基于细胞药代动力学的中西药相互作用研究新思路与新方法

刘丹晨，周芳，张经纬，王广基

(中国药科大学药物代谢动力学重点实验室，江苏 南京 210009)

坚持中西医结合、中西医并重、中西药并用，推动建立中医药和西医药的相互补充、协调发展的服务体系已成为全社会的共识。尤其在新冠疫情期间，中医药充分发挥疾病预防、治疗以及康复的重要作用，显示出中西医协同这一新医学模式的生命力。虽然中西药联用已成为国内外临床治疗的普遍现象和重要手段，但是中西药联用中的相互作用数据尚未完善，对于中西药联用的评判尚缺乏完备的科学数据支撑，尤其对于增效减毒的联用方案，更是因缺乏机制阐释而影响其广泛应用。

化学药物通常具有明确的作用靶部位/靶点，而中药重在调理机体的功能状态，故中西药联用机制往往是中药通过调控靶部位的生理状态，创造更有利于化学药物代谢处置、发挥药效的微环境。经典的药代动力学评价往往仅测定血浆中的药物浓度经时过程，但对于靶点位于细胞内的药物，其从血液到达靶点需穿透多重组织与细胞屏障，简单的血浆药物浓度信息不能完全表征靶点部位的药物浓度，常出现药动-药效不相关的问题，严重制约了传统药代动力学的发展。因此，药代动力学研究还需要更多地关注药物进入靶组织/靶细胞的药代动力学行为，本文将聚焦细胞药代动力学思想指引下的中西药联用研究中的新模型、新技术、新机制,以期为中西药药代相互作用研究提供新思路与新方法。

1 中西药药代相互作用研究的新模型与新技术

对于靶点位于细胞内的药物而言，其发挥疗效的关键过程包括：首先需要吸收进入血液，再经过血液运送至靶器官，进一步从血管穿透进入靶组织后，被靶细胞摄取，最终分布到位于亚细胞器的相关靶点发挥作用[1]。因此，为阐明基于宏观层面以及微观(细胞药代动力学)层面的中西药联用的合理作用机制，需要建立“组织-细胞-亚细胞器”多水平相互作用研究的体外新模型与检测新技术作为支撑。近年来，中西药药代相互作用研究的方法学体系日趋成熟，尤其是在血管形态功能、药物的组织穿透、药物的亚细胞分布等方面均建立了可靠的模型与评价方法，可直观、定量地表征中西药联用后药物在“组织-细胞-亚细胞器”中的药代动力学过程，为初步阐明中西药联用的药代相互作用机制奠定基础。

1.1 血管成像检测技术与模型

在实体瘤中，包括血管异常在内的许多生理屏障阻碍了药物向肿瘤的有效输送[2-3]。因此，评估血管形态、血流量、血管张力等参数对于药物递送至关重要。在过去的20年里，多光子或双光子显微镜开启了生物成像领域的新纪元，其优势在于能在不损伤机体或模型的条件下获取肿瘤内部血管的三维(3D)动态图像。目前，多光子显微镜已广泛应用于基因表达、血管生成、药物输送和血管通透性的评估。在前期研究的基础上，本课题组采用多光子显微镜动态监测肿瘤血管的形态与结构，并应用此技术研究了肿瘤血管“结构-功能-活性”三个维度的调控对于改善化疗药物递送的机制[4-5]。相关研究表明多光子显微镜还可以测试肿瘤血管对药物的反应动力学过程[6]，或者量化有效递送的纳米粒子[7]，证实了多光子共聚焦显微镜在定量分析方面具有可行性。此外，标准荧光显微镜与动态增强磁共振成像技术可作为多光子显微镜的技术补充，用于研究肿瘤血管形态和功能变化[8-9]。为了更好地模拟体内环境及血管的多级尺度，目前除活体成像技术外，OrganoPlate微流控平台、“opentop”微流控设备等新型体外3D微血管模型被广泛用于血管形态和功能的双重模拟[10-12]。上述成像技术与体外模型可用于考察中药复方、提取物或活性成分是否能调控血管形态和功能，进而影响药物在靶器官内的分布和疗效。

1.2 组织穿透新模型新技术

经典药代动力学研究发现中药作用于转运体会增加药物的吸收[13]，但细胞药代动力学期望能定量研究联用后中药能否促进西药从血管逸出后向组织深处的穿透。因此，需要建立药物在组织内穿透及动力学过程的定量分析方法作为研究基础。早期研究发现体外培养肿瘤细胞形成多层细胞模型，可用于评估药物在肿瘤组织中的穿透[14]。在此基础上，研究者进一步构建了肿瘤球体细胞模型，其不仅仿真实体肿瘤组织的3D形态，还能模拟体内的肿瘤微环境[15]，为体外模拟肿瘤组织药物穿透提供了可能性。本课题组建立了多层细胞的培养模型和对应的数学模型，应用于定量评价药物，尤其是化疗药物的穿透动力学[16-17]；同时建立了单一培养的肿瘤球体细胞模型和多类型细胞共培养的肿瘤球体细胞模型，能定量表征靶组织中不同区域的药物浓度及其调控[18]。

荧光实时成像、光热和光声分析联用的方法可用于研究肿瘤球体细胞中的纳米药物粒子的穿透行为[19]。此外，拉曼显微光谱成像[20]或体内病理组织切片[21]也可用于药物组织穿透深度的研究。因此，在中西药联用中，这些模型与定量表征技术可用于评估和阐明药物向组织深层穿透的动力学规律。

1.3 亚细胞器分布的定量研究技术

药物穿过细胞膜后，必须与胞内靶点结合才能发挥药效[22]。因此，需要亚细胞器层面的成像技术和定量分析技术来描述药物在亚细胞器的分布及动力学过程。稳定同位素和多同位素成像质谱首先被用于亚细胞器中药物代谢过程和分布的成像研究[23]，但对于亚细胞器层面药代动力学参数的定量分析仍未解决。本课题组基于细胞药代动力学思想，对于荧光标记药物，借助亚细胞器定位，通过成像技术进行亚细胞器内的荧光强度-药物浓度转化，进而评价药物的细胞内靶向性[24-25]；对于无荧光标记药物，则可通过分离亚细胞器并采用LC-MS/MS技术定量，建立不同亚细胞器内药物的浓度-时间曲线[26-27]。近年来以无标记为特点的MALDI-MSI[28]、3D OrbiSIMS[29]和NDPI-MS[30-31]等高空间分辨率的质谱成像技术能准确绘制多种化合物在亚细胞器层面的相对定量分布和细胞器定位图像。而在绝对定量方面，nanoSIMS纳米质谱成像方法提供了亚细胞器水平药物和代谢物绝对定量的可能性[32-33]。本课题组在定量药物浓度分析的基础上，基于亚细胞器分布动力学结果，构建了靶细胞药动学模型，实现了药物从细胞到亚细胞器转运的动力学定量表征[24]。总之，基于前述各项可视化分析、定量分析和PK-PD建模研究，亚细胞器层面的中西药联用相互作用机制的阐明已具备一定的可行性。

2 中西药合理联用的调控机制

2.1 血管调控

肿瘤形成发展过程与新血管生成密切相关，因此抗血管生成的靶向药物在多种恶性肿瘤的治疗中显示出一定的疗效[34]。这些药物主要通过以下机制发挥作用：①促进肿瘤血管正常化，增加肿瘤血流灌注从而增强化疗药物的疗效，常与其他细胞毒药物联用[35]；②通过抗血管生成，从而减少肿瘤部位的氧气和血流供应，遏制肿瘤的生长[36]。

已证明许多益气活血中药，例如丹参、川芎等具有确切的扩张血管、增加血流量的作用[37]。川芎中的有效成分BDPH可与一氧化氮供体硝普钠协同作用，起到扩血管的作用[38]。此外，一些中药复方，如补阳还五汤、镇肝熄风汤、桃红四物汤等也具有扩张脑血管的作用[39]。本课题组通过多光子显微镜等手段，研究发现参麦注射液和人参皂苷Rd可改善肿瘤微血管的结构和功能，增加肿瘤内血流灌注，提高化疗药物浓度，从而增强抗肿瘤作用[40-41]。此外，冬凌草中的冬凌草素和甘草中的甘草次酸在与阿霉素联用后，可通过其抗血管生成作用，增强阿霉素的抗肿瘤效果，同时降低阿霉素的心脏毒性[42-43]，通过分子对接技术辅助发现冬凌草素可能是通过抑制VEGFR2的磷酸化，从而达到增效减毒的作用[42]。

2.2 组织穿透调控

有效的组织穿透一直以来都是抗肿瘤药物发挥药效的关键[44]，但由于肿瘤微环境的改变，以及肿瘤组织中内/外源性物质代谢的紊乱，导致药物在肿瘤部位的组织穿透性降低[45]。肿瘤微环境不同于体内正常环境，具有间质高压、低氧、低pH值等有利于肿瘤增殖侵袭的特点[46-47]。与肿瘤相关的成纤维细胞可通过分泌促肿瘤细胞因子增加实体瘤压力和间质液压力，从而成为限制药物递送的微环境物理屏障[48]。

中药具备多靶点和多环节调控的特点，可对成纤维细胞相关微环境起到调控作用，当与化疗药物联用后可增加其在肿瘤组织内的递送。例如，槲皮素能下调α-SMA表达，减少成纤维细胞数量，使成纤维细胞和细胞外基质正常化，增加顺铂的递送从而达到协同抗肿瘤的作用[49]。当归多糖可靶向递送药物和改善肿瘤微环境，增加化疗药物在靶器官中的药物浓度，从而产生协同抗肿瘤的作用[50]。一些中药或活性单体，还可以通过调节机体的内源性代谢，改变药物的跨细胞穿透能力。本课题组前期研究发现人参皂苷Rh2能调节磷酸戊糖通路从而下调P-gp表达，进而显著提高阿霉素在荷瘤小鼠瘤内的药物穿透，增加疗效[16-17,51]。

2.3 亚细胞器层面的调控

中西药药代相互作用主要是由代谢酶和药物转运体的改变而引起的[52]。而大多数化学药物具有确切的作用靶部位及靶点。因此，研究中药对靶部位的亚细胞器上的转运体或代谢酶调控将从一个全新的视角诠释中西药药代相互作用的潜在机制。尽管以往许多临床研究认为中药对代谢酶和转运体的作用会增加药物不良反应的风险[53]，但越来越多的研究表明合理利用中药及其活性成分对转运体和代谢酶的调控，尤其是在亚细胞器层面的调控，可以增加药效或降低不良反应的发生。

在调控亚细胞器中的转运体方面，人参皂苷Rh2、参麦注射液、当归补血汤、康莱特注射液等通过抑制外排转运体P-gp、MRP2或BCRP，从而提高化疗药物在肿瘤细胞内的药物分布，提高抗肿瘤效果[26,54-56]；人参皂苷Rh2可通过抑制细菌NorA基因，减少耐药菌对环丙沙星的外排，从而增加其抗菌效果[57]；大黄酸通过抑制肾脏细胞OAT1/3转运体，不仅可以增加培美曲塞的血药浓度，从而增加其抗肿瘤活性，还能减少甲氨蝶呤导致的肾毒性。

在调控代谢酶方面，消癌平注射液中的主要活性成分通关藤的C21甾体苷元可作为CYP3A4抑制剂，通过抑制紫杉醇代谢，升高血药浓度，增强抗肿瘤效果[58]。另外消癌平注射液还可通过抑制紫杉醇诱导的PXR和CAR的表达，从而抑制肿瘤细胞中CYP450酶、转运蛋白P-gp的表达，进而增强紫杉醇对卵巢癌的疗效[59]。

此外，白头翁中的23-羟基白桦酸可在不影响阿霉素抗肿瘤效果的前提下，通过抑制心肌细胞中的羰基还原酶、降低毒性代谢物阿霉素醇的生成及其亚细胞分布从而发挥减轻心脏毒性的保护作用[24]，而丹参酮ⅡA可作用于溶酶体相关膜蛋白促进自噬来降低阿霉素心脏毒性[60]，甘草甜素也能改善自噬以减轻阿霉素引起的心脏毒性[61]。

3 中西药联用相互作用实例分析

在早期临床研究中，中西药相互作用首先是因为产生不良反应而受到关注。对于化疗药物和治疗窗窄的药物，中药复杂成分对于转运体、代谢酶的改变可能会导致严重不良反应[53,62]。例如人参诱导CYP3A4/5活性可能影响环孢霉素、他克莫司等窄治疗窗药物的暴露量，从而降低临床疗效[63]，川芎嗪可下调P-gp表达导致非索非那定清除率下降，增加体内蓄积产生毒性反应的风险[64]。

随着中药活性组分分离、分析技术的日渐成熟，以及对中药活性成分药效作用机制的逐渐阐明，越来越多的临床研究中报道了中西药联用增效的相关实例：与前文2.1中增加药物穿透的参麦注射液成分相近的生脉注射液、人参多糖注射剂分别在非小细胞肺癌和胃癌的临床研究中被证实可以提高患者治疗有效率、临床获益率等[65-66]；前文2.3中曾提到的能抑制外排转运体改善耐药的康莱特注射液，临床研究中也被证实在联合细胞毒药物或介入疗法治疗非小细胞肺癌、鼻咽癌、肝癌时能显著提高疾病控制速度、一年生存率，并通过增强免疫力减少不良反应[67-69]。此外，近期研究报道了灵芝或云芝具有调节P-gp介导逆转肿瘤细胞耐药性的可能，并在临床研究中发现细胞毒药物与云芝或灵芝联合治疗胃癌、直肠癌、肺癌等可改善生存和生活质量，减少肿瘤病变，调节免疫，缓解化疗相关副作用[70]。因此，在中西药相互作用研究新思路的指导下，中药改善化学药物治疗的临床应用具有广阔前景。

4 总结与展望

近年来，随着中药组分的分析手段不断成熟和药理活性研究的不断深入，中西药联用增效减毒的机制研究已成为中西医结合治疗领域的研究热点。然而，越来越多研究发现，由于中西药相互作用的经典药物代谢动力学研究仅局限于血浆层面，无法解释肿瘤、脑等特殊组织的药物行为[22]，出现了中西药联用药动-药效不相关的现象[71-72]。因此，从“宏观”的血浆药物浓度深入到“微观”的细胞/亚细胞器层面的细胞药代动力学可为中西药联用机制的揭示提供新思路[73]。在定量分析血管、组织、细胞、亚细胞器层面药物行为的新技术新模型作为可靠评价体系的基础上，聚焦于促进肿瘤血管正常化、调节肿瘤微环境、增加靶组织的药物浓度、以转运体/代谢酶为靶点改善耐药等方面，以此揭示中西药联用增效减毒的作用机制，这与细胞药代动力学的核心理念相辅相成。与此同时，越来越多的临床中西药联用也提供了具有说服力的实例。然而，临床也不乏中西药联用导致药效降低或毒性反应的现象，而这大多与中药复杂组分在相互作用研究时缺乏完整的因果关系和整体的定量评估有关[74]。总之，中西药联用机制的阐明不仅有助于指导临床合理用药，也对化学-药动-药效三维中药现代化研究体系的建立奠定了基础[75]。综上所述，细胞药代动力学思想指导下的中西药相互作用研究新模型、新技术、新机制，将为中西药联用的增效减毒机制研究开启新篇章。