张华敏,刘思鸿,高宏杰#,贡磊磊
(1.中国中医科学院中医药信息研究所,北京 100700; 2.首都医科大学附属北京妇产医院药事部,北京 100026)
随着世界卫生组织将在2019年第11版全球医学纲要中首次纳入中医学的相关信息,中医药的现代化、世界化将成为时代发展的必然趋势[1]。作为中医治疗疾病的一种手段,复方中药在我国具有悠久的历史。近年来,采用现代科学技术对传统中药复方进行了大量研究,其结果表明复方中药具有多成分、多途径和多靶点等协同作用的特点,使得其药效物质基础和作用机制的研究更加困难[2]。随着医学科学和生命科学步入后基因组时代,通过网络生物学视角探索药物作用为人们提供了复方中药作用机制的新见解,而以此为背景,结合系统生物学、多向药理学和生物信息学等多学科的网络药理学作为药物研究模式应运而生,其系统性、整体性的特点与复方中药组方配伍的整体观不谋而合[3]。网络药理学基于“疾病-基因-靶标-药物”相互作用网络,系统观察药物对疾病网络的干预与影响,这与复方中药多成分、多途径和多靶点协同作用的原理殊途同归。网络药理学反映了大数据时代复方中药系统性研究的新趋势,本文将对网络药理学等相关方法在复方中药中的应用及存在的问题进行概述,以飧同道。
随着人类基因组计划的科学家公布人类基因组工作草图,生命科学研究开始进入后基因组时代。由于生物技术的飞速发展,系统生物学和生物信息学等新兴交叉学科快速兴起,国内外学者试图通过从网络生物学的视角探索疾病与药物的相关性。中国学者李梢等[4]在国际上首先提出了生物分子网络研究复方中药的策略,并且报道了中医寒热证生物分子网络和寒热方剂的网络调节效应,见图1。同时,英国药理学家Hopkins[5]在《Nature Biotechnology》(《自然·生物技术》)杂志上提出了“网络药理学”(networkpharmacology)这一概念,以系统生物学和生物信息学为基础,从改善或恢复生物网络平衡的角度来认识药物与机体间的作用关系,这种多层次研究策略与复方中药的整体观原则相一致,为传统复方中药药效物质基础及作用机制研究提供了新的手段。随着网络药理学的深入研究,结合中药物质基础体内过程研究,阐明中药方剂化学物质实体与机体生命活动交互规律的整合药理学新模式得到广泛关注[6]。整合药理学是中药学、化学、药动学、药理学和计算科学等多学科融合的交叉科学,是复方中药现代研究的新模式。
图1 中医寒热证生物分子网络图Fig 1 Biomolecular network diagram of TCM cold and heat syndrome
数据库是构建网络药理学的前提基础,生物数据库是根据一定的目标收集和整理实验数据,提供数据查询和数据处理的软件系统。这些数据库包括疾病相关分子数据库(OMIM数据库)[7]、蛋白质相互作用数据库(BioGRID数据库、DIP数据库及HPRD数据库)[8-10]、基因信息数据库(GO数据库、DAVID数据库)[11-12]、蛋白序列和功能数据库(Uniprot数据库)[13]、通路信息数据库(KEGG数据库、Reactome数据库及PharmGkb数据库)[14-16]、药物靶点数据库(TTD数据库、Drugbank数据库)[17-18]以及化合物与蛋白质相互作用关系数据库(STITCH数据库)[19]。常见的药物化学成分数据库及中药化学数据库有PubChem数据库、ChEMBL数据库和TCMID数据库,HIT数据库是通过人工搜集大量文献,利用文本挖掘技术获取中药有效成分蛋白靶点的数据库[20-22]。此外,通过组学技术或中药化学成分分析等实验方法获得的数据也是生物网络数据的重要来源,具有真实可靠的优点。这些数据库及生物网络数据为研究人员提供了详实的药物分子结构、功能、信号通路以及药物与生物分子相互作用等大量的信息数据。
生物网络的构建是网络药理学的关键过程。基于生物数据库及基础和临床实验研究结果,借助有效的数学模型和复杂网络研究方法,将生物体中各种物质及其相互作用加以抽象,从而建立“疾病-基因-靶点-药物”相互作用的网络。其中的算法是生物网络构建的核心,国际上常用的算法有Randomwalk算法和PRINCE算法。Randomwalk算法是从任意一个节点(药物、疾病或靶点)出发,随机计算该节点的与其相邻节点的相似性,建立“疾病-靶点-药物”网络,用以揭示“药物-靶点”网络各节点的相关性,是一种常用的网络聚类算法[23]。PRINCE算法假设引起相似疾病的基因倾向与蛋白质相互作用网络中相近,将类似疾病的因果基因连接起来,建立蛋白-蛋白相互作用网络,经过反复迭代至流动到每个节点的流量收敛之后,根据节点的流量,对蛋白质进行打分[24]。国内网络药理学专家李梢创建了14种方法和2个数据平台,并已被应用于复方中药物质基础研究、协同作用机制和新活性成分发现等方面[25]。为了从结构复杂生物网络中获取有价值的信息,可采用网络可视化工具将联系表展示为一张相互作用的可视化网络过程。网络可视化通过网络属性,使节点联系表拓展为包含丰富信息的网络;其次对网络进行描述,通过使用丰富特征的描述手段,使网络表现更为直观,易于理解,常见的可视化工具有Cytoscape、NetworkX、GaTOP、GUESS及Pajek等,使用较多的为Cytoscape[26]。
为了进一步满足中医药相关数据资源日益增长的需求,由中国工程院院士、中国中医科学院院长黄璐琦研究员带领中国中医科学院中药研究所、中药资源中心与中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京大学药学院等单位共同合作打造的中医药数据平台中医药百科全书(encyclopedia of traditional Chinese medicine,ETCM)正式上线,其研究论文发表于国际知名期刊《Nucleic Acids Research》(《核酸研究》)[27]。ETCM作为一个智能化数据平台,结合了成药性评价、靶标预测和物理化学性质等多种权威算法,以及药物靶标、疾病靶标相关功能和通路的系统分析功能,提供从“中草药→方剂→成分→靶标基因→功能/通路→疾病”之间的交叉检索、多维智能化网络构建和可视化,全面解析中药复杂系统与机体分子网络之间的相互作用关系。ETCM将为中医药理论的科学内涵、中药质量控制、中药作用原理揭示和中药新药研发,尤其是现代药物组合发现和优化等,提供强有力的数据基础和分析平台。ETCM是整合数据库、生物网络构建及可视化等构建的中药数据平台,见图2。
图2 复方网络药理学图Fig 2 Compound network pharmacology diagram
网络药理学是基于药物之间的构效相似性,考虑体内生物分子及靶标的相互作用关系,构建“药物-药物”“药物-靶标”和“药物-疾病”网络,能有效预测药物的功效或特定功效对应的药物,是目前复方中药研究的新方法[28]。许海玉等[29]通过网络药理学结合体内实验研究,鉴定出脑心通胶囊治疗缺血性脑卒中的关键活性成分为苦杏仁苷和芍药苷,且其作用机制可能为苦杏仁苷与糖皮质激素受体NR3C1相互作用产生抗脑缺血作用。王韵等[30]构建了基于网络药理学的茵陈蒿汤“成分-靶标”相互作用网络,借化学物质组学和文本挖掘技术,从茵陈蒿汤中筛选出18个代表性保肝活性成分。Jiang等[31]基于内皮细胞培养和网络药理学,整合超高效液相色谱-飞行时间质谱技术和核因子κB活性荧光素酶报告基因,筛选出丹红注射液中9种抗炎成分。
中药组方是在辨证的基础上,根据病情需要,配伍组方。现代研究结构表明,组方配伍通过多成分相结合,作用于多个靶点,发挥组方的药效。而网络药理学基于“药物-靶点-疾病”的分析模式恰好能够阐明复方配伍并能优化复方中药。Wu等[32]采用网络药理学方法检测芪参益气方治疗急性心肌缺血的组方规律,结果表明,芪参益气方优于单味中药,且黄芪和丹参在组方中疗效占比较大,疗效良好。金燕萍[33]基于数据挖掘和网络药理学方法相结合,深入探究清热类中药的组方配伍规律,为临床辨证用药,尤其是联合用药,分清药物组成,以防不同药物之间发生副作用提供了理论依据。严瑶琦等[34]采用数据挖掘技术和网络药理学相结合的方法,挖掘中医临床治疗痛风湿热蕴结证的核心药物配伍和新处方,揭示核心药物配伍治疗的潜在信号通路;通过文献挖掘,筛选出6个核心药物配伍和3首新处方,发现临床治疗痛风湿热蕴结证的核心中药配伍为黄柏、牛膝和苍术,其作用潜在的信号通路是嘌呤代谢通路和神经活性配体受体相互作用信号通路。
近年来,复方中药重定位逐渐成为中药复方研究的热门。药物重定位大大缩短了药物研发所需的时间、节省了经费,并且成功率远高于传统的新药研发。随着复方中药重定位研究进入计算机技术的新阶段,网络药理学在复方中药重定位中发挥着越来越重要的作用。李梢教授等通过数据库搜集六味地黄丸的化学成分,并构建了“成分-靶标-疾病”网络,利用京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路分析六味地黄丸的作用通路,发现六味地黄丸作用于免疫系统Chemokine通路和过氧化物酶体增殖物激活受体通路,具有治疗高血压病、胆结石、肥胖及高脂血症等潜在的靶点,为六味地黄丸的重新定位提供了实证依据[35]。此外,仝小林教授等通过网络药理学方法,探索了以治疗腹泻和痢疾为主要功效的葛根芩连汤的新功效,并分析了葛根芩连汤治疗2型糖尿病可能的有效成分及作用机制[36]。
网络药理学强调网络靶标的新模式与中医药整体观和辨证论治原则不谋而合,对复方中药整体性、系统性研究提供了重要支撑。但网络药理学与复方中药相结合的研究方式仍然面临巨大的挑战。首先,复方中药数据库积累不足,现有数据库的准确性、不可控性以及研究方向的偏向性亟待解决。其次,复方中药网络药理学研究是基于数学模型及复杂网络的研究方法,将复方中药与复杂生物系统的相互作用抽象表达为网络,网络中的相互作用关系仍需进一步的体内外实验验证。最后,随着高通量测序技术的飞速发展,如何将多组学数据(转录组学、代谢组学和蛋白质组学等)与网络药理学相结合,建立有效的网络分析平台,并结合相关实验技术探索复方中药的药效成分、作用机制及组方配伍是目前复方中药研究亟待解决的问题之一。
复方中药具有几千年的历史,其中蕴藏着巨大的新药创制资源,是未来精准化医疗发展、新药发展的源泉。现代网络药理学的研究策略符合复方中药从整体和系统方面治疗疾病的核心理论,有利于筛选复方中药的有效组分群,阐明复方中药的作用机制,发现复方中药的组方配伍规律。虽然网络药理学的研究处于起步阶段,但随着数据库信息的补充与完善、计算模型的升级、多组学数据与实验的相结合,未来复方中药网络药理学研究将加深人们对复方中药治疗复杂疾病的认识,推动中医药的传承与创新,加速中医药现代化和国际化进程。