系统生物学技术在方剂学中的研究进展

张坚　邢磊　王红君

[摘要] 方剂学是中国医药的重要组成部分之一，长期以来，如何解释方剂配伍化学成分的意义、及有效性做出科学合理的解释，是目前中医药现代化亟需解决的问题。系统生物学是通过整体观念来研究生物成分的相互关系，本文系统阐述系统生物学四个方面基因组学、蛋白质组学、脂质组学、代谢组学在方剂学研究的进展。

[关键词] 系统生物学；方剂学；研究；进展

[中图分类号] R289 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2018）19-0165-04

Research advances in systematic biological technology in formulaology

ZHANG Jian XING Lei WANG Hongjun LIU Xiaofen

Department of Emergency，Gaochun Hospital of TCM in Nanjing，Nanjing 211300，China

[Abstract] Formulaology is one of the most important components of traditional Chinese medicine. For a long time， how to explain and make a scientific and reasonable explanation of the significance and effectiveness of the compatibility of prescriptions and chemical components is an urgent problem to be solved in the modernization of traditional Chinese medicine. Systematic biology studies the relationship between biological components through the overall concept. This article systematically reviews progression of formulaology in terms of the four aspects of system biology： genomics， proteomics， lipidomics， and metabolomics.

[Key words] Systematic biology；Formulaology；Research；Progress

系統生物学是一门新兴的、正在不断发展的交叉学科。其主要研究[1]一个生物系统的所有成分，包括基因、蛋白质等高通量技术，以及这些成分在一定条件下的相互关系，在通过计算生物学的方式建立各成分数据模型，一方面可以对各成分进行定量描述，同时可以预测生物的功能、表型以及行为等。而系统生物学的起源和方法学基础：①在生物技术与医疗保健方面具有应用前景的详细的生物学知识的积累；②基因组学和蛋白组学新实验方法的涌现；③对生物学过程进行数学建模的传统技术；④作为数据库与大型系统计算先决条件的计算能力的发展；⑤互联网作为快速全面信息交换的手段。伴随着这些实验技术和计算机技术的不断优化，使得系统生物学作为一门新兴学科得到了快速的发展。

方剂是我们中国传统医药中用药的主要形式，其以中医理论为基础，以“君、臣、佐、使”为组方原则，以“相恶、想杀、相畏、相须、相使”等为药物作用规律，体现了中医学中的整体观念和辨证论治的思想。故而方剂学是一个复杂的科学体系。长期以来，如何解释方剂配伍化学成分的意义、对多种疾病使用同一种方剂的有效性做出科学合理的解释，一直是我们所面临的难题。使用现代化的技术语言来解释方剂配伍之间的相互作用一直是方剂学发展所面临的瓶颈，难以得到国际上的认可、推广和发展。故而提出一个现代化的技术手段去解释中药方剂的作用是目前需要迫切解决的问题，一方面可以使方剂研究的现代化进程加快和国际接轨，同时对促进中医药现代化体系的研究有着十分重要的意义。而伴随着系统生物学与方剂学的交叉渗透，为现代化的方剂研究提供了重要的技术方法和工具支持，促使方剂研究的现代化进程加快。下面将系统生物学技术在方剂研究中应用总结如下。

1 国内外方剂研究的现状

国内长期以来通过拆方的方式来研究中药复方的相互配伍关系，采用西药单一靶点作用机制进行研究，大多是将中药复方中的有效化学成分提取出来，或者将中药复方中简单的活性成分进行筛选的方法，尽管在一定程度上可以解释其药理机制和作用，但是由于中药复方的复杂性，多靶点机制作用导致难以单纯的使用化学成分的提取和活性成分筛选组合的方式来解释中药复方的内涵，故而选用更加合理的方式去解释中药复方的核心内涵，故而迫切需要新的理论和技术手段去解释方剂的理论体系。而随着现代技术的发展，各种方剂学的理论和思想不断被提出，极大的促进了方剂学现代化研究的进展，如黑龙江中医药大学的王喜军[2]教授于2011年通过中药方证代谢组学的理论来解释中药的有效性等相关问题的解释，提出了“中药血清药物化学”的理论，认为中药的有效充分只有进入血液循环方能起到作用，得到了众多方剂研究者的认可。罗国安教授[3]则提出：“一个结合”、“两个基本讲清”“三个化学层次”“四个药理水平”的方剂研究体系，即中药药理与化学相结合即，讲清化学成分和药理作用，阐述方剂中“君、臣、佐、使”的配伍规律来分析中药复方的药材配伍、有效部分以及有效成分，通过四个药理水平如在整体动物、器官组织、细胞和亚细胞、分子水平来解释中药复方。同时随着系统生物学研究进展，张伯礼院士提出了“组分中药”的概念[4]，提出将中药复方中的有效化学成分进行配伍，将中药复方中有效成分和化学机制搞清楚。而随着近年来方剂学中系统生物学的应用[5]，已成为方剂学研究领域的共识，其发展迅速，成绩斐然。

2 方剂研究中系统生物学的应用

2.1方剂研究中蛋白质组学的应用

蛋白组学[4]主要是系统生物学研究中的重要组成部分之一，主要是通过生物化学的方法对生物体的全部蛋白或部分蛋白作为研究对象，分析其作用和机制。其与基因组学、代谢组学、以及转录组学共同构成了系统生物学。而随着科技的发展，蛋白组学是连接传统中医药与现代医药的桥梁，通过现代科学的方法来解释传统中医药的理论、方药。

如苗兰等[5]发现对气滞血瘀型大鼠，使用血府逐瘀汤干预会影响大鼠蛋质组表达产生影响，苗兰等采用双向凝胶电泳分离大鼠血清总蛋白，通过凝胶图像分析软件分析出2DE图谱，比较正常大鼠与气滞血瘀型大鼠蛋白表达谱的改变情况。结果发现两组大鼠的差异蛋白点共7个，气滞血瘀型大鼠的1个蛋白质下调，1个蛋白表达缺失，5个蛋白质上调，在血府逐瘀汤干预后有效改变其蛋白质的表达水平。杨军等[6]采用蛋白质组学的研究方法，探讨壮骨止痛方对治疗骨质疏松机制，首先建立去卵巢大鼠骨质疏松症模型，分为三组为模型组、壮骨止痛组以及假手术组。通过提取股骨头中蛋白质，采用双向电泳分离出来，对各蛋白质进行进行鉴定，发现壮骨止痛方对治疗调控X1、X2、X3这3种蛋白有着重要作用。

张颖[7]使用蛋白组学的方法，以左归丸作为中药干预，观察卵巢切除后绝经期骨质疏松大鼠的蛋白质差异，发现在股骨骨髓中存在11个差异蛋白质，主要有信号传导、能量代谢、细胞增殖、抗氧化、分化和调亡等功能。通过蛋白组学的方法发现中国传统方剂左归丸在防止因去卵巢导致的大鼠骨质疏松可以通过调节骨髓内细胞的分化、凋亡等方式来预防。

2.2 方剂研究中基因组学的应用

基因组学[8，9]简而言之就是研究基因组的科学，主要是通过分子生物学、计算机信息技术作为研究手段，以生物体内的全部基因作为研究对象，探索生命体运行的内在规律以及内环境对生命体影响的科学。而基因组学技术具有的高通量、并行、高内涵的特点则为方剂学的研究开辟了新的研究疆域，基因组学技术可以确定靶组织的基因表达模式，从而在中药复方制剂上可以将靶基因全部表现出来。

Rho S等[10]采用基因组学技术来研究六味地黄汤衍生方对抗衰老机制作用。发现给药组大鼠的PEP-19（一种抑制神经元凋亡的特异蛋白）以及甲状腺素转运蛋白等基因在海马区大量表达，故而说明六味地黄汤衍生方主要以促进细胞增殖、保护神经元细胞等起到了抵御衰老的功效。李国驹等[11]采用基因组学技术来研究壮腰健肾丸相关药理机制及其作用发现在对果蝇衰老模型给药后，370个基因表达发生改变，264个下调，106个表达上调。说明壮腰健肾丸以抗氧化损伤的方式起到抗衰老作用。

2.3方剂研究中代谢组学的作用

代谢组学在90年代由Nicholson JK等[12]定义为：遗传修饰的动态及病理生理刺激通过定量测量生物系统反应的参数代谢。2000年之后Fiehn O等[13]提出代谢组学反应一个生物体内部的静态的过程，主要是研究生物体收到内外部刺激后，其内源性的代谢物伴随着时间变化，其种类及数量的变化及其之间的相互规律。代谢组學[14]反应的是机体的整体变化情况，与中医认为的整体观念相似，用于传统中医药的研究，阐明方剂研究中作用机制，促进传统中医药的现代化进程。

张凤霞等[15]观察通心络对抑郁-动脉粥样硬化大鼠的血浆代谢谱的影响，使用超快速液相色谱-离子阱飞行时间质谱联用方法，发现通心络干预模型大鼠血浆中各项指标的变化情况正常组大鼠无异。施旭光等[16]对脾虚证大鼠分为四组，一组为纯脾虚证大鼠，其他三组为补中益气汤组、去升麻柴胡组、升麻柴胡加剂量组，使用1H-NMR 分析，观察脾虚证大鼠和其他三组之间的代谢物谱差异，选取血清中生物标志物如β-羟基丁酸、LDL、氨基酸、血糖浓度以及乳酸。发现给药的三组与模型组比较，血清中标志物无明显差异性，同时只有补中益气汤组乳酸含量也属正常。说明大鼠血清标志物中血糖、LDL、β-羟基丁酸与糖代谢、糖异生相关与脂肪代谢相关，乳酸与能量代谢相关。王彬等[17]对三种正常、甲亢模型和六味地黄丸大鼠给药使用PLC-Q-TOF/MS分析大鼠的血样成分谱变化的情况，研究发现大鼠体内三酰甘油、草酰乙酸、磷脂酰肌醇、卵磷脂等发生变化。磷酸二羟基丙酮和乙基葡糖苷酸与糖代谢相关，草酰乙酸与三羧酸循环相关，溶血磷脂、三酰甘油、胆固醇与脂质代谢相关。刘媛媛[18]对甘草附子汤治疗慢性关节炎大鼠模型使用UPLC-Q-TOF/MS方法分析生物标志物，对造模大鼠的生物标志物进行鉴定和代谢通路的相关分析，一共鉴定出26种相关生物标志物（犬尿喹啉酸、4-吡哆酸、苯丙氨酸等），这些标志物与TCA循环和维生素B6代谢等相关代谢通路相关，提示甘草附子汤对慢性关节炎大鼠引起的代谢通路紊乱发挥着治疗作用。

2.4方剂研究中转录组学的作用

转录组学[19]是在生物体内所有的细胞中其基因的调控规律和转录的科学。中药方剂是传统中医药中精华的总结，多为复方制剂，导致其化学成分复杂，其对人体的作用必然是多靶点之间的相互协助才能发挥其复方制剂的疗效，而传统的中药学研究中只是研究其单一的基因或者蛋白，不能分析其本质。转录组学则能够全面的观察生物体对外界刺激的变化情况，与方剂的研究不谋而合。

Wang Y等[20]观察芪参益气方对急性心肌梗塞模型大鼠的治疗作用，采用转录组测序技术开展此项研究。研究结果发现芪参益气方对急性心肌梗塞型大鼠心室可进行重构，从而起到缓解造模大鼠急性心肌梗塞症状。另外发现对心血管疾病的两个重要信号通路有影响：①大鼠的血脂改善可以通过芪参益气方对脂肪酸氧化调节；②芪参益气方抑制花生四烯酸氧合酶同时促进NO水平来发挥抗炎作用，说明芪参益气方能够通过多种信号途径发挥急性心肌梗塞治疗作用。Gao JR等[21]观察肾康颗粒对慢性肾小球肾炎大鼠基因表达的影响，采用基因芯片技术进行研究。研究结果显示：给药组大鼠与模型组相比，其Pnoc、Syk 、Lcn2等基因的表达下调显著，同时Cyp2c7、Acsm5等基因表达上调显著。同时在生物学途径方面亦受到抑制，在免疫应答、细胞周期等生物学功能亦受到影响。故此得出肾康颗粒对分子机制的药效作用需进一步考察。Chan HYA等[22]探讨丹芪胶囊对神经祖细胞基因表达的影响，以MLC901细胞为对象，研究丹芪胶囊调节在分子机理上神经再生和保护的作用，发现MMP10、FGF19、GALR2、FGF3等靶点是丹芪胶囊可能起到药效作用[23-26]。

3结语与展望

中医药在中国已经传承数千年之久，其疗效早已经过时间的验证了在治疗疾病上的确切有效性，受到了广大人群的认可。伴随着人类疾病谱的不断变化，疾病的越来越复杂性，方剂的多靶点相互作用，整合调节具有单方无法比拟的优势，国际主流医学也开始研究中药复方。然而中药复方的药理机制以及药效的物质基础十分复杂，导致中药复方研究十分缓慢，这导致中医药的研究出现了瓶颈。而随着现代系统生物学的发展，其通过基因组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学进行系统的研究模式，与中药复方制剂的研究不谋而合，从而长期解决困扰中医药研究的瓶颈。为中医的药理论提供有力支持，促进中医药的现代化进程。

[参考文献]

[1] 林辉.系统生物学及研究进展[J].重庆医学，2005，39（4）：1416-1418.

[2] 王喜军.中药药效物质基础研究的系统方法学——中医方证代谢组学[J].中国中药杂志，2015，40（1）：13-17.

[3] 罗国安，梁琼麟，刘清飞，等.整合化学物质组学的整体系统生物学——中药复方配伍和作用机理研究的整体方法论[J].世界科学技术-中医药现代化，2007，20（1）：10-15，24.

[4] 朱宇伟，于庆云，刘培，等.蛋白质组学在中医药科学研究中的应用进展[J].中国现代中药，2016，18（5）：661-665.

[5] 苗兰，潘映红，任建勋，等.血府逐瘀汤对气滞血瘀证大鼠血清蛋白质组表达的影响[J].中国实验方剂学杂志，2008，（4）：24-28.

[6] 杨军，张小莉，莫新民.基于蛋白质组学壮骨止痛方治疗骨质疏松症的作用机理研究[J].北京中医药大学学报，2013，36（12）：817-820.

[7] 张颖. 左归丸对去卵巢所致骨质疏松症大鼠股骨骨髓中相关蛋白质的影响[D].中国中医科学院，2012.

[8] 唐玲.基因组学在中药研究中的应用进展[J].教育教学论坛，2013，20（44）：160-161.

[9] 刘天龙，李玉文，张一恺，等.基因芯片技术在中药药理作用机制研究中的应用[J].中国药房，2016，27（28）：4021-4024.

[10] Rho S，Kang M，Choi B，et al. Effects of Yukmijihwang-tang derivatives（YMJd），a memory enhancing herbal extract，on the gene expression profile in the rat hippocampus[J]. Biol Pharm Bull，2005，28（1）：87.

[11] 李国驹，许招懂，刘袁芳，等.壮腰健肾丸抗氧化、抗衰老作用的基因芯片研究[J].中药材，2006，29（4）：365.

[12] Nicholson JK，Lindon JC，Holmes E.‘Metabonomics'：Understanding the metabolic esponses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data[J]. Xenbiotica，1999，29（11）：1181-1189.

[13] Fiehn O，Kopka J，Drmann P，et al. Metabolite profiling for plant functional genomics[J]. Nature Biotechnology，2000，18（11）：1157-1161.

[14] 楊延泽，邓毅，杨秀娟，等.代谢组学在中医药领域应用现状[J].中国中医药信息杂志，2018，25（1）：132-135.

[15] 张凤霞，贾振华，戴伟东，等.中药通心络对抑郁-动脉粥样硬化大鼠干预作用的血浆代谢组学研究[J].中国科学：化学，2010，40（6）：725-732.

[16] 施旭光，吴美音，黄曼婷，等.基于代谢组学的补中益气汤“益气升阳”配伍机制研究[J].中国实验方剂学杂志，2014，20（1）：103-106.

[17] 王彬，沈岚，从文娟，等.基于代谢组学的六味地黄丸干预大鼠甲亢模型的作用研究[J].中国药理学通报，2013， 29（5）：632-637.

[18] 刘媛媛.甘草附子汤治疗风湿病药效学及代谢组学的研究[D].长春：吉林大学，2016.

[19] 高宁，刘博，杨德强，等.转录组学在中药研究中的应用现状[J].化学工程师，2017，31（06）：50-53.

[20] Wang Y，Lin WL，Li C，et al. Multipronged therapeutic effects of Chinese herbal medicine Qishenyiqi in the treatment of acute my ocardial infarction[J].Frontiers in pharmacology，2017，56（8）： 98.

[21] Gao JR，Qin XJ，Jiang H，et al. The effects of Qi Teng Xiao Zhuo granules，traditional Chinese medicine，on the expression of genes in chronic glomerulonephritis rats[J].Journal of Ethnopharmacology，2016，193（7）：140- 149.

[22] Chan HYA，Stanton LW. A pharmacogenomic profile of human neural progenitors undergoing differentiation in the presence of the traditional Chinese medicine NeuroAiD[J].Pharmacogenomics Journal，2016，16（5）：461- 471.

[23] Zhang AH，Sun H，Qiu s，et all.Recent highlights of metabolomics in Chinese medicine syndrome research[J]，Evidence-based Complementary and Ahemative Medicine：eCAM，2013，2013（5）：402159.

[24] Patwardhan B，Mutalik G.Search of novel model for integrative medicine[J].Chinesejournal of Integrative Edicine，2014，20（3）：170-178.

[25] Hood L，Tian Q.Systems approaches to biology and disease enable translational systems edicine[J].Genomies，Pmteomics&Bioinformatics;，2012，10（4）：181-185.

[26] 丰加涛，徐青，薛兴亚，等.中药标准组分制备与组分库的构建[J].世界科学技术一中医药现代化，2006，8（3）：95-111.

（收稿日期：2018-01-21）