系统药理学论文范文

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1中医药基础理论解析

1.1“君臣佐使”和“相须”“君臣佐使”是中药方剂配伍组成的基本原则之一。中药成分复杂，整体的治疗策略和协同机制是构建中药配方中重要的基本概念。例如在不同的草药甚至同一个草药中，每个成分的结构和生物活性又有明显的不同，而只有少数活性成分具有治疗效果［39］。如此巨大的成分混合体，如何解读中药配伍规则是一个巨大的难题。在先前的工作中，以麻黄汤为例，作者利用系统药理学方法揭示了中药的配伍原则的科学内涵。麻黄汤由麻黄、桂枝、杏仁和甘草这四味中草药组成。借助我们开发的系统药理学模型，我们从药代动力学互作、药物－靶点网络、靶点－疾病网络，从分子和系统水平证实了这四个草药在处方中的不同角色地位，如图2所示。主要发现如下：1）通过ADME筛选共筛出麻黄汤中的45个活性物质，其中麻黄有14个，包括麻黄碱，伪麻黄碱，N甲基麻黄碱，槲皮素等；桂枝有10个，包括桂皮醛，桂皮酸，香豆素等；杏仁有9个，包括苦杏仁苷，豆甾醇等；甘草有12个活性分子，包括甘草酸，18β甘草次酸，甘草苷等。2）君药麻黄在配方中起主导作用，主要通过作用于主药靶肾上腺素受体来刺激机体发热平喘。3）臣药桂枝通过作用于与君药相同的靶点来增强君药的药理作用，例如，通过共同作用于β1肾上腺素受体和β2肾上腺素受体以减少君药所需剂量。4）佐、使草药杏仁和甘草可提高君、臣药的生物利用度，协调他们各成分的活性。四种草药通过增加生物利用度或促进不同药物的协同作用等来治疗疾病。综上，我们从系统水平阐明了君臣佐使丰富的科学内涵，对中药复方配伍机理的系统深入研究具有重要意义。借助同样的方法，我们以川芎、降香、延胡索为例，阐明了中药“相须”理论［38］。

1.2“补气补血”的物质基础［34］气血是构成人体维持生命活动的基本要素，又是脏腑经络等组织器官进行生命活动的物质基础，然而气血本质至今尚未被科学揭示。我们开发了一种新的模型系统，研发了相关气血分子识别公式（QBMR）：基于ADME虚拟筛选，采用人工智能技术和数学建模，并结合网络药理学方法，揭示了气血的本质，阐明了人参等补气中药、当归等补血中药的分子基础和作用机制。研究思路如图3所示。研究结果主要有：1）发现了人参、甘草、黄芪、西洋参、党参、山药、太子参和白术等与补气有关的主要活性成分为异甘草素、党参苷I、罂粟碱、麦角固醇、白术内酯II等。同时，分析了与补血有关的当归，白芍，陈皮，地黄等，其主要有效成分为白芍苷、阿魏酸和地黄苷A。2）建立了补气补血分子预测模型，气血分子识别公式（QBMR）如下：D＝0662×MlogP－0156×Mor27m＋0982×VEA1－0046×H－046－0966×HATSOe－4644Ntr＝908，Nte＝302，Qcv＝833％，Qex＝822％，SEqi＝825％，SPqi＝157％，SEblood＝843％，SPblood＝175％其中，Ntr和Nte分别是内部训练集和外部测试集中化合物的数目；Qcv和Qex分别是内部训练集和外部测试集的分类精度，敏感性SE和精确性SP验证进一步验证了模型的合理性。式中，MlogP、VEA1与补气相关，Mor27m、H和HATSOe与补血相关，这个公式表明补气分子具有更强的亲脂性，而补血分子具有较强的化学反应活性。3）通过系统药理学分析，揭示了补气中药可用于炎症、心血管疾病、代谢类疾病、癌症、中枢神经系统疾病（CentralNervousSystem，CNS）等治疗中。而补血中药通过调控骨髓生长因子、骨髓基质细胞，从而发挥补血功能。基于网络的中药药理学从分子水平上揭示了补气补血中药的本质，同时对中药的补气补血理论研究提供了新的思路。

2阐明中药作用机制

2.1饮片：甘草［40］甘草是一味古老的传统草药，被用作止咳、抗炎、抗溃疡、免疫调节、抗血小板凝结、抗病毒和解毒剂。我们从系统水平阐明甘草如何治疗呼吸系统疾病、心血管疾病、胃肠道疾病、恶性肿瘤和肾脏疾病，也阐明了其为什么被尊称为“国老”，如何“除百毒调和诸药”［40］。甘草中有22个靶标与呼吸系统疾病有关，其中ADRB1，ADRB2，CALM1，PDE4B，PDE4D，HSP90AA1，HSP90AB1，PPARG，THRB和哮喘有关；MMP12和PDE4D与慢性阻塞性肺病有关。甘草素、甘草查尔酮B、柚皮素、山奈酚等作用于靶标ESR1，MMP12和PPARG以抑制冠状动脉粥样硬化；异甘草素、甘草素和甘草苷等黄酮类通过调控HTR2A，PTGS2，F2，CHEK1和PTPN1治疗血栓；甘草查尔酮A和甘草异黄酮作用于靶标HTR1A，OPRD1，GSK3B，HRH1，MAPK10，F2，ADRA2A，AChE治疗心肌缺血，从网络水平揭示了甘草治疗心血管疾病的机制。甘草是一种重要解毒药物，其中的甘草次酸结构和肾上腺皮质激素类似，能够减少毒物吸收，增强机体对毒物的耐受性。PPARG，DPP4，GSK3等能够激活免疫系统，从而发挥抗炎，免疫功能；甘草苷和甘草查尔酮G作用于金属弹性蛋白酶，从而激活巨噬细胞抵抗外物侵袭。此外，甘草作用很多蛋白与其他疾病密切相关。如HTR2A和AKR1B1与糖尿病并发症有关，MAOB，DRD2，DRD3和MAPK10与神经系统疾病有关；CDK2，ESR2，PPARG，PTGS2和CHEK1具有抗肿瘤的作用，而AKR1B1，PDE4D，OPRD1，OPRK1，CHRM2，CHRM4，OPRM1和PTGS2与疼痛相关。这些发现无疑为进一步探究甘草的作用机制提供了重要依据。

2.2复方：复方丹参方［35］复方丹参方是一个治疗心血管疾病的典型方剂，由丹参、三七和冰片三味中药组成。我们采用系统药理学方法对复方丹参方进行了研究，方法如图5所示，结果发现：1）复方丹参方中101个活性化合物，其中56个来自君药丹参，丹酚酸B、丹参酮I、丹参素A是主要有效成分。臣药三七中有29个活性分子，有三七总皂苷、人参皂苷、三七素和槲皮素等。而佐药冰片中仅有9个活性化合物，包括D冰片、L冰片和异冰片。2）复方丹参方通过靶标eNOS，CYP2C9，HSP90s，PPARalpha，gamma和MIF抑制发炎并阻止炎症因子对血管和心肌的损伤。与血管收缩有关的靶标血浆肾素，ACE，胃促胰酶，VDR和VEGFR2的调节可以降低血压。Caspase3，MMP9，MR，TGFβ1R，Ang，AR，PDE4D和sPLA2IIA与血管平滑肌细胞的增殖和凋亡有一定的联系。因此，复方丹参方通过调节这些靶点从而对心血管疾病起到良好的治疗效果。3）化合物和通路的网络表明，糖皮质激素和炎症信号通路、L精氨酸／NO信号通路分别与58、56个化合物相互作用。其中35个化合物能扰乱肾素－血管紧张素－醛固酮通路，31个化合物作用于血小板聚集信号通路。由于这些信号通路与炎症、凝血功能等紧密相关，因此复方丹参方可能通过扰动这些信号通路治疗心血管疾病。4）靶点－疾病网络分析复方丹参方疗效的多样性。其中，复方丹参方通过调节与代谢相关的靶点，如醛糖还原酶，LXRs，PPARs等发挥药效。我们从分子水平上阐明了复方丹参方的治疗机理和“君臣佐使”理论［48］，为复方研究提供了一种新方法。

2.3注射液：热毒宁注射液［11］热毒宁注射液处方源于名老中医经验方，由青蒿、金银花和栀子三味草药组成。目前注射液形式的ADME性质的研究陷入很大的困难，尤其对于中药复杂体系。因此，我们重点解决了如下问题：1）将代谢组学、基因组学以及蛋白组学数据耦合进计算模型中，建立基于组学技术的ADME评价；2）首次提出半衰期评价模型PreDHL，使ADME评价模型更加完整准确；3）开发适合中药特点的ADME评价技术，开展系统水平的药动学、药效学验证技术。最大限度的耦合了重要的ADME性质，包括logS，logP，PPB，Pgp，P450酶代谢产物（2C6，2D9，3A4）和药物半衰期Y（t1／2），筛选出热毒宁注射液中的活性成分，如图6所示。同时这也是首次耦合ADME性质应用于注射液物质基础的研究。本研究也揭示抗病毒的机制，即当感冒病毒入侵后，一方面，热毒宁活性分子通过刺激人体各种免疫通路（如Tolllike受体信号通路，NODlike受体信号通路，Tcell受体信号通路等）以增强人体的自主免疫力；另一方面，热毒宁活性分子通过调控免疫因子或促炎介质（像IL6，IL8，TNFα，COX2等）来治疗炎症。目前，已证实了免疫在病毒感染类疾病中的重要作用［41］以及抗炎在免疫应答中的重要作用［42］，因此，利用草药的免疫应答作用和抗炎作用能为抗病毒药物的研发提供良好的思路和线索。

3新药开发

系统药理学为中药活性物质发现，新药组方提供了重要技术。

3.1活性物质发现［23］系统药理学方法利用计算机模拟结合实验验证的方法，发现中药中的活性分子，推进新药开发。首先，作者基于网络药理学，通过构建药物－靶点网络和靶点－靶点网络寻找多靶药物的潜在靶点。其次，作者重建了天然草药的化合物数据库，通过虚拟筛选多靶化合物。继而通过体外实验验证筛选出的化合物和靶点的可靠性，从而验证基于系统药理学方法的可靠性，为复杂疾病的多靶药物开发和活性物质发现提供了一个新的模型［23］。

3.2新方：红山丹［32］作者首先构建了和心血管疾病相关的药物－靶点网络，靶点－靶点网络和药物－药物网络，进而结合ADME筛选药物和反向药物靶点筛选，构建了与心血管相关的药物分子和药理学数据库。从中筛选出心血管疾病治疗中应用最广泛的一味中药丹参，根据丹参的相关通路，最终选择了红花、山楂作为辅药，形成新的药物组合－红山丹，最后通过实验验证模型的可靠性，为新药开发提供指导。具体研究思路如图7所示。新药组合红山丹中，红花和山楂对应了丹参的10条通路，表明他们有潜在的协同作用。网络药理分析表明，红山丹中有56个与心血管相关的靶点，大多数靶点高度相连，为了进一步证实靶点之间的关联性，我们选取A5L，B1AR，CDK2等10个蛋白进行研究。小鼠心肌梗死模型探究红山丹的药理作用，结果表明：与模型组相比，注射红山丹的小鼠，其左室射血分数和缩短率维持的更好。通过RtPCR测定蛋白的表达，发现与模型组相比，注射红山丹后A5L，B1AR，CDK2，MAPK14，NOSE，PPAR和PGS基因的mRNA水平显著增加。红山丹的信号通路中，PI3KAkt信号通路，VEGF信号通路，P53信号通路等被证实和心血管相关。此外，网络中多靶标共享相同的信号通路，揭示了红山丹治疗心血管疾病的协同作用。通过红山丹的研究，我们验证了基于药物－靶点相关通路的药物组合的协同机制［38］，为新药开发提供新的研究思路。

4讨论

中药是一个多成分的复杂体系，如何确定其中的活性分子，建立最佳的药物组合是中药研究的核心。系统生物学从整体水平和分子水平为研究中药复方提供了可行的理论和方法，为中药研究提供了新的理论方法和研究思路。我们提出了中药研究的系统药理学方法，并将其应用于中药的复方解析、注射液的研究、老方优化和新药开发。该方法的主要特点表现在：1）通过模型预测，筛选出复杂中药组分中的潜在活性分子，从而为中药分析化学家提供重要参考。2）预测中药中有效活性成分的网络靶标，通过网络构建及分析，进一步对中药作用机制进行探索。3）从网路动力学角度研究中药系统，分析药效分子间的相互作用，为中药药方优化和新药开发提供理论支撑。4）在中药的系统药理学理论的基础上，进行实验验证，理论结合实验从而构建更加完善的中药研究体系，为中药的临床应用提供依据。

作者：张文娟王永华单位：西北农林科技大学生命学院生物信息学中心系统药理学实验室