星座藥理學與中藥研究＊

謝偉東，蔣 鑫，雷 帆，徐晨珂，趙玉男，杜力軍

（1.清華大學深圳研究生院生命與健康學部健康科學與技術重點實驗室 深圳 518055；2.清華大學藥學院 北京 100084；3.南京中醫藥大學基礎醫學院病理教研室 南京 210046；4.清華大學生命科學院藥物藥理實驗室 北京 100084）

星座藥理學與中藥研究＊

謝偉東1，蔣 鑫1，雷 帆2，徐晨珂1，趙玉男3，杜力軍4＊＊

（1.清華大學深圳研究生院生命與健康學部健康科學與技術重點實驗室 深圳 518055；2.清華大學藥學院 北京 100084；3.南京中醫藥大學基礎醫學院病理教研室 南京 210046；4.清華大學生命科學院藥物藥理實驗室 北京 100084）

星座藥理學是一種基于細胞表型的高內涵藥物篩選新方法，該方法主要根據關鍵信號蛋白、特定表型的細胞群，將多種藥物在這些細胞上的作用情況整合成具有特定藥理調節功能的藥物組合和細胞星座，強調這些細胞之間能進行病理、生理功能上的有機組合與整體聯系。基于不同分子靶點的藥物組合，進行特定的藥理調控，形成藥理意義上的星座效應。星座藥理學的運用可提高整體療效、減少不良反應及藥物的耐受性。星座藥理學適合中藥等復雜成分群在細胞水平進行活性篩選與功能評價，在中藥新藥研究方面具有較大的靈活性與創新活力，因而對于創新中藥研究與開發具有積極的推動作用。

星座藥理學 協同作用 中藥 細胞實驗

分子生物學技術的運用在分子層面闡釋了中藥藥理效應與藥物靶點，在一定程度上促進了中藥的現代化發展。然而，這種技術應用沒有使“可成藥的新靶點分子”發現出現質的飛躍，使藥物研發中單一靶點篩選逐漸轉變為細胞或器官水平的表型篩選[1]。中藥含有成百上千的化合物，藥物還原論研究者試圖找到這些藥物的有效組分，然后鑒定其分子靶點，即所謂的藥物靶點（Drug Targets）。早期，有學者預測與小分子化合物結合的靶點大約有3 000個，而目前上市藥物對應的靶點僅200多個[2]，因而成藥性靶點的鑒定仍是相當困難。而對于病因復雜，病機廣泛的疾病，“單組分、單靶點、單效應”的策略明顯不符合中藥藥物研發的實際情況。大量研究證明，中藥通過“多成分、多靶點、多效應”模式來治療病因復雜的疾病，這也是網絡藥理學（Network Pharmacology）的基本內涵之一[3]。然而，如何對這些成分和靶點進行有機組合，提高藥物的研發效率，目前我們還缺乏有效的研究思路。

實際上，機體某個生理功能的完成是由一系列功能不同的細胞共同實施的，在細胞內部，某一功能活動也是由許多潛在的靶點因子協同參與完成。對于某些疾病，由一系列不同細胞的集體病變所致，每種細胞的病變都有可能是該疾病發生的重要組成部分。有些中藥單體成分或因靶點太單一，或因僅糾正部分病變的細胞而不能全面覆蓋病變細胞群，不能發揮較好的整體調理作用，故其單體成分療效不如中藥有效部位或粗提物。將作用于不同細胞、具有特定分子作用機理的化合物進行功能上的有機組合，可較好地調理機體生理功能，形成星座藥理學效應，這可能是提高整體藥效、實現中藥創新的重要策略之一。本文對星座藥理學這一新概念及方法進行討論，以期對中藥藥物研發有所裨益。

1 星座藥理學

星座藥理學（Constellation Pharmacology）是一種基于細胞表型的高內涵藥物篩選新方法，該方法基于不同關鍵信號蛋白、表型的細胞群或“星座”（Constellation），調查多種有效化合物組合或“團伙”（Cabal）在這些細胞的特定作用情況，對這些作用進行功能整合[4]。星座藥理學具有特定表型的細胞群，這些不同亞型的細胞可以整合具有特定的生理學功能，是藥物作用最基本的靶標實體之一，通常可以由一些具有選擇性分子靶點的工具藥物得到鑒定。有人用星座藥理學調查了小鼠小腦神經元和膠質細胞不同亞型情況，主要基于谷氨酰胺、乙酰膽堿、GABA受體和其他離子通道，用工具藥分別鑒定了小腦顆粒神經元細胞和Purkinje細胞等[5]。由于這些細胞有不同的起關鍵作用的信號蛋白分子，從而有不同的細胞功能和表型特點。這些不同表型的細胞，單獨并不一定起決定性作用，但聯合在一起卻成一個整體功能十分強大的“星座”，反映體內特定的生理學功能。單體化合物藥效微弱或范圍較窄，不能起整體調控作用，而作用于不同表型細胞的藥物可以組合成化合物“團伙”，共同作用于不同表型的細胞，發揮相似、互補或協同藥理作用，形成可檢測的顯著“星座”藥理效應，對機體起到整體調控作用。

星座藥理學的靈感最初來自于芋螺（Cone Snail）用毒液來捕獲魚的研究，這些注射進入魚體內的毒液組分能組成一個“團伙”，協同作用于神經傳遞的不同信號蛋白，改變魚體內正常的神經運動傳遞，抑制魚的整體運動[6]。這些毒液“團伙”各自作用的靶點，比如突觸前電壓門控鈣離子通道，突觸后煙堿型乙酰膽堿受體受體，突觸后電壓門控鈉離子通道等可組成生理功能上同系列的“星座”。有學者用星座藥理學發現，在軀體感覺神經元上Na+通道異構體NaV1.7突變會出現興奮作用，而交感神經元上NaV1.7異構體同樣突變會出現抑制效應，主要原因是NaV1.7Na通道可以偶聯NaV1.8通道，軀體感覺神經元上表達NaV1.8通道，但交感神經元上不表達NaV1.8通道有關[5]。這種有相同的靶點改變，但在不同特點的細胞，出現不同表型改變，說明星座藥理學中的細胞表型篩選比靶點篩選更符合機體的實際情況。細胞是發揮生理功能的基本單位，星座藥理學的概念開始延伸到特定細胞表型，甚至超出細胞表型的星座。基于此，一些藥物完全可以形成一個“團伙”以獲得更好的治療效果。當前一些重大疾病的治療如腫瘤、糖尿病、神經系統疾病、心血管疾病和感染性疾病（如艾滋病）等采用雞尾酒療法或不同機理的協同用藥實際上均用到星座藥理學的概念。

2 星座藥理學特征

星座藥理學強調整體功能效應，不同藥物分子作用于特定表型的細胞，重視特定表型細胞群體與藥物分子群的整體機能協調與調控效應，較少關注強大的單體藥理效應或者靶點效應。如果把人體生命活動比喻成一個宇宙，某個生理機能比喻成機體內某個星座，不同的生理機能參與因子就是星座的各個星球。星座藥理學，強調多個藥物形成一個集團對這些星球予以微弱的調控，然后將這些效應整合，以達到顯著的星座式整體效應。這種整體效應是基于特定表型的細胞群的藥效組合，有別于整體動物實驗，但可以反映動物或人類的某些生理功能。具有特定分子機理的細胞表型研究，也有利于藥物的作用機制分析和相關活性藥物的篩選。

星座藥理學可以最大程度地減少不良反應。對于已經上市的藥物或即將開發的藥物，如果分別有不同的作用機制，我們可以建立一個藥物作用“星座”，盡可能減少藥物劑量，但整體上的“星座”效應仍然可以取得，因此星座藥理學的引入可以減少藥物由于劑量過高所引起的不良反應。

星座藥理學也可以減少藥物應用的耐受性。藥物對單一靶點的調控時間過長或劑量過大，往往會使藥物的療效減低，需要加大劑量才能維持原有療效，從而產生耐受性。建立由不同藥物作用組成的星座，可以產生減少藥物用量，同時減少用于用量過高所引起耐受性的產生。

3 星座藥理學與多向藥理學的異同

多向藥理學（Polypharmacology）指一個藥物有多個靶點，對于病因復雜的疾病如腫瘤、神經系統和炎癥性疾病，可以從多個層面進行特異性藥理調控[7]。多向藥理學試圖通過多靶點調節開發出療效更好和副作用更少的藥物。多向藥理學可能作用某個疾病某一個信號通路的多個分子靶點，也有可能作用于與某個疾病相關的多個信號通路的相關分子[8]。該學科的發展可促進已上市藥物發現更多靶點和新的適應癥，它的挑戰主要來自目前所提供的靶點遠遠不能詮釋疾病的本質情況，另外對藥物結構改造也是一項艱巨的工作。多向藥理學強調一個藥物有多個分子靶點，而星座藥理學強調多個藥物在細胞表型篩選與功能整合。

4 星座藥理學與網絡藥理學的異同

網絡藥理在多向藥理學的基礎上進一步發展，引入了系統生物學理論，對生物系統進行網絡分析，強調各靶點之間的網絡調控與相互影響，選取特定信號節點進行多靶點藥物分子設計。它強調通過信號通路的網絡調節，以求藥物效應最大化、不良反應最小化[9]。網絡藥理學試圖通過網絡分析鑒定某個疾病的一系列藥物靶點和通過化學生物學的方法調查藥物對這些靶點的結合效應。通過鑒定生物學網絡的連接性，冗余性以及多效性可以加速藥物的發現[11]，可以促進理解藥物作用與復雜疾病的關系，幫助提高藥物設計的效率，有助于發現新的活性組分以及揭示中藥復方的作用機理，比如清絡飲與六味地黃丸的研究[3]。由于網絡藥理學考慮整個復雜的生物系統，基于網絡藥理學原理開發新藥仍然十分困難。總之，網絡藥理學強調多個分子靶點篩選和生物系統內分子靶點的網絡整合，但星座藥理學強調多個特定細胞表型篩選與功能整合。

5 星座藥理學與系統藥理學的異同

系統藥理學（Systems Pharmacology）在網絡藥理學基礎上進一步延伸，研究范圍更廣，是利用系統生物學研究藥物與機體相互作用及其規律和作用機制的一門新興學科。由于藥物、機體和環境之間的復雜相互作用，影響了藥物安全性和有效性，從而容易導致藥物在Ⅱ和Ⅲ臨床實驗中失敗。系統藥理學不僅在系統層面上提供藥物的藥效評價和靶點鑒定，而且對藥物和復雜疾病之間的相互作用機制提供系統水平上的理解[11]。因而，系統藥理學可以有效提高藥理效應和減少不良反應。有學者運用系統藥理學對中藥紅花復方制劑進行了心血管疾病活性相關研究，先系統性進行ADME藥代動力學分析，結合藥物靶點分析，得到103個潛在的活性組分和219個相應的靶點，隨后建立活性組分，靶點和疾病之間的網絡，對于揭示中藥在復雜疾病的應用提供了一個較好的研究模式[12]。然而在實際運用過程中，運用系統藥理學成功開發出中藥新藥的案例非常罕見。系統藥理學貫穿藥物研發整個過程，系統水平理解藥物與機體相互作用，包括整合藥代動力學、靶點捕獲與網絡藥理學等，而星座藥理學主要基于細胞水平的高內涵藥物表型篩選與功能整合（表1）。

表1 多向藥理學、網絡藥理學、系統藥理學和星座藥理學的比較

6 星座藥理學在中藥研究中的運用

對藥物單一靶點的研究是一種必要手段，由于目前對某種病理或生理機能的分子靶點研究尚不透徹，疾病發病機理與藥物效應始終是一個黑箱。疾病像一個浩瀚無邊的“宇宙”，人類要窮盡所有疾病相關因子的“星系”非常困難，或者說這就是一個偽命題。對復雜疾病的研究如果過于依賴單一靶點，會犯“一葉障目，不見森林”的錯誤。單一靶點雖然可以使中藥組分中療效確切的有效成分得到發掘，但也會忽略部分不能匹配該靶點但有其他療效的成分。

網絡藥理學能夠在一定程度上解決上述問題，它所提倡的多靶點相互作用會產生許多藥理效應（包括不良反應）。如何保留有貢獻的靶點連接，而去掉那些無關或有害的靶點連接還是有些難度，且需要分離鑒定大量化合物，計算機藥物靶點模擬，最后進行這些網絡靶點之間的相互作用驗證，這是一個耗時耗力的過程，需要較大團隊或科研群體去研究，這可能使許多醫藥科研工長時間停留于復雜的化合物、蛋白分子網絡研究，而未取得較好的實際應用效果。

特定疾病的模式動物可以用于中藥藥效的整體評價與篩選，但對于含量較少的中藥測試物卻仍不是很合適。細胞是組成生命體的基本單位，發揮基本的生理功能；不同表型的細胞可以形成一個功能集團，行使生命體特有的生理機能。分子生物學的進展如Crisp/Cas9的研究技術使細胞基因編輯變得簡單可行[13]，從而使特定表型的細胞獲得和靶點鑒定變得簡便易行。由于細胞實驗需要藥物劑量非常少，發展一種基于細胞表型活性檢測的中藥活性篩選方法值得深入研究。目前，高內涵藥物篩選是基于細胞活性檢測的篩選平臺，可以獲得大量關于細胞形態、生長、代謝和信號通路方面的信息。但是，該方法需要解決一些功能特異性問題，并且缺乏有機組合的整體觀。

星座藥理學強調表型研究和功能整合，可以解決以上靶點研究困難、耗時、耗力、高成本低效等不足，用于復雜組分的創新中藥研究。星座藥理學能增強中藥療效，減少不良反應。星座藥理學強調整體細胞表型功能，能確保每一種功能星座中的藥物在一個較小的劑量，發揮特定的合力或協同效應，同時能減少不良反應。中藥是多成分，具有多個靶點，這恰恰或是中藥的優勢。中藥運用星座藥理學的觀點將會有較大的發展前景。不同中藥，或中藥中的有效成分形成一個組分“團伙”，發揮特定的協同作用，將會使所使用的劑量大大減少，但可以看到理想的表型（星座藥理效應），最大程度減少不適表型（不良反應）。

星座藥理學還可以對“無效”中藥組分進行二次開發。星座藥理學可以解釋中藥有效部位或粗提物顯示功能強大，有效成分單獨應用藥效微弱的原理，有利于發現一些具有藥理活性但現有方法無法檢測的有效化合物，我們可以通過星座藥理學的平臺，對這些看似無效的中藥成分進行活性研究，會對這些成分的功效發掘研究有新的理解。

另外，星座藥理學可以減少中藥復雜組分的分離成本。我們暫時無法對每一個成分進行完全分離，但可以獲得不同的有效部位，應有不同表型的細胞星座對不用部位進行篩選，獲得不同有效部位的功能，組成新的有效部位作用群，產生新的具有知識產權的創新藥物。因此，星座藥理學是可以指導中藥有效成分的分離純化。例如，一個降糖中藥組分含A、B、C和D4種有效組分，我們可以選取胰島β細胞來進行實驗（圖1）。

圖1 星座藥理學中降糖中藥的研究舉例

由圖1可知，如果A藥激活胰島細胞上的胰高血糖素樣肽受體1（GLP-1），促使細胞內cAMP含量增加，進而激活蛋白激酶A，可以促使胰島素釋放；如果B藥激活磺酰脲受體（SUR），抑制ATP敏感性的鉀離子通道，導致去極化，打開電壓依賴的鈣離子通道，導致鈣內流，從而可以促進胰島素釋放；如果C藥激活乙酰膽堿受體（Ach），促使生成磷酸肌醇3（IP3）和二酰甘油（DAG），激活蛋白激酶C，也可以促使胰島素釋放；如果D藥促使胰島細胞上葡萄糖轉運體（GLUT2）的表達或從胞漿轉位到胞膜，促進葡萄糖轉運入胞，升高ATP，抑制ATP敏感性的鉀離子通道，同樣可促使胰島素釋放。這些藥物組合（Drug Cabal），作用于具有特定信號蛋白分子的細胞，將形成具有調節胰島素釋放的“星座”，發揮相加或協同調節胰島素釋放的作用，如果這些藥物運用到整體動物和臨床試驗，各自劑量將會大大減少，相應不良反應也會大大降低。

盡管星座藥理學具有較大的靈活性與創新活力，但其對技術要求仍較高，其模型的建立以及在中藥新藥研究的應用，需要確定一系列具有代表性的不同表型的細胞。而且，這些細胞群的建立，需要較高水平的分子與細胞生物學技術鑒定其分子機理，還需要生理學和病理學知識進行功能整合，同時還要有相關中醫藥理論指導，因而需要很長時間的積累與完善。另外，該方法目前主要基于細胞模型，如何排除體外實驗中藥復合物中非特異性成分的刺激所帶來的假陽性結果，如何進行有效成分與相關表型效應間的一一對應，這是目前面臨的技術方面的挑戰。

7 小結

星座藥理學促進了學科交叉與知識融合，基于細胞表型的中藥藥效篩選與功能整合研究，有利于發現以往被忽略的中藥組分集體效應，對過于重視單體的靶點效應卻并無收獲的陳舊思路有較大的啟示作用。因此，星座藥理學在復雜疾病中藥新藥研發及相關藥物研究方面具有較大的理論指導意義。

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Constellation Pharmacology and Researches on Traditional Chinese Medicine

Xie Weidong1, Jiang Xin1, Fan Lei2, Xu Chenke1, Zhao Yunan3, Du Lijun4
(1. Shenzhen Key Laboratory of Health Science and Technology, Division of Life Science & Health, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China; 2. School of Pharmacology and Pharmaceutical Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Laboratory of Pathological Sciences, Basic Medical College, Nanjing University of Traditional Chinese Medicine, Nanjing 210046, China; 4. Laboratory of Molecular Pharmacology and Pharmaceutical Science, School of Life Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Constellation pharmacology is a cell-based high-content phenotypic-screening platform that investigate effects of drug cabal in cells with key signaling proteins which define specific cell types and further integrate into cell constellation with pharmacological functions. Constellation pharmacology emphasizes onorganic combinations and whole connections between different subtype cells with pathophysiological significance, in which drug cabal with different molecular targets can produce specific synergic pharmacological effects in the cell constellation. The utilization of constellation pharmacology will promote therapeutic effects, while reduce untoward effects and drug tolerances. Constellation pharmacology can be applied in the field of pharmacological evaluation of complicated compounds in traditional Chinese medicines at the level of cells, and have much flexibility and innovative vitality in the research and development of traditional Chinese medicines. Therefore, constellation pharmacology may proactively promote the research and development of novel traditional Chinese medicine.

Constellation pharmacology, synergic action, traditional Chinese medicines, cellular experiments

10.11842/wst.2016.06.013

R965.1

A

（責任編輯：馬雅靜，責任譯審：朱黎婷）

2016-05-25

修回日期：2016-06-14

＊ 國家自然科學基金委面上項目（81373460）：基于ceRNA與miRNA“網絡對話”研究胰島細胞炎癥“微環境”與功能及探索抗糖尿病藥物新策略，負責人：謝偉東。

＊＊ 通訊作者：杜力軍，本刊編委，教授，主要研究方向：藥理學。