.2.2 可逆轉藥物四性的測定 可逆轉藥物是指所產生的藥理作用，停藥后，經給平性標準物后機體功能可以逆轉的藥物，可通過服用平性標準物來進行測定，這一方法叫平性逆換法。經過服用寒熱藥物的機體，再服用平性藥物，則機體又恢復到起始點的熱焓，此時有式（8）：

由于又恢復到了實驗前狀態(tài)，則ΔHEBen等于ΔHEBn，ΔHBBen等于 ΔHBBn，式（8）變?yōu)槭剑?）：

式（9）加上式（6）得式（10）：

當實驗前后都給等量的平性藥物，則ΔHPe等于ΔHPen，式（10）式變?yōu)椋?/p>

這樣通過實驗設計測定出中藥對機體的熱效應（Qn），人體先服用平性藥物，測得標準Qe和燃燒焓ΔHPe及代謝產物ΔHMe；測定中藥的燃燒焓ΔHPn、服用中藥后，收集機體二便代謝，測定ΔHMn，至機體恢復以藥前，取血樣、組織樣檢測得藥物的有效濃度為零（藥物從體內排盡）對于沒的蓄積的藥物，測定 ΔHMen。 則按式（10）計算 Qn+Qen-Qe，再按減去總Qe計算出中藥四性值SQ。

1.2.3 不可逆轉藥物四性的測定 不可逆轉藥物是指所產生的藥理作用，停藥后，經給平性標準物機體功能不可以逆轉的藥物[7]，主要用于嚴重毒性藥物的四性研究，也可通過服用平性標準物來進行測定，叫平性非逆換法。經過服用非逆轉藥物的機體，再服用平性藥物，則機體變?yōu)榻K點的熱焓，此時有式（12）：

由于沒有恢復到了實驗前狀態(tài)，則ΔHEBen等于ΔHEBn，ΔHBBen不等于 ΔHBBn，式（12）變?yōu)槭剑?3）：

式（13）加上式（6）得式（14）：

當實驗前后都給等量的平性藥物，則ΔHPe等于ΔHPen，式（15）式變?yōu)椋?/p>

同樣通過前述實驗求得：平性藥物標準Qe、燃燒焓ΔHPe、ΔHMe和中藥的燃燒焓ΔHPn、服用中藥后機體二便代謝 ΔHMn，服用等量的平性標準物的 ΔHMen。 但 ΔHBBn、ΔHBBen是很難測定的，這樣采用熱效應法可直接測定給藥與平性標準物的總Qn+Qe，再減出 Qe測得Qn，再求 ΔHBBn-ΔHBBen，其值越大，無論是正值，還是負值，其四性偏離越大，毒性必然越大。

1.2.4 蓄積與消耗性藥物四性的測定 蓄積藥物是指所產生的藥理作用，停藥后，一部分以平性藥物的形式蓄積在體內，給平性標準物機體功能可以恢復到給藥前，但體內能檢測到藥物的蓄積量[8]。消耗性藥物是指所產生的體重降低作用[8]，促進機體消耗的藥物，停藥后，給平性標準物機體功能可以恢復到給藥前，但體質量有明顯的變化。蓄積中藥體內能檢測到藥物的蓄積量可采用蓄積檢測法進行測定。消耗性中藥可通過稱質量來進行研究，經過服用蓄積、消耗性中藥的機體，再服用平性藥物，則機體變?yōu)榻K點的熱焓，此時有與式（15）相似的式（16）：

同樣可用非可逆藥物四性的測定方法測定蓄積或消耗性中藥Qn，也可以直接測定蓄積量或減輕重量進行計算ΔHBBn-ΔHBBen。其值越大，無論是正值，還是負值，其四性偏離越大，蓄積、消耗性能力越大，可作于重金屬、微量元素、減肥藥對機體四性的研究。

1.2.5 代謝熱焓與機體熱焓的關系 由式（6）式有：

當中藥代謝熱焓項大于機體熱焓項改變時為熱性藥物，可使ΔHEBn變小，久服則機體體質量降低，久熱必耗氣傷津。

當中藥代謝項熱焓小于機體改變熱焓時為寒性藥物，可使ΔHEBn變大，久服則機體體質量增加，久寒必痰飲內停。

當中藥代謝項熱焓等于機體改變熱焓時為平性藥物，則ΔHEbn不變，久服則機體體質量平衡，長壽延年。

這樣中藥對于機體的四性研究的物理數(shù)學模型就建立了。不管中藥、西藥，單成分與多成分都能進行中藥四性研究，如定葡萄糖為平性標準物，由自然界各種物質與人體的四性作用關系就如同化學上的電極電位一樣被建立起來。本實驗只對可逆轉中藥四性藥性的數(shù)學模型進行驗證。

2 方法與結果

2.1 儀器、動物與試藥

儀器：HR3000數(shù)顯熱量計 （湖南長沙圣西公司），DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥器（上海精宏實驗設備有限公司）。動物：Wister大鼠12只，由湖南中醫(yī)藥大學實驗動物中心提供，動物合格證號，醫(yī)動字第20-001號。試藥：黃連為毛茛科植物黃連Coptis chinensis Franeh的干燥根，吳茱萸為蕓香科植物吳茱萸Evodia rutaecarpa(Juss.)Benth.的近成熟果實，甘草為豆科植物甘草GLycyrrhiza uralensis Fisch.的根莖，由湖南中醫(yī)藥大學藥學院中藥鑒定教研室劉塔斯教授鑒定，均于湖南中藥醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院藥劑科定點購置；其它所需試劑均為分析純。

2.2 灌胃藥物制備

（1）浸膏的提取 分別選用上述藥材各40 g用8倍水量提取2次，每次提取1 h，用紗布加棉花進行過濾，收集合并濾液，用旋轉蒸發(fā)儀進行濃縮，濃縮至糖漿狀即可，用鼓風干燥器干燥濃縮液，最后得到黃連、吳茱萸、甘草干浸膏分別為 7.961、5.234 8、10.030 2 g。 （2）灌胃藥物溶液配制 分別稱取黃連浸膏、吳茱萸、甘草0.896 5、0.548 0、0.564 0 g，用 20 mL 蒸餾水溶解配成溶液備用。

2.3 實驗步驟

（1）分組：將 12只大鼠按完全隨機分組分成 4個組，每組3只，分別進行編號標記并稱質量。得出具體分組情況如下：1、2、10 號為黃連組，3、5、6 號為吳茱萸組，4、7、9 號為甘草組，8、11、12 號為空白組。 （2） 喂食及灌胃：連續(xù)6 d定時給予動物定量飼料，稱取每天所吃剩飼料及大鼠體質量獲得大鼠每天的進食和體質量數(shù)據(jù)。在第7天晚上對不同組別的大鼠灌服相應的藥物1次，灌胃劑量為每只1 mL，以后每天5次，共 20次。（3）代謝產物收集及處理：在上述期間從第7天開始定時收集大鼠的代謝產物（屎和尿），共收集4 d。將收集的代謝產物進行高溫干燥滅菌處理，并進行相應的稱質量和記錄。（4）標準物逆轉后代謝物熱焓測定：灌喂藥物后第11天以灌喂藥前等量的飼料飼養(yǎng)兩天，使大鼠機體功能回復到原來狀態(tài)，并稱質量，見表1。取血樣測定血液中的小檗堿、吳茱萸堿和甘草酸，至血液中含量為零，實驗于第12天完成。收集代謝物并去除水分后測定代謝物熱焓值。相關熱焓數(shù)據(jù)見表2。

表 1 大鼠實驗前后體質量的變化 （g，x±s，n=3）

表2 黃連、甘草體內代謝各熱焓的變化值及結果 （Q，n=3）

2.4 燃燒焓的測定及計算

顯熱量計精密度的測定：于燃燒皿中精確稱取標準物苯甲酸1.000 2 g(2片)，于3.0 MPa下向氧彈中充入足夠氧氣，往內筒中準確加入3 000 mL蒸餾水，擰緊裝置檢查無漏氣后點火測定苯甲酸的燃燒焓，終點完成時仔細觀察彈筒和燃燒皿是否有不完全的跡象。稱出未完的點鎳鉻絲質量，經溫度矯正計算準熱容量（詳細參考HR 3 000數(shù)顯熱量計使用說明）。同樣的方法連續(xù)測定3次，計算得標準熱容量為14 265.08 J/g，溫度升高RSD小于1.1%，說明儀器精密度好。

藥物浸膏、飼料、大鼠灌服藥物前后的代謝產物進行測定：準確稱定黃連、吳茱萸、甘草浸出物、飼料、1.075 5、0.282 7、0.507 7、1.069 8 g于燃燒皿中，具體操作方法同標準苯甲酸熱焓測定，按圣西公司提供的公式（10）計算其燃燒焓，公式（11）計算K，公式（12）計算硝酸生成熱Q硝酸。

上述公式中△T、T校正均為溫度，單位為℃，△T在實驗中測得，T校正按0.005 3計算，Q點火絲按120 J計算，M為進行測量時所稱量物品的質量，單位為g。按上述方法測得藥物浸出物、飼料、各代謝產物、及標準品葡萄糖的燃燒焓，結果列于表2。

2.5 結果與分析

對表2中的數(shù)據(jù)按式（10）進行計算，求得1 g中藥浸出物相對應1 g標準品代謝過程熱焓變化，根據(jù)SQ=Qn-Qe結果判斷黃連為寒性藥物，吳茱萸為熱性藥，甘草為平性藥物，空白組的飼料亦體現(xiàn)平性藥物性項。

3 結論

3.1 中藥四性的現(xiàn)代研究

從60年代開始逐步展開藥性研究，據(jù)文獻，以前多采用藥效學、藥物化學等手段試圖從藥物成分結構方面尋找答案，但研究進展維難，近幾年，隨著國家中醫(yī)藥現(xiàn)代化的推動，大量的現(xiàn)代科學如生物學、生物數(shù)學、生物物理學、物理化學、高等數(shù)學、生化技術、各門化學等學科的介入，中藥四性研究進入了新階段，目前興起了以微量量熱法為主的研究方法[1]、但營養(yǎng)食品科學早期的對食品熱量的直接測熱法、間接測熱法亦可運用到人體的能量代謝過程的熱量測定，因此結合物理化學的孤立體系思路，用熱力學第一定律，將人（生物體）看成一個生物系統(tǒng)，研究其給藥前后的焓變，建立人體代謝熱力學生物物理狀態(tài)函數(shù)數(shù)學模型，闡明中藥四性的現(xiàn)代屬性，這對中醫(yī)藥的發(fā)展及學術水平的提高有非常重要的意義。

3.2 生物熱量測定法

中藥四性的現(xiàn)代研究尚屬起步階級，據(jù)文獻報道，生物熱量測定方法有微量量熱法、直接測熱法、間接測熱法等微量量熱法[10]是以生物物理化學為研究手段，主要用來研究生命體系的熱力學過程以及化學反應的微量熱量變化。根據(jù)生命體生長、繁殖，伴隨代謝有熱量釋放，釋放熱量隨生長期的變化關系就是熱譜圖，由熱譜圖可監(jiān)測生命體的生長情況和能量代謝，且此熱譜圖具有良好的重現(xiàn)性和明顯的特征性。

直接測熱法[11]（direct calormetry）是測定整個機體在單位時間內向外界環(huán)境發(fā)散的總熱量。此總熱量就是能量代謝率。間接測熱法[12]（indirect calorimetry）的基本原理就是利用這種定比關系，查出一定時間內整個人體中氧化分解的糖、脂肪、蛋白質各有多少，然后據(jù)此計算出該段時間內整個機體所釋放出來的熱量。這兩種方法早期是用來測定營養(yǎng)成分在體內氧化分解所產生的能量，但可以借鑒用來研究中藥對機體的產熱和吸熱趨勢。

氧彈式量熱法[13]是物理化學中常用來測定化合物燃燒焓的方法，可直接用來測定中藥的熱焓。

3.3 中藥四性實驗研究的特點及注意問題

中藥四性是中藥作用于機體產生藥理作用而伴隨的能量變化，其宏觀總的趨勢仍服從熱力學第一定律。實驗保證在等溫等壓條件下進行，實驗過程動物要保持溫度恒定，二使代謝產物收集要完整，滅菌要及時。由于燃燒焓是一個較大的數(shù)值，而得到四性結果是諸多燃燒焓之差，因此容易產生誤差，故在燃燒焓測定時要準確，特別是克扣除飼料燃炕焓時更應注意。另者給藥后要經過一個時間動物才能恢復到藥前狀態(tài)，因此實驗時隨時臨控動物的體征，根據(jù)藥物有效成分在體內代謝的半衰期，先初步估計藥物代謝完全所需時間，然后再進一步取血樣分析，確保藥物代謝完全和動物恢復動給藥前狀態(tài)。由表2可知用本法測得黃連的四性值為SQ＞0，說明服用黃連使機體基礎代謝降低，呈寒性；吳茱萸為SQ＜0，相反呈熱性；甘草SQ接近0，故為平性中藥。本文所創(chuàng)四性研究方法還適用于單成分西藥藥性研究。

本研究首次從理論上建立了中藥四氣的理論數(shù)學模型，并進行了初步驗證工作，相關的大樣本實驗驗證工作正在展開，相信中藥四性的研究工作即將取得突破性進展[14-15]。如將本結果與中藥譜效學，中藥譜動學、中藥遺傳統(tǒng)計學、中醫(yī)藥狀態(tài)函數(shù)等新生邊緣學科結合，可深入研究中四性與五味功效的關系，我想信中藥藥性理論研究必將開啟新的研究時代。

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