基于代謝組學(xué)/藥動學(xué)整合策略的多組分中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究＊

李明會，阮玲玉，趙文龍，孟輝輝，汪俊松

（南京理工大學(xué)分子代謝中心 南京 210094）

1 引言

中藥是中華文明及醫(yī)學(xué)寶庫中的明珠，幾千年來一直有效的保護(hù)著炎黃子孫的生命健康，時至今日仍然是國民醫(yī)療的重要手段，尤其是對于現(xiàn)代人群中常見的各類亞健康及慢性難治性疾病的治療上，發(fā)揮著化學(xué)藥不可替代的重要作用。中藥常以復(fù)方入藥，其含有的幾百上千種成分進(jìn)入人體后如何發(fā)揮作用，即物質(zhì)基礎(chǔ)研究，是一非常艱巨的任務(wù)，正成為制約中藥打入國際市場、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)化的一大瓶頸問題[1]。采用西方植物藥的思想，分離每一個單體化合物后再評價活性，雖然作用靶點(diǎn)及機(jī)制明確，但是中藥各組分相互分離后，其內(nèi)在的系統(tǒng)聯(lián)系亦被割裂，交互作用隨即消逝，中藥多組分、多靶點(diǎn)、多途徑的協(xié)同作用機(jī)制無法展現(xiàn)，也就難以反映其整體辨證施治的優(yōu)勢所在。事實(shí)上，中藥的整體療效通常取決于復(fù)方中多種藥效物質(zhì)的綜合作用[2]，采用西方植物藥研究方法無法闡明中醫(yī)藥的科學(xué)內(nèi)涵，因此需要發(fā)展一種符合傳統(tǒng)中醫(yī)藥整合調(diào)節(jié)配伍機(jī)制的有效組分發(fā)現(xiàn)新方法。

中藥經(jīng)口服后，經(jīng)過腸吸收、組織分布、肝代謝以及腎排泄這一系列復(fù)雜的藥代動力學(xué)過程，中藥中存在的許多藥物原型有的直接入血后被送達(dá)各個病灶，有的則被代謝成其他物質(zhì)或被排泄，然而，多組分中藥的藥代動力學(xué)研究與單一活性成分的化合物相比極其復(fù)雜。與此同時，中藥原型成分及其代謝產(chǎn)物在體內(nèi)共生腸道微生物以及各種肝藥酶的代謝處置下，又會在不同程度上引起了機(jī)體代謝物組也即內(nèi)源性小分子代謝輪廓的改變以及腸道微生物代謝物的改變，這一系列的中藥成分和體內(nèi)小分子代謝物量變的最終體現(xiàn)就是中藥臨床療效的有效發(fā)揮。

2 中藥多組分藥代動力學(xué)研究

圖1 中藥藥代動力學(xué)的主要流程圖

中藥藥代動力學(xué)（pharmacokinetics，PK）是定量研究中藥組分在生物體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）等動態(tài)規(guī)律的一門學(xué)科（圖1）[3]。中藥組分復(fù)雜，并且中藥的功效差異與組分在體內(nèi)的ADME過程密切相關(guān)。正確揭示符合中藥代謝特征的藥代動力學(xué)一直是探索的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。如何建立符合中藥多成分、多靶點(diǎn)特點(diǎn)的中藥整體藥代動力學(xué)評價體系，是目前需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前國內(nèi)的中藥藥代動力學(xué)研究尚處于探索階段，對中藥復(fù)雜體系的定性定量分析，尤其是中藥藥代動力學(xué)模型的建立，依然發(fā)展緩慢。有學(xué)者采用一次性同時定量多個單體成分，或者采用有效部位同時定量的藥動學(xué)，以此來替代中藥的藥動學(xué)特征，這樣做雖然整體上符合中藥組分協(xié)同用藥的整體思想，但是中藥組分眾多，各個組分藥動學(xué)特征往往差異很大，單體成分的藥動學(xué)參數(shù)簡單疊加并不能代替整體藥動學(xué)效應(yīng)，雖能體現(xiàn)單體間的相互作用，但無法反應(yīng)中藥的整體性，無法指導(dǎo)中藥臨床用藥，仍需尋找一個更佳的整體中藥藥動學(xué)模型和方案。同時，中藥復(fù)方作為中醫(yī)臨床用藥的最常見形式，經(jīng)組方配伍后化學(xué)成分更加復(fù)雜，人們?yōu)榱搜芯拷M方結(jié)構(gòu)對藥效成分的藥動學(xué)特征的影響，有學(xué)者采用不同的藥材配伍比例，分別研究其主要藥效成分的體內(nèi)藥代動力學(xué)過程，以此來證明藥材不同比例對有效成分的ADME過程的影響。但這些都不足以完整反映中藥的整體性特征。

此外，多組分中藥藥代動力學(xué)的評價方法除了血藥濃度法之外，還可以以藥理效應(yīng)為指標(biāo)，通過測定藥效的經(jīng)時過程，從而反映體內(nèi)藥物分子的動態(tài)變化，稱之為藥理效應(yīng)法[4]。該方法優(yōu)點(diǎn)在于能從整體觀點(diǎn)出發(fā)研究中藥的藥代動力學(xué)特征，更接近中醫(yī)理論體系。該法對于研究那些有效成分不明的中藥藥代動力學(xué)來說尤其有用。但是該方法需要假設(shè)藥物在體內(nèi)呈線性動態(tài)變化，且其濃度與給藥劑量和藥效強(qiáng)度均存在對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。合理正確地選擇相應(yīng)的藥效指標(biāo)，對于藥理效應(yīng)法的中藥藥代動力學(xué)研究也是十分重要的。

3 中藥代謝組學(xué)研究

代謝組學(xué)是模仿蛋白組學(xué)的研究思想，利用核磁、質(zhì)譜等現(xiàn)代分析平臺，對生物體體液、組織中的所有小分子代謝物進(jìn)行定性定量分析。通過F分析藥物、基因、環(huán)境等作用下的“代謝表型”，認(rèn)識機(jī)體的生理生化狀態(tài)，篩選出能表征機(jī)體功能狀態(tài)的生物標(biāo)志物。由于代謝組學(xué)與中醫(yī)藥學(xué)都是以整體思維模式來研究機(jī)體和藥物的相互作用，代謝組學(xué)也是研究具有多靶點(diǎn)作用中藥的重要手段[5]。中藥代謝組學(xué)表征的是中藥治療后生物體生物功能恢復(fù)的情況，這與中藥的多組分、多靶點(diǎn)、協(xié)同作用的特征不謀而合，因此中藥代謝組學(xué)的研究在中藥藥效作用、臨床療效、質(zhì)量控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。在疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中，細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)和蛋白含量的微小變化都會引起機(jī)體內(nèi)源性小分子代謝物種類、濃度也隨之發(fā)生對應(yīng)的變化，使病人的代謝譜與對照產(chǎn)生差異。通過代謝組學(xué)分析患者和健康生物樣本的代謝譜差異，可以發(fā)現(xiàn)與疾病密切相關(guān)的特異性生物標(biāo)志物，為疾病的病理變化機(jī)制提供重要的參考[6]。

中藥復(fù)方是主要的中醫(yī)臨床用藥形式，具有多組分、多通路、多靶點(diǎn)、協(xié)同作用的特點(diǎn)，采用中藥代謝組學(xué)的研究思路，將中藥復(fù)方給予模型動物后，對其體內(nèi)小分子代謝物進(jìn)行分析，結(jié)合主成分分析（PCA）、偏最小二乘-判別分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘-判別分析（OPLS-DA）以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)（Correlation networks）等各種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，篩選出能代表復(fù)方療效的差異代謝物，由此推測相應(yīng)的代謝通路和復(fù)方的作用機(jī)制，并運(yùn)用其他分子生物學(xué)手段進(jìn)行機(jī)制驗(yàn)證（圖2）。這一研究思路近年來在中藥藥效代謝組學(xué)的相關(guān)研究比較普遍，通過檢測內(nèi)源性物的變化趨勢，提示中藥發(fā)揮作用的可能代謝途徑，從現(xiàn)代藥理學(xué)的角度揭示中藥的作用機(jī)制。

但是，中藥藥效代謝組學(xué)研究也存在著成分不清、科學(xué)問題不明確、缺乏深入的靶點(diǎn)探索等問題。如何將生物體內(nèi)代謝物的變化與相應(yīng)的中藥化學(xué)成分進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時如何將不同平臺的中藥代謝組學(xué)結(jié)果進(jìn)行整合，以及如何將中藥代謝組學(xué)結(jié)果與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等其他的系統(tǒng)生物結(jié)果進(jìn)行有機(jī)的整合，通過形成一套完整的整體組學(xué)策略，來研究中藥復(fù)方的多靶點(diǎn)、多效應(yīng)，是中藥代謝組學(xué)亟待解決的問題[7]。

4 聯(lián)合藥代動力學(xué)/代謝組學(xué)的中藥物質(zhì)基礎(chǔ)研究

多組分中藥和生物有機(jī)體相互作用和影響，會產(chǎn)生治療效果以及相應(yīng)的藥理反應(yīng)。同時，生物有機(jī)體對多組分中藥也會產(chǎn)生作用，從而影響藥物化學(xué)成分在體內(nèi)的吸收，分布，代謝和排泄過程[8]。由于中藥成分極其復(fù)雜，并且藥效成分間存在藥物相互作用，以及個體間代謝狀態(tài)的差異，導(dǎo)致了入血藥物分子的代謝和處置存在巨大的個體間差異，因此使用經(jīng)典藥動學(xué)方法無法完全對它們進(jìn)行ADME研究，而且很難真正精確的闡明中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)，也即經(jīng)典中藥藥動學(xué)說不清什么物質(zhì)在起效，也說不清該物質(zhì)在體內(nèi)的動力學(xué)變化，其變化與藥效的關(guān)系也不明確。因此，需要探索能夠有效預(yù)測多組分中藥的個體化PK策略。

與此同時，中藥的體內(nèi)藥動學(xué)過程可以引起內(nèi)源性小分子代謝物組的變化，而這些變化則與生物體的生理、病理狀態(tài)平衡直接相關(guān)，中藥的體內(nèi)藥動學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是反映了藥物有效成分（入血成分）對內(nèi)源性標(biāo)志物的平衡打破與再平衡的過程。中藥代謝組學(xué)技術(shù)正是一項(xiàng)發(fā)掘中藥物質(zhì)基礎(chǔ)和藥理活性的重要研究手段，將中藥代謝組學(xué)與經(jīng)典中藥藥動學(xué)相關(guān)聯(lián)，就可以擺脫傳統(tǒng)中藥藥動學(xué)的固有限制，將精力轉(zhuǎn)向內(nèi)源性代謝物的動態(tài)平衡研究，其研究結(jié)果對于闡明中藥作用物質(zhì)基礎(chǔ)、作用機(jī)制及其科學(xué)內(nèi)涵，拆方組方設(shè)計(jì)合理化給藥方案等具有重要的意義。羅國安等[9]認(rèn)為中藥復(fù)方和人體之間是一個“干預(yù)-應(yīng)答”相互作用的生物學(xué)過程，而這種應(yīng)答可以用代謝組學(xué)來準(zhǔn)確表征。代謝組學(xué)可以間接地反映中藥復(fù)方的藥代動力學(xué)的特征，甚至能反映藥動學(xué)個體差異。

圖2 中藥代謝組學(xué)的基本研究思路

圖3 整合代謝組學(xué)-藥動學(xué)的研究流程

整合藥動學(xué)-代謝組學(xué)的中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究，最根本的就是牢牢把握中藥藥效的經(jīng)時過程，從中選擇藥效最佳的時間點(diǎn)，進(jìn)行中藥藥效的代謝組學(xué)研究。這樣才能保證中藥的物質(zhì)基礎(chǔ)研究與臨床療效最大程度地相關(guān)，保證所研究的化學(xué)成分是確切的有效成分，以及能夠根據(jù)差異代謝譜預(yù)測其多靶點(diǎn)信息。由于證候是中醫(yī)特色，中藥又有多藥效、多靶點(diǎn)、整體作用的特征，因此選擇藥效指標(biāo)需要整體、全面，且與治療作用有直接關(guān)系，或選擇綜合多指標(biāo)評價體系，以利于中藥療效評價。藥效最佳條件下，通過UPLC-QTOF/MS、NMR等手段分析同時測定入血的藥物分子（原型或代謝物）以及體內(nèi)小分子代謝物譜，通過生物學(xué)意義的闡釋，代謝網(wǎng)絡(luò)分析，以及將代謝物映射到生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG等），從而可以追根溯源，找出藥物作用的多成分、多靶點(diǎn)信息（圖3）。

圖4 整合代謝組學(xué)-藥動學(xué)的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析

總而言之，基于代謝組學(xué)-藥代動力學(xué)的中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究策略，就是在充分考慮到中藥多組分藥代動力學(xué)研究成分復(fù)雜，動力學(xué)過程無合適的數(shù)學(xué)模型，難以認(rèn)識中藥整體觀等問題后，將中藥藥效成分的研究化繁為簡，在體內(nèi)藥效學(xué)考察的基礎(chǔ)上，同時檢測中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)（入血成分），以及內(nèi)源性小分子代謝產(chǎn)物譜，并應(yīng)用O2PLS（two-way orthogonal partial least squares）、sPLS（sparse partial least squares）、CCA（canonical correlation analysis）等關(guān)聯(lián)分析方法將化合物組和代謝物組進(jìn)行關(guān)聯(lián)（圖4）[10]，結(jié)合數(shù)據(jù)庫并根據(jù)分子生物學(xué)手段，追溯上游靶點(diǎn)，從而達(dá)到闡明中藥治療疾病的多靶點(diǎn)協(xié)同作用以及中藥體內(nèi)藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的目標(biāo)。這種自下而上的研究模式有利于克服當(dāng)前中藥藥動學(xué)和中藥代謝組學(xué)研究中的種種不利因素，牢牢把握疾病-人體-中藥三者之間的因果關(guān)系，是一套完全符合中醫(yī)藥整體觀的研究方法論，使得對中藥復(fù)雜體系的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究變得有的放矢，另辟蹊徑，為中藥功效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究開辟了局面。

5 展望

中藥以“多組分、多靶點(diǎn)、多途徑”的方式發(fā)揮作用，需要研究者多角度全方位的思考中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究的突破口，不斷系統(tǒng)深入的發(fā)掘。在中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究中，引入代謝組學(xué)和中藥藥代動力學(xué)整合技術(shù)，對中醫(yī)藥的基礎(chǔ)研究而言是一項(xiàng)創(chuàng)新。雖然整合代謝組-藥動學(xué)的中藥物質(zhì)基礎(chǔ)研究在最近幾年取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在一定的不足，如還沒有建立完全符合中醫(yī)特點(diǎn)的、整體觀念的研究理論，藥效學(xué)指標(biāo)的選擇無法全面反映多功效中藥的各種臨床療效，代謝組的現(xiàn)有技術(shù)手段還做不到精準(zhǔn)檢測體內(nèi)所有小分子代謝物等。因此，基于整合策略的中藥功效物質(zhì)基礎(chǔ)的研究方法和思路還有很多方面需要進(jìn)一步提升。總之，建立符合中醫(yī)理論特色的研究體系，闡明中藥的作用機(jī)制、科學(xué)內(nèi)涵、物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)中藥新藥開發(fā)，推動中藥現(xiàn)代化和國際化，意義重大而任重道遠(yuǎn)。