基于整合药理学的中药现代研究进展

（1. 中国中医科学院中药研究所，北京100700；2. 黑龙江中医药大学国家中医方证代谢组学研究中心，黑龙江哈尔滨 150040）

中医药是中华民族的瑰宝，传承并发展中医药事业，已经成为“健康中国”国家战略的重要内容。中药方剂是中医临床治疗的主要形式和手段，探索中药方剂的化学物质实体与机体生命活动的交互规律，是中药研究的关键科学问题之一。整合药理学强调“整体与局部”、“体内与体外”、“体内过程与活性评价”等多层次、多环节的整合研究，充分体现了系统论与还原论有机结合的思路和理念。近年来，以元胡止痛方为范例，构建形成了“化学指纹-代谢指纹-网络靶标”和“肠吸收-活性评价-数据挖掘”的整合药理学的研究体系，在理论和方法均取得一定进展，尤其是在活性成分发现、质量标志物确认和质量标准建立、分子机制阐释和新活性发现、中医原创思维的科学内涵揭示等领域得到广泛应用。

中药整合药理学的研究现状分析

2014年在“中国中药杂志”首次提出整合药理学的概念和研究思路，并以元胡止痛方为典型范例进行了积极探索研究，发表一系列学术论文，并于2015年在科学出版社出版了《整合药理学-元胡止痛方探索研究》一书，荣获中国中西医结合学会科技进步一等奖“基于整合药理学策略的中药成分群-体内过程-药效活性的关联性研究”，同时，整合药理学技术也在脑心通胶囊、龙血竭肠溶片、冠心静胶囊等中药大品种进行了二次开发，为中药大品种质量控制、作用机制、临床应用提供了科学依据。同时，整合药理学也得到了同行专家的认可，王永炎院士提出：“中药产品的物质基础是一个复杂化学体系，生物机体也是一个复杂生命系统，使得中药产品的化学物质实体与机体生物活动的交互规律研究，尚未形成有效研究模式和方法学体系，也就成为制约中药现代研究的瓶颈。该问题的解决，必须采取整合策略，以多学科交叉、融合为基础，构建新的研究体系”。刘昌孝院士指出：“以‘化学-药效学-药代动力学’三维研究体系和‘点-线-面-体’思路，药代标示物等新研究理论、概念和方法促进了中药药代研究。这些研究为认识中药有效成分的指纹和药代指纹的一致性和差异性，阐明了‘君药’的药代规律和‘臣、佐、使’药味的相互影响；建立了集成整合体外、体内及计算分析研究体系，以整体的观点认识复方合理配伍减毒增效和配伍禁忌的增毒降效的科学性。这些将是基于整合药理学开展现代中药研究的重要内容”。

1.1中药整合药理学的概念和研究内容

整合药理学（integrated pharmacology，IP）是研究多成分药物与机体相互作用及其整合规律和作用原理的一门学科，是药理学研究的新领域，中药方剂物质实体与机体交互作用规律是整合药理学研究的关键科学问题之一，是中药学、中药化学、药代动力学、药理学、计算科学等多学科融合的交叉学科。整合药理学的提出，有利于克服中药“化学成分群-体内过程-药效活性”之间关联性不足和存在严重的“碎片化”现象等问题，形成具有中药特色的药理学评价体系和研究方法。

当前整合药理学的主要研究内容见图1，具体如下：①在整体/器官/组织/细胞水平，中药方剂组成复杂，往往具有多重药理学（multiple pharmacology）作用特点，为此，必须要开展中药多成分与药理、以及多重药理与综合效应之间整合研究；②在分子水平，首先需要开展中药多成分整合药代研究，特别是针对中药复杂体系，存在大量的药物-药物相互作用，按照“点-线-面-体”研究思路，获得中药体内代谢全轮廓及其代谢轨迹；在此基础上，开展中药“多成分-多靶标”网络调控整合研究，构建中药方剂“体内移行成分-作用靶标-疾病靶标-通路”复杂网络，揭示中药多成分协同调控分子模式；③在整体与分子关联方面，在组学数据基础上，通过模式识别技术获得与疾病发生、发展、治疗相关联的生物标志物（biomarker），以及与中药方剂疗效显著相关联的标志物成分（药效标志物），化繁为简，在此基础上，构建中药多成分“PK-PD”关联模式，开展中药“药效标志物-生物标志物-病证效应”的之间整合研究，架起“微观分子-整体药效”之间的桥梁。

图1 中药整合药理学主要研究内容

1.2中药整合药理学的主要研究方法

1.2.1大数据和网络药理学面对中药复杂系统，如何解析其与机体之间的相互作用关系？这是中药现代研究的关键科学问题之一。当前大数据和人工智能为中医药现代化打开“机遇之窗”，随着组学数据和系统生物学的发展，建立了大量的生物学数据库并应用到中医药研究，这些数据库提供药物-靶标、疾病分子、分子相互作用、生物通路等方面的信息，如Drugbank，TTD，OMIM，PPI等数据库。同时，一些中药成分数据库，如TCM Database@Taiwan，TCMGeneDIT，TCM-ID，TCMIP等，提供中草药和天然植物的化学成分和药理作用等信息。

网络药理学是在系统生物学和多向药理学基础上发展起来的，网络药理学研究的观点与中药方剂注重多组分配伍、多靶点及整合调节的思想有许多相似之处，系统揭示中药方剂治疗病症/疾病状态下失衡网络，构建中药方剂“化学成分-作用靶标-疾病靶标-PPI网络”多维网络，从分子层次阐释中药方剂作用原理，被应用于中药药效、作用原理、方剂配伍的科学内涵、中药药性与疗效的相关性及中药产品的安全性评价等相关领域的研究中。目前，整合药理学平台（TCMIP）已经整合了中药方剂数据库、中药材数据库、中药成分数据库、疾病／症状靶标数据库4个数据库。同时集成了靶标预测、数据挖掘、网络构建和分析、可视化等网络药理学模块，实现一站式服务，为解析中药方剂复杂体系提供了强有力的平台。

1.2.2体外活性评价研究体外活性评价往往具有操作简便、灵敏度高和稳定性好等优点，但是，当前作为中药复杂体系缺乏行之有效的体外活性评价方法。中药体外活性评价给药方式主要有2种：提取物直接给药和含药血清给药。在传统的中药体外活性评价研究中，提取物直接加到细胞或者组织培养系统，作为中药复杂系统，提取物直接给药显然存在体内-体外相关性比较差，由于肠道吸收率和生物利用度的差异，中药多成分比例在体内外相差比较大，而且由于肠道菌群代谢和肝药酶代谢，未考虑代谢产物发挥的药理作用，容易导致假阳性或假阴性结果。1984年日本学者田代真一提出了“血清药理学”，王喜军教授进一步提出了“血清药物化学”。然而，由于血清基质成分复杂，药物含量较低，从而导致血清中非药物影响的、本身固有的多种生物活性物质对体外活性造成干扰，难以解析中药方剂与机体之间相互作用，限制了该方法的应用。

探讨新的体外活性评价方法，将成为中药现代研究关键科学问题之一。为此，在中药整合药理学研究时，提出了体外“ADME复合模型-活性评价”联用模型。该模型通过“药物溶出-肠内菌代谢-肠吸收-肝脏代谢-组织分布”体外复合代谢模型，模拟中药方剂在体内的药物代谢过程，然后在细胞、组织和器官等模型上进行活性评价。相对而言，该模型在成分种类（原型和代谢产物）和比例（口服吸收率）方面与体内更加接近，一致性较好。同时，该模型具有操作简便、基质简单、浓度可控等优势。前期本课题组建立了“肠吸收-活性评价”联用模型，该模型被证实具有操作简便、灵敏度高和稳定性好等优点，又能排除未被吸收成分对药理活性的干扰。该模型被应用到元胡止痛方的“量-效”关系、“时-效”关系和“组-效”关系研究中。同时，也被应用到脑心通胶囊和益心舒胶囊的体外药理学评价研究中，用以深入解析药物的分子机制。

1.2.3数据挖掘数据挖掘是从大量数据中发现新颖的、有效的、潜在有用的并且最终可以被理解的知识的过程，旨在寻找数据间潜在的关联，实现未知的潜在的有用信息, 数据挖掘的过程也叫知识发现(know ledge discovery in database，KDD)的过程。中药作为复杂体系，中药数据具有数据量大（volume）、类型多（variety），通过数据挖掘实现高速(velocity)和有价值(value)，具有典型的大数据特点。数据挖掘的任务分为描述性任务（关联分析、聚类、序列分析、离群点等）和预测任务（回归和分类）2种。

中药“组效关系”是中药现代研究的关键科学问题之一，中药试验数据往往具有样本数小、离散性大等特点。为了克服此问题，合适的数学模型选择至关重要。在元胡止痛片吸收成分与血管活性之间关联研究时，首先通过RRLC获得12个批次34个被吸收成分的峰面积，通过大鼠胸主动脉环对12个批次元胡止痛片的肠吸收液进行舒张血管活性评价，然后通过灰色关联分析（GRA），建立两者之间的关联模型，模型平均偏差为9.81%，预测的平均偏差为4.16%。

化学相似性是化学信息学领域中非常重要的概念，常用于新药先导化合物发现和结构优化，结构相似性化合物更可能表现相似的理化性质、药理作用和药代属性。本课题组在元胡止痛方及其单味药材的药代动力学研究中发现，君药延胡索中生物碱类成分和佐使药白芷香豆素类成分分别表现了相似变化的血药浓度-时间曲线，具有相似性的变化药代动力学变化特征。由此可见，以结构相似性为特征，对中药复杂体系进行分类，简化复方，是解析中药复杂体系的一条巧妙途径。

中药整合药理学与类似概念之间异同点

近年来，随着组学技术、系统生物学和网络药理学的发展，积极的探索中药复杂系统解析方法学研究，如刘昌孝院士提出“中药活性物质-药物代谢体内过程-暴露效应（疗效或者安全性）”三维思路和“点-线-面-体”研究模式。同时，很多新概念不断出现，例如中医药方证代谢组学（chinmedomics）、方剂组学(fangjiomics)、中药网络药理学（network pharmacology）、中药系统药理学（system pharmacology）等。其中，系统药理学是指在药物开发过程构建系统生物学与PK-PD关联，中药系统药理学旨在开发适用于中药复杂体系研究的整合若干时-空尺度数据的数学和计算模型，建立模型内多个元素（药物分子、靶标、细胞、组织、器官等）间的相互作用，借以阐明和预测药物疗效和毒性，并最终构建跨越分子、细胞、组织和患者间知识差异而创建的多维模型，实现评价靶标筛选和测试验证治疗思路的临床前和临床研究的系统理论和方法。

中药整合药理学与“中药活性物质-药物代谢体内过程-暴露效应”三维模式具有一致性，并进一步发展和完善，形成系统理论和研究技术。具体如下：①在哲学与理论方面，正如整合医学一样，整合药理学体现了“既一分为二，又合二为一”之哲学思想，从分化方面，整合药理学强调过程解析，在体外层次，通过“药物溶出-肠道菌群代谢-肠吸收-肝药酶代谢-血脑屏障”等过程对物体内暴露进行系统解析，同时，从分子、细胞、组织等体外水平进行药理作用及其机制进行解析；在过程解析基础上，进行系统整合，从局部回归到整体，构建整体药效与微观分子之间关联，充分体现了还原论和整体论统一；②在研究策略方面，整合药理学强调多层次、多环节的整合研究，重点开展“化学-代谢-药理”的关联性研究，以及整体动物、器官、组织、细胞、分子等不同药理水平之间的关联性研究；“整体与局部”“体内与体外”“药代与药效”之间整合研究，具体而言，在整体研究时，强调“化学指纹-代谢指纹-网络靶标”的三维关联，在体外药理学研究时，构建“药物溶出-肠吸收-肝药酶代谢-生物活性”等不同环节组合的体外复合模型，采用复杂系统建模，模拟体内“药动-药效”关联的动态过程；③在研究技术方面，整合药理学注重不同技术间的组合应用，尤其是计算与试验的“干湿”结合方法以及体外“药代-药理”联用的复合模型，例如，基于高分辨质谱和代谢位点预测的代谢产物结构鉴定方法，基于结构类似物的中药药代动力学预测方法，“肠吸收-活性评价”联用的体外药理学评价的复合模型等

中药整合药理学应用

3.1中药质量标志物识别和质量标准建立

中药质量评价是中药有效性和安全性的重要保障。近20年来，中药指纹图谱、一测多评、DNA生物测序、基于DNA分子标记和代谢标识物相结合的双分子标记法等概念和方法，被应用到中药质量评价与研究中。2016年，刘昌孝院士率先提出了中药质量标志物的概念：中药Q-marker是存在于中药材和中药产品（如中药饮片、中药煎剂、中药提取物、中成药制剂）中固有的或加工制备过程中形成的、与中药的功能属性密切相关的化学物质，作为反映中药安全性和有效性的标示性物质进行质量控制。课题组根据Q-marker的概念，应用“中药整合药理学”的研究思路与方法完成了元胡止痛方的标志物识别和团标建立。基于“化学指纹-代谢指纹-网络靶标”三维模式对元胡止痛方进行了成分群与活性之间关联性研究。首先，利用UPLC-Q-TOF-MS分析鉴定了元胡止痛片中18个化学成分，并利用RRLC-QQQ在9 min内定量分析了方中17个化学成分，以该17个成分作为“化学指纹”对15个批次的片剂进行质控，可以区分不同厂家的产品，保持产品的稳定性。其次，药物经过机体的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）的完整传输途径产生特异的生物效应，经历此过程的化学成分才有可能是药物活性成分，即“效应成分”。在吸收层面，利用RRLC-Q-TOF获得了元胡止痛片的34个共有峰，并对17个成分进行定量研究，得到了相应的吸收量-时间曲线，通过计算吸收率探讨吸收机制。同时，利用中药血清药物化学研究的理论与方法，应用RRLC-ESI-Q-TOF技术鉴定了大鼠灌胃元胡止痛方后16个入血成分和12个入脑脊液成分，并对其中6个成分进行了药代动力学研究，药动学参数良好，提示该成分群具有药效物质基础的潜质。最后，利用在线数据库获得与元胡止痛方入血成分结构相似的上市药物及对应的靶标，通过高通量筛选和网络构建及分析建立了元胡止痛方成分-靶标网络图谱。该图谱包含143个节点、1 049条边、21个潜在活性成分和122个候选靶标。进一步基因功能分析发现方中绝大多数生物碱能够透过血脑屏障，并与多巴胺受体、阿片受体等结合，且与Ca2+通道有关，提示这些可能是元胡止痛方阵痛的潜在分子机制。

现在市场上有260余家药厂具有元胡止痛方的生产批文，确保其质量稳定至关重要。通过对元胡止痛方进行“化学指纹-代谢指纹-网络靶标”三位一体的综合研究，明确了其质量标志物。基于此，课题组在中华中医药学会发布了“元胡止痛片优质产品质量标准”团体标准（T/CACM 009-2016），该标准与生物活性明显相关，也是中成药第一个优质产品质量标准，具有较好的示范意义。

3.2揭示中药作用的分子机制

中药方剂是一个复杂的物质作用体系，而西药的单一“基因-疾病-药物”的研究模式忽视了药物的物质基础与机体生命活动交互规律的复杂性与层次性。探索中药方剂与机体生命活动的交互规律，是揭示中药方剂治疗原理的基本路径。“整合药理学”研究的第二个层面“肠吸收-活性评价-数据挖掘”三维模式能够协助解决上述关键科学问题。体外药理实验具有操作简单、特异性强、条件易控等优点。课题组首先应用外翻肠囊法分析了元胡止痛方的肠吸收液成分群，接着基于“肠外翻-离体血管”模型对成分群的血管舒张活性进行评价，发现17个成分呈现剂量依赖关系，随着吸收时间的延长，化学成分的含量增加，呈现明显的量效、时效关系。中药有效成分与活性之间的相关性研究，即中药“组效关系”。课题组采用“灰色关联分析”建立元胡止痛方的肠吸收液中34个成分与血管舒张活性之间的关系，GRG≥0.85的成分有7个，确认为关键药效成分，并对其中2个（原阿片碱、别隐品碱）进行了实验验证，证实具有舒张血管活性。张方博等利用整合药理学技术探讨了脑心通胶囊对H₂O₂诱导的H9c2大鼠心肌细胞损伤的保护作用及机制。首先应用外翻肠囊法制备了脑心通胶囊的肠吸收液成分群，接着将此含药吸收液给予正常的H9c2大鼠心肌细胞，24 h后用H₂O₂诱导心肌损伤，结果表明脑心通胶囊通过增加抗氧化能力，激活ERK1/2，阻断Ca2+依赖性和线粒体介导的细胞凋亡来保护H9c2心肌细胞免于H₂O₂诱导的氧化损伤。课题组应用整合药理学平台研究了龙血竭肠溶片治疗结肠炎的作用机制。首先利用UPLC-MS技术分析鉴定了48个化学成分，接着基于Caco-2细胞渗透性和P450代谢通过生物信息学计算，鉴定了被吸收的22个原型成分及8种代谢产物，最后构建网络分析这些吸收成分及代谢产物与预测靶点之间的相互作用，以及预测靶点与已知结肠炎治疗靶点之间的相互作用。

结论与展望

中药方剂的物质实体与机体的生命活动之间复杂交互规律是中药现代研究的关键科学问题之一。整合药理学将从微观到宏观系统解析中药与机体之间复杂的相互作用关系，成为中药现代研究的创新方法。中药整合药理学近年来已经在中药质量标志物识别、质量标准建立、有效成分识别、中药新药研发、分子机制探讨以及中医原创思维科学价值揭示等方面得到较好的应用，并将成为中药药理学研究一门新兴的、极富前瞻性和前景的分支学科。

中药整合药理学的重点发展方向如下：①系统整理中医古籍文献、临床医案、中药成分、作用靶标等信息，形成中医药和现代分子生物学融合的大数据平台；②数学模型和生物信息学技术是中药整合药理学的重要研究内容，特别是当前人工智能发展迅速，建立符合中药复杂特点的科学计算模型和方法，例如中药复杂体系药代动力学预测方法、中药多成分生物调控模式、“分子网络-药理活性-病症效应”多维关联性模型等，将为解析中药复杂体系作用提供强有力的工具和方法；③建立“肠道菌群代谢-肠道吸收-肝药酶代谢-活性评价”复合体外活性评价新方法，模拟体内“药动-药效”动态关联，将成为中药整合药理学的创新方法；④标志物的识别技术和关联性研究是现代研究的热点，在中药研究方面先后出现了化学标志物、药代标志物、质量标志物，同样，生物标志物指可以标记系统、组织、细胞的结构或功能改变或可能发生的改变的生化指标，可用于疾病诊断、判断疾病分期或者疗效的评价等，是架起微观至宏观的有效桥梁。

总之，整合药理学于2014年提出，其思路与研究方法需要进一步的完善与丰富，需要更多中医药专家给予指导和帮助。笔者也坚信，随着有关研究的逐步深入开展，整合药理学定将在组合药物发现和中医药现代研究等方面作出应有的贡献。

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