基于“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式探究天然药物给药机理

易延逵，张璐，潘东莲，蔡维珊，罗吉敏，肖玮麟

(南方医科大学 中医药学院，广东 广州 510515)

近些年来，对天然药物质量控制中，化学成分指纹图谱已成为国际公认的最有效手段。化学成分指纹图谱可以为成分构成及比例的稳定性提供鉴别的依据，因而国际学术界正要求通过制定指纹图谱以显示各种成分在草药及其制剂中所含的成分是稳定的。而目前在研究天然药物功效毒理时，对成分不明确的提取物等要求提供中草药成分指纹谱图[1]。但目前一方面是天然产物化学成分指纹图谱还缺少统一的模式，而更为重要的是另外一方面，即是天然产物的动力学和代谢动力学过程更是没有具体研究方式和方法。

我们通过多年的研究和分析，同时借鉴现代指纹图谱技术、动力学研究模式和代谢组学，提出了基于“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式，可以用以探究天然药物从质量控制到体内过程以及给药机理。“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”所反映出的指纹信息，能较清晰地揭示天然药物的给药机理。

1 天然药物化学指纹的研究

天然药物化学指纹图谱是天然药物中化学成分特异性的色谱或光谱图谱，化学指纹图谱的特异性与天然药物样品的真伪、产地、采收、加工是关联的；通过制定化学成分指纹图谱主要特征峰的含量或比例标准，制定特征指纹图谱标准，对于有效控制天然药物的质量具有重要的意义[1]。

天然药物化学指纹图谱已经成为天然药物质量控制的重要手段之一，美国食品药品监督管理局、欧共体和世界卫生组织对于天然产物质量控制均给出了建立化学指纹图谱的规定和建议，以保证天然产物及其产品成分的相对稳定和质量可控。国内对于指纹图谱的要求一直在进行，15版药典对多种提取物指纹图谱进行了要求。国家药品监督管理局早在2001年对注射剂已发文——中药注射剂指纹图谱研究的技术要求(暂行)[2]。因此，建立指纹图谱是天然药物有效控制质量的现代化途径。

1.1 天然药物化学指纹的研究概况

近年来，天然产物指纹图谱的研究较多，对很多常用方法如高效液相色谱法、气相色谱法、薄层色谱扫描法等进行了深入研究[3-7]，有随着现代分析手段的不断提高，许多新的方法包括高效毛细管色谱法、红外光谱、核磁共振等不同仪器方法应用到中药指纹图谱的构建中[8-10];有对天然药物包括不同药用部位，不同提取物等不同研究对象进行研究的[11-12]；有对化学成分指纹模式提出改进的，有提出建立谱效学联用研究模式的，尤其是对指纹图谱信息与药效活性信息的相关性研究近年来研究不少[13-15]。这些研究的进行，都将化学指纹图谱的研究一步步推进。

1.2 天然药物化学指纹的发展分析

天然药物化学指纹的发展需要借助现代的仪器分析手段，现代的数学技术手段，现代的计算机软件手段，而随着现代各种技术的发展，天然药物化学指纹也一步步深入发展。从中医中药理论分析看，中医中药强调是整体性，因而中药的质量评价也应该有整体性，综合分析，中药的鉴定也强调整体性和综合性，而指纹图谱正是鉴定的延伸，因而化学指纹图谱分析正是进行综合评价的重要方法；仪器分析方法一方面随着分析方法向微观、宏观、分解、综合等各个方向发展而变得丰富，一方面随着质谱仪、核磁共振仪等各种现代仪器的出现，对于成分的数量和检测灵敏度都在不断增加，使得进行各种复杂分析成为可能；现代数学和现代计算机技术进行了融合发展，各种计算机数学分析软件不断创新，使得复杂的数学应用于成分的分析比对成为可能，而且也在不断深入发展。

2 天然药物药物动力学指纹研究

2.1 天然药物药物动力学指纹研究概况

天然药物药物动力学指纹研究，也可称作指纹药物动力学，是采用指纹图谱的技术和手段来分析天然药物在体内吸收、分布、代谢、排泄的药物动力学过程。天然药物的成分是复杂的，作用具有整体性，而采用指纹图谱的分析方法有助于整体了解天然药物的药物动力学过程。同时目前研究较多的谱效学也是基于指纹图谱的整体性考虑，而进行指纹药动学研究，可以将化学指纹、药物动力学、药物效应学三者之间的联系建立起来。

目前对于天然药物药物动力学的研究主要集中在单体成分的药动学研究，同时研究了单体成分的药物效应、药物生物利用度等[16-17]。但是对于天然药物指纹药物动力学研究较少，2008年，孙国祥等在总结中药指纹图谱学体系在中药创制中的作用时明确提出了这一概念[18]。我们考虑借助指纹图谱技术进行药动学的研究，将更能真实地反映天然药物的整体性，发现天然药物吸收、分布、代谢、排泄的整体规律，采用指纹图谱技术进行天然药物药动学的研究将推动天然药物给药机制的研究，推动天然药物质量控制水平的提高，我们正是基于中药指纹药物动力学广阔发展前景，在总结前人研究分析的基础上，明确提出了指纹药动学的研究[19]，以期对指纹药动学进行深入研究。

目前，这方面的相关研究主要集中在血清指纹谱的研究方面，如采用血清药物化学研究方法建立大黄结合型蒽醌含药血清指纹图谱，并分析其中的药源性成分，结果标定药源性成分共有峰，确定了体外原型成分和体内代谢产物[20]。采用UPLC法比较补骨脂-肉豆蔻药对含药血清指纹图谱并分析补骨脂-肉豆蔻药的入血成分，结果测定给药后入血成分并建立UPLC指纹图谱，标出共有峰，确定体外供试品中原型成分和代谢产物峰[21]。

2.2 天然药物指纹药物动力学发展分析

天然药物所含成分是复杂的，因而研究天然药物指纹药物动力学也必然有很多难题需要解决，目前对天然药物指纹药物动力学的研究主要是对血清指纹谱的建立，还处于研究的初期阶段。对于天然药物进入体内后发生的一系列复杂的生化反应，跟化学指纹图谱的联系和差别，以及跟体内生化物质谱的比对等，目前还无从比对和深入分析，因而需要对天然药物指纹药物动力学进行深层次的研究。

同样随着现代分析手段和分析仪器、数学与计算机技术的不断发展，天然药物指纹药物动力学的发展获得了深入发展和研究的基础。这些方法的应用将为天然药物在吸收部位、分布部位、代谢产物的指纹信息研究提供可能，可以制定天然药物在吸收组织、分布组织、代谢物的指纹图谱，从而为天然药物的药动学研究提供实验依据。

天然药物指纹药物动力学的研究能够清楚了解天然药物复杂组分在体内吸收、分布、代谢、排泄的整体规律和信息，从而了解天然药物化学成分进入体内后的变化情况；进一步分析还可以找到药物组分与体内生化物质相互作用的机理。一些成分可能代谢而排出体外，一些成分可能发生化学变化产生新的成分，一些成分可能跟体内成分发生反应，一些成分可能跟体内成分或相互间发生组装比如形成超分子等等。因此天然药物指纹药物动力学的研究将为天然药物在动物体内的过程提供大量的信息，从而揭示天然药物的给药机理，为天然药物的质量控制提供实验依据。

3 代谢组学指纹研究

代谢组学的研究是对生物体内所有代谢物进行成分鉴定和定量分析，同时研究代谢物与生理病理之间的联系。代谢组学具体分析对象是分析研究生物体内产生的各种代谢产物，包括动物血液，组织液，代谢物如尿液、粪便、汗液等，同时也包括植物体的组织液等。代谢组学的研究是在基因组学和蛋白质组学之后提出的，因而借鉴了蛋白质组学研究方法，主要从两个不同角度研究，一方面从代谢物指纹进行分析，需要借助现代色谱、质谱、核磁共振等的联用方法，鉴定代谢产物并进行定量分析，从而为生理病理健康状况判别提供有关结果；另一方面是进行代谢轮廓分析，这是基于通过对已有代谢途径的分析，判断具体研究对象的可能代谢途径，进而进行深入研究。

目前代谢组学研究主要集中在一是研究生理病理状态下代谢物的变化；二是药物给药机理的研究。生理病理状态下代谢物的变化一直研究较多，这方面研究为正常肌体功能的评价，疾病的诊断，疾病的预警、预后等提供了依据，目前有很多机体功能的评价和疾病的诊断等各方面都有很广泛的应用，同时也在不断的深入研究[22-23]。药物给药机理的研究方面，化学药物研究一直有较多研究，近年来尤其是天然药物给药机理研究方面也开始多起来[24-27]。

但是目前对于代谢组学整体研究深度不够，尤其是天然药物的研究还不能揭示其整体代谢规律，尤其与药物成分之间的关系问题，加上天然药物化学成分复杂，需要更深入的研究天然药物化学成分与代谢物之间的关系问题，以及与生理病理状态下代谢物变化的联系问题。最有效的研究天然药物和代谢组学的关系问题就是研究化学指纹图谱和代谢指纹图谱的关系问题，从而建立起天然药物化学指纹图谱和代谢指纹图谱之间的联系。

4 “化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式探究

目前，随着指纹图谱技术、药动学和代谢组学研究的深入，必然实现三者的结合，将从以下三个方面进行关联研究，一是借助指纹图谱技术进行天然药物的药动学研究，将能清楚天然药物进入体内的整体情况，获得天然药物在体内吸收、分布、代谢、排泄的整体变化规律，而关联天然药物化学指纹更能找到天然药物化学指纹和药物动力学过程整体联系的规律，清楚天然药物在体内吸收、分布、代谢、排泄的情况；二是关联药动指纹和代谢指纹研究，能够找到药动指纹跟代谢物之间的变化规律以及相互影响和作用；三是“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”的关联，将揭示天然药物其整体代谢规律，尤其与药物成分之间的关系问题，将更深入的研究天然药物化学成分与代谢物之间的关系问题，以及与生理病理状态下代谢物变化的联系问题，同时有助于发现确切的指标物，用以诊疗有关疾病和判断药物疗效。

“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式，见图1。“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式主要是将天然药物化学成分指纹，同血液、组织中药动学指纹，以及血液、蛋白、粪便、尿液的代谢指纹关联起来，寻找成分的变化规律和成分之间的相互影响。我们通过总结，有关研究过程如下：

(1)天然药物化学指纹图谱的建立。目前天然药物及制剂指纹图谱的建立主要依据中药注射剂指纹图谱研究的技术要求进行制定[2]。

(2)天然药物动力学化学指纹的建立。主要研究胃肠组织、血液和尿液中成分指纹图谱的建立。一方面组织、体液中干扰成分较多，除了药物成分，还有药物代谢产物、体内生化反应代谢产物、食用的物质成分等等，这些都会对指纹图谱的建立产生影响，本项目的关键是要找到药物成分及药物代谢产物，我们考虑采取的解决办法是一方面比较有关纯化条件，尽量去掉干扰成分，保留目标成分；另一方面采用有关质谱联用等检测方法确定目标成分，从而建立起组织、体液中的天然药物动力学化学指纹图谱。

(3)天然药物代谢组学指纹图谱建立。主要研究粪便、血液和尿液中代谢物指纹图谱的建立，一方面代谢产物中干扰成分较多，有药物代谢产物、体内生化反应代谢产物、食用的物质成分代谢物等等，这些都会对指纹图谱的建立产生影响，本项目的关键是要找到药物代谢产物及特殊的代谢产物，我们考虑采取的解决办法是一方面比较有关纯化条件，尽量去掉干扰成分，保留目标成分，另一方面采用有关质谱联用等检测方法确定目标成分，从而建立起代谢物中的指纹图谱。

(4)“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式建立。分析天然药物化学指纹、药动学指纹和代谢组学指纹的相关性和差异性，研究的关键是要找到特征化学成分指纹、药动学特征指纹、成分药物代谢产物及特征代谢产物的基础上，比较指纹之间的相关性，以找到特征指纹之间的关联。研究过程中，可以采用现有的指纹谱建立方法进行建立，可以采用现在快速发展的色谱-质谱联用的方法；建立化学指纹、药动指纹、代谢指纹关联的方法，可以采用空白实验的方法以去掉生理状态下干扰物质的干扰，既可以建立起各指纹谱之间的关联，又能找到特征的指纹谱。结合天然药物化学指纹、指纹药物动力学研究和代谢组学研究，以期发现天然药物对于动物体的影响，从而较全面揭示天然药物给药机理，最终构建天然药物“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”结合研究模式。

通过对“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式探究，一方面有助于找到天然药物的功效成分；一方面可以揭示天然药物给药吸收、分布、代谢、排泄的规律；再一方面通过对代谢组学指纹研究，进一步揭示天然药物给药代谢、排泄的规律。同时可以为天然药物给药机理的研究提供一种思路和方法，很明显，化学指纹研究能清晰反映天然药物的指纹成分，天然药物指纹药动学的研究能清晰地反映出天然药物给药大部分成分分布吸收的信息，代谢指纹能清晰反映出天然药物给药大部分成分代谢排泄的信息，从而在很大程度上促进天然药物给药机理的研究，建立起天然药物给药研究的化学指纹-药动指纹-代谢指纹相互关联的模式。

图1 “化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式关系图Fig.1 The connected“chemistry fingerprint-pharmacokinetics fingerprint-metabolism fingerprint”chemistry mode relation figure

5 结语

建立天然药物指纹图谱技术相互关联模式和天然药物给药机理研究的模式将促进天然药物的现代化研究，从而更直观的揭示天然药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄的过程规律以及揭示发挥功效过程的代谢规律。当然，在进行“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式研究过程中，因为天然药物成分的复杂性，会导致研究的复杂性，有时也会因为研究目的不同出现不同的结果，有时面临一些技术的突破，尤其还需要针对具体研究的天然药物成分等情况进行具体方案设计与研究，比如我们看是研究复方的天然药物，还是单个的天然药物，很多单个的天然药物的成分也很复杂，有必要先提取分离成不同的有效部位群再进行研究。同时天然药物用于不同的动物体、不同的疾病情况等有可能获得的结果也不一样。

总之，进行“化学指纹-药动指纹-代谢指纹”关联的化学模式研究过程是复杂的。但采用天然药物指纹图谱技术及关联的模式进行天然药物给药机理的研究将会成为天然药物现代化研究的关键技术之一，该方面的研究将推动天然药物给药机理的研究，推动天然药物研究的发展。