网络科学在中药多组分表征方面的应用

姜玮

（江苏省泰州市食品药品检验所，江苏 泰州 225300）

网络科学在中药多组分表征方面的应用

姜玮

（江苏省泰州市食品药品检验所，江苏 泰州 225300）

目的 介绍网络科学在中药领域的应用，为中医药理论的研究提供借鉴和参考。方法 介绍将网络科学的理论方法引入到中药多组分－复杂生物系统关系研究的成功案例，为研究“系统－系统”的复杂关系提供帮助。结果 以网络科学发展而来的网络药理学、网络靶点学及系统生物学等学科，给中医药研究增添了很多新的视角和活力。结论 随着更多科学技术在中药领域的应用，中药复杂化学成分系统与复杂生物系统的相互作用将会越来越清晰。

网络科学；无标度网络；中医药；网络药理学；蛋白组学

近年来，随着网络科学的蓬勃发展，许多以前学科中无法解决或解释得错综繁杂的相互关系网络都可利用网络科学的理论和方法进行探索和研究，从此各行业中涉及到与复杂网络相关的研究就不再无从下手。网络科学与生命科学的研究和发展更是息息相关，生命科学领域研究的是复杂的生物体与疾病间的相互关系，以前由于受到分子生物学和药理学等学科发展的限制，再加上网络科学的理论体系相对匮乏，因此生命科学中一些与复杂网络相关的问题，如基因导致的疾病及关键蛋白介导的网络通路，很难快速、准确地在复杂系统中表征和鉴定出来[1]。

西医体系研究的是单组分药物对生物体的影响，所以一定程度上简化了网络的结构。但中医是从整体观的角度看待疾病的发生和发展，在中医的“审证求因”和“辨证施治”的指导原则下，势必要以系统观和整体论为基础。中医以中药治疗疾病，把机体看成一个相互作用的统一整体，各个组织器官相互作用、相互影响，共同产生机体的不同体征。中药是由多组分构成的天然药物，其治疗疾病的解释机理是“多组分－多靶点－多效应”共同作用[2]。因此，中药复杂的组分和生物系统相互作用就构成了复杂的网络结构，中医体系研究的思维比西医体系相对复杂得多。目前，制约中医药发展的重要因素就是未阐明治病机理，治疗疾病带有很大的模糊性和盲目性。中药与机体相互作用的这一研究对象极复杂，由于未找到合适的方法和手段研究这2个复杂系统的相互作用，所以长期以来中医药的发展一直较缓慢。为了将中医药广博的理论体系抽象化，必然需要用网络科学的理论和方法来探讨中医药复杂的整体观。网络科学中的小世界模型、无标度网络和复杂网络中的社区网络的提出，极大程度地推动了中医药更快、更准地寻求治疗疾病的本质。以网络科学的思想和理论为基础迅速发展和演变而来的网络药理学、网络靶点学、蛋白组学和代谢组学对促进中医药研究领域的发展起到了很重要的推动作用[3]。笔者分析探讨了将网络科学的技术和思想应用于表征中药多组分功效的效果，以为中医药的研究提供参考。

1 确证靶点[4]

中医证候的确定是中医遣方用药的基础，只有正确地诊断患者疾病对应的中医证候，才能正确地应用药性理论治疗疾病。目前的中医诊断更多地依赖于临床医师经验，很难进行定量或定性监控，加之几千年来中医的发展模式就是言传身教、代代相传，这样的发展模式势必会在如今高速发达的信息化时代显得有些格格不入。面对此种现状，清华大学李梢教授率先将网络科学应用于中医证候中的寒热症的表征研究，同时也寻找到与中医寒热症相对应的特征生物标记物。研究的思路是定位出具有典型寒症和热症患者这一非平衡网络中的关键节点，该节点在局部组织和整个机体水平上具有明显的生理功能。然后通过药物干预调节该关键的节点，使非平衡网络渐渐趋于平衡，表明网络中关键节点就是导致寒症和热症发生的生物标记物，进而可从分子水平上表征中医中的寒热症，从而为高效筛选药物提供很好的借鉴。具体研究方法[4]如下。

1)建立网络模型

(1)种子基因是通过文献记载研究发现的综合后，采用统计学分析，优选出对寒症和热症具有潜在、有意义影响的基因。种子基因可编码不同的蛋白而产生一系列靶点，然后再进一步反推各蛋白靶点分别受到何种中药成分的作用。

(2)寒症和热症患者体内基因不同的表达，从而产生截然不同的疾病状态，种子基因又和机体内的基因共同表达的结果导致非平衡网络模型的出现。

(3)通过与局部组织和平衡网络模型比较，不同基因表达的蛋白靶点在寒、热症非平衡模型中相关性的得分，从而寻找出候选的生物标记物。

(4)验证候选生物标记物的稳定性及真实性。

平衡网络模型的建立见图1。可见，通过文献和实践过程，在阴阳平衡理论的指导下，将可能的代谢通路分别划归为热症和寒症范畴，然后再通过定向剔除试验验证找到如图1 B所示的几个可能通过的种子靶点特异性地表征人体复杂代谢网络中的寒症和热症体征的患者，如能很好地鉴定出特异性靶点，将快速准确地诊断患者的体征，促进中医药的发展。图1 B和图1 C中都显示热症和寒症间的相互转化必须要通过少数的关键节点，这样的节点在人体寒热症网络中起到关键的传递转化作用。故重点调节网络中关键传递节点的活性，将非常有助于保持网络的平衡，从而使机体处于一种最佳状态，进而能很好地维持机体稳态。

2)确定寒、热症

该研究选定的热症和寒症患者的症状表现都与诊断学原理上介绍的热症、寒症的表现型相同，并经过权威医疗机构伦理委员会鉴定。最后挑选出的81名志愿者中，有37名寒症患者和44名热症患者。通过酶联免疫吸附（ELISA）法测定热症和寒症患者尿液中的代谢物，并与正常人的尿液比较。整个过程采用免疫组化技术完成，通过分子水平测定不同体征样本中代谢物的情况，为进一步表征网络结构作铺垫。通过主成分分析方法对不同体征的样品中代谢物的整体情况进行表征，结果显示，寒症和热症患者体内代谢物的特征可明显分为2类，其中热症样品可聚为一簇，寒症患者又聚为另一簇。试验数据进一步证明，不同证候患者体内的代谢物水平及程度不同，表明寻求不同证候的不同生物标记物是有意义的。

3)寒、热症非平衡网络的构建与解析

通过与前文平衡网络的结构特性进行比对，可很快发现寒、热症组成的非平衡网络的生物标记物。首先，通过不同基因的表达，设置1个阈值过滤掉无意义的网络节点，将不同的蛋白看成不同的节点，种子基因表达的蛋白之间的关系构成网络中的连边，以连边的得分赋予不同连边一定权重，进而代表相应节点在表征疾病的过程中的重要性。研究结果表明，种子基因及相邻的基因的关系网中的网络中核心区域A是反映网络失衡的重要区域。由图2可见，免疫代谢、能量代谢和炎症应激3个模块共同构成了1个复杂网络，每个模块内部发生错综复杂的联系，而不同模块之间只通过少量的节点产生有限的联系，这种不同模块之间共有的节点就是联系不同功能模块的重要标志物。3个功能区域都是由原有的种子基因及其邻近的节点组成，节点的度值越大，可能与非平衡机体产生的关系越大。其中在每个功能区域的社区网络又可看成由经典的无标度网络构成，符合80／20法则，且具有无标度网络所具有的特征性的脆弱性和鲁棒性，度分布符合幂律分布p（k）～k－γ，γ是幂律分布的常量参数（2＜γ＜3）。在这无标度网络中，高度数节点，即常规的Hub节点起着关键作用，此类Hub节点连通了大量分散的低度数节点，在整个网络中扮演重要的角色，因此在此代谢网络中就是核心代谢物即特定功能模块的生物标记物。从分子水平和整体动物水平对定位的核心代谢物进行验证，然后通过代谢物最后反推核心表达基因，进而可很好地指导临床实践。由试验结果寻找代谢物，可很快寻找到寒症与热症患者不同的体征，是由于立普妥受体得以很好地激活，进而使体内热量代谢循环受到阻碍。与热症患者相比，由于营养代谢和能量消耗降低导致中医中寒症体征的出现，故该研究中首次用试验验证寒症患者的体征出现与代谢抑制相关，可在很大程度上帮助中医药发展，也有助于中医药被世界所接受。此项研究是网络科学理论应用于中医药研究的典型成功案例，相信随着技术手段的不断发展和理论实践的不断完善，会有越来越多的中医证候得以表征。

2 多成分－多靶点[3]

图1 热、寒症平衡网络模型建立示意图[4]

随着李梢课题组对寒症和热症这一非常抽象的中医证候问题的解码，并明确地提出能量代谢通路及免疫循环通路的紊乱失调分别是导致寒症和热症患者体征出现的重要因素，然而其考虑的网络结构还是相对简化，只考虑了疾病状态而未加入中医用药治病的这一重要环节。中药组分复杂，进入机体后，很难明确地指出每个成分各自作用的靶点，虽整体观不需解释和弄清体内具体的变化过程，但人类的认知过程又需要对其具体过程进行详细解释，这一直是困扰中医药工作者研究的难题。

有幸的是，吕爱平课题组依然以寒、热症为研究证候，在中医治疗寒、热症的原则“寒者热之，热者寒之”和中药药性理论的指导下，选取10味寒性药和10味热性药分别治疗热症和寒症体征患者，在细胞周期、信号通路、细胞生长、二次信号传导记忆癌细胞的变化等方面将中药的多组分和机体内的多个靶点进行关联性分析，构建不同的复杂网络结构，并对此复杂网络进行解析和提取。由此得到复杂的典型的二分图网络结构，见图3。

图2 寒、热症代谢网络图[4]

此二分图网络结构在生物网络中普遍存在且研究较多，其中2008年著名网络科学家Albert教授成功地将网络科学的理论引用于生物网络系统。Albert研究了白细胞中信号传导网络的构建，并将其构建的网络，即基因－疾病网络的二分图成功地发表于美国国家科学院院刊(PNAS)[5]。他还对基因网络的构建方法进行了很好地总结[1，6]。可见，中药的多成分与多靶点的网络也属于生物网络中常见的二分网络结构。图3 B最后提取出了寒性药和热性药的关键蛋白，其中不同类型的活性成分又可特异性地作用于少数的几个蛋白靶点[3]，大大地提高了中药开发新药的进程，减少了盲目性和不确定性。因此，利用网络科学可让复杂的网络问题变得更直观化，有利于问题的解决。

3 多成分－多靶点－多效应[2]

网络科学的知识体系可用于解析中医证候中关键的生物标志物。研究者进而将研究对象进一步放大，使本就复杂的机体通路网络中再加上多组分中药这一关键因素；将若干个成分节点投放到复杂的靶点网络通路系统中进一步做关联性研究，使网络结构更复杂。网络科学的处理方法应用于中医药复杂网络中进行建模仿真，也可得到客观有价值的研究结果。通过成分与标记物的有效连接，可直观地表征中药多组分和人体多靶点的相互关系。虽然上述研究结果已对中医药的发展起到了极重要的作用，但仍遗漏掉了中药治病的一步关键环节，即多效应。中药多组分与多个靶点结合后必然产生不同的效应结果和强度，如何真实有效地刻画中药多成分－机体多靶点－多效应三者之间的关系，需要网络科学的知识结构。浙江大学陈翼宇教授以中成药（血塞通注射液）为例成功地表征了多成分－多靶点－多效应三者网络结构，见图4。可见，多组分作用于不同的靶点蛋白节点，通过蛋白节点的改变进而影响通路的结构，产生不同的效应，因此靶点蛋白在药物治疗过程中的作用非常重要，由研究结果的网络结构分析找出了其中具有重要功能的靶点有70个，其中有32个可用试验结果予以验证。该项研究很好地证明和直观地表示了中医药治病机理的多成分－多靶点－多效应，对于中医药进一步深入研究提供了很好的借鉴。

4 结语

图3 不同评价体系下构建的网络结构图[3]

图4 血塞通注射液多成分－多靶点－多效应网络结构图[3]

随着科学技术的不断发展，医工交叉的现象会越来越普遍，交流也会越来越频繁，因此一个学科的发展会在很大程度上促进相关学科的发展。网络科学的兴起和发展对生命科学的发展起到了很重要的作用。网络科学在近年来取得了长足的发展，人们认识到真实的网络既不是规则的也不是随机的，而是处于二者间的小世界网络和无标度网络。这2个著名网络模型的提出，在很大程度上解释了自然界和社会网络中很多有趣的现象。但网络科学研究仍面临很多的挑战，如提升网络容量以及建模仿真。对于生命科学，需解决的是如何高通量、高效率地筛选不同化合物，如何精确快速地打通不同的信号通路以及如何实时动态评价在体代谢情况。因此，未来人才的需求既要专又要广，这样才能对提升科技创新带来很好的推动作用。

[1]Albert R，Collins JJ，Glass L．Introduction to focus issue：quantitative approaches to genetic networks[J]．Chaos，2013，23（2）：025 001．

[2]Wang L，Li Z，Zhao X，et al．A network study of chinesemedicine xuesaitong injection to elucidate a complex mode of action with multicompound，multitarget，and multipathway[J]．Evidence－ Based Complementaryand AlternativeMedicine，2013(3)：652373．

[3]Liang F，Li L，Wang M，et al．Molecular network and chemical fragment－based characteristics ofmedicinal herbs with cold and hot properties from Chinesemedicine[J]．Journal of Ethnopharmacology，2013，148（3）：770－779．

[4]Li R，Ma T，Gu J．et al．Imbalanced network biomarkers for traditional Chinesemedicine Syndrome in gastritis patients[J]．Scientific Reports，2013（3）：1 543．

[5]Zhang R，Shan MV，Yang J，et al．Network model of survival signaling in large granular lymphocyte leukemia[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2008，105（42）：16 308－16 313．

[6]Assmann SM，Albert R．Discrete dynamic modeling with asynchronous update，or how to model complex systems in the absence of quantitative information[J]．Methods in Molecular Biology，2009（553）：207－225．

App lications of Network Science in M ulticom ponent Representation of Traditional Chinese M edicine

Jiang Wei
（Taizhou Municipal Institute for Food and Drug Control，Taizhou，Jiangsu，China 225300）

Ob jective To introduce the app lication of network science in the field of traditional Chinese medicine（TCM）for providing reference for the research on the theory of TCM．M ethods The theory of network science method which was used to research on the relationship between the TCM multicomponent and the complex biological systems successfully was introduced，assistances for studying the complex relationship between them were provided．Resu lts The network pharmacology，network targets，systems biology and so on which were derivatived from the network science added many new perspective and vitality for the studying of the TCM．Conclusion The complex relationship between the TCM multicomponent and the complex biological systems will be clearer by more advanced technologies app lied in the field of TCM．

network science；scale－free networks；traditional Chinese medicine；network pharmacology；proteomics

R2－03；R28

A

1006－4931(2016)06－0001－06

2015－10－14)