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網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué):中藥現(xiàn)代化的創(chuàng)新路徑

 生物_醫(yī)藥_科研 2019-07-16

近年來,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)已成為中醫(yī)藥研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿和熱點(diǎn),該研究方法能有效預(yù)測(cè)藥物有效成分、作用靶點(diǎn)和毒副作用等,有利于推進(jìn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。

一、網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的概念及研究方法

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)近年來已成為醫(yī)藥領(lǐng)域,尤其是中醫(yī)藥研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿和熱點(diǎn),并有望成為銜接中、西醫(yī)藥的一個(gè)新的橋梁,有利于推進(jìn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。

1.中藥概述

中藥是一個(gè)多成分、多作用靶點(diǎn)和多作用途徑的復(fù)雜系統(tǒng),中藥及其方劑具有多成分、多途徑和多靶點(diǎn)協(xié)同作用等特點(diǎn),在防治復(fù)雜疾病方面具有其自身的特色和優(yōu)勢(shì)。

2.傳統(tǒng)中醫(yī)藥研究面臨困難

由于缺少適合于分析疾病和中藥兩方面復(fù)雜性的研究方法,目前中醫(yī)藥研究仍面臨一些難點(diǎn),包括中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制不明確,中醫(yī)辨證論治、中藥藥性和方劑配伍等傳統(tǒng)理論的科學(xué)基礎(chǔ)不清晰,以及缺乏科學(xué)合理的藥效和安全性評(píng)價(jià)體系等。因此,建立能反映中醫(yī)藥整體特色的研究新策略和新方法,成為中醫(yī)藥現(xiàn)代化的當(dāng)務(wù)之急。

3.網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研發(fā)模式應(yīng)運(yùn)而生

2007 年,我國學(xué)者李梢等[1]在國際上首先報(bào)道了中醫(yī)寒熱證生物分子網(wǎng)絡(luò)和寒熱方劑的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)效應(yīng),并提出基于生物網(wǎng)絡(luò)的中藥方劑研究框架。同年,英國鄧迪大學(xué)Hopkins提出“網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)”(network pharmacology)一詞,并將網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)作為“下一代藥物研發(fā)模式”進(jìn)行闡述。近年來,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與中醫(yī)藥研究取得了快速的發(fā)展,吸引了諸多關(guān)注。

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是在系統(tǒng)生物學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 基于“疾病-基因-靶點(diǎn)-藥物”相互作用網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)綜合地觀察藥物對(duì)疾病網(wǎng)絡(luò)的干預(yù)與影響,揭示藥物協(xié)同作用于人體的奧秘。

該研究策略的整體性、系統(tǒng)性特點(diǎn)與中醫(yī)學(xué)從整體的角度去診治疾病的理論,中藥及其方劑的多成分、多途徑、多靶點(diǎn)協(xié)同作用的原理殊途同歸。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)反映了大數(shù)據(jù)時(shí)代生物醫(yī)藥系統(tǒng)性研究的新趨勢(shì),適應(yīng)了中醫(yī)藥對(duì)系統(tǒng)性研究方法的迫切需求,并能很好地與我國傳統(tǒng)中醫(yī)藥結(jié)合而體現(xiàn)原創(chuàng)性。

二、網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的一般研究流程包括:(1)從文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)庫和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽提藥物、八點(diǎn)、蛋白、毒性、副作用等多種要素;(2)將這些要素作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系,構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型(藥物、基因、靶點(diǎn)、藥物相互作用的網(wǎng)絡(luò));(3)在此基礎(chǔ)上推測(cè)各要素間的相互關(guān)系,從而研究藥物的藥理學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)機(jī)制等,為藥物潛在靶點(diǎn)預(yù)測(cè)、毒副作用預(yù)測(cè)和藥物安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

圖1  網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的基本流程

1. 數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫已為開展網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。主要包括:(1)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫,如Pubmed、Medline和OMIM等;(2)藥物-疾病相互作用數(shù)據(jù)庫,如Drugbank、PDSP、PubChem、GLIDA和STITCH等;(3)蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫,如MIPS、DIP、MINT、IntAct、BioGRID、HPRD、BIND等;(4)通路數(shù)據(jù)庫,如KEGG、Ingenuity Pathway Analysis、Nature Pathway Interaction Database和Pathguide等。

2.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究的核心,網(wǎng)絡(luò)由頂點(diǎn)(又稱為節(jié)點(diǎn))和邊組成,通常,頂點(diǎn)是被調(diào)查的主體或?qū)嶓w,如基因、蛋白質(zhì)。是根據(jù)研究目的選用合適的評(píng)價(jià)算法或模型獲得節(jié)點(diǎn)元素間的相互關(guān)聯(lián),并構(gòu)建相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的過程。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)種類的不同,可分為同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)兩種基本類型:(1)同質(zhì)網(wǎng)絡(luò),如藥物-藥物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、疾病相似網(wǎng)絡(luò)等;(2)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)又稱二部網(wǎng)絡(luò)(Bipartitenetwork),如藥物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、疾病-基因網(wǎng)絡(luò)、藥物-副作用網(wǎng)絡(luò)等。異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中同類節(jié)點(diǎn)間不存在連接關(guān)系,而更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型可以通過整合同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)形成。

定義邊(頂點(diǎn)連接)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中很重要。根據(jù)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)現(xiàn)算法,網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的策略主要有三大類:基于知識(shí)、基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于計(jì)算預(yù)測(cè)。

3. 網(wǎng)絡(luò)分析

隨著網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究的興起,生物網(wǎng)絡(luò)分析已成為圖論在生物學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用方向之一。網(wǎng)絡(luò)分析能夠獲得傳統(tǒng)研究手段難以發(fā)現(xiàn)的信息,如發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)記物和區(qū)分新功能網(wǎng)絡(luò)模塊。

另一方面,由于組學(xué)技術(shù)的飛快發(fā)展,如何有效處理并分析高通量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵基因及生物標(biāo)記物,指導(dǎo)復(fù)雜性疾病研究也成為關(guān)鍵問題。網(wǎng)絡(luò)分析從基因相互關(guān)聯(lián)的角度提出了分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)等組學(xué)數(shù)據(jù)的新方法。常用的如下三種方法,包括拓?fù)鋵傩苑治?,模塊分析和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析。

4. 網(wǎng)絡(luò)可視化及分析工具

網(wǎng)絡(luò)模型可視化是指使用可視化工具,將聯(lián)系表反映成一張相互聯(lián)系的可視網(wǎng)絡(luò)的過程。將一張聯(lián)系表中的節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系,構(gòu)成一張相互作用網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)屬性,可視化結(jié)果不同,網(wǎng)絡(luò)分析的方法選擇以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)屬性更不同。

(1)按不同網(wǎng)絡(luò)屬性的分類情況

根據(jù)節(jié)點(diǎn)類別,網(wǎng)絡(luò)主要可以分為單元素網(wǎng)絡(luò)和多元素網(wǎng)絡(luò),如蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)為單元素網(wǎng)絡(luò),而藥物靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),基因疾病網(wǎng)絡(luò)等為多元素網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)中連接的指向性又可以分為有向網(wǎng)絡(luò)和無向網(wǎng)絡(luò),例如通路作用網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)有向網(wǎng)絡(luò)。

(2)網(wǎng)絡(luò)可視化能改變其原本混亂的情況,提高效率

在未進(jìn)行可視化處理前,網(wǎng)絡(luò)大多非常混亂,難以從中獲取有用的信息。網(wǎng)絡(luò)可視化過程一般分為2個(gè)階段:

階段一:豐富網(wǎng)絡(luò)屬性,通過增添網(wǎng)絡(luò)本身節(jié)點(diǎn)和連接的屬性,使節(jié)點(diǎn)聯(lián)系表擴(kuò)展為包含豐富信息的網(wǎng)絡(luò)。屬性既包括導(dǎo)入外部信息,如從GO數(shù)據(jù)庫上獲取基因的功能信息,和對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析來獲得的節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋵W(xué)信息。

階段二:網(wǎng)絡(luò)描述,通過豐富特征描述手段,使網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)更加直觀。如使用不同的顏色、形狀、大小來表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同類型的節(jié)點(diǎn)和連接。網(wǎng)絡(luò)特征描述和網(wǎng)絡(luò)屬性兩者相輔相成,豐富的屬性信息可以使得網(wǎng)絡(luò)描述手段成為可能,而網(wǎng)絡(luò)描述手段也為網(wǎng)絡(luò)屬性提供展示平臺(tái)。

需要指出的是,聯(lián)系表是決定網(wǎng)絡(luò)屬性的唯一因素,因此無論采用何種可視化技術(shù),其本身并不會(huì)改變這個(gè)網(wǎng)絡(luò)自身的連接屬性。

圖2  網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可視化結(jié)果圖

三、中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究思路及應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)通過基因、蛋白、化合物和毒性反應(yīng)之間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,可在復(fù)雜體系中尋找有效物質(zhì)、預(yù)測(cè)已知化合物的有效作用,為解釋其作用機(jī)制提供有價(jià)值的信息。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)在中藥研究中可以有以下幾方面的應(yīng)用:

1. 尋找單味中藥或方劑中的潛在有效成分

中藥復(fù)方是中藥防病治病的主要形式,是在中醫(yī)辨證施治的理論指導(dǎo)下,根據(jù)病機(jī)和藥性理論等,按照“君、臣、佐、使”等原則配伍組成的具有特定主治功效的藥方。

中醫(yī)關(guān)于方劑的配伍有高度的科學(xué)性, 中藥復(fù)方蘊(yùn)含了中醫(yī)理論豐富、深刻而復(fù)雜的科學(xué)內(nèi)涵。但受限于中藥化學(xué)組成的復(fù)雜性,目前仍缺乏有效辨識(shí)其有效組分或成分的方法,而網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的提出為該問題的解決提供了新的思路。

根據(jù)某化學(xué)反應(yīng)相關(guān)化合物結(jié)構(gòu)的相似性構(gòu)建化合物-化合物網(wǎng)絡(luò),再加入結(jié)構(gòu)明確的中藥成分,并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。結(jié)果顯示,與已知化合物處于同一子簇的中藥成分可能是該藥材的潛在有效成分??蛇M(jìn)一步對(duì)經(jīng)體外及動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),證實(shí)其有效成分。同理,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可預(yù)測(cè)中藥中的毒性成分,幫助中藥制劑嚴(yán)格控制這類化合物的含量,并在臨床使用時(shí)謹(jǐn)慎使用含有這些成分的中藥。

圖3  肉桂中的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)及對(duì)應(yīng)的潛在靶點(diǎn)信息

2. 闡述中藥或方劑的作用機(jī)制

中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究離不開對(duì)中藥作用機(jī)制和作用規(guī)律的揭示。中藥復(fù)方的療效是由其組成的各種藥效物質(zhì)之間及其與機(jī)體大分子間相互作用的結(jié)果。中藥及其復(fù)方的多成分決定了其作用的多靶點(diǎn)和多環(huán)節(jié),不同組分對(duì)不同環(huán)節(jié)起作用,最終表現(xiàn)出有利于機(jī)體的變化。

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是研究多靶點(diǎn)干預(yù)疾病網(wǎng)絡(luò), 達(dá)到理想藥物療效的理論。“君、臣、佐、使”是中藥方劑配伍組成的基本原則?,F(xiàn)有的研究大多根據(jù)活性成分及有效靶點(diǎn)與藥材的關(guān)聯(lián)度來對(duì)組方規(guī)律進(jìn)行解釋,活性成分及靶點(diǎn)越多的藥材,在處方中地位越重要,反之亦然。

TAO等[2]研究發(fā)現(xiàn),在9種最重要的活性成分中,7種來源于郁金,提示郁金的君藥地位;梔子潛在作用靶點(diǎn)僅次于郁金,說明與郁金協(xié)同作用,增強(qiáng)藥效發(fā)揮;麝香和冰片計(jì)算所得的靶點(diǎn)數(shù)較少,提示二者可能不直接作用于病癥,而是減少郁金、梔子的毒副作用,或者促進(jìn)主要活性成分在靶器官的分布的功效。

圖4  中藥作用機(jī)制研究

3. 詮釋中藥配伍禁忌理論科學(xué)內(nèi)涵

配伍禁忌理論是中藥臨床使用的重要指導(dǎo)原則,但其科學(xué)內(nèi)涵尚未得到完全詮釋。如“甘草反甘遂”的研究實(shí)例表明,當(dāng)甘草、甘遂兩種藥合用時(shí),毒性的大小主要取決于甘草與甘遂的用量比例:當(dāng)甘草的用量相等或大于甘遂時(shí),產(chǎn)生的毒性相對(duì)兩味藥單用時(shí)所產(chǎn)生的毒性作用大;而“烏頭反貝母與半夏”的研究實(shí)例表明,烏頭配伍半夏、貝母后毒性增加并不大。

網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)為“十八反”和“十九畏”等傳統(tǒng)中醫(yī)配伍禁忌理論現(xiàn)代研究提供了新的思路。以“甘草反甘遂”為例,我們通過文獻(xiàn)整理、數(shù)據(jù)庫查找、實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算預(yù)測(cè)等方法,收集由甘草或甘遂引起的毒性反應(yīng)的相關(guān)蛋白、基因等,構(gòu)建蛋白-蛋白網(wǎng)絡(luò)、基因-基因網(wǎng)絡(luò)或基因-蛋白網(wǎng)絡(luò)。然后,收集兩味中藥(甘草和甘遂)所包含的盡可能全的成分,構(gòu)建這兩味中藥相關(guān)成分的化合物-蛋白網(wǎng)絡(luò)、化合物-基因網(wǎng)絡(luò)或化合物-蛋白-基因網(wǎng)絡(luò)。最后,通過網(wǎng)絡(luò)分析可推測(cè)兩味中藥“相反”的作用的致毒機(jī)理。

四、總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究方法廣泛應(yīng)用于中醫(yī)藥領(lǐng)域, 為中藥預(yù)測(cè)提供了科學(xué)的技術(shù)和理論。中藥的有效成分、作用靶點(diǎn)、毒副作用等是中藥現(xiàn)代化鉆研的重要部分, 傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法常常要花費(fèi)大量精力、物力,且步驟復(fù)雜,而網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)則提供了簡單、精準(zhǔn)、可靠度高的物質(zhì)初步篩選工具。

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)具備的整體性優(yōu)勢(shì), 為復(fù)雜的中藥體系的研究提供了思路。建立中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué),有望為開展中藥的成分篩查、作用機(jī)制和配伍禁忌等研究提供了新的手段,不僅為提高中藥的安全性和合理用藥提供技術(shù)支持,也必將推進(jìn)中藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。

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—END—

作者 | 薛睿

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