生物标签的探索：中药药性研究的新模式＊

李煦照，朱魁元，张帅男＊＊

（1.贵阳中医学院药学院 贵阳 550025；2.深圳市药品检验研究院 深圳 518057）

中药的药性，也称为中药的偏性，是对中药作用的性质和特征的高度概括，是中药研究的核心与基础。中药药性的确定，是从药物作用于机体所产生的反应概括出来的，主要是与所治疾病的气血阴阳盛衰相对而言的。近年来，国家对中药药性研究已投入了巨大的人力、物力与财力[1]。随着现代科学技术的发展，多种方法学已经运用到中药药性研究之中，例如代谢组学、蛋白质组学、转录组学及生物信息学等[2-6]。这些方法学不仅可以在病理情况下用于研究中药的治疗作用，也可以在生理情况下用于探索中药的治疗潜能[7-9]。在病理情况下，我们通常趋向于关注中药对某一个特定疾病靶点的干预作用。在生理情况下，我们可以排除其他因素的干扰，关注中药干预任意靶点的潜能。由此，我们可以同时探索出中药对同一部位或系统中多种疾病的治疗潜能，以及它们产生作用的机制。在上述观点的指导下，一个新的概念——“生物标签（Biolabel）”应运而生。生物标签是指可以表征药物作用（活性与毒性）及机制的内源性靶点，主要包括代谢物靶点、蛋白质靶点及基因靶点等。药物的生物标签是与疾病的生物标志物相对而言的。药物若要运用于疾病的治疗，则要求其生物标签中所包含的内源性靶点应与疾病生物标志物中的相同（表达趋势应相反）。唯有如此，药物才能使得疾病中异常表达的靶点恢复到常态水平。这与中药治疗疾病的方式是相符合的，以其偏性纠正疾病所表现出来的气血阴阳的偏盛偏衰，即“以偏纠偏”。近年来，以生物标签为切入点的中药药性研究体系已逐步建立和完善。本文对近年来的相关文献进行收集整理，分析总结生物标签在中药药性研究中的运用情况。

1 生物标签与中药治疗作用研究

以往的研究模式一般是基于生物标志物，以疾病为出发点，寻找适用的药物。然而，在医学信息学和网络药理学高度发展的今天，我们也可以基于生物标签，以药物为出发点，探索出其对哪种疾病具有治疗潜能。

1.1 代谢组学对中药活性生物标签的探索

代谢组学研究表明了刺五加可以增加大鼠脑组织中谷胱甘肽、环腺苷酸及环鸟苷酸的含量，这些内源性代谢物表达的上调分别起到抗氧化应激损伤、抗凋亡和改善学习记忆的作用[8]。除了对中枢神经系统的作用外，刺五加对外周系统疾病也具有一定的治疗潜能。刺五加可以增加S-腺苷甲硫氨酸（心脏组织）、肌酸（肝脏组织）及瓜氨酸（肾脏组织）的含量，它们分别有助于先天性心脏病、非酒精性脂肪肝及肾脏氧化应激损伤的治疗[10]。穿山龙对外周系统的干预作用也是较强的。通过代谢组学研究发现，穿山龙具有治疗冠状动脉心脏病、急性肝损伤、脾萎缩及痛风性关节炎的潜能，涉及的生物标签分别为尼克酰胺、左旋肉碱、左旋谷氨酸及尿酸[11]。刺五加还可以使大鼠尿液代谢轮廓发生扰动，增加其中犬尿酸的的浓度，有利于体内自由基的清除及氧化应激反应的抑制[12]。代谢组学也可以用于分析中药炮制对于药性的影响，黄连及其姜汁炮制品影响了尿液中9个与药性相关的生物标签的表达，且它们的表达趋势随着黄连药性的改变而发生相应的变化，并进一步影响药物的抗炎作用[13]。

1.2 蛋白质组学对中药活性生物标签的探索

天麻可以用于亨廷顿氏病的治疗，通过蛋白质组学研究发现，与该治疗作用直接相关的靶点是Pacsin1和Arf3[6]。另外，天麻也可以通过促进神经再生的方式来治疗神经退行性疾病，涉及的蛋白质靶点是CALR、FKBP3/4 及HSP70/90[14]。除此之外，蛋白质组学也可以用于探索中药复方的活性生物标签。由人参及丹参组成的双龙方可以用于心脏病的治疗。罗国安等[15，16]通过蛋白质组学研究发现，双龙方能辅助骨髓间充质干细胞定向分化为心肌样细胞，该过程涉及了细胞骨架蛋白、代谢酶蛋白、抗氧化蛋白及热休克蛋白等。

1.3 转录组学对中药活性生物标签的探索

中药复方丹芪胶囊（NeuroAiD）能够诱导神经细胞增殖和神经突起的生长[17]，被广泛运用于中风患者的治疗。经转录组学研究发现，该药物调控的基因与神经形成过程是密切相关的，涉及的基因靶点为FGF19、GALR2、MMP10、FGF3 及TDO2[17]。补肾益肝活血方可以诱导骨髓基质细胞成软骨细胞分化，能有效地控制骨关节炎患者的疼痛及改善其功能[18]。通过基因芯片技术分析，发现其作用机制可能与MMP3、EFEMP1 介导的通路相关[18]。

1.4 生物信息学对中药活性生物标签的探索

近年来，生物信息学也被广泛运用于中药活性生物标签的探索。本课题组通过生物信息学研究发现，刺五加化学成分的潜在治疗靶点参与了内皮信号通路、阿尔茨海默病淀粉样蛋白分泌酶通路及纤溶酶原激活级联通路等[2]。这些通路的激活使得刺五加在高血压、阿尔兹海默病及血栓性疾病的治疗中发挥积极的作用。另外，本课题组也运用生物信息学预测了穿山龙化学成分的潜在治疗靶点[3]。这些靶点可以作为生物标签，用于表征该中药对痛风性关节炎及心血管疾病的治疗作用[3]。此外，吴嘉瑞等也运用生物信息学对中药药对及中药复方的活性生物标签进行了探索。通过对“桔梗-甘草”药对中化学成分潜在干预靶点的分析，发现它们对阿尔茨海默症、痛症及炎症等具有较强的治疗潜能[19]。“金银花-连翘”药对中化学成分具有64 个潜在干预靶点，涉及的疾病主要为心血管病、炎症及阿尔茨海默症等[20]。四君子汤为补脾益气的代表方，临床中主要用于慢性腹泻、消化性溃疡及慢性胃炎等疾病的治疗。通过生物信息学研究发现，该方剂对93个靶点具有干预潜能，这些靶点主要参与了钙离子信号通路、神经活性受体-配体相互作用信号通路及癌症信号通路[21]。另外，吴嘉瑞团队也运用相同的方法学分析了吴茱萸汤的作用机制，探索出相应生物标签77 个，主要涉及癌症信号通路、钙离子信号通路及神经活性配体-受体相互作用信号通路[22]。

2 生物标签与中药毒性作用研究

中药是由多种化学成分组成的复杂体系，可以作用于多个内源性靶点，并从多个生物学通路来控制一些复杂性疾病的发病进程。然而，这也可能存在一定的安全隐患，它们的作用靶点越多，其中出现毒性相关靶点的可能性也越大。

2.1 代谢组学对中药毒性生物标签的探索

内源性代谢物靶点除了能表征中药的治疗作用外，还能用于表征它们的毒性。前期代谢组学分析表明了，刺五加能显著上调脑组织中哌啶酸、左旋谷氨酸、二氢鞘氨醇及植物鞘氨醇的含量，它们的异常表达与神经毒性密切相关[8]。除了能产生潜在的神经毒性外，刺五加对心、脾等组织的正常生理功能也能产生不利的影响，与之相关的生物标签分别为异丁酰左旋肉碱及肾上腺素[10]。代谢组学研究发现，穿山龙对外周系统也能产生潜在的毒性，涉及的内源性代谢物靶点主要为柠檬酸、胍基乙酸、腺苷、γ-氨基丁酸及左旋谷氨酰胺等[11]。除了组织样本外，尿液样本的代谢轮廓也可以用于毒性生物标签的探索。刺五加可以使大鼠尿液中3-甲基鸟嘌呤、甲基巴豆酰肉碱及3-羟基十二烷二酸的含量发生异常变化，这也可以用于表征该中药的潜在毒性[12]。通过尿代谢组学研究发现，10 个异常表达的内源性代谢物有可能成为苍耳子的毒性生物标签，它们使得机体脂质过氧化及脂肪酸氧化过程发生扰动[23]。代谢组学除了能运用于单味中药的毒性机制的研究外，还能用于中药配伍或炮制减毒作用的研究[24]。李春雨等[25]通过血清代谢组学研究发现了10个与何首乌炮制减毒相关的潜在代谢物靶点，它们主要影响了鞘脂代谢、亚油酸代谢及甾类激素生物合成等代谢通路。另外，谢彤等[26]基于“异类相制”中医理论，运用代谢组学研究了清络通痹方中雷公藤的配伍减毒机制，发现雷公藤肝脏毒性的发生与氨基酸代谢及能量代谢等过程密切相关，而清络通痹方通过改善机体氨基酸水平发挥配伍减毒作用。赵佳伟等[27]通过尿液代谢组学研究，发现人参能通过对泛醌、泛酸、核黄素及甲硫氨酸的调节来减轻附子的毒性。

2.2 蛋白质组学对中药毒性生物标签的探索

目前，蛋白质组学主要被用于探索中药化学成分的毒性生物标签。Wei J 等[28]运用蛋白组学技术分析栀子苷对大鼠肝脏的毒性作用，涉及的生物标签为甘氨酸N-甲基转移酶及糖原磷酸化酶。这两个生物标签比目前的肝毒性指标更早地预测出该成分的肝毒性。

2.3 转录组学对中药毒性生物标签的探索

早在1999 年，转录组学就被运用于药物毒性研究[29]。近年来，转录组学技术在中药毒性研究领域中的运用也备受关注[30]。前期研究表明，大黄总蒽醌具有明显的肾毒性，通过转录组学研究发现，该毒性涉及的生物标签主要为MAPK 激酶6、周期蛋白D1 和周期素依赖性蛋白激酶1[31]。蟾酥对心脏具有明显的毒性，通过基因芯片技术研究发现，蟾酥主要通过花生四烯酸和亚油酸代谢通路及脂肪细胞因子信号转导通路来影响心脏的正常生理功能[32]。黄药子具有诱导肝损伤的不良反应，通过miRNA 芯片技术研究发现，血清中miR-122、miR-192及miR-193可作为表征其潜在肝毒性的生物标签[33]。盛云华等[34]也运用miRNA芯片技术分析了山豆根对肝脏的损伤性，涉及的生物标签为血清中miR-291a-5p。

2.4 生物信息学对中药毒性生物标签的探索

生物信息学也被广泛运用于中药毒性生物标签的探索。通过毒物与毒物靶点数据库（T3DB，http：//www.t3db.ca/）的分析，本课题组发现刺五加化学成分的潜在毒性靶点主要参与了促性腺激素释放激素受体通路、多巴胺受体介导的信号通路、ATP合成通路及氨基丁酸降解通路等[2]。刺五加可能通过这些通路对机体的一些正常生理过程产生不利影响，例如促性腺激素释放过程及能量代谢过程等[2]。另外，通过生物信息学预测，穿山龙化学成分的潜在毒性靶点主要参与了离子型谷氨酸受体通路及代谢型谷氨酸受体通路[3]。这些通路的异常共同影响了神经递质谷氨酸的正常生理功能，由此可能进一步引起中枢神经系统兴奋性毒性[3]。另外，许可嘉等[35]通过生物信息学构建了雷公藤化合物靶标“蛋白-蛋白”相互作用网络及“在靶、脱靶”相关分子网络，发现脱靶效应主要参与了细胞增殖、凋亡、炎症反应等重要生物化学反应过程，间接提示雷公藤的脱靶效应可能对应其副反应（毒性）。生物信息学除了能运用于单味中药的毒性机制的研究外，还能用于中药配伍减毒研究[36]。四逆汤由附子、干姜、甘草组成，其中附子为有毒中药。生物信息学研究发现，附子中的化合物主要影响了肾上腺素能、5-羟色胺、多巴胺、M 胆碱能受体及阿片受体的相关靶点[37]。通过TCMGeneDIT 数据库发现，在四逆汤配伍环境下，甘草、干姜对生附子的减毒效应可能与共享靶标基因或关联基因有关[36]。

3 总结与展望

对于中药的研究，现有的研究模式通常会先运用药效学分析对其可能治疗的疾病进行尝试性研究，确定其治疗作用后再进行相关机制和物质基础的探讨。然而，由于疾病发病机制及中药组成的复杂性，这将有可能耗费大量的人力、物力和时间去完成这些工作。而以生物标签为主导的研究模式则可以使得整个研究过程更加具有目的性和针对性。

该研究模式尤其适用于中药这种成分不是十分明确的药物的研究。生物标签的表达情况可以反映出进入机体内环境的中药所有成分的联合作用。在该研究模式的帮助下，研究者可以将研究焦点从模糊的中药成分组成转移到已知的内源性靶点上。通过对这些靶点的分析，有可能实现中药作用的确认及质量的控制。

人体由多个系统组成，每个系统中的疾病种类繁多、发病机制复杂多样。中药是由多种成分组成的复杂体系，这有利于其通过对多种靶点的干预来控制疾病的进程，从而实现对疾病的多维度治疗。对于复杂性疾病而言，运用单一类型靶点表征中药的作用及机制，虽然能在一定层面上阐述问题，但仍然是不足的，这样导致研究信息出现偏差的可能性也是较大的[38]。生物标签由多维度靶点组成，基于不同维度的靶点对中药的作用及机制进行协同分析，可以大幅度提升研究信息的准确度与可信度，并可以对研究结果进行相互补充，相互验证。通过对中药生物标签及相关通路的生物学作用的分析，我们可以将它们与某个系统中的疾病的发病机制进行关联，从中筛选出中药对何种疾病具有治疗优势，并可以进一步分析中药治疗该疾病的作用及机制。因此，通过生物标签研究模式，研究者可以有效地控制研究范围，并对中药治疗疾病的作用及机制进行多维度定位。另外，生物标签也可以作为“指挥棒”，指导后续的中药新药及配伍组方研究，可以有效地提高工作效率及缩短研究周期。在上述用于探索生物标签的方法学中，生物信息学的优势尤为突出。相比于组学技术，生物信息学的研究周期更短，资源耗费更少，信息整合能力更强。该方法学在生物标签的探索中具有更大的潜力。

然而，目前还面临一些问题，生物标签均是在正常生理模型中探索得到的，而且目前的数据检测分析方法及统计学方法还具有局限性，如果直接根据生物标签来指导药物在病理情况中的运用，则会导致一定误差的出现。因此，还需进一步优化方法学及进行验证性研究，以提高生物标签表征中药作用的准确度，才能使得这些数据更好地运用于后续研究及服务于临床。