网络药理学原理及在中医药中的作用

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中医药是中国优秀传统文化的瑰宝,是数千年实践经验的集结,经过历代医家不断的发展创新,取优弃粕,逐渐形成了系统的中医药理论及独特的学术体系,在人类防病治病、维护健康中作出了巨大的贡献,而“整体观”、“辨证论治”和“个体诊治”即是其精髓所在。随着单靶点高选择性的化学药物在临床应用上的毒副作用大、对复杂疾病的治疗效果差等缺点,公众“回归自然”的呼声越来越高,国际社会逐渐形成一股中医药热[1?3]。但是由于中医独特的哲学思想与理论体系,很难被各国医生及患者理解与接受。中药及其复方具有多成分、多途径、多靶点协同作用的特点,这种复杂性使得中药药效物质基础不明确、作用机制不清楚、中药和中药材质量难以控制、缺乏科学合理有效的药效和安全性评价体系,从整体到组织器官、细胞和分子水平都很难进行全面系统地研究[4]。这些大大限制了我国中医药的现代化和国际化的进程。但是近10年来,随着现代基因组学、蛋白质组学、代谢组学等“组学”理论的发展,系统生物学视角的引入以及生物信息学的应用[5,6],网络药理学(networkpharmacology)概念应运而生,它是在系统生物学与计算机技术高速发展的基础上发展起来的,基于“疾病?基因?靶点?药物”相互作用网络的基础上,通过网络分析,系统综合地观察药物对疾病网络的干预与影响,揭示多分子药物协同作用于人体的奥秘[7],这与中医学从整体的角度去诊治疾病的理论,中药及其复方的多成分、多途径、多靶点协同作用的原理殊途同归,无疑为跨越中西医间的鸿沟架起了桥梁,为中医药的现代化和国际化指明了方向。

1中医药现代化面临的机遇与挑战

生物医学发展至今,各项理论和技术日新月异,传统的中医药必须加紧现代化的步伐,与时俱进,才能有更广阔的发展空间。从以下几方面阐述现阶段中医药现代化面临的机遇和挑战。

1.1人类疾病谱发生了变化随着人类物质文明的高度发展,生活方式的改变,以及老龄化进程的加剧,以肿瘤、心血管疾病和糖尿病等为代表的慢性病已替代感染性疾病成为影响人类健康的重要因素。这类复杂性疾病是多基因、多步骤作用的结果。对这些疾病的治疗,单靶点高选择性药物显示出了治疗效果差、副作用大等弊端。而在诊断上注重整体的和功能的动态变化,治疗上强调辨证论治,力求从整体水平上调控机体,从而治疗局部性病变和恢复整体功能平衡的传统中医药学显示出了良好的治疗效果[8]。

1.2新药研发陷入困境自从PaulEhrlich在20世纪初提出“化合物受体存在”的学说后,期望设计能与疾病发生发展过程中的关键靶标高度特异结合的“魔术子弹”(magicbullet),成为现代药物发现的核心问题[9]。在过去的30年中“一药,一靶,一病”还原论方法加速了药物发现的步伐,取得了突出的成果。然而,其效率低、速度慢以及成功率低的缺点也逐渐的显露出来,特别是研发费用大而产出率低,二者之间不成比例。许多候选化合物难以全面、系统地反映药物与疾病的相关性,往往在临床前期和临床试验中,因低效或无效、药物动力学较差、急性或亚慢性毒副作用等问题而被迫退出研发[10]。新药研发正面临着巨大困难,单靶点高选择性的新药研发思想到了“瓶颈期”,显示出了其发展的局限性。系统生物学的研究揭示了药物发挥作用的网络特点,表明与单靶点药物相比,多靶点药物可能会有更好的临床疗效和较小的毒副作用。而中药及其复方发挥疗效具有整体性、多成分和多靶点协同作用的特点[11],势必是未来国际上新药研发的方向。

1.3中医药现代化研究现状肖培根院士2005年发表了“21世纪中药研究的进展方向”文章,指出中药的现代化是指将传统中药的特色优势与最新的现代化科学技术密切结合,明确中药及其复方在体内作用的物质基础及药理作用机制,使药材质量达到稳定可控,能够开发出具有中医药特色的治疗复杂疾病的新药[12]。目前科研人员常采用活性追踪分离法从中药中筛选活性化合物,但往往分离到的物质越纯,其药效活性越弱,难以追踪到药效物质。在整体观和辨证论治理论的指导下,中药及其复方发挥疗效通常取决于其中的有效成分群的综合作用[13],但是由于中医理论现代化的研究滞后,以及中药作用整体性、中药成分复杂性和作用机制的多途径、多靶点,使得中药有效成分群难以识别,中药药效物质基础不明确、作用机制不清楚,中医理论指导下的新药发现与设计进展缓慢,甚至趋于空白,成为制约中药现代化、国际化和产业化进程的瓶颈。因此寻找符合中医理法方药理论,遵循中药复杂体系、多途径、多靶点的作用特点,建立与之相关的研究方法和关键技术,必将是科学研究中医、合理应用中药、复方推陈出新的关键科学问题。

2网络药理学中医药现代化是形式所迫、大势所趋,寻找适合中医药体系研究的模式和方法是中医药现代化发展的关键。现阶段兴起的网络药理学对于中医药现代化研究来说是一个很好的契机。

2.1网络药理学概念的形成一直以来,新药研发所遵循的基本原则是“对靶点的高选择性”,认为药物对靶点的选择性越高,效果就越好,而副作用就越少。然而近几年这一基本思路受到越来越大的挑战。近20年来新药开发的成功率越来越低,而临床淘汰率却越来越高,究其原因可能并不仅仅是技术、环境和投入的问题,更重要的可能是新药开发的策略所致,即“一个基因,一种疾病,一个药物”的原则在像癌症这样的多基因疾病领域的药物开发中可能并不适用。系统生物学和生物途径及相互作用网络分析表明,生物系统的稳定性源于生物系统的网络结构具有鲁棒性(robustness)特征。这一网络里的某一节点(蛋白)的改变并不总是能使表型发生很大的变化,这种表型的稳定性可以理解为与基因冗余功能和信号通路的代偿有关。多数情况下,疾病发生的分子机制就是细胞内的调控网络异常所致[14,15],所以对网络内某个成员的高选择性的药物并不能使控制疾病的网络瘫痪。现阶段对疾病分子机制的认识与传统的中医证候理念不谋而合。数十年的中医证候现代研究表明:证候是由许多因素组成的复杂系统,难以用单一的生理生化指标来表达。中医证候与生物网络的调节机制具有关联性[16]。随着对生物网络认识的逐步深入,新药研发有了新的策略:多靶点药物的开发。如何寻找高效的多靶点药物,发挥药物最大的临床疗效,将副反应和毒性降到最低？在这个过程中产生了一种更具体、更有操作性的概念—网络药理学。网络药理学的概念由AndrewLHopkins于2007年首次在NatureBiotechnology上撰文明确[6],2008年在NatureChemicalBiology进一步发表了“网络药理学:药物研发中的下一个研究范式”的综述文章[5]。网络药理学是在系统生物学和多向药理学快速发展的基础上提出的药物设计新方法和新策略,内容涵盖各种组学、系统生物学、基因的连接性和冗余度以及基因的多效性、计算生物学和网络生物学分析等。它在基于“疾病?基因?靶点?药物”相互作用网络的基础上,通过分析基因网络库、蛋白网络库、疾病网络库、药物网络库等现有数据库的信息资料,结合从实验中获得的谱图数据,利用专业网络分析软件及算法,系统的、整体的揭示疾病?疾病、疾病表型?靶点蛋白、靶点蛋白?药物、药物?药物之间关联的奥秘,从网络的层面观察药物对疾病的干预与影响,揭示复杂药物协同作用于人体的奥秘,从而找出高效低毒的多靶点新药[17]。中医理论具有系统观与整体论的思想,虽然与网络药理学的理念不可简单地相提并论,但它们有一点是共同的,也是非常重要的,即十分注重在整体条件下开展研究,同时十分注重在致病因素或者药物干预下机体及网络系统的整体反应,而不仅仅是观察某些局部的病灶或表型改变[18]。同时,中药复方是中医防病治病的主要形式,具有多成分、多靶点、多途径的特征,而这些特点正是网络药理学所要重点研究和期望达到的。

2.2网络药理学发展的关键应用网络药理学指导新药研发最关键的一步就是分析疾病网络,鉴定疾病网络中的关键节点。目前有3种互补的方法可以寻找调控网络中的关键节点:系统筛选、知识挖掘和网络分析。系统筛选指应用细胞筛选模型进行化合物组合、化合物与基因组合等的筛选方法。单独的化合物可能只针对某一节点,而两种(或以上)的组合能产生协同作用,可能针对的就是整个网络。化合物与基因组合也是方法之一,首先使某个基因表达沉默,在此条件下再加入一种化合物,这样联合作用的结果对病变细胞会产生单一手段达不到的作用,例如对病变细胞的协同致死性。实际上,这种筛选方法在寻找关键节点的同时也找到了干预节点的多靶点药物组合,效果很好,然而工作量很大。知识挖掘和网络分析是首先应用计算机进行计算筛选以寻找最有可能的节点,之后再进行实验验证。知识挖掘是用提取数据、挖掘文本等方法对文献数据库、疾病数据库、基因数据库等进行关联,并从中提取出疾病网络(基因作用网络、蛋白作用网络)。当然这只是一种初步分析,提取的网络还需要实验验证。中医药发展至今,积累了大量的数据和信息,现阶段已有各种中医药数据库搜索系统,从这些已有的数据中挖掘关键信息、重要信息,发现中医药证候方剂的复杂网络特征及现代医学本质是一项重要的研究内容。国内学者通过开发多种算法,探寻方剂复杂化学体系和机体复杂生物系统的关联性,并取得了较大进展[19]。网络分析即拓扑分析,也就是分析相互作用的网络,从中找出关键节点。例如某一节点的分支越多,某节点与其他节点的路径越短,那么这一节点可能就越关键[6]。常用的网络拓扑特征有度(degree)、聚类系数(clusteringcoefficient)、最短距离(shortestpath)、介数(betweenness)等[20]。中医药从证候到方剂均体现了复杂网络的特质。中医辨证论治的原则是药证相应,在处方用药中存在君药对主证,臣药和佐药对兼证的关系;主证、君药类似于网络的少数关键的集散节点,治则治法是这种复杂网络关系的抽象概括,用现代生物信息方法对中医药复杂体系的网络分析,有助于探索中医证候—治法—中药的关联[21]。

3网络药理学与中医药现代化的结合及应用

中医治疗以整体观、辨证论治为指导原则,具有“君、臣、佐、使”配伍原则的中药复方则为临床防病、治病的主要形式[22]。网络药理学本着整体性和动态性的特点,倡导多靶点、多途径的给药原则。因此,在中医药现代化进程中,一些中医药研究者借鉴网络药理学的研究思路,探索中医药“病证方”的本质属性,揭示中药及其复方多途径、多靶点、多成分的综合整体效应[23?26],并取得了良好的阶段性成果。

3.1网络药理学与中医证候生物学基础研究中医学的基本特点在于整体观和辩证论治,以病证结合、方证相应,即“病证方”结合的诊疗模式为特色。证候是中医学整体观、辨证论治、复方干预这一特色诊疗体系的核心内容。辨证论治与对“症”治疗的区别在于前者治疗时针对体现整体变化的“证”,后者则针对症状,头痛医头,脚痛医脚。在认识层次上后者较浅,属于感性认识;前者较深,有从感性认识上升到理性认识的飞跃,是深入到事物内部规律的认识阶段。阐明证候的生物学基础是中医药现代化的关键之一。数十年的证候现代研究表明:证候是由许多因素组成的复杂系统,难以用单一的生理、生化指标来表达。因此,随着研究深度和复杂性的增加,需开辟一条适合于从复杂系统中发掘中医证候特征的途径[27]。网络药理学融合“疾病?表型?基因?药物”的信息,从系统的、网络的角度理解疾病表型与生命大分子的关系,其对“疾病表型?生物分子”网络构建的思路能用于指导中医药证候生物学基础的研究[28]。国内一些研究者利用网络药理学的方法,从生物分子网络角度针对证候的生物学基础展开研究,形成了适用于阐释病证方系统内涵的“表型网络?生物分子网络?药物网络”研究构架,并进一步提出了“证候生物分子网络标志”的构想,并构建了基于神经?内分泌?免疫(NEI)的寒证、热证生物分子网络,通过网络功能分析,发现寒证生物分子网络以激素的功能模块为主,热证的生物分子网络以细胞因子的功能模块为主,神经递质功能模块共同分布于两个网络。同时,通过网络拓扑结构分析,发现寒热证生物分子网络具有无标度(scale-free)性质,即网络的功能实现主要依赖于一些关键节点,这些关键节点可视作寒证、热证的生物分子网络标志。最后,他们还分析了证候分子网络标志应用于证候客观化与个体化诊疗、中医药临床效果评价、方剂与中药药性等研究领域的可能性,为证候生物学基础研究提供了一种新思路[29?31]。

3.2网络药理学与中药药效物质基础的研究中药药效物质是指中药及复方中发挥药理作用的化学成分体系,是中药质量控制的基础,也是中药现代化的核心。中药药效物质基础难以归结为某一特定的有效化学成分,其作用机制也并非作用于某一特异性靶点,而是多成分通过多靶点、多环节整体调节作用的结果。成分间、靶点间、环节间客观存在着密切联系、相互协同与制约的复杂网络。在网络药理学中,基于药物与药物之间在结构、功效等方面的相似性,可以构建药物?药物网络,对药物进行功效预测及对功效进行化学成分的预测。网络药理学的这种方法也能应用到中药有效成分的功效预测及药效物质化学组分分析。基于中药药效物质的网络属性,李梢等[28]利用网络靶标的方法,从方剂中预测有效成分或组合。以肿瘤血管新生的干预为例,他们利用互信息熵等信息从3685首络病方剂中提取了中药核心配伍网络,并从网络中预测出多种成分的抗血管新生作用,并进一步证实这些成分均能有效作用于肿瘤血管新生的分子网络。王耘等[32]整合已有的中药药效物质,并利用细胞信号通路数据库、代谢网络数据库和基因调控网络数据库等构建了中药功效分子网络,该复杂网络从分子层次上揭示中药药效物质基础,网络节点表示中药化学成分和机体内源性成分,网络的边表示基于生物化学反应的各成分间相互作用关系。这些研究从网络的角度预测、理解和阐明中药的药效物质,对于中药药效物质基础的深入研究给予了很好的借鉴和启示。

3.3网络药理学与中药方剂配伍理论的研究中药复方是中药防病治病的主要形式,是在中医辨证施治的理论指导下,根据病机和药性理论等,按照君、臣、佐、使等原则配伍组成的具有特定主治功效的药方。中医关于方剂的配伍有高度的科学性,中药复方蕴含了中医理论丰富、深刻而复杂的科学内涵。阐明中医方剂配伍理论和规律是中医药现代化最具挑战的研究之一。中药复方这些多成分、多靶点、多途径的特征,正是网络药理学所要重点研究的。李梢等采用网络药理学的研究方法,通过对构建的草药网络组成以及联合模块的分析来剖析传统中药方剂配伍的规律,他们建立了一个以距离为基础的交互信息模型(distance-basedmutualinformationmodel,DMIM),用来辨别众多药方中有价值的草药联系。该模型以联合交互信息的平均信息量以及草药的间距等数值来评价中药之间的相互作用及构建草药网络。DMIM被用于检索草药配对时,在草药的出现次数、独立性以及在药方中的距离上能够达到一个很好的平衡。通过DMIM他们利用3865个有关联的药方构建了草药网络,很好的解释了传统的草药配对及配伍现象,同时还发现了新的具有协同和拮抗作用的药物配对。另外,他们以网络式的六味地黄(LWDH)药方为例,提出了一个新颖的概念:联合模块,通过草药?活性分子?疾病的多层网络去探讨具有可能性的药方配伍机制。而且,在对LWDH药方和LWDH治疗的疾病表型分析中发现,LWDH治疗的疾病显示出表型高度一致性,而且这些联合模块在肿瘤路径和神经-内分泌-免疫路径中表现显著,这也许可以解释用相同的LWDH方剂治疗不同疾病(异病同治)的行为[33]。张培等[34]以中药药性中的五味为研究对象,基于中药饮片的现代药理和临床数据建立了苦味、辛味和甘味3个贝叶斯网络模型,并利用所构建的网络模型预测了部分中药组分的五味,为中药方剂组分配伍的研究提供了重要的支撑。中药方剂中药物配伍的权重分布具有无标度网络特点,刘红等[35]对具有一定代表性和覆盖度的名老中医共性处方配伍进行了网络分析研究,并在此基础上开发了中医临床数据挖掘复杂网络分析软件,能直接利用中医临床数据库的数据进行复杂网络建模和分析,从中发现临床药物配伍规律。

3.4网络药理学与中药药理学作用机制的研究中医药现代化的研究离不开对中药作用机制和作用规律的揭示。中药复方的疗效是由其组成的各种药效物质之间及其与机体大分子之间相互作用的结果。中药及其复方的多成分决定了其作用的多靶点和多环节,不同组分对不同环节起作用,最终表现出有利于机体的变化。网络药理学是研究多靶点干预疾病网络,达到理想药物疗效的理论[36]。所以网络药理学的给药思路和中药的复方给药本质殊途同归,网络药理学的技术方法能很好的应用于中药作用机制的研究。比如徐筱杰等[37]利用网络药理学的手段,运用分子对接和复杂网络分析技术研究治疗慢性肾病中药所含化学成分和靶标之间的相互作用。结果显示治疗慢性肾病中药所含化学成分-靶标相互作用网络与西药的化学成分-靶标相互作用网络存在较大的差异,这说明中药的作用机制和西药的作用机制不完全相同。研究还发现补益类中药所含化学成分-靶标相互作用网络与攻逐类中药所含化学成分-靶标相互作用网络也存在较大差异,这从复杂网络研究视角阐释了古老的中药作用理论。结合网络药理学和计算药理学方法,他们研究了中药芪参益气滴丸中所含的1729个化合物在化学空间的分布,结果表明大部分化合物具有较好的类药性质。同时,利用分子对接方法,他们研究了这1729个化合物与26个心血管疾病相关的公认靶标的相互作用及它们在靶空间的分布,阐明了芪参益气滴丸治疗血管疾病的可能作用机制及活性分子[38]。另外,他们采用网络药理学方法结合分子相似性分析、化学空间、分子对接、生物网络技术和药代动力学性质预测等计算药理学方法研究了中药精制透骨消痛颗粒中514个化合物的药理学机制。结果表明该复方所含化合物在化学结构上具有多样性而且大部分化合物在化学空间上具有类药性质;通过分析这514个化合物与35个骨性关节炎疾病相关的公认靶标的相互作用及它们在靶空间的分布,阐明了精制透骨消痛颗粒可能的作用机制,并发现了一些潜在的活性分子;通过分析药物库中骨性关节炎的药物?靶点的作用网络及精制透骨消痛颗粒中分子?靶点的作用网络的异质性值、特征路径长度等拓扑特征,揭示精制透骨消痛颗粒的多药物、多靶点、多途径分子作用机制,这些有助于理解中药精制透骨消痛颗粒的复杂药理作用机制[39]。

3.5网络药理学与中药方剂毒理学的研究安全性是药品属性的基本要素之一,中药也不例外。中药方剂毒理学是研究中药及中药复方用药后对机体产生的不良反应。中药现代化和国际化的客观现实,使得中药方剂毒理学的研究也显得越来越重要。方剂产生毒性的原因很复杂,比如中药本身具有毒性、对药性及药物有毒成分缺乏了解、方剂配伍不当等。现阶段对于方剂毒理学的研究,主要是通过各种毒性试验了解方剂对人体的不良反应,指导合理用药。然而,目前常用中药有数千种,加上草药、民间药、少数民族药共计10000余种,而做过系统的化学及药理学研究的品种不过300余种。可见,我们对中药的药性了解很少,对其毒性或配伍后的毒性认识更是肤浅。这主要是由于研究手段不多,研究技术薄弱造成。网络药理学站在整体的角度,全面的理解疾病的分子机制、药物作用机制,使药物在发挥治疗疾病(针对疾病网络的关键节点)的同时,最大限度的不干预机体正常的生物网络。现阶段,应用网络药理学研究中药方剂毒性及副作用的报道不多。国内有学者基于网络大规模预测致病基因、药物靶标,提出了drugCIPHER方法,预测的药物靶标谱包含了药物靶标和脱靶效应,利用靶标谱的聚类特征可以发现药物的副作用[40]。另外,周明眉等[41]基于代谢网络的分析方法对含马兜铃酸的中草药的肾毒性开展了研究,建立了整体、动态的药物毒性评价方法。

3.6网络药理学与中药复方新药的开发网络药理学从整体的、系统的角度去探索药物?疾病的关联性,发现生物网络上的药物靶标,明确药物治疗疾病的机制,其宗旨实质上是一种新药研发的策略。采用网络药理学发现新药的方法主要有两种形式,一是“老药新用”方式,二是通过挖掘网络中的关键节点和功能模块研发单分子多靶点药物[42],或多分子多靶点的复方制剂[43]。中药蕴含着巨大的新药创制潜力,传统方剂是发现多靶点药物的不竭源泉。目前,基于中药的药物研发多将重点集中于中药的活性成分。然而,中药的功效往往不是单一成分作用的结果,而是由多种成分协同作用实现。按照中药作用的基本特点,建立中药药效成分网络、药效成分靶点网络、药效成分证候网络等,探讨多成分、多靶点、多环节的调整整合与优化,将为基于中药的药物研发提供新的思路。如有实验室论证了网络靶标定性与定量分析方法用于大规模筛选协同式中药成分组合的有效性[26],为基于网络靶标开展组方用药的理性设计提供了一定的基础。图1概括了网络药理学与中医药的相关性。网络药理学的重要任务包括表型/疾病网络(phenotype/diseasenetwork)的构建及药物?药物网络(drug-drugnetwork)的构建,并且找出二者之间的关联,达到发现新药、治疗疾病的目的。中医治疗疾病的核心是方(formula)证(syndrome)对应。构建传统中医药的证候分子网络(TCMsyndromemolecularnetwork)类似于网络药理学中对表型/疾病网络的构画;中药的药效物质成分之间存在多样的联系与区别,也构成了一个复杂的网络体系,类似于网络药理学中的药物?药物网络。药效物质(compound)作用于证候分子网络中的药物靶标或关键节点(drugtarget/essentialnode),通过特定的分子药理学机制(pharmacologymechanism)发挥功效。在方与证之间,存在着中医辨证论治(syndromedifferentiationandtreatment)的精髓,也蕴含着中药方剂配伍/君、臣、佐、使(herbalformulacompatibility-monarch,minister,assistant,guide)的深刻内涵。

4展望

中医药是一门极为复杂的医学科学体系,利用整体、辨证的思维模式和方法来认识和研究人体生理活动、发病机制、病理变化、治疗策略与方法,以及疗效评价等,而这种“模式”很难运用单因素或多种因素“加和”的微观分析方法与手段加以阐明和表述,而网络药理学是一种较全面系统的研究技术,在方法学上具有整体、动态、分析于一体的特点,符合中医整体观与辩证论治的原则。因而,以网络药理学来分析研究中药及其复方更加适合中医药的学术特点和实际,将会为解决现代中药研究的热点问题“如何建立客观科学研究中药复方的关键技术,建立体现自身中医药特点研究方法和评价体系”发挥巨大的作用,促使中医药科技的总体水平有极大提升。由于网络药理学刚刚起步,很多地方还需要完善,特别是与疾病相关的关键基因还需要进一步寻找,同时中医证候相关基因表达谱难以确定,中药的药效成分群数据有待积累。但是随着疾病和药物基因组和蛋白质组的不断积累,中药化学组学的不断挖掘,计算软件和计算方法的发展,网络药理学也必将得到快速的发展,为中医药复杂体系的现代医学诠释提供新的工具。