代谢组学技术在多组分中药药代动力学中的应用＊

王守丽，黄凤杰，郑晓皎，陈天璐

（上海交通大学附属第六人民医院转化医学中心 上海 200233）

代谢组学技术在多组分中药药代动力学中的应用＊

王守丽，黄凤杰，郑晓皎，陈天璐＊＊

（上海交通大学附属第六人民医院转化医学中心 上海 200233）

传统的药代动力学研究的是单一或者几种有效成分在生物体内的动态变化过程。中药的多组分、多靶点、多效应等特点决定了其药代动力学的复杂性。药代动力学研究的片面性将限制人们对中药、复方制剂的药理和毒理认识的准确性，已成为中医药现代化研究中的瓶颈之一。代谢组学技术依托先进的高通量测试平台和多种大数据挖掘技术，能够同时获得并分析数百种甚至数千种小分子物质的波动情况，为复杂组分的PK研究提供了新的契机。本文综述了2010年以来多组分中药的药代动力学研究进展，介绍了代谢组学技术在其中的成功应用，重点介绍了两种新的整合了代谢组学和传统PK思想的中药方证代谢组学和中药多组分药代动力学研究策略（Polypharmacokinetics，Poly-PK），并展望了两种研究策略在中药药理学研究中的发展前景和所面临的技术挑战。

药代动力学 代谢组学 多组分中药

多组分药物治疗主要涉及联合用药和中药治疗两大类，多种成分之间有着复杂的相互作用，彼此之间协同作用于体内多靶点，往往可达到良好的治疗效果。相对于单体药物，多组分药物往往可以起到减少用药剂量、抑制或规避药物潜在的副作用，适用于复杂疾病的治疗。多组分药物的药理学研究往往通过监测多组分在体内与多种靶点相互作用，及多种组分之间相互依赖的作用，探究多组分药物达到最佳治疗效果的潜在机制[1]。

复杂的化学成分组成是多组分中药研究的物质基础。目前对其成分进行系统鉴定和检测还面临诸多困难，一方面，对每种中药中明确的化学成分的认识仍然有限，而且中药中各种化学成分含量的动态范围较广；另一方面，随着种植、采收、炮制和储存过程的差异，也会导致同种中药的化学成分及其含量存在较大差异。当多组分中药进入人体后，一部分化学成分需经过宿主和共生肠道微生物的生物转化作用才能发挥药理作用。针对以上问题，传统药代动力学（Pharmacokinetics，PK）研究的策略常采用一个或若干个单体成分代表整个中药或中药复方PK的特征，这种研究思路的研究结果显然并不能全面的表征中药的药效[2]。因此，多组分中药PK研究在思路和技术两方面都缺乏有效的解决方案。

20世纪90年代以来，分析技术问题也取得了突破性进展。代谢组学依托高通量的生化分析技术（LC-MS、GC-MS和NMR等）和先进的化学信息学方法，不仅可以同时检测成千上百的小分子代谢物，还可以系统地描绘给定条件下生物系统内源性代谢物谱的动态改变及其与外源性干扰之间的关系[3]。PK研究的目的正是描述外源性物质及其代谢产物在生物体内随时间变化过程。因此，代谢组学技术成为多组分中药PK研究的理想工具。随着检测技术的迅猛发展，代谢组学研究结果的准确性和精密度得到大幅度提高[4]，利用代谢组学研究中药药理和毒理已成为中药研究的热点之一。

本文综述了多组分中药PK的最新研究进展，介绍了代谢组学在该领域的应用，重点描述了两种新的基于代谢组学的中药PK的研究策略，并讨论了两种研究思路对复杂中药药理学的研究意义和面临的挑战。

1 传统中药PK研究方法的不足

PK是定量研究药物在生物体内吸收、分布、代谢和排泄的动态变化规律及其时量-时效关系的一门学科[5]。药物进入体内后，经过吸收进入血液，并随血流透过生物膜进入靶组织与受体结合，产生药理作用后从体内消除。近年来，PK领域新理论、新方法的大量涌现使得PK研究从宏观走向微观、从单组分到多组分。中药PK是借助于动力学原理，研究中药活性成分、组分，单味中药和复方在体内吸收、分布、代谢和排泄的动态变化规律及其体内的量-时效关系，并用数学函数加以定量描述的一门学科[6]。

体内药物浓度（主要是血药浓度）的测定是研究PK的前提。传统的血药浓度测试方法包括分光光度法、薄层层析法和同位素标记[7]等。然而，传统的血药浓度测定方法大多针对中药的单一或几个关键成分进行测定，用所测物质的PK反映多组分整体中药的PK会存在以下问题：①用单一或若干成分的PK替代复杂成分中药的整体PK不能完整、全面的体现中药的实际情况[7,8]；②无法解释多个存在差异的单一化学成分的PK，甚至导致互相矛盾的结果；③中药的有效成分并非一定是中药中原来的化学成分，需经过生物转化才能发挥药效[9]。故只有明确了有效成分，才能对其动力学行为进行准确的表征。因此，多组分中药PK研究需要解决：①如何最大限度的阐明复杂中药的化学成分；②如何明确哪些成分是经肠道微生物或肝酶代谢的成分，即哪些化学成分被吸收到体内后发生了生物转化，是如何变化的；③吸收到体内的成分对机体内源性小分子代谢发生了怎样的影响。

2 代谢组学在多组分中药PK领域的应用

代谢组学是一门联合利用现代分析方法（气相/液相-色谱联用和核磁共振等）和大数据信息挖掘策略考察生物体系中的大量代谢产物在不同状态下变化规律的科学[10]。代谢组学关注的对象是分子量小于1 000的代谢物，反映的是内部因素或外界刺激所致的代谢应答[11]。目前较为一致的观点是代谢组学主要指内源性代谢物的研究。然而，本文所涉及的代谢组学不仅包括了内源性代谢物研究，也包括外源性药物进入体内形成的药物代谢物研究，同时外源性药物在体内的代谢也可引起内源性小分子以及代谢谱的改变。因此，代谢组学研究内容与经典的PK研究内容之间存在紧密的联系。

与传统研究方法相比，代谢组学在多组分药物PK研究方面具有两大优势。首先，由于代谢物处于生物信息的末端，代谢谱反映了基因组、转录组和蛋白质组的变化及相互间协调作用的最终信息，能够直接反映生物体的代谢表型特征[12]。其次，在系统生物学背景下，代谢组学不仅可以研究内源性代谢物的代谢路径，也能够针对内源性和外源性物质的关系进行研究[13]。因此，代谢组学技术在多组分药物的药效和毒性研究中已成为重要的研究手段。

虽然代谢组学在多组分药物PK研究中得到了广泛认可和普遍应用，但该类研究仍存在不足。例如，在研究甘草在体内代谢的实验中[8]，作者确定了超过60个代谢物并获得了55个代谢物的PK结果。该方式虽然揭示了中药内部多种成分在体内代谢的相互作用，但重要的基础仍然是首先要明确鉴定出其中的各种成分。此外，传统中药制衡的本质与系统生物学的核心理念非常接近,这种理念旨在利用组学的方法从理论上和实验上描述生物系统的内稳态和应变稳态[13]。当前，代谢组学集中应用于内源性物质生物医学意义的研究[14,15]，而对外源性物质与机体代谢网络中小分子代谢间的相关性研究却相对缺乏，不能阐明外源性药物究竟引起了机体的怎样变化。

3 基于代谢组学的多组分药物PK研究新思路

21世纪初，王喜军的研究团队在大量系统研究的基础上，将中药药物化学和代谢组学有机结合，提出了中医方证代谢组学[16,17]，极大地推动了代谢组学技术在中医药领域的成功应用。该策略的研究思路为[18]：①利用代谢组学技术充分认识中医证候/病的生物学本质，确定证/病的生物标记物；②以证/病的生物标记物为桥接，复制与证/病关联的动物模型，建立中药药效的生物评价体系；③利用药物化学方法分析中药方剂主要有效成分在体内的动态波动规律；④结合内源性证/病的生物标记物的轨迹变化规律，建立外源性中药成分与内源性标记物的关联。其中，提取与内源性标记物高度关联的外源性中药成分并进行生物学验证进而确定中药药效物质基础是该策略的核心技术。具体流程如图1所示。近年来，王喜军的研究团队在中医方证代谢组学研究方面已取得颇有价值的成果[19,20]，分别揭示了黄疸证、肾虚证和消渴症等生物学本质，并阐明了相关方剂茵陈篙汤、六味地黄丸和酸枣仁汤等方剂治疗上述相关病症的整体疗效及体内直接作用物质，还明确了方剂的效应机制及配伍的科学意义。中医方证代谢组学研究策略的建立和实施开创了方剂研究的新局面，对于多组分中药的作用机制和科学内涵研究具有重要的推动作用。

同一时期，贾伟的研究团队[21-23]针对传统中药PK发展的瓶颈的问题，科学利用代谢组学技术的优势，结合先进的生物信息技术，于2010年前后逐步提出了一种多组分药物PK研究的新策略。这种研究策略的关键在于对药物代谢组成分数据集，以及服药后体内所有代谢性物质与服药前的产生的差异（即差异性数据集）进行系统生物信息学的研究和分析。差异性数据集实际上包含3个部分：①吸收入血的药物的原型成分；②药物中经肠道微生物或肝酶转化的代谢性成分，即经过代谢的药物成分；③受药物干扰发生改变的机体内源性小分子代谢物，即变化的内源性代谢物。在获取数据时需要合理设计实验方案，有效规避饮食等其它外界因素对研究的影响。另外，考虑到个体间的统计学差异，建议应用双相交叉研究设计。由于许多天然产物在体内会呈现多个血浆浓度峰，还需根据具体研究的中药的特点，合理设计取样时间点。该方法不仅考虑了多组分药物化学构成的多样性，也考虑到了多组分药物对于生物系统代谢通路的复杂影响。具体的流程如图2所示。采用这种新的研究策略，贾伟课题组已成功地研究了普洱茶中多种植物性成分在人体内的吸收和代谢过程[24]。

图1 王喜军团队提出的中医方证代谢组学新策略

与传统的研究相比，上述中医方证代谢组学和Poly-PK两种新的研究策略都将代谢组学技术成功应用于多组分药物的PK研究中，存在同样的优势和不足。首先，充分利用代谢组学高通量的分析平台，能够同时检测药物及机体服药前后的代谢轮廓，契合中医药“系统性、全局性”的研究需求，突破了传统研究中利用单一或若干成分替代复杂药物的研究模式。其次，不仅能够监测外源性代谢物的动态变化，还能监测服药前后内源性代谢物的动态变化，故可以捕捉到吸收到体内的成分对机体内源性小分子代谢的扰动情况。再次，借助先进的模式识别技术，通过监测多组分药物在机体内吸收并发生生物转化的代谢物谱，可以明确哪些成分是经肠道微生物或肝酶代谢的成分，有助于研究外源性物质的代谢通路，对于揭示多组分药物的作用机制具有重要意义。另一方面，这两种策略都处于建立和完善阶段，虽然能够完全实现传统PK中药时曲线和PK参数等方面的研究，但是新策略自身仍有一些基本的概念和技术细节需要在大量应用中进一步完善和验证，现阶段可作为传统PK研究的补充，随着技术和思想的完善，未来有望取代传统PK研究。此外，这两种策略相比，中医方证代谢组学更偏重于中医证候的研究，Poly-PK更偏重于复杂药物的研究，对中药、西药或复方保健品都适用。

图2 贾伟团队提出的中药PK研究新方案（Poly-PK）

4 展望

多组分药物在疾病治疗中越来越显示其重要作用[25,26]。在多组分给药方案中，为了获得药物在体内的预期疗效，需要获得完整的PK参数，才能有效地规避药物毒性，发挥药物的药效。在多组分药物的PK研究中，相对于传统方法，代谢组学技术在数据的获取方面具有突出的优势，结合生物信息学分析手段，一方面，能够实现对海量相关信息的系统性整合。另一方面，可对多组分药物在体内的药物分布以及各成分之间的相互作用进行系统的分析。

每个有机体都有独一无二的代谢表型。这种表型将影响机体对多组分药物的代谢应答。近年来所提出的中医方证代谢组学和Poly-PK两种新策略，能够揭示多组分药物中多种成分与哺乳动物代谢系统之间复杂的相互作用，是组学方法在中药研究中的成功应用，是中药研究系统化进程中重要的进步。然而，这两种新的研究策略都处于建立初期，仍需应用到更多的多组分药物研究中，进而得到更多研究者的补充和完善。随着系统生物学和组学技术的持续发展，这两种新策略将持续加快多组分中药药理学评价和新药研发的步伐。

参考文献

1 Liu J Y, Lee K F, Sze C W, et al. Intestinal absorption and bioavailability of traditional Chinese medicines： a review of recent experimental progress and implication for quality control. J Pharm Pharmacol, 2013, 65(5)： 621-633.

2 程雪龙.中药药物代谢动力学研究现状及问题分析.黑龙江医药,2011,24(5)：712-714.

3 Kuhlisch C, Pohnert G. Metabolomics in chemical ecology. Nat Prod Rep, 2015, 32(7)： 937-955.

4 Madler S, Boeri Erba E, Zenobi R. MALDI-ToF mass spectrometry for studying noncovalent complexes of biomolecules. Top Curr Chem, 2013, 331： 1-36.

5 梁艳,邢蓉,刘嘉莉,等.药代动力学新技术与新理论的研究进展.中国药科大学学报,2014,45(6)：607-616.

6 吕莉,孙慧君,韩国柱.中药药代动力学的研究进展.药学学报,2013,48(6)：824-833.

7 覃禹,仇峰,韦日伟,等.中药多组分药代动力学的研究进展.解放军药学学报,2011,27(6)：548-552.

8 Qiao X, Ye M, Xiang C, et al. Analytical strategy to reveal the in vivo process of multi-component herbal medicine： a pharmacokinetic study of licorice using liquid chromatography coupled with triple quadrupole mass spectrometry. J Chromatogr A, 2012, 1258： 84-93.

9 Wan J Y, Liu P, Wang H Y, et al. Biotransformation and metabolic profile of American ginseng saponins with human intestinal microflora by liquid chromatography quadrupole time-of-flight mass spectrometry. J Chromatogr A, 2013, 1286： 83-92.

10 Tugizimana F, Steenkamp P A, Piater L A, et al. Multi-platform metabolomic analyses of ergosterol-induced dynamic changes in Nicotianatabacum cells. PLoS One, 2014, 9(1)： e87846.

11 Zhao D, Han L, He Z, et al. Identification of the plasma metabolomics as early diagnostic markers between biliary atresia and neonatal hepatitis syndrome. PLoS One, 2014, 9(1)： e85694.

12 Puchades-Carrasco L, Pineda-Lucena A. Metabolomics in pharmaceutical research and development. Curr Opin Biotechnol, 2015, 35： 73-77.

13 Van Der Greef J. Perspective： All systems go. Nature, 2011, 480(7378)：S87.

14 Zhang A, Sun H, Wang Z, et al. Metabolomics： towards understanding traditional Chinese medicine. Planta Med, 2010, 76(17)： 2026-2035.

15 Liu P, Liu S, Tian D, et al. The applications and obstacles of metabonomics in traditional chinese medicine. Evid Based Complement Alternat Med, 2012, 2012： 945824.

16 Wang X, Zhang A, Sun H. Future perspectives of Chinese medical formulae： chinmedomics as an effector. OMICS, 2012,16(7-8)： 414-421.

17 Wang X, Zhang A, Zhou X, et al. An integrated chinmedomics strategy for discovery of effective constituents from traditional herbal medicine. Sci Rep, 2016, 6： 18997.

18 王喜军.基于临床有效性的中药药效物质基础生物分析体系.世界科学技术-中医药现代化,2013,15(1)：16-19.

19 Wang X, Zhang A, Han Y, et al. Urine metabolomics analysis for biomarker discovery and detection of jaundice syndrome in patients with liver disease. Mol Cell Proteomics, 2012, 11(8)： 370-380.

20 Wang X, Sun H, Zhang A, et al. Pharmacokinetics screening for multi-components absorbed in the rat plasma after oral administration traditional Chinese medicine formula Yin-Chen-Hao-Tang by ultra performance liquid chromatography-electrospray ionization/ quadrupole-time-of-flight mass spectrometry combined with pattern recognition methods. Analyst, 2011, 136(23)： 5068-5076.

21 Lan K, Jia W. An integrated metabolomics and pharmacokinetics strategy for multi-component drugs evaluation. Curr Drug Metab, 2010, 11(1)： 105-114.

22 Lan K, Xie G, Jia W. Towards polypharmacokinetics： pharmacokinetics of multicomponent drugs and herbal medicines using a metabolomics approach. Evid Based Complement Alternat Med, 2013, 2013： 819147.

23 Jia W, Fan T P, Wang X, et al. The polypharmacokinetics of herbal medicines. Science, 2015, 350(6262)： S76-S79.

24 Xie G, Zhao A, Zhao L, et al. Metabolic fate of tea polyphenols in humans. J Proteome Res, 2012, 11(6)： 3449-3457.

25 Jang S, Jang B H. Herbal medicines for treating metabolic syndrome：a systematic review of randomized controlled trials. Evid Based Complement Alternat Med, 2016, 2016： 5936402.

26 Chen Z, Wang L, Yang G, et al. Chinese herbal medicine combined with conventional therapy for blood pressure variability in hypertension patients： a systematic review of randomized controlled trials. Evid Based Complement Alternat Med, 2015, 2015： 582751.

The Application of Metabolomics in Pharmacokinetics to Multicomponent Herbal Medicine

Wang Shouli, Huang Fengjie, Zheng Xiaojiao, Chen Tianlu
(Center for Translational Medicine, Shanghai Sixth People's Hospital, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China)

The traditional approaches of pharmacokinetics (PK) focused on the dynamic changing process ofsingle or several effective components of drugs in vivo, which was noted as limitations for the complexity studies on PK of multicomponent herbal medicine featuring multi-component, multi-target and multi-effect. It was turned into a bottleneck in the modernization process of traditional Chinese medicine, which could have made misunderstanding of pharmacological and toxicological knowledge of Chinese herbal medicine and its combination drugs. Owing to the advanced high-throughput platforms and various big data mining technology, metabolomics was capable for simultaneously detecting and depicting the variations of hundreds or even thousands of small molecules offering new opportunities for the PK studies on some complicated components. This review summarized recent PK studies over multicomponent drugs and chiefly introduced two remarkable applications to metabolomics in pharmacokinetics research, Chinmedomics and Poly-PK, integrating the theories of both metabolomics and traditional PK. The challenges and strengths of the two new strategies were also expounded.

Pharmacokinetics, metabolomics, multicomponent herbal medicine

10.11842/wst.2016.11.027

R28

A

（责任编辑：朱黎婷，责任译审：朱黎婷）

2016-07-12

修回日期：2016-10-24

＊ 上海市科委青年科技英才扬帆计划（15YF1409100）：不同年龄小鼠肠道菌结构变化和肥胖形成的关系，负责人：郑晓皎；上海市第六人民医院院级科学研究基金（YNLC201421）：长期高脂饮食小鼠肠道菌结构及其代谢谱的动态变化研究，负责人：郑晓皎。

＊＊ 通讯作者：陈天璐，硕士生导师，主要研究方向：药物代谢、代谢组学、生物信息学。