基于结局路径“top-down”策略的中药功效与物质基础研究思路*

王 幸，许妍妍，杨珅珅，王玉明，李遇伯

（天津中医药大学中药学院，天津 301617）

近年来，中药的安全和疗效日益受到国际的广泛关注。然而由于中药化学成分和人体的复杂性，导致其功效机制研究面临困境[1]，有关“中药功效与物质基础科学内涵的内在关联机制”的报道较少。这主要是由于中药功效存在两个关键问题：一是功效评价缺少进程效应指标，无法明确中药在体内发挥功效的成分；二是功效产生的始动因素不清楚，其与最终功效效应的相关性仍需进一步探讨。因此，本研究借助经济合作与发展组织提出的有害结局路径（A OP）概念框架[2]，提出功效结局路径（PO P），从3个关键要素——功效分子起始事件（始动因素）、功效关键事件（功效进程拐点）以及功效结局出发，综合借助各项新技术，建立中药功效进程动态机制的新方法。采取“top-down”策略，从功效结局开始，逐级确定低层次功效关键事件并与特定功效分子起始事件相关联。本研究将为祛风湿类中药功效与物质基础研究提出一项新的适宜模块化方法。

1 基于结局路径的中药功效与物质基础研究思路

1.1 中药功效与物质基础研究近况 中药是在中医药理论指导下应用的一类药物，具有多成分、多靶点、系统调节的特点。目前，中药的安全和疗效日益受到国际的广泛关注，而其所含化学成分种类繁多、结构复杂，功效与物质基础不明确，使其在国际发展中受阻[3-7]。中药质量标准决定着其安全性和有效性，而中药的功效与物质基础是中药质量控制的重要依据[7-8]。因此，明确中药的功效与物质基础对中药的现代化和国际化发展意义重大[9-10]。目前，中药功效与物质基础的研究方法主要包括：体内活性追踪法、中药谱效关联研究法、体外细胞膜色谱法、中药代谢组学、蛋白质组学和基因组学研究技术，以及化学生物学技术、点击化学技术与分子对接技术等[11-12]。

体内活性追踪法是基于中药化学理论与方法，通过辨识有效部位群，从而追踪与其结合的药效物质基础的方法，姜雪萍[13]采用活性追踪法研究水苏乙醇提取物有效部位的抗氧化活性，并追踪了水苏抗氧化活性的药效物质基础，但只是初步筛选了中药的功效成分，忽略了其药效与化学成分间的相互作用。中药谱效关联研究法是目前中药质量控制与物质基础研究中较为前沿的方法，可关联中药指纹图谱中各种化学成分的变化和中药的药效，揭示中药的主要功效成分，但其结果往往易受中药指纹图谱的稳定性、数据分析方法等因素的影响，亦存在许多问题[14-15]。体外细胞膜色谱法是一种可以在体外实现药物体内过程的生物色谱技术，其作为一种新兴技术，可将色谱分离与活性成分筛选相结合，适用于中药药效物质基础的研究，但其在阐明潜在活性成分的作用靶点上遇到瓶颈[16-18]。代谢组学是在高通量、高分辨率和高灵敏度的代谢分析平台基础上，通过高分辨质谱等分析技术，采用多元统计分析方法全面分析生物样品中的所有内源性小分子代谢物，寻找并筛选和疾病相关的特异性代谢标志物，分析其代谢途径，利于阐明中药药效物质基础及疾病的发病机制[19-21]。蛋白质组学可基于二维电泳等技术与生物信息学工具，从蛋白质水平上对蛋白质的作用模式、功能机制等进行探索，研究特定条件下的蛋白质整体水平的存在状态与活动规律，能将复杂的中药功效成分和蛋白质的表达、修饰有机联系起来[22-23]，筛选任何有意义的中药功效成分，揭示机体对它的反应途径、进程与本质，从而阐明中药的药效物质基础和作用机制[24-26]。基因组学可从分子水平、基因水平研究中药在基因组上的作用靶点、作用规律以及中药活性成分的片段基因，利于发掘中药药效物质基础[27]。化学生物学在靶点发现策略包括化学探针和药物的开发中都起到了关键作用，系统化学生物学可逆向筛选中药中的有效成分[28]。点击化学技术现已成为当前的一大研究热点，主要是通过小单元的拼接，快速准确地完成形形色色分子的化学合成。如Ma等[29]论述了点击化学技术在拓扑异构酶Ⅱ抑制剂、组蛋白去乙酰化酶抑制剂、蛋白酪氨酸激酶抑制剂及抗菌药物在抗癌药物合成中的应用。分子对接技术可对化学成分与直接靶标的结合模式进行预测[30-31]，之后通过代谢组学、蛋白质组学等技术与“核心靶标”进行互作分析，可发现与核心靶标直接作用的功效成分。

中药药效物质基础研究是一个系统工程，有必要采用多学科交叉等方式，开拓思路，灵活运用以上技术，各有侧重地发挥其优势，才可利于系统地阐释中药功效与物质基础的关联性，为中药质量控制提供理论依据。

1.2 中药功效分子起始事件——中药功效关键事件——中药功效结局概念框架的提出 AOP概念框架是用以概述已有的关于直接分子起始事件（如：外源化合物与特定生物大分子的结合）与在生物不同组织结构层次（如：细胞、器官等）所出现的与危险度评定（如生存、发育等）相关的“有害结局”之间相互联系的一个概念框架。它是一个可跨越多种生物结构层次的一系列连续事件的生物组织，能连接起始事件与结局之间的内容，不同的构成主要取决于产生AOP或所关注危险度内容（如：生存、发育等）的类型以及生物学信息的范围。AOP的概念内涵包含了起点到终点，即分子起始事件到有害结局的全部过程，能够判定关键的不确定性和需要优先研究的内容[32-34]。依此，提出POP概念框架，即POP3个关键要素——功效分子起始事件（始动因素）、功效关键事件（功效进程拐点）及功效结局。

功效分子起始事件（始动因素）即基于分子水平的中药功效结局的起始事件，其是开始中药功效结局路径时化学物与机体发生生化反应的一个关键起始位置，从而引起的一系列更高效应水平的事件[35-36]。功效关键事件（功效进程拐点）是连接中药功效分子起始事件与中药功效结局之间的多个层次生物组织上的有因果关系或某种相关关系的事件。即中药在发挥功效的过程中，在一些中药功效成分的作用下，疾病开始向着治疗目的演变发展，这个时期称为关键时期，在达此拐点时期前，停止用药后会导致治疗不彻底等现象[36-37]。中药功效结局是在与一系列效应水平事件相关联的特定度内容基础上，用以判定关键的不确定性和需要优先研究的内容[38]。因此，本研究旨在通过中药功效结局、中药功效关键事件和中药功效分子起始事件3个关键因素，系统地阐释中药功效与物质基础的内在关联机制研究，建立中药功效进程，从而明确中药的功效与物质基础。

2 以祛风湿类中药为例，建立中药功效进程动态机制的新方法

中医将祛风寒湿邪治疗风湿痹证为主的药物称为祛风湿药，其功效主治广泛[39]。临床上，风湿类疾病包括：类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、干燥综合征、痛风等百余种疾病，这些疾病多是慢性的难治性疾病，发病机制也尚未完全清楚，其病情反复、脏器受累等成为风湿患者的困扰。但不同疾病的临床特点各有不同，即使同一疾病也会因病情的严重程度、累及脏腑、用药反应等各有差异，且患者的体质、性别、地域等亦不同。因此，临床医生在深刻了解患者病情的同时，须综合考虑各项因素，制定出个体化的诊疗方案。但个体化的治疗方案要求临床医生明确中药的药效物质基础，才可精准用药，从而利于临床治疗和新药研发[40-41]。

文献显示，祛风湿类中药治疗类风湿性疾病的功效成分（物质基础）主要包括：生物碱类、苷类、黄酮类、内酯类、苯丙素类、醛酮类等[42]，研究发现这些功效成分在临床上的广泛应用和治疗效果基本是通过动物模型阐明和证实的，实验方法单一，对祛风湿类中药的功效与物质基础研究不深入。有关祛风湿类中药功效成分的作用机制研究较少，迫使临床医生在治疗此类疾病时主要靠西药维持，出现了药物不良反应大、患者不耐受等众多后果，而中药种类多且不良反应小，可多成分、多靶点综合治疗，有着独特的优势，因此应从其基因层面、治疗靶点等多方面深入研究[42-44]，建立更科学、系统的祛风湿类中药功效与物质基础评价体系，以全面阐释祛风湿类中药的功效进程、功效产生的始动因素，为中药质量控制提供依据，从而更好地服务于临床。

针对当前祛风湿类中药的功效与物质基础研究现状，本研究根据POP概念框架，采取“top-down”策略，其是一种”自顶向下”的设计方法，它可由整体到局部，即从中药功效结局出发到明确中药功效成分（物质基础）的研究过程[45]。所谓“顶（to p）”是指以整体研究思路为基础，从目标功效结局开始展开研究，即针对不同的风湿性疾病，设置合理的给药方案，通过观察相应祛风湿类中药功效的检测指标，明确其功效和功效进程，依据关键检测指标-时量关系图和关键节点的生理病理特征，确证其功效结局；而“下（d own）”则是指通过各项新技术，逐级确定低层次功效关键事件（功效进程拐点）并与特定功效分子起始事件（始动因素）相关联[46]，即通过代谢组学、蛋白质组学以及“代谢物-蛋白质”关联分析技术，初步发现祛风湿类中药的功效进程拐点（功效关键事件），而后从基因层面、关键靶点等明确祛风湿类中药功效的关键事件和其与功效结局之间的关联；随后在细胞层面筛选祛风湿类中药关键功效成分，应用化学生物学技术考察祛风湿类中药关键功效成分的直接靶标，利用分子对接技术预测其功效成分与直接靶标的作用模式，借助可检测基因表达等技术，初步发现“直接靶标-功效关键事件-功效结局”的相关性，后通过基因改造技术，反向证实祛风湿类中药药效进程中直接靶标与其功效关键蛋白及功效结局之间的关联性，进一步确证祛风湿类中药的功效分子起始事件，从而构建完善的祛风湿类中药功效POP概念框架，建立其功效进程动态机制的新方法，见图1。

图1 技术路线图

3 展望

随着中医药现代化的迅猛发展，中药的安全和疗效问题在国际化发展中日益突出。当前中药的功效与物质基础研究评价指标多为静态效应指标，无法反映其功效发生的动态过程，且功效的始动因素不清楚。本研究建立了一套“top-down”的“功效结局-功效关键事件-功效分子起始事件的祛风湿类中药功效进程动态机制研究新策略，且充分考虑了中药的特殊性，灵活地将化学生物学、分子对接技术和组学技术等相互结合，应用于中药功效与物质基础的研究中。本研究以祛风湿类中药为例，建立其功效POP框架，深刻阐释其功效机制，为明确中药的功效与物质基础研究提供了一项新的适宜模块化方法。