基于代谢组学/药动学整合策略的多组分中药药效物质基础研究＊

李明会，阮玲玉，赵文龙，孟辉辉，汪俊松

（南京理工大学分子代谢中心 南京 210094）

1 引言

中药是中华文明及医学宝库中的明珠，几千年来一直有效的保护着炎黄子孙的生命健康，时至今日仍然是国民医疗的重要手段，尤其是对于现代人群中常见的各类亚健康及慢性难治性疾病的治疗上，发挥着化学药不可替代的重要作用。中药常以复方入药，其含有的几百上千种成分进入人体后如何发挥作用，即物质基础研究，是一非常艰巨的任务，正成为制约中药打入国际市场、实现经济效益转化的一大瓶颈问题[1]。采用西方植物药的思想，分离每一个单体化合物后再评价活性，虽然作用靶点及机制明确，但是中药各组分相互分离后，其内在的系统联系亦被割裂，交互作用随即消逝，中药多组分、多靶点、多途径的协同作用机制无法展现，也就难以反映其整体辨证施治的优势所在。事实上，中药的整体疗效通常取决于复方中多种药效物质的综合作用[2]，采用西方植物药研究方法无法阐明中医药的科学内涵，因此需要发展一种符合传统中医药整合调节配伍机制的有效组分发现新方法。

中药经口服后，经过肠吸收、组织分布、肝代谢以及肾排泄这一系列复杂的药代动力学过程，中药中存在的许多药物原型有的直接入血后被送达各个病灶，有的则被代谢成其他物质或被排泄，然而，多组分中药的药代动力学研究与单一活性成分的化合物相比极其复杂。与此同时，中药原型成分及其代谢产物在体内共生肠道微生物以及各种肝药酶的代谢处置下，又会在不同程度上引起了机体代谢物组也即内源性小分子代谢轮廓的改变以及肠道微生物代谢物的改变，这一系列的中药成分和体内小分子代谢物量变的最终体现就是中药临床疗效的有效发挥。

2 中药多组分药代动力学研究

图1 中药药代动力学的主要流程图

中药药代动力学（pharmacokinetics，PK）是定量研究中药组分在生物体内的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）等动态规律的一门学科（图1）[3]。中药组分复杂，并且中药的功效差异与组分在体内的ADME过程密切相关。正确揭示符合中药代谢特征的药代动力学一直是探索的热点和难点。如何建立符合中药多成分、多靶点特点的中药整体药代动力学评价体系，是目前需要解决的关键科学问题。

目前国内的中药药代动力学研究尚处于探索阶段，对中药复杂体系的定性定量分析，尤其是中药药代动力学模型的建立，依然发展缓慢。有学者采用一次性同时定量多个单体成分，或者采用有效部位同时定量的药动学，以此来替代中药的药动学特征，这样做虽然整体上符合中药组分协同用药的整体思想，但是中药组分众多，各个组分药动学特征往往差异很大，单体成分的药动学参数简单叠加并不能代替整体药动学效应，虽能体现单体间的相互作用，但无法反应中药的整体性，无法指导中药临床用药，仍需寻找一个更佳的整体中药药动学模型和方案。同时，中药复方作为中医临床用药的最常见形式，经组方配伍后化学成分更加复杂，人们为了研究组方结构对药效成分的药动学特征的影响，有学者采用不同的药材配伍比例，分别研究其主要药效成分的体内药代动力学过程，以此来证明药材不同比例对有效成分的ADME过程的影响。但这些都不足以完整反映中药的整体性特征。

此外，多组分中药药代动力学的评价方法除了血药浓度法之外，还可以以药理效应为指标，通过测定药效的经时过程，从而反映体内药物分子的动态变化，称之为药理效应法[4]。该方法优点在于能从整体观点出发研究中药的药代动力学特征，更接近中医理论体系。该法对于研究那些有效成分不明的中药药代动力学来说尤其有用。但是该方法需要假设药物在体内呈线性动态变化，且其浓度与给药剂量和药效强度均存在对应的函数关系。合理正确地选择相应的药效指标，对于药理效应法的中药药代动力学研究也是十分重要的。

3 中药代谢组学研究

代谢组学是模仿蛋白组学的研究思想，利用核磁、质谱等现代分析平台，对生物体体液、组织中的所有小分子代谢物进行定性定量分析。通过F分析药物、基因、环境等作用下的“代谢表型”，认识机体的生理生化状态，筛选出能表征机体功能状态的生物标志物。由于代谢组学与中医药学都是以整体思维模式来研究机体和药物的相互作用，代谢组学也是研究具有多靶点作用中药的重要手段[5]。中药代谢组学表征的是中药治疗后生物体生物功能恢复的情况，这与中药的多组分、多靶点、协同作用的特征不谋而合，因此中药代谢组学的研究在中药药效作用、临床疗效、质量控制等方面得到了广泛应用。在疾病的发生、发展过程中，细胞内基因表达和蛋白含量的微小变化都会引起机体内源性小分子代谢物种类、浓度也随之发生对应的变化，使病人的代谢谱与对照产生差异。通过代谢组学分析患者和健康生物样本的代谢谱差异，可以发现与疾病密切相关的特异性生物标志物，为疾病的病理变化机制提供重要的参考[6]。

中药复方是主要的中医临床用药形式，具有多组分、多通路、多靶点、协同作用的特点，采用中药代谢组学的研究思路，将中药复方给予模型动物后，对其体内小分子代谢物进行分析，结合主成分分析（PCA）、偏最小二乘-判别分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘-判别分析（OPLS-DA）以及相关网络（Correlation networks）等各种数据挖掘技术，筛选出能代表复方疗效的差异代谢物，由此推测相应的代谢通路和复方的作用机制，并运用其他分子生物学手段进行机制验证（图2）。这一研究思路近年来在中药药效代谢组学的相关研究比较普遍，通过检测内源性物的变化趋势，提示中药发挥作用的可能代谢途径，从现代药理学的角度揭示中药的作用机制。

但是，中药药效代谢组学研究也存在着成分不清、科学问题不明确、缺乏深入的靶点探索等问题。如何将生物体内代谢物的变化与相应的中药化学成分进行关联，同时如何将不同平台的中药代谢组学结果进行整合，以及如何将中药代谢组学结果与基因组学、转录组学、蛋白组学等其他的系统生物结果进行有机的整合，通过形成一套完整的整体组学策略，来研究中药复方的多靶点、多效应，是中药代谢组学亟待解决的问题[7]。

4 联合药代动力学/代谢组学的中药物质基础研究

多组分中药和生物有机体相互作用和影响，会产生治疗效果以及相应的药理反应。同时，生物有机体对多组分中药也会产生作用，从而影响药物化学成分在体内的吸收，分布，代谢和排泄过程[8]。由于中药成分极其复杂，并且药效成分间存在药物相互作用，以及个体间代谢状态的差异，导致了入血药物分子的代谢和处置存在巨大的个体间差异，因此使用经典药动学方法无法完全对它们进行ADME研究，而且很难真正精确的阐明中药药效物质基础，也即经典中药药动学说不清什么物质在起效，也说不清该物质在体内的动力学变化，其变化与药效的关系也不明确。因此，需要探索能够有效预测多组分中药的个体化PK策略。

与此同时，中药的体内药动学过程可以引起内源性小分子代谢物组的变化，而这些变化则与生物体的生理、病理状态平衡直接相关，中药的体内药动学过程实质上是反映了药物有效成分（入血成分）对内源性标志物的平衡打破与再平衡的过程。中药代谢组学技术正是一项发掘中药物质基础和药理活性的重要研究手段，将中药代谢组学与经典中药药动学相关联，就可以摆脱传统中药药动学的固有限制，将精力转向内源性代谢物的动态平衡研究，其研究结果对于阐明中药作用物质基础、作用机制及其科学内涵，拆方组方设计合理化给药方案等具有重要的意义。罗国安等[9]认为中药复方和人体之间是一个“干预-应答”相互作用的生物学过程，而这种应答可以用代谢组学来准确表征。代谢组学可以间接地反映中药复方的药代动力学的特征，甚至能反映药动学个体差异。

图2 中药代谢组学的基本研究思路

图3 整合代谢组学-药动学的研究流程

整合药动学-代谢组学的中药药效物质基础的研究，最根本的就是牢牢把握中药药效的经时过程，从中选择药效最佳的时间点，进行中药药效的代谢组学研究。这样才能保证中药的物质基础研究与临床疗效最大程度地相关，保证所研究的化学成分是确切的有效成分，以及能够根据差异代谢谱预测其多靶点信息。由于证候是中医特色，中药又有多药效、多靶点、整体作用的特征，因此选择药效指标需要整体、全面，且与治疗作用有直接关系，或选择综合多指标评价体系，以利于中药疗效评价。药效最佳条件下，通过UPLC-QTOF/MS、NMR等手段分析同时测定入血的药物分子（原型或代谢物）以及体内小分子代谢物谱，通过生物学意义的阐释，代谢网络分析，以及将代谢物映射到生化反应网络中（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG等），从而可以追根溯源，找出药物作用的多成分、多靶点信息（图3）。

图4 整合代谢组学-药动学的关联网络分析

总而言之，基于代谢组学-药代动力学的中药药效物质基础的研究策略，就是在充分考虑到中药多组分药代动力学研究成分复杂，动力学过程无合适的数学模型，难以认识中药整体观等问题后，将中药药效成分的研究化繁为简，在体内药效学考察的基础上，同时检测中药药效物质基础（入血成分），以及内源性小分子代谢产物谱，并应用O2PLS（two-way orthogonal partial least squares）、sPLS（sparse partial least squares）、CCA（canonical correlation analysis）等关联分析方法将化合物组和代谢物组进行关联（图4）[10]，结合数据库并根据分子生物学手段，追溯上游靶点，从而达到阐明中药治疗疾病的多靶点协同作用以及中药体内药效物质基础的目标。这种自下而上的研究模式有利于克服当前中药药动学和中药代谢组学研究中的种种不利因素，牢牢把握疾病-人体-中药三者之间的因果关系，是一套完全符合中医药整体观的研究方法论，使得对中药复杂体系的药效物质基础的研究变得有的放矢，另辟蹊径，为中药功效物质基础的研究开辟了局面。

5 展望

中药以“多组分、多靶点、多途径”的方式发挥作用，需要研究者多角度全方位的思考中药药效物质基础研究的突破口，不断系统深入的发掘。在中药药效物质基础的研究中，引入代谢组学和中药药代动力学整合技术，对中医药的基础研究而言是一项创新。虽然整合代谢组-药动学的中药物质基础研究在最近几年取得了一定的进展，但仍然存在一定的不足，如还没有建立完全符合中医特点的、整体观念的研究理论，药效学指标的选择无法全面反映多功效中药的各种临床疗效，代谢组的现有技术手段还做不到精准检测体内所有小分子代谢物等。因此，基于整合策略的中药功效物质基础的研究方法和思路还有很多方面需要进一步提升。总之，建立符合中医理论特色的研究体系，阐明中药的作用机制、科学内涵、物质基础，促进中药新药开发，推动中药现代化和国际化，意义重大而任重道远。