網絡藥理學在中藥研究中的應用進展

侯婷婷，婁曉月，苗薇薇，王 璐，賈閃閃，閆福林，2*

(1.新鄉醫學院 三全學院，河南 新鄉 4530002；2.新鄉醫學院，河南 新鄉453000)

中藥在我國有長達數千年的醫學實踐，具有悠久的歷史，已被廣泛應用于各種疾病的治療，但由于其成分的復雜性，作用機制尚不明確，嚴重阻礙了中醫藥在國內外的發展?！皢我怀煞?，單一靶點，單一通路”是當前中藥藥理學的主要研究方式，無法體現中醫藥的整體觀和辨證施治的治療理念[1]；而西藥對于藥理學的研究則更傾向于蛋白質分子和基因等更為微觀的層面，因此將傳統中醫藥理論和分子生物學知識連接起來，更有利于中醫藥文化和理論的傳承，進而更好地開展疾病治療和新藥研發[2]。隨著對各種疾病基礎研究的深入，越來越多的證據表明，諸如抑郁、成癮等疾病的發病可能有多種分子機制的參與，提示新藥研發可能應考慮多靶點的治療藥物。

網絡藥理學是由HOPKINS提出的一種基于生物信息學和系統生物學，認為藥物通過作用于多個靶點實現自身的藥理作用，減少毒副反應的研究方法[3]，其核心觀念與中藥的“安全、有效”的臨床理念不謀而合，在中藥和中藥復方研究中受到越來越多研究者的關注，應用也愈加廣泛。本研究對網絡藥理學在中藥研究中的應用進展進行綜述，以期為相關研究提供思路。

1 網絡藥理學

隨著生物信息學、系統生物學和多向藥理學等學科的發展，基于網絡的藥物研發成為頗有前景的高效藥物研究方法?；谙到y生物學和網絡理論的網絡藥理學被用于研究“化合物-蛋白質/基因-疾病”之間的網絡關系，從“多成分、多靶點、多通路”角度深入揭示中藥及中藥復方的作用機制，從蛋白質分子和基因水平明確生物系統、藥物和疾病之間的復雜關系[4]。網絡藥理學強調疾病的發生和進展是長期且復雜的過程，認為疾病的本質原因是生物網絡中基因或靶點的功能失衡，其聚焦于藥物發揮作用的多個信號通路間的相互作用，明確導致藥理作用和毒副反應的信號通路，進而尋找引發毒副反應的藥物成分，減少不良反應，提升藥物的治療效果，網絡藥理學近年來作為研究工具已被廣泛應用[5-6]。此外，可以通過網絡藥理學探究藥物潛在的作用靶點，為新藥研發提供新思路。

2 網絡藥理學常用的數據庫和算法

隨著近年來網絡藥理學的飛速發展，與中藥網絡藥理學研究相關的數據庫和工具日漸增多，常用數據庫包括HIT[7]、TCMSP[8]、TCMID[9]、SymMap[10]、BATMAN-TCM[11]、MBROLE[12]、ChEMBLT[13]、PubChem[14]等中藥數據庫，Drugbank[15]、STITCH[16]、STRING[17]、HPRD[18]、MINT[19]、IntAct[20]、GeneCards[21]、Reactome[22]和HAPPI[23]等作用靶標數據庫，DisGeNet[24]、TTD[25]、CTD[26]、OMIM[27]和GAD[28]等基因疾病相關數據庫。DAVID、PANTIHER、GenMAPP、GoMiner等生物信息學工具，或Cytoscape插件ClueGO、CluePedia、BiNGO等被用于藥物-靶標和疾病-靶標之間的GO和KEGG通路富集分析[29-30]。在使用上述生物信息學數據庫的過程中，網絡藥理學的算法和工具十分重要。Random Walk算法是網絡聚類分析的常用算法，其開始于一個隨機節點，計算與相鄰節點的相似度，構建“中草藥-化合物-靶標-疾病”網絡，SEAL A等[31-32]研究發現，Random Walk算法應用在化學特性的異構網絡的有效性和良好的應用前景，可用于新型藥物靶標相互作用的識別，并研究其相互間的作用；而PRINCE算法則被用于對疾病基因和蛋白復合物聯系的優先順序進行分析，分析基于網絡連接的平滑性和已知信息的使用[33]。

進行數據的采集和分析之后，研究者們常用Cytoscape、Pajek、GUESS、WIDAS等作為網絡關系可視化的平臺，將各節點(藥物、靶點和疾病)中的相互關系進行直觀的展示[34]。網絡可視化工具的使用將復雜數據間的相互關系進行整合，并以網絡的形式直觀呈現。其中Cytoscape最為常用，可作為蛋白質-蛋白質、蛋白質-基因相互作用的處理工具[35]。

通過上述數據庫及相關工具的使用，結合臨床前和臨床研究結果，可以從系統生物學的角度分析出“中草藥-化合物-蛋白質/基因-疾病”之間的網絡關系，了解中草藥對疾病確切的影響。ZHU N等[36]通過從TCMSP數據庫中檢索出芍藥甘草湯的活性成分，從STITCH、ChEMBL和PubChem數據庫中篩選出化合物相關靶點蛋白，從DrugBank、GeneCards和OMIM數據庫中檢索骨關節炎的相關蛋白，形成PPI網絡，將化合物PPI網絡與骨關節炎PPI網絡相交，使用Cytoscape構建可視化的網絡圖形并進行分析，對芍藥甘草湯用于骨關節炎治療的相關通路進行探討，結果顯示其可通過調節細胞周期、細胞凋亡藥物代謝、炎癥和免疫調節，發揮對骨關節炎的治療作用。

3 網絡藥理學在中藥研究中的應用

近年來，關于中藥網絡藥理學的文獻報道越來越多，發表在Pubmed和CNKI上的文章數量急劇攀升[37]，研究者們通過對中藥及中藥復方的網絡藥理學研究，開展對于其活性成分及藥理和毒理學方面的研究。

3.1 中藥及中藥復方活性成分研究

中藥及中藥復方發揮藥理作用通常是由多種活性成分共同作用的結果，而探究其具體的藥理作用機制成為了中醫藥研究最具挑戰性的課題之一。有研究證實，通過對血塞通的活性成分進行網絡分析，并對血塞通中的皂苷進行治療大鼠心肌梗死的微陣列實驗，確定在心血管疾病中差異化表達的基因網絡，最終獲得化合物-靶標的相互作用關系[38]。王林麗等[39]通過基于degree的網絡算法評估血塞通的功效，確定出五種化學成分的組合，這些化學成分的功效占據了血塞通全部功效的95%，同時，經過體內實驗研究驗證，五種化學成分顯示出類似血塞通的治療心肌梗死的藥理作用。ZENG Q等[40]對柴胡疏肝散進行網絡藥理學分析，篩選出152種活性成分，預測皂苷元F、皂苷元G、皂苷元C、白花素、橘皮素、橙皮苷具有良好的活性，并進行GO和KEGG富集分析，發現其通過PI3K-AKT信號通路減少Aβ誘導的神經細胞死亡，減少PC12細胞的凋亡，提示對阿爾茨海默病可能有治療作用。黃桂鋒等[41]通過對三七的網絡藥理學分析發現，豆甾醇、β-谷固醇、人參皂苷rh2、槲皮素、三七皂苷r1五種活性成分共同作用于96個靶標，其中核心靶標為AKT、IL-6、VEGFA、c-JUN和HB-EGF，主要通過調節PI3K-AKT、HIF-1、MAPK等信號通路發揮對冠心病的治療作用。

3.2 中藥復方各藥味相互作用關系分析

中藥復方在遣方組藥時講究“君臣佐使”，意指中藥復方中的各藥味均有其不同的作用。網絡藥理學可以對復方中各藥味的化學成分及其作用靶點、疾病進行預測分析，明確復方中各藥味的相互關系和在復方中的地位。DMIM(Distance-based mutual information model)被用于辨別中藥處方中各中藥成分間的有效關系，將相互信息熵和中藥間距離進行有效結合，進而建立中藥網絡，評價藥物間的相互作用，這種評價模式使中藥處方中藥物的頻率、獨立性和距離之間的關系達到良好的平衡，闡述了傳統中藥的配對使用和相互之間的兼容性。李梢等[42]通過構建DMIM模型，發現六味地黃丸被用于治療不同疾病，其對腫瘤相關途徑和神經內分泌免疫途徑的作用顯示出高表型相似性，推測可能是其作用機制；對郁金方進行網絡藥理學方法考察，發現郁金是治療心腦血管疾病的主要成分，麝香、梔子和冰片則起到協同的作用[43]。

3.3 預測中藥發揮治療作用的作用靶點

預測中藥發揮治療作用的作用靶點既可以為傳統中醫藥提供理論基礎，又有利于傳統中醫藥走向國際，是中藥現代化的重要環節。研究者根據TCM-Mesh數據庫中已有的人參活性成分的分子結構、生物活性及藥理學方法，構建網絡，發現人參皂苷Rg1、Re和Rb1可通過TNF、NOS3、AKT1信號治療阿爾茨海默癥、高血壓、動脈粥樣硬化[44]。梁旭軍等[45]研究發現，六味地黃丸的活性成分可能通過調節CCR2、ESR1、RRARγ和RARA的表達，進而影響食管炎和結腸癌的病理發展。對清絡飲的235種成分進行分析，研究者鑒定出苦參黃素、苦參堿、青藤堿、小檗堿和薯蕷皂苷元等具有抗血管生成和抗炎的活性成分，發現苦參堿和青藤堿可靶向TNF和VEGF誘導的信號通路，通過反饋和補償機制發揮協同作用，這和其對類風濕性關節炎的治療作用密切相關[46]。通過FDA批準的蛋白質分子結構和藥物相應靶標的數據庫，使用“Random Forest”算法，WU等[47]對附子進行“化合物-靶標”網絡構建，發現附子的22種化合物可能的作用靶標；而梔子大黃湯的網絡藥理學研究顯示其治療酒精性肝臟疾病的機制可能是通過靶向CYP2E1、XDH、NOS2和PTGS2抑制抗氧化反應，進而調節活性氧來實現的[48]。陳亞紅等[49]對丹參飲的主要生物活性成分治療糖尿病的藥理作用進行分析，并結合分子對接和網絡藥理學方法，顯示其主要活性成分(丹參素、橙花醇、丹參新酮等)可通過作用于EGFR，通過PI3K-Akt、Wnt、MAPK、AMPK、NF-κB等信號通路，參與炎癥和氧化應激反應，為其用于糖尿病的治療提供理論基礎。

3.4 預測中藥新的適應證

中藥由于其成分的復雜性，具有多種藥理活性，被廣泛應用于各種疾病的治療，并取得了較好的療效。由于中藥是我國的傳統醫學，其適應證與現代醫學的病癥無法產生明確的聯系，造成中藥在臨床使用過程中受到限制。中藥是尋找新藥資源的寶庫，開發潛力巨大，其適應證尚不完整，有待新適應證的發掘，網絡藥理學的興起，為這一難題提供了一個新的思路。師帥等[50]開展對“丹參-三七”的藥理作用和機制研究，發現三七成分中的槲皮素口服生物利用度最高，作用靶點最多，可能發揮關鍵的藥理作用，槲皮素具有的抗炎、抗氧化作用及抑制乳腺癌細胞遷移的作用，提示其對惡性腫瘤可能有治療作用。李翔等[51]通過對復方丹參方的網絡藥理學分析，發現其中的丹參酮類成分可通過GLUT4、PPARG、IRS1、KCNJ11和INSR等的調節，改善胰島素抵抗，增加胰島素分泌，在糖尿病的臨床防治中可能有應用前景。楊倩等[52]對復方川芎嗪進行“成分-靶標-疾病”的網絡構建，并對相關靶標進行GO和KEGG富集分析，發現其主要作用靶標與細胞增殖、血小板激活、平滑肌收縮等生物學過程，預測其對缺血性腦卒中有治療作用，并通過對缺血性腦卒中大鼠進行驗證，發現復方川芎嗪可以降低模型大鼠海馬組織中的MAPK-1和SRC的mRNA水平，有利于其發揮腦保護作用。上述研究均顯示出網絡藥理學在中藥復方研究中預測新的適應證的工具性作用，為中藥的新藥開發提供了有力支持。

3.5 中藥毒理學研究

網絡毒理學基于“毒性-基因-靶標-藥物”相互作用網絡，通過合理使用網絡分析，評估和闡述藥物的毒副反應。劉慶山等[53]通過建立針對自由基清除的高通量篩選模型，篩選并分析復方白脈散全組分，確認其靶點，并進行靶標化合物的毒性評價，結果顯示出良好的效果和關鍵作用，該研究有助于從中藥資源中發現新藥，同時增加安全性。隨著計算機技術和人工智能技術的發展，近年來計算機毒理學被用于研究化合物的毒性結構及其毒性關系，通過和網絡藥理學相結合，進一步預測候選化合物的毒性，可以減少研發成本，提高成功率[54]。雷蕾等[55]通過網絡毒理學的預測軟件Mold2對7409個中藥化學成分進行了分子描述符計算，并使用“Random Forest”算法構建定量構效關系模型，篩選最優預測模型，對中藥急性毒性成分進行預測，減少藥物可能出現的毒副反應。網絡毒理學已被廣泛用于中藥成分的肝毒性、腎毒性、心臟毒性和急性毒性的預測，如何建立相應的預測系統成為當前的研究重點[56]。

3.6 聯合藥物分析學方法進行中藥質量標志物研究

中藥飲片或提取物中與其功能性質關系密切的化學成分能夠反映其有效性和安全性，對其進行“物質-功能”網絡分析為中藥行業的質量評價和控制提供了新的思路。通過氣相-質譜聯用或超高液相色譜-高分辨質譜聯用技術對中藥復方的化學成分進行分析，進行“成分-靶點-疾病”網絡分析，確定關鍵模塊和節點，可以從“代謝指紋-化學構成-網絡靶標”的藥理學角度確定中藥復方的質量標志物[57]。LI K等通過整合化學、生物合成分析、藥代動力學分析，聯合網絡藥理學，使用灰色關聯分析和最小二乘支持向量機回歸技術，鑒定出元胡止痛片的三個質量標記物(原阿片堿、α-別隱品堿和延胡索堿)與其生物活性高度相關，其中延胡索乙素、延胡索堿和白茅苷可作為區分元胡止痛片真假的成分組合，也可用于生產過程中的質量控制[58]。

4 結語

中藥藥理作用是多成分、多靶點、多途徑的整體作用，當前新藥研發的“單一靶點，單一藥物”模式難以勝任中藥的藥理研究，而網絡藥理學的應用則為中藥研究提供了有力的工具。網絡藥理學可以從生物分子網絡結構和功能出發，構建“活性成分-作用靶標-疾病”的藥理網絡，結合蛋白組學、代謝組學等高通量技術，為中藥研究與創新提供實踐基礎和有效途徑。即便如此，基于網絡藥理學分析的結果仍需研究者們在細胞水平、離體組織和整體動物層面上的活性驗證，結合臨床研究結果，能夠更快捷和有效地進行中藥開發研究；在網絡藥理學的研究中引入生物芯片、等離子體質譜法和微量升華法等新技術，有利于中醫藥的大數據研發和質量控制，促進中藥現代化的進程。