基于代謝組學/藥動學整合策略的多組分中藥藥效物質基礎研究＊

李明會，阮玲玉，趙文龍，孟輝輝，汪俊松

（南京理工大學分子代謝中心 南京 210094）

1 引言

中藥是中華文明及醫學寶庫中的明珠，幾千年來一直有效的保護著炎黃子孫的生命健康，時至今日仍然是國民醫療的重要手段，尤其是對于現代人群中常見的各類亞健康及慢性難治性疾病的治療上，發揮著化學藥不可替代的重要作用。中藥常以復方入藥，其含有的幾百上千種成分進入人體后如何發揮作用，即物質基礎研究，是一非常艱巨的任務，正成為制約中藥打入國際市場、實現經濟效益轉化的一大瓶頸問題[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，雖然作用靶點及機制明確，但是中藥各組分相互分離后，其內在的系統聯系亦被割裂，交互作用隨即消逝，中藥多組分、多靶點、多途徑的協同作用機制無法展現，也就難以反映其整體辨證施治的優勢所在。事實上，中藥的整體療效通常取決于復方中多種藥效物質的綜合作用[2]，采用西方植物藥研究方法無法闡明中醫藥的科學內涵，因此需要發展一種符合傳統中醫藥整合調節配伍機制的有效組分發現新方法。

中藥經口服后，經過腸吸收、組織分布、肝代謝以及腎排泄這一系列復雜的藥代動力學過程，中藥中存在的許多藥物原型有的直接入血后被送達各個病灶，有的則被代謝成其他物質或被排泄，然而，多組分中藥的藥代動力學研究與單一活性成分的化合物相比極其復雜。與此同時，中藥原型成分及其代謝產物在體內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體代謝物組也即內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小分子代謝物量變的最終體現就是中藥臨床療效的有效發揮。

2 中藥多組分藥代動力學研究

圖1 中藥藥代動力學的主要流程圖

中藥藥代動力學（pharmacokinetics，PK）是定量研究中藥組分在生物體內的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）等動態規律的一門學科（圖1）[3]。中藥組分復雜，并且中藥的功效差異與組分在體內的ADME過程密切相關。正確揭示符合中藥代謝特征的藥代動力學一直是探索的熱點和難點。如何建立符合中藥多成分、多靶點特點的中藥整體藥代動力學評價體系，是目前需要解決的關鍵科學問題。

目前國內的中藥藥代動力學研究尚處于探索階段，對中藥復雜體系的定性定量分析，尤其是中藥藥代動力學模型的建立，依然發展緩慢。有學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，以此來替代中藥的藥動學特征，這樣做雖然整體上符合中藥組分協同用藥的整體思想，但是中藥組分眾多，各個組分藥動學特征往往差異很大，單體成分的藥動學參數簡單疊加并不能代替整體藥動學效應，雖能體現單體間的相互作用，但無法反應中藥的整體性，無法指導中藥臨床用藥，仍需尋找一個更佳的整體中藥藥動學模型和方案。同時，中藥復方作為中醫臨床用藥的最常見形式，經組方配伍后化學成分更加復雜，人們為了研究組方結構對藥效成分的藥動學特征的影響，有學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藥代動力學過程，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的評價方法除了血藥濃度法之外，還可以以藥理效應為指標，通過測定藥效的經時過程，從而反映體內藥物分子的動態變化，稱之為藥理效應法[4]。該方法優點在于能從整體觀點出發研究中藥的藥代動力學特征，更接近中醫理論體系。該法對于研究那些有效成分不明的中藥藥代動力學來說尤其有用。但是該方法需要假設藥物在體內呈線性動態變化，且其濃度與給藥劑量和藥效強度均存在對應的函數關系。合理正確地選擇相應的藥效指標，對于藥理效應法的中藥藥代動力學研究也是十分重要的。

3 中藥代謝組學研究

代謝組學是模仿蛋白組學的研究思想，利用核磁、質譜等現代分析平臺，對生物體體液、組織中的所有小分子代謝物進行定性定量分析。通過F分析藥物、基因、環境等作用下的“代謝表型”，認識機體的生理生化狀態，篩選出能表征機體功能狀態的生物標志物。由于代謝組學與中醫藥學都是以整體思維模式來研究機體和藥物的相互作用，代謝組學也是研究具有多靶點作用中藥的重要手段[5]。中藥代謝組學表征的是中藥治療后生物體生物功能恢復的情況，這與中藥的多組分、多靶點、協同作用的特征不謀而合，因此中藥代謝組學的研究在中藥藥效作用、臨床療效、質量控制等方面得到了廣泛應用。在疾病的發生、發展過程中，細胞內基因表達和蛋白含量的微小變化都會引起機體內源性小分子代謝物種類、濃度也隨之發生對應的變化，使病人的代謝譜與對照產生差異。通過代謝組學分析患者和健康生物樣本的代謝譜差異，可以發現與疾病密切相關的特異性生物標志物，為疾病的病理變化機制提供重要的參考[6]。

中藥復方是主要的中醫臨床用藥形式，具有多組分、多通路、多靶點、協同作用的特點，采用中藥代謝組學的研究思路，將中藥復方給予模型動物后，對其體內小分子代謝物進行分析，結合主成分分析（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）以及相關網絡（Correlation networks）等各種數據挖掘技術，篩選出能代表復方療效的差異代謝物，由此推測相應的代謝通路和復方的作用機制，并運用其他分子生物學手段進行機制驗證（圖2）。這一研究思路近年來在中藥藥效代謝組學的相關研究比較普遍，通過檢測內源性物的變化趨勢，提示中藥發揮作用的可能代謝途徑，從現代藥理學的角度揭示中藥的作用機制。

但是，中藥藥效代謝組學研究也存在著成分不清、科學問題不明確、缺乏深入的靶點探索等問題。如何將生物體內代謝物的變化與相應的中藥化學成分進行關聯，同時如何將不同平臺的中藥代謝組學結果進行整合，以及如何將中藥代謝組學結果與基因組學、轉錄組學、蛋白組學等其他的系統生物結果進行有機的整合，通過形成一套完整的整體組學策略，來研究中藥復方的多靶點、多效應，是中藥代謝組學亟待解決的問題[7]。

4 聯合藥代動力學/代謝組學的中藥物質基礎研究

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

與此同時，中藥的體內藥動學過程可以引起內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、病理狀態平衡直接相關，中藥的體內藥動學過程實質上是反映了藥物有效成分（入血成分）對內源性標志物的平衡打破與再平衡的過程。中藥代謝組學技術正是一項發掘中藥物質基礎和藥理活性的重要研究手段，將中藥代謝組學與經典中藥藥動學相關聯，就可以擺脫傳統中藥藥動學的固有限制，將精力轉向內源性代謝物的動態平衡研究，其研究結果對于闡明中藥作用物質基礎、作用機制及其科學內涵，拆方組方設計合理化給藥方案等具有重要的意義。羅國安等[9]認為中藥復方和人體之間是一個“干預-應答”相互作用的生物學過程，而這種應答可以用代謝組學來準確表征。代謝組學可以間接地反映中藥復方的藥代動力學的特征，甚至能反映藥動學個體差異。

圖2 中藥代謝組學的基本研究思路

圖3 整合代謝組學-藥動學的研究流程

整合藥動學-代謝組學的中藥藥效物質基礎的研究，最根本的就是牢牢把握中藥藥效的經時過程，從中選擇藥效最佳的時間點，進行中藥藥效的代謝組學研究。這樣才能保證中藥的物質基礎研究與臨床療效最大程度地相關，保證所研究的化學成分是確切的有效成分，以及能夠根據差異代謝譜預測其多靶點信息。由于證候是中醫特色，中藥又有多藥效、多靶點、整體作用的特征，因此選擇藥效指標需要整體、全面，且與治療作用有直接關系，或選擇綜合多指標評價體系，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）以及體內小分子代謝物譜，通過生物學意義的闡釋，代謝網絡分析，以及將代謝物映射到生化反應網絡中（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、多靶點信息（圖3）。

圖4 整合代謝組學-藥動學的關聯網絡分析

總而言之，基于代謝組學-藥代動力學的中藥藥效物質基礎的研究策略，就是在充分考慮到中藥多組分藥代動力學研究成分復雜，動力學過程無合適的數學模型，難以認識中藥整體觀等問題后，將中藥藥效成分的研究化繁為簡，在體內藥效學考察的基礎上，同時檢測中藥藥效物質基礎（入血成分），以及內源性小分子代謝產物譜，并應用O2PLS（two-way orthogonal partial least squares）、sPLS（sparse partial least squares）、CCA（canonical correlation analysis）等關聯分析方法將化合物組和代謝物組進行關聯（圖4）[10]，結合數據庫并根據分子生物學手段，追溯上游靶點，從而達到闡明中藥治療疾病的多靶點協同作用以及中藥體內藥效物質基礎的目標。這種自下而上的研究模式有利于克服當前中藥藥動學和中藥代謝組學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系，是一套完全符合中醫藥整體觀的研究方法論，使得對中藥復雜體系的藥效物質基礎的研究變得有的放矢，另辟蹊徑，為中藥功效物質基礎的研究開辟了局面。

5 展望

中藥以“多組分、多靶點、多途徑”的方式發揮作用，需要研究者多角度全方位的思考中藥藥效物質基礎研究的突破口，不斷系統深入的發掘。在中藥藥效物質基礎的研究中，引入代謝組學和中藥藥代動力學整合技術，對中醫藥的基礎研究而言是一項創新。雖然整合代謝組-藥動學的中藥物質基礎研究在最近幾年取得了一定的進展，但仍然存在一定的不足，如還沒有建立完全符合中醫特點的、整體觀念的研究理論，藥效學指標的選擇無法全面反映多功效中藥的各種臨床療效，代謝組的現有技術手段還做不到精準檢測體內所有小分子代謝物等。因此，基于整合策略的中藥功效物質基礎的研究方法和思路還有很多方面需要進一步提升?？傊⒎现嗅t理論特色的研究體系，闡明中藥的作用機制、科學內涵、物質基礎，促進中藥新藥開發，推動中藥現代化和國際化，意義重大而任重道遠。