中药四性数学模型的建立与实验研究

贺福元 ，邓凯文 ，黄 胜 ，刘文龙 ，石继连 ，周宏灏

（1.湖南中医药大学药学院，湖南 长沙 410208；2.中药药性与药效国家中医药管理局重点实验室，湖南 长沙 410208；3.湖南中医药大学现代中药制技术与评价实验室，湖南 长沙 410208；4.湖南中医药大学第一附属医院，湖南 长沙 410007；5.中南大学临床药理研究所，湖南 长沙 410078）

中药药性理论是我国历代医家在长期医疗实践中，以阴阳、脏腑、经络学说为依据，根据药物的各种性质及所表现出来的治疗作用总结出来的用药规律。它是中医学理论体系中的一个重要组成部分。其中中药四性是传统中医药性理论的重要组成部分，是中医赖以处方遣药的依据。中国最早的药学专著《神农本草经》指出“药有寒热温凉四气(性)，“疗寒以热药，疗热以寒药”，明确以病证寒热作为用药依据的基本治疗原则。然而，中药四性的客观有效的判别标准和方法是什么?四性的生理活性及物质基础是什么等问题一直为医药研究者所关注，是中医药现代化可能实现的突破口，本文根据物理化学燃烧的基本概念,初步建立中药四性的数学模型，旨在为中药药性理论研究奠定基础。

1 基本思路与原理

1.1 基本思路

中药四性，亦为药物的寒、热、温、凉四种基本药性，古时也称四气。其中温热与寒凉属于两类不同的性质。而温与热，寒与凉则分别具有共同性；温次于热，凉次于寒，即在共同性质中又有程度上的差异。对于有些药物，通常还标以大热、大寒、微温、微寒等词予以区别。药物的寒、热、温、凉，是从药物作用于机体所发生的热效应概括出来的。是与所治疾病的寒、热性质相对而言。能够减轻或消除热证的药物，一般属于寒性或凉性，如黄芩、板蓝根对于发热口渴、咽痛等热证有清热解毒作用，表明这两种药物具有寒性。反之能够减轻或消除寒证的药物，一般属于温性药物，如附子、干姜对于腹中冷痛、脉沉等寒证有温中散寒作用，表明这两种药物具有热性。在治则方面，《素间.至真要大论》云：“寒者热之，热者寒之。”这是基本的用药规律[1]。实质上来说，四性是药物作用于人体后，机体所产生系列生化反应时总体上伴有能量改变的两种趋势，亦产热还是吸热，这一物理化学现象经机体感受后产生温热和寒凉两种情况。此外，还有一些平性药，是指药性寒、热之性不甚显著、作用比较和缓的药物。其中也有微寒、微温的，仍属四性的范围，但却有平性药物存在，这些药物与机体所形成的化学键与原植物所存在的化学键的形式相同[2]。

燃烧焓是指1 moL的物质在1大气压下完全燃烧时的热效应[3]。完全燃烧的含义是使其燃烧产物为CO2（g）、H2O（L）、N2（g）、HCl（aq)、SO2(g)。 通常指定 298 K，1 标准压力下各物质的燃烧焓为标准燃烧焓。用ΔCHΘm表示，单位为kJ·moL-1。由于中药提取物为混合物，不可能用kJ·moL-1表示，但可以用kJ·g-1表示。中药提取燃烧焓反映中药成分的中药原生物贮存的药物成分化学能。由于中药为多成分体系，来源于自然界，它由植物体以各酶系，特别是细胞色素P450家族酶主导而生，当进入人体后，被人体相似的酶系，包括CYP450代谢、转化和产生靶效应，由自然界各酶系相互联通，各成分在体内的代谢动力学由总量（浓度、生物能）控制，按“网通虹势”的规律[4]、质量作用定律，人体必然向与中药药性相反的方向移动，达到中医学上的“热者寒之、寒者热之、虚者补之、实者泻之”等的反治互补的药效，同时机体伴有能量的吸收或释放。当整体反应以吸热为主，则机体主观感觉表现为寒性药物，当整体反应表现为放热时，机体主观感觉为热性药物。因此通过测定中药成分群燃烧焓就能获得中药四性的初期信息，同时对构建中药四性宏观状态函数（数学模型）和中药药性理论的研究具有重要的意义。

1.2 基本原理

1.2.1 中药四性数学模型的建立 将人看成一个孤立体，其吸收能量的总和与放出能量的总和相等。人体的治病过程是运用药的“偏性”纠正人体的“偏性”，从中药四性的角度来说，是利用药物的寒、热、温、凉纠正人体的阴阳之偏性。故药物与人体作用的过程可用图1表示[5]。

由图1可知，人体始状的热焓为ΔHBB，服用燃烧焓为ΔHP的中药进入过渡态（人体+药物）后，中药与机体产生作用，中药对机体产生药理反应，促使机体向中药性能相同的方向移动，机体对药物进行生化代谢反应，两类反应与热效应偶联，整体上产生吸热和放热效应，机体向环境的产热为Q，同时由肺部呼出CO2，由二便排出代谢产物ΔHM，人体最终过度到终态ΔHEB，在等压条件下，根据热力学第一定律及Hess定律[6]，则有式（1）

式中△Hp、△Hm、△HBB、△HEB分别为药物、 二便代谢产物、给药前生物体、给药后生物体的热焓，Q为该过程放出的热量。由热力学第一定律可知，H为状态函数，但Q与过程有关，但当△Hp、△Hm、△HBB、△HEB确定后，其值也一定，由中药与生物体的起始点与机体对药物代谢后的状态决定，由式（1）可得式（2）：

由式（2）可知，人体的 ΔHBB、ΔHEB不便测出，可采用与平性药比较的方法测定。由式（2）得平性药物的热平衡式（3）：

当平性药（用下标e表示）与原机体代谢保持平衡，机体前后无热效应变化，机体的温度相等，ΔU=0。由于压力相等，给药前后机体前体排出的体积相等，故Δ（PV）=0，因 ΔH=ΔU-Δ（PV），自然 ΔHBB-ΔHEB=0，与正常状态下代谢产物只以 CO2（g）和 H2O（l）排出体外，ΔHMe=0，但有些平性药物在体内也有代谢产物排出。故式（3）变为：

也就是说平性药物在维持人体代谢平衡情况下 （人体不增质量，也不减质量），全部转变成CO2和H2O排出体外，所转变的能量供机体基础代谢用。

非平性药物的热平衡式为式（5）：

式（5）减出式（4）得式（6）：

式（6）中的 ΔHpn-ΔHMn-（ΔHpe-ΔHMe）为中药代谢热焓项，计为 ΔHM，ΔHBBn-ΔHEBn为机体热焓改变项，计为 ΔHB。本式为中药四性测定的通用公式。可定中药四性计算式为式（7）：

自然对于不同的化合物有不同的 Qn，当 SQ＜0，Qn＜Qe，机体向环境放热，中药药性体现热性，SQ＞O，Qn＞Qe，机体向环境吸热，中药体现寒性，SQ=0，Qn=Qe，机体与环境达到热平衡，中药体现平性。但药物在体内表现出可逆转、不可逆转、蓄积等情况，其四性的测定方法不同。

1.2.2 可逆转药物四性的测定 可逆转药物是指所产生的药理作用，停药后，经给平性标准物后机体功能可以逆转的药物，可通过服用平性标准物来进行测定，这一方法叫平性逆换法。经过服用寒热药物的机体，再服用平性药物，则机体又恢复到起始点的热焓，此时有式（8）：

由于又恢复到了实验前状态，则ΔHEBen等于ΔHEBn，ΔHBBen等于 ΔHBBn，式（8）变为式（9）：

式（9）加上式（6）得式（10）：

当实验前后都给等量的平性药物，则ΔHPe等于ΔHPen，式（10）式变为：

这样通过实验设计测定出中药对机体的热效应（Qn），人体先服用平性药物，测得标准Qe和燃烧焓ΔHPe及代谢产物ΔHMe；测定中药的燃烧焓ΔHPn、服用中药后，收集机体二便代谢，测定ΔHMn，至机体恢复以药前，取血样、组织样检测得药物的有效浓度为零（药物从体内排尽）对于没的蓄积的药物，测定 ΔHMen。 则按式（10）计算 Qn+Qen-Qe，再按减去总Qe计算出中药四性值SQ。

1.2.3 不可逆转药物四性的测定 不可逆转药物是指所产生的药理作用，停药后，经给平性标准物机体功能不可以逆转的药物[7]，主要用于严重毒性药物的四性研究，也可通过服用平性标准物来进行测定，叫平性非逆换法。经过服用非逆转药物的机体，再服用平性药物，则机体变为终点的热焓，此时有式（12）：

由于没有恢复到了实验前状态，则ΔHEBen等于ΔHEBn，ΔHBBen不等于 ΔHBBn，式（12）变为式（13）：

式（13）加上式（6）得式（14）：

当实验前后都给等量的平性药物，则ΔHPe等于ΔHPen，式（15）式变为：

同样通过前述实验求得：平性药物标准Qe、燃烧焓ΔHPe、ΔHMe和中药的燃烧焓ΔHPn、服用中药后机体二便代谢 ΔHMn，服用等量的平性标准物的 ΔHMen。 但 ΔHBBn、ΔHBBen是很难测定的，这样采用热效应法可直接测定给药与平性标准物的总Qn+Qe，再减出 Qe测得Qn，再求 ΔHBBn-ΔHBBen，其值越大，无论是正值，还是负值，其四性偏离越大，毒性必然越大。

1.2.4 蓄积与消耗性药物四性的测定 蓄积药物是指所产生的药理作用，停药后，一部分以平性药物的形式蓄积在体内，给平性标准物机体功能可以恢复到给药前，但体内能检测到药物的蓄积量[8]。消耗性药物是指所产生的体重降低作用[8]，促进机体消耗的药物，停药后，给平性标准物机体功能可以恢复到给药前，但体质量有明显的变化。蓄积中药体内能检测到药物的蓄积量可采用蓄积检测法进行测定。消耗性中药可通过称质量来进行研究，经过服用蓄积、消耗性中药的机体，再服用平性药物，则机体变为终点的热焓，此时有与式（15）相似的式（16）：

同样可用非可逆药物四性的测定方法测定蓄积或消耗性中药Qn，也可以直接测定蓄积量或减轻重量进行计算ΔHBBn-ΔHBBen。其值越大，无论是正值，还是负值，其四性偏离越大，蓄积、消耗性能力越大，可作于重金属、微量元素、减肥药对机体四性的研究。

1.2.5 代谢热焓与机体热焓的关系 由式（6）式有：

当中药代谢热焓项大于机体热焓项改变时为热性药物，可使ΔHEBn变小，久服则机体体质量降低，久热必耗气伤津。

当中药代谢项热焓小于机体改变热焓时为寒性药物，可使ΔHEBn变大，久服则机体体质量增加，久寒必痰饮内停。

当中药代谢项热焓等于机体改变热焓时为平性药物，则ΔHEbn不变，久服则机体体质量平衡，长寿延年。

这样中药对于机体的四性研究的物理数学模型就建立了。不管中药、西药，单成分与多成分都能进行中药四性研究，如定葡萄糖为平性标准物，由自然界各种物质与人体的四性作用关系就如同化学上的电极电位一样被建立起来。本实验只对可逆转中药四性药性的数学模型进行验证。

2 方法与结果

2.1 仪器、动物与试药

仪器：HR3000数显热量计 （湖南长沙圣西公司），DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥器（上海精宏实验设备有限公司）。动物：Wister大鼠12只，由湖南中医药大学实验动物中心提供，动物合格证号，医动字第20-001号。试药：黄连为毛茛科植物黄连Coptis chinensis Franeh的干燥根，吴茱萸为芸香科植物吴茱萸Evodia rutaecarpa(Juss.)Benth.的近成熟果实，甘草为豆科植物甘草GLycyrrhiza uralensis Fisch.的根茎，由湖南中医药大学药学院中药鉴定教研室刘塔斯教授鉴定，均于湖南中药医药大学附属第一医院药剂科定点购置；其它所需试剂均为分析纯。

2.2 灌胃药物制备

（1）浸膏的提取 分别选用上述药材各40 g用8倍水量提取2次，每次提取1 h，用纱布加棉花进行过滤，收集合并滤液，用旋转蒸发仪进行浓缩，浓缩至糖浆状即可，用鼓风干燥器干燥浓缩液，最后得到黄连、吴茱萸、甘草干浸膏分别为 7.961、5.234 8、10.030 2 g。 （2）灌胃药物溶液配制 分别称取黄连浸膏、吴茱萸、甘草0.896 5、0.548 0、0.564 0 g，用 20 mL 蒸馏水溶解配成溶液备用。

2.3 实验步骤

（1）分组：将 12只大鼠按完全随机分组分成 4个组，每组3只，分别进行编号标记并称质量。得出具体分组情况如下：1、2、10 号为黄连组，3、5、6 号为吴茱萸组，4、7、9 号为甘草组，8、11、12 号为空白组。 （2） 喂食及灌胃：连续6 d定时给予动物定量饲料，称取每天所吃剩饲料及大鼠体质量获得大鼠每天的进食和体质量数据。在第7天晚上对不同组别的大鼠灌服相应的药物1次，灌胃剂量为每只1 mL，以后每天5次，共 20次。（3）代谢产物收集及处理：在上述期间从第7天开始定时收集大鼠的代谢产物（屎和尿），共收集4 d。将收集的代谢产物进行高温干燥灭菌处理，并进行相应的称质量和记录。（4）标准物逆转后代谢物热焓测定：灌喂药物后第11天以灌喂药前等量的饲料饲养两天，使大鼠机体功能回复到原来状态，并称质量，见表1。取血样测定血液中的小檗碱、吴茱萸碱和甘草酸，至血液中含量为零，实验于第12天完成。收集代谢物并去除水分后测定代谢物热焓值。相关热焓数据见表2。

表 1 大鼠实验前后体质量的变化 （g，x±s，n=3）

表2 黄连、甘草体内代谢各热焓的变化值及结果 （Q，n=3）

2.4 燃烧焓的测定及计算

显热量计精密度的测定：于燃烧皿中精确称取标准物苯甲酸1.000 2 g(2片)，于3.0 MPa下向氧弹中充入足够氧气，往内筒中准确加入3 000 mL蒸馏水，拧紧装置检查无漏气后点火测定苯甲酸的燃烧焓，终点完成时仔细观察弹筒和燃烧皿是否有不完全的迹象。称出未完的点镍铬丝质量，经温度矫正计算准热容量（详细参考HR 3 000数显热量计使用说明）。同样的方法连续测定3次，计算得标准热容量为14 265.08 J/g，温度升高RSD小于1.1%，说明仪器精密度好。

药物浸膏、饲料、大鼠灌服药物前后的代谢产物进行测定：准确称定黄连、吴茱萸、甘草浸出物、饲料、1.075 5、0.282 7、0.507 7、1.069 8 g于燃烧皿中，具体操作方法同标准苯甲酸热焓测定，按圣西公司提供的公式（10）计算其燃烧焓，公式（11）计算K，公式（12）计算硝酸生成热Q硝酸。

上述公式中△T、T校正均为温度，单位为℃，△T在实验中测得，T校正按0.005 3计算，Q点火丝按120 J计算，M为进行测量时所称量物品的质量，单位为g。按上述方法测得药物浸出物、饲料、各代谢产物、及标准品葡萄糖的燃烧焓，结果列于表2。

2.5 结果与分析

对表2中的数据按式（10）进行计算，求得1 g中药浸出物相对应1 g标准品代谢过程热焓变化，根据SQ=Qn-Qe结果判断黄连为寒性药物，吴茱萸为热性药，甘草为平性药物，空白组的饲料亦体现平性药物性项。

3 结论

3.1 中药四性的现代研究

从60年代开始逐步展开药性研究，据文献，以前多采用药效学、药物化学等手段试图从药物成分结构方面寻找答案，但研究进展维难，近几年，随着国家中医药现代化的推动，大量的现代科学如生物学、生物数学、生物物理学、物理化学、高等数学、生化技术、各门化学等学科的介入，中药四性研究进入了新阶段，目前兴起了以微量量热法为主的研究方法[1]、但营养食品科学早期的对食品热量的直接测热法、间接测热法亦可运用到人体的能量代谢过程的热量测定，因此结合物理化学的孤立体系思路，用热力学第一定律，将人（生物体）看成一个生物系统，研究其给药前后的焓变，建立人体代谢热力学生物物理状态函数数学模型，阐明中药四性的现代属性，这对中医药的发展及学术水平的提高有非常重要的意义。

3.2 生物热量测定法

中药四性的现代研究尚属起步阶级，据文献报道，生物热量测定方法有微量量热法、直接测热法、间接测热法等微量量热法[10]是以生物物理化学为研究手段，主要用来研究生命体系的热力学过程以及化学反应的微量热量变化。根据生命体生长、繁殖，伴随代谢有热量释放，释放热量随生长期的变化关系就是热谱图，由热谱图可监测生命体的生长情况和能量代谢，且此热谱图具有良好的重现性和明显的特征性。

直接测热法[11]（direct calormetry）是测定整个机体在单位时间内向外界环境发散的总热量。此总热量就是能量代谢率。间接测热法[12]（indirect calorimetry）的基本原理就是利用这种定比关系，查出一定时间内整个人体中氧化分解的糖、脂肪、蛋白质各有多少，然后据此计算出该段时间内整个机体所释放出来的热量。这两种方法早期是用来测定营养成分在体内氧化分解所产生的能量，但可以借鉴用来研究中药对机体的产热和吸热趋势。

氧弹式量热法[13]是物理化学中常用来测定化合物燃烧焓的方法，可直接用来测定中药的热焓。

3.3 中药四性实验研究的特点及注意问题

中药四性是中药作用于机体产生药理作用而伴随的能量变化，其宏观总的趋势仍服从热力学第一定律。实验保证在等温等压条件下进行，实验过程动物要保持温度恒定，二使代谢产物收集要完整，灭菌要及时。由于燃烧焓是一个较大的数值，而得到四性结果是诸多燃烧焓之差，因此容易产生误差，故在燃烧焓测定时要准确，特别是克扣除饲料燃炕焓时更应注意。另者给药后要经过一个时间动物才能恢复到药前状态，因此实验时随时临控动物的体征，根据药物有效成分在体内代谢的半衰期，先初步估计药物代谢完全所需时间，然后再进一步取血样分析，确保药物代谢完全和动物恢复动给药前状态。由表2可知用本法测得黄连的四性值为SQ＞0，说明服用黄连使机体基础代谢降低，呈寒性；吴茱萸为SQ＜0，相反呈热性；甘草SQ接近0，故为平性中药。本文所创四性研究方法还适用于单成分西药药性研究。

本研究首次从理论上建立了中药四气的理论数学模型，并进行了初步验证工作，相关的大样本实验验证工作正在展开，相信中药四性的研究工作即将取得突破性进展[14-15]。如将本结果与中药谱效学，中药谱动学、中药遗传统计学、中医药状态函数等新生边缘学科结合，可深入研究中四性与五味功效的关系，我想信中药药性理论研究必将开启新的研究时代。

[1]余惠昆，周红祖，肖小河.中药四性的研究进展与展望[J].中国中医基础理论杂志，2001,7(8)：62.

[2]庞小峰.关于生物能量在生命体系中的传递研究（Ⅰ）[J].西南民族学院学报：自然科学版，1997，23（1）：73-84.

[3]末世漠，庄公惠，王正烈.物理化学(上册)[M].北京：高等教育出版社，1992：132.

[4]贺福元，周宏灏，罗 瑛，等.生物遗传多态性规律提示中药材质量稳定性规律探讨[J].中草药，2008，39（1）：2.

[5]Whittam R.The connexion between active cation transport any metabolism in erythrocytes[J].Biochem J,1965，（97）：24.

[6]邹文礁，陈大勇.物理化学实验与技术[M].上海：华东理工大学出版社，1993：3.

[7]顾祖维，吴中亮，仲伟鉴.现代毒理学概论[M].北京：化学工业出版社，2005：15.

[8]魏树礼.生物药剂学与药物动力学[M].北京：北京医科大学，中国协和医科大学联合出版社，1997：67.

[9]郭 澄，魏道智，陈海华，等.中医药减肥疗法的研究概况[J].中药材，2005，27（5）：534.

[10]Wads o l.Microcalorimetric technique fox characterization of living cellular systems.Will there be any important practical application[J].Thermochimica Acta，1995，（26）：337.

[11]梁月华.寒凉药与温热药对交感神经及代谢机能的影响[J].北京医科大学学报，1987，19(1)：54.

[12]宋智秋.创立生物物理药物学学科研究构想[J].实用中医药结合杂志，1996，9(9)：520.

[13]罗澄服.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，1984：3.

[14]周正礼，李 峰，王 薇，等.中药四性研究的新进展[J].中医药信息，2010，27（1）：110.

[15] 吕圭源，陈素红，邓文龙.中药四性现代分析[J].2008，10（6）：1