生物信息學(xué)在中藥及復(fù)方研究中的應(yīng)用概況*

卞慶來 李 琳

中藥及復(fù)方的作用機(jī)制除藥理學(xué)作用外還與機(jī)體自身的調(diào)節(jié)作用有關(guān)。因此，基于藥物化學(xué)成分的中藥及復(fù)方的研究難以體現(xiàn)機(jī)體生物網(wǎng)絡(luò)的整體性和中醫(yī)學(xué)整體觀念的特點(diǎn)。近年來，隨著生物信息學(xué)新理論、新技術(shù)的不斷發(fā)展，中醫(yī)藥和生物信息學(xué)聯(lián)合數(shù)據(jù)庫的建設(shè)日臻完善，中藥及復(fù)方作用機(jī)制的研究誕生了新的視角。目前，生物信息學(xué)主要應(yīng)用于中藥及復(fù)方的物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制、功效、歸經(jīng)及配伍規(guī)律、優(yōu)化組分結(jié)構(gòu)等方向，為系統(tǒng)解析中藥及復(fù)方多成分、多途徑、多靶點(diǎn)的特點(diǎn)和傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論注入了新的活力。

1 應(yīng)用生物信息學(xué)研究中藥及復(fù)方的物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制

在中藥及復(fù)方物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制的研究中，研究對(duì)象主要是藥物化學(xué)成分和藥物代謝入血成分等的藥理學(xué)、藥代動(dòng)力學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)，能部分揭示中藥及復(fù)方中某些成分的物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制，但難以體現(xiàn)中藥及復(fù)方的整體性，不利于從整體層面解析多成分的中藥復(fù)方通過多種途徑和多種機(jī)制對(duì)人體生物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生作用的過程。

為了彌補(bǔ)“單藥物-單基因-單疾病”的藥物研發(fā)模式的不足，HOPKINS教授[1]提出了“網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)”這一將生物信息學(xué)和藥理學(xué)相融合的學(xué)科概念。這一概念與中醫(yī)學(xué)的整體觀念和中藥及復(fù)方的多成分、多途徑、多靶點(diǎn)特點(diǎn)相互契合。因此，越來越多的中醫(yī)藥研究者將生物信息學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中藥及復(fù)方的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制的研究中。2008—2018年收錄于Web of Science和PubMed數(shù)據(jù)庫的中醫(yī)藥聯(lián)合生物信息學(xué)的454篇論文中，有223篇涉及復(fù)方研究[2]。生物信息學(xué)與中藥復(fù)方物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制研究的結(jié)合減少了對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行逐一研究所需要的工作量，研究?jī)?nèi)容可簡(jiǎn)要概括為“活性成分篩選-作用靶點(diǎn)預(yù)測(cè)-功能富集分析-結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”。

這一研究思路在中醫(yī)藥防治新冠肺炎的研究中也得到了應(yīng)用，研究者探索了“三藥三方”在新冠肺炎的中醫(yī)藥防治中體現(xiàn)的多成分、多靶點(diǎn)、多通路的特點(diǎn)和“三藥三方”作用機(jī)制的異同。蔡羽等[3]分別構(gòu)建了“三藥三方”中的6個(gè)復(fù)方中藥組成的數(shù)據(jù)庫，通過ETCM數(shù)據(jù)庫和BATMAN-TCM構(gòu)建“成分-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)，再應(yīng)用TBtools生信工具、STRING數(shù)據(jù)庫、DAVID數(shù)據(jù)庫、Metascape數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交集分析、蛋白互作網(wǎng)絡(luò)、KEGG通路分析，最后通過分子對(duì)接軟件對(duì)13種交集化合物與12種關(guān)鍵蛋白完成分子對(duì)接模型實(shí)驗(yàn)。另外，還使用 D3Targets-2019-nCoV數(shù)據(jù)庫對(duì)“三藥三方”活性成分與新冠病毒相關(guān)蛋白進(jìn)行分子對(duì)接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步揭示“三藥三方”通過多成分-多靶點(diǎn)-多通路的綜合調(diào)控和異同之處。

通過對(duì)2種或2種以上復(fù)方治療同一疾病的“成分-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，可運(yùn)用生物信息學(xué)技術(shù)探索中醫(yī)學(xué)同病異治理論的生物學(xué)基礎(chǔ)。靳會(huì)會(huì)等[4]利用TCMSP和BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫獲得了柴胡加龍骨牡蠣湯的成分和對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)后，與GeneCards數(shù)據(jù)庫中冠心病和焦慮癥相關(guān)疾病靶點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，使用R語言進(jìn)行通路富集分析后構(gòu)建柴胡加龍骨牡蠣湯的“活性成分—靶點(diǎn)—通路”網(wǎng)絡(luò)，最后使用AutoDock vina軟件對(duì)關(guān)鍵靶點(diǎn)和主要活性成分進(jìn)行分子對(duì)接，發(fā)現(xiàn)了柴胡加龍骨牡蠣湯中74個(gè)有效活性成分參與調(diào)控92個(gè)共同靶點(diǎn)，初步揭示了柴胡加龍骨牡蠣湯對(duì)冠心病和焦慮癥異病同治的多成分、多靶點(diǎn)、多通路的作用機(jī)制。趙燦等[5]分別構(gòu)建了茯苓杏仁甘草湯、橘枳姜湯的靶點(diǎn)與冠心病相關(guān)的相互作用網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了共同和特異性的靶點(diǎn)和通路，最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鐾诰虺鲋委煿谛牟〉臐撛陉P(guān)鍵靶點(diǎn)和重要通路。另一方面，陳銘泰等[6]以逍遙散入手，基于生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)逍遙散對(duì)抑郁癥和動(dòng)脈粥樣硬化癥的作用機(jī)制上可能存在共有的信號(hào)通路，包括氧化應(yīng)激、神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等，與目前對(duì)抑郁癥和動(dòng)脈粥樣硬化癥的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)識(shí)基本一致，為基于異病同治理論進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究逍遙散對(duì)抑郁癥和動(dòng)脈粥樣硬化癥的作用機(jī)制提供了依據(jù)。朱虹宇等[7]發(fā)現(xiàn)交泰丸中黃連和肉桂中含有的20個(gè)化合物可作用于92個(gè)靶點(diǎn)，從而發(fā)揮治療抑郁癥、糖尿病和失眠的作用。生物信息學(xué)分析顯示HTR2A和HTR2C是交泰丸治療以上3種疾病的共同靶點(diǎn)。對(duì)3種疾病特有靶點(diǎn)的GO和KEGG通路富集的部分分析揭示了交泰丸治療3種不同疾病異病同治的理論基礎(chǔ)。

除了經(jīng)典中藥復(fù)方外，有學(xué)者采用此研究思路對(duì)經(jīng)驗(yàn)方和自擬方展開了探索。如趙子龍等[8]采用“藥材-成分-靶點(diǎn)-通路”關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析方法探索自擬排石湯治療泌尿系統(tǒng)結(jié)石的多成分、多靶點(diǎn)、整體調(diào)節(jié)的作用特點(diǎn)，認(rèn)為自擬排石湯防治泌尿系結(jié)石的作用可能與抗炎和抗氧化應(yīng)激等機(jī)制有關(guān)。劉洪等[9]對(duì)自擬方胃萎清治療慢性萎縮性胃炎的重要靶點(diǎn)和通路進(jìn)行生物信息分析，發(fā)現(xiàn)自擬方中的槲皮素可能是其治療慢性萎縮性胃炎的重要成分之一。

然而，對(duì)中藥及復(fù)方的單純生物信息學(xué)預(yù)測(cè)顯得相對(duì)單薄，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)開展分子生物學(xué)水平以及細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為科學(xué)結(jié)論并有效應(yīng)用于臨床治療。生物信息學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證方式有很多種，比如文獻(xiàn)驗(yàn)證、分子對(duì)接驗(yàn)證以及細(xì)胞驗(yàn)證、分子水平上的驗(yàn)證，采用生物信息學(xué)預(yù)測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究方式能更深入地揭示中藥復(fù)方的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制。如ZUO等[10]研究清絡(luò)飲治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎熱證的作用機(jī)制。研究者利用生物信息學(xué)對(duì)清絡(luò)飲的作用機(jī)制進(jìn)行預(yù)測(cè)后，結(jié)合代謝組學(xué)技術(shù)開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果與生信預(yù)測(cè)結(jié)果一致。研究者認(rèn)為清絡(luò)飲主要通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎大鼠嘌呤、嘧啶和磷酸戊糖的代謝而發(fā)揮治療作用，并挖掘出苦參堿可能具有抗風(fēng)濕作用。在前期研究的基礎(chǔ)上，研究者將對(duì)苦參堿抗風(fēng)濕作用的生物學(xué)活性和苦參堿對(duì)清絡(luò)飲全方的貢獻(xiàn)度進(jìn)行深入探討。

為了探究具有類似功效的中藥在生物學(xué)基礎(chǔ)上的共性特征，ZHENG等[11]對(duì)22味扶正類中藥治療腫瘤的生物學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行研究，并與25味驅(qū)邪類中藥進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)扶正類中藥在腫瘤免疫微環(huán)境調(diào)節(jié)和腫瘤預(yù)防方面具有很大的潛在價(jià)值，該研究為扶正類中藥在腫瘤治療中的生物學(xué)基礎(chǔ)共性提供了系統(tǒng)性的研究方案，在一定程度上揭示了中藥扶正和驅(qū)邪的科學(xué)內(nèi)涵，為基于中藥傳統(tǒng)功效的現(xiàn)代藥理學(xué)研究帶來了全新的思路。

另外，還有學(xué)者運(yùn)用反向思維，首先運(yùn)用生物信息學(xué)方法對(duì)疾病的關(guān)鍵基因進(jìn)行篩選，根據(jù)篩選結(jié)果和中醫(yī)藥生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫預(yù)測(cè)出可能治療該疾病的中藥，從而尋找該疾病的藥物靶標(biāo)。曹云等[12]基于R語言運(yùn)用生物信息學(xué)方法對(duì)美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)中心的原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，獲得了缺血性腦卒中患者的14個(gè)顯著差異表達(dá)基因，將關(guān)鍵基因映射到Coremine Medical數(shù)據(jù)庫后，對(duì)“藥物-活性成分-作用靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)丹參、西紅花、黃芩、火麻仁4味中藥及其活性成分可靶向作用于缺血性腦卒中，為該病的中醫(yī)藥治療提供了新的研究思路。

2 生物信息學(xué)在中藥炮制 功效 歸經(jīng)及配伍中的應(yīng)用

中藥的炮制、功效、歸經(jīng)及配伍規(guī)律等特有概念難以用現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的語言解釋。如厚樸“發(fā)汗”的炮制方法、升麻“透疹”的功效，中藥配伍中君臣佐使和相須相使的原則等等。生物信息學(xué)的興起為挖掘這些中醫(yī)特色名詞背后的信息提供了新的思路。

鄭義蕾等[13]通過生物信息學(xué)技術(shù)對(duì)“發(fā)汗”前后厚樸差異成分靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為厚樸的“發(fā)汗”是化學(xué)成分相互作用的結(jié)果。其中，厚樸酚和β-桉葉醇等化合物的含量發(fā)生了改變，在一定程度上揭示了厚樸“發(fā)汗”這一傳統(tǒng)中醫(yī)藥概念的科學(xué)內(nèi)涵。孟祥龍等[14]構(gòu)建熟地黃的“化合物-靶點(diǎn)-基因”網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)合HPLC-MS檢測(cè)，探討遵循古法的熟地黃“九蒸九曬”炮制過程與美拉德反應(yīng)的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)第5次蒸曬可達(dá)到最佳效果，而以黃酒作為輔料進(jìn)行炮制可以使美拉德的反應(yīng)進(jìn)程加快，這些原因可能使熟地黃在炮制過程中產(chǎn)生了具有止血和改變血流變效果的物質(zhì)。

在中藥歸經(jīng)的應(yīng)用方面，王俊堯等[15]對(duì)《中華人民共和國(guó)藥典》中記載的歸肝經(jīng)的藥物及所治疾病之間的關(guān)系進(jìn)行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)歸肝經(jīng)中藥的靶點(diǎn)與精神類疾病、血液病以及婦科疾病關(guān)聯(lián)程度較高，這與中醫(yī)理論中肝的生理特性有一定的關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了生物信息學(xué)在中藥歸經(jīng)研究中的應(yīng)用價(jià)值。中藥功效的描述例如解表、祛濕、潤(rùn)燥等名詞雖極具特色但十分抽象，難以解釋。祝婧等[16]分析了升麻治療麻疹的活性成分，對(duì)靶點(diǎn)和通路富集進(jìn)行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)升麻發(fā)揮“透疹”作用與其對(duì)炎癥因子和炎癥相關(guān)通路的影響密切相關(guān)，解讀了中藥傳統(tǒng)功效的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)內(nèi)涵。受這一思路的啟發(fā)，中醫(yī)藥學(xué)中特有的“上火”“發(fā)物”等名詞或許也能通過生物信息學(xué)來揭示其中的奧秘。

中醫(yī)師在臨床實(shí)踐中，經(jīng)常運(yùn)用藥對(duì)如“桂枝-芍藥”“丹參-葛根”等來提高療效。在這類藥對(duì)的機(jī)制研究中，馬陽等[17]為了探討“葛根-丹參”藥對(duì)配伍治療冠心病的作用機(jī)制，對(duì)獲取的“葛根-丹參”藥對(duì)的活性成分和作用靶點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和富集分析，發(fā)現(xiàn)“葛根-丹參”配伍能夠調(diào)節(jié)PI3K-Akt、TNF和Jak-STAT等信號(hào)通路，且與血管生成和炎癥反應(yīng)等過程密切相關(guān)。在中藥復(fù)方“君臣佐使”配伍基本原則的研究方面，WU等[18]整合急性心肌缺血相關(guān)基因、蛋白質(zhì)相互作用和基因芯片實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，建立了急性心肌缺血的Organism Disturbed網(wǎng)絡(luò)，并開發(fā)了NRI-ODN這一指數(shù)從網(wǎng)絡(luò)的角度來評(píng)價(jià)芪參益氣方的功效及組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全方的NRI-ODN評(píng)分均大于方中的各味藥，且方中的各味藥物的評(píng)分由高到低的順序與“君臣佐使”的順序一致，從分子網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)通路的角度揭示了“君臣佐使”的配伍原則，極具創(chuàng)新性。

3 生物信息學(xué)應(yīng)用于中藥及復(fù)方研究中存在的問題

生物信息學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了中藥及復(fù)方現(xiàn)代化的研究進(jìn)程，提高了中藥及復(fù)方研究的效率與深度。但在研究過程中存在一些問題：①目前已經(jīng)建成的成熟的中醫(yī)藥生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫如TCMSP[19]、TCMD[20]、TCMID[21,22]、HIT[23]以及BATMAN-TCM[24]等，為中藥及復(fù)方的生物信息學(xué)相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)。然而，這些數(shù)據(jù)庫的規(guī)模相對(duì)于日益增長(zhǎng)的研究需求而言顯得相對(duì)不足，同一味藥物在不同數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索時(shí)獲得的結(jié)果差別較大；數(shù)據(jù)信息缺失較多。許多常用藥物如龍骨、牡蠣、地龍等礦物類和動(dòng)物類藥物未被數(shù)據(jù)庫收錄，建議新建常用礦物類和動(dòng)物類中藥的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫；有些中藥復(fù)方如薯蕷丸包含的藥物較多，在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中檢索每味中藥的信息時(shí)顯得繁瑣，而且需聯(lián)合多個(gè)數(shù)據(jù)庫才能得到相對(duì)完整的復(fù)方數(shù)據(jù)，建議數(shù)據(jù)庫建設(shè)時(shí)除了對(duì)單味中藥進(jìn)行檢索外，還可通過中藥復(fù)方的名稱進(jìn)行整體檢索，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建常見方劑的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫，方便研究者使用；數(shù)據(jù)庫中存在概念的混淆與錯(cuò)誤。一些名字相同的復(fù)方中所包含的藥物其實(shí)是不同的，例如清暑益氣湯來源有二，一為吳鞠通所著的《溫病條辨》，二為李東垣所著的《脾胃論》，二者在組方和功效上均存在明顯差異，數(shù)據(jù)庫收錄時(shí)應(yīng)注明其方劑來源并加以區(qū)別，避免出現(xiàn)復(fù)方名稱的混淆。另外，同一藥物經(jīng)過不同炮制，其化學(xué)成分和作用靶點(diǎn)也應(yīng)有差異，例如麻黃與炙麻黃、炒白芍與生白芍以及生半夏和姜半夏等，然而這一點(diǎn)在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中未能體現(xiàn)，無法展現(xiàn)炮制對(duì)于中藥成分的影響。建議整合國(guó)內(nèi)外科研院所和高校之間的優(yōu)勢(shì)資源，培養(yǎng)中醫(yī)藥與數(shù)據(jù)庫建設(shè)的復(fù)合型人才，設(shè)置專項(xiàng)計(jì)劃和資金用于中藥及復(fù)方數(shù)據(jù)庫資源的開發(fā)與利用，爭(zhēng)取在數(shù)據(jù)庫的完整性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性和方便性上取得突破。②在應(yīng)用生物信息學(xué)的中藥及復(fù)方研究中，研究者主要依靠計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)生物信息學(xué)的預(yù)測(cè)和分析，預(yù)測(cè)結(jié)果大多缺乏驗(yàn)證，研究?jī)?nèi)容存在“重預(yù)測(cè)、輕驗(yàn)證”的現(xiàn)象，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果未展開深入的探索。因此，今后的研究方向應(yīng)向驗(yàn)證方面?zhèn)戎?，向?qū)嶋H應(yīng)用方面?zhèn)戎?，并在方法學(xué)上尋找適合驗(yàn)證中藥及復(fù)方生物信息預(yù)測(cè)結(jié)果的技術(shù)。③中藥及復(fù)方的生物信息學(xué)預(yù)測(cè)和分析結(jié)果是基于中藥及復(fù)方中的化學(xué)成分或活性成分，然而，中藥在煎煮過程中其化學(xué)成分又會(huì)相互作用，有些化學(xué)成分本身并無活性，經(jīng)人體代謝后的產(chǎn)物才產(chǎn)生效果。還有一些大分子物質(zhì)如多糖類物質(zhì)不進(jìn)入血液循環(huán)，而是在腸道與調(diào)節(jié)腸道菌群相互作用[25]，進(jìn)而產(chǎn)生效果。因此中藥及復(fù)方的生物信息學(xué)預(yù)測(cè)和分析結(jié)果應(yīng)結(jié)合藥物代謝動(dòng)力學(xué)以及代謝組學(xué)等技術(shù)聯(lián)合研究，分析清楚中藥及復(fù)方作用于機(jī)體的來龍去脈。由于中藥及復(fù)方中的化學(xué)成分和相互作用關(guān)系過于復(fù)雜，這些問題也是目前中藥及復(fù)方研究中的難點(diǎn)，若不解決這些細(xì)節(jié)的問題，還是難以完整揭示“一鍋湯”的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制。

4 結(jié)語

生物信息學(xué)作為在人類基因組計(jì)劃實(shí)施過程中應(yīng)運(yùn)而生的一門新興學(xué)科，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，推動(dòng)著自然科學(xué)的發(fā)展。“后基因組”時(shí)代的今天，生物信息學(xué)已在中藥及復(fù)方的研究中嶄露頭角，但這把新鑰匙能否打開傳統(tǒng)中醫(yī)藥研究尤其是中藥及復(fù)方研究的大門，還需要中醫(yī)藥學(xué)者和生物信息學(xué)專家進(jìn)行深度的多學(xué)科交叉研究，尤其是要整合多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)跨學(xué)科人才，為中藥及復(fù)方的研究找到合適的思路與方法。