中药复方汤剂多成分自组装纳米相态的形成原理及现状探析

管庆霞，周小影，吕邵娃，杨芳芳，聂泽卉，林泽瑜，王艳宏

（黑龙江中医药大学药学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

中药复方汤剂乃是中医药之瑰宝，以“君、臣、佐、使 ”为组方原则，以“相须 、相使 、相恶”为作用规律，不仅解决了复杂病情难以用药的问题，还克服了单味中药的药味偏性，得以减少不良反应、提高临床疗效，是中医主要的用药方法，也是中医药整体观念和辨证论治的集中体现［1，2］。现代医学为解决用药不方便、不易携带、药材利用率低等问题，将传统汤剂制备成颗粒、浸膏、饮片等现代新剂型，但其在制备过程中往往因以“唯成分论”为指导，而致使中药复方汤剂的药效被不同程度的窄化及弱化。中药中多含有难溶性及脂溶性等有效成分如葛根素、黄芩苷、丹参酮Ⅱ A、大黄素等，它们水溶性极低，导致中药的有效成分难以被有效利用。现代科学使用脂质体、固体分散体、微囊等技术增加其溶解度［3］，但同时也存在了许多隐患，如：卵磷脂中的溶血磷脂；吐温-80 ℃中残留过氧化氢；合成的表面活性剂或高浓度的表面活性剂产生胃肠道刺激或毒性等问题屡见不鲜［4，5］。

中药复方通过多味药的配伍，不仅中和单味药性味单一的问题，而且实现协同增效的作用，无需添加辅料或借助特殊工艺及设备，从而减少使用辅料增溶等带来的安全性隐患。中药复方共煎后产生复杂的物理化学变化，汤剂中的各成分并不只以单成分形式存在，更多是以脂类、蛋白质、多糖及碳水化合物等代谢物中间产物聚集体；单分子自发聚集体；单分子与代谢物之间的聚集体的形式在水溶液中形成凝胶、纤维、胶束、囊泡等，对溶解度的影响是其外在的表现［6］。

1 中药复方汤剂自组装纳米相态的研究现状

中药汤剂是含真溶液、胶体溶液、乳浊液和混悬液的一个复杂的多分散相体系。有研究者提出中药复方汤剂自组装过程与化学合成不同，是指分子或部分分子通过氢键、范德华力、π-π 堆积、阳离子-π 吸附等非共价键作用在没有人为干预的情况下自发形成有序聚体，将难溶性或脂溶性成分药物包裹在凝胶、纤维、胶束、囊泡中，从而起到增溶、助溶等作用［7，8］；也可能是存在多种天然成分如：蛋白质、皂苷、树胶、黏液质、甾醇等在制剂制备过程中可自组装形成胶团从而发挥其增溶作用；也可能是其他因素造成，如pH、溶剂等的物理化学环境改变［9］。

中药成分复杂，多含有皂苷类、生物碱类、多糖类、黄酮类等，其中氨基酸、糖、核苷碱基、甾体、三萜、香豆素等在分子间可形成氢键、π-π 作用、范德华力等非共价键作用，从而促使分子有序排列形成聚集体［10］。如：碱基分子自身具有许多氢键给体和受体的位点，可形成氢键和 π-π 作用，有利于自组装的形成；以胆固醇和胆甾酸为主的甾体，有疏水骨架和疏水烷基侧链，又有芳环部分提供的 π-π 作用，可与连接臂提供的氢键作用、甾体提供的范德华力协同作用从而实现自组装；香豆素其母核结构是α-苯并吡喃酮，具有很强的 π-π 堆积作用，同时香豆素基团还是很强的荧光基团，因此常被用于组装体系；抗坏血酸骨架上的多个羟基容易在分子间形成氢键，促进分子有序排列形成组装体；氨基酸具有易修饰的氨基和羧基官能团，容易通过酰胺键将其连接起来得到不同序列的多肽结构，分子间形成的氢键可促使氨基酸单元有序排列形成组装体，而且在自组装过程中氨基酸分子的手性通常会被放大，形成纳米相态［10］。中药中还广泛存在树胶、纤维素、淀粉、黏液质、菊糖、鞣质和蛋白质不易溶于水且分子量大的物质，在制剂过程中常常因被认为是无效成分被除去。而这些成分在煎煮过程中会形成亲水性胶体溶液，多糖类水解后可生成单糖或低聚糖，蛋白质的分解产物聚集体分散于介质中时，则可构成高分子溶液或多项不均匀分散体系，从而增加溶液的稳定性和溶解度［11］。但是方剂间的配伍不同，所形成胶团性质有所不同，其呈现增溶作用也不同。

2 中药复方汤剂自组装纳米相态形成原理

分子的自组装普遍存在，肽链组装成蛋白质和核酸、配体与受体的联系等都是自组装形式，且其分子的结构决定了自组装单元的性质，它们通常处于平衡状态或亚稳态状态［12］。自组装过程具有以下五个显著特征：（1）一组相同或不同的分子，或相互作用的大分子的片段聚集使分子从较无序的状态（溶液、无序聚合）转化为更有组织的最终态（晶体、复合大分子）；（2）分子的自组装需要通过非共价键的吸引力与排斥力来平衡分子间的相互作用；（3）聚合物必须具有可逆性，即分子间聚合与分离的倾向力应相当，会受热能显著影响，从而允许聚合中的组件调整它们的位置、相互作用的强度等；（4）自组装过程通常发生在溶液中或在界面上，其各成分与周围介质有强烈相互作用，且这个影响是自始至终的；（5）分子必须是可移动的，并且溶液在热搅拌中使分子以适当的方向进入自组装聚集体中［6］。分子自组装过程意味着系统的熵增加，当一个作用力大到足够克服熵时，系统就可能会发生自发自组装，另外从生物学上看两亲性分子是形成的自组装的关键，而两亲性分子在水溶液中的自组装是由疏水效应所驱动的［6］。中药复方汤剂中的皂苷类、多糖类、蛋白质等多成分在自组装过程中都起着一定的作用，其在煎煮过程中可能发生的自组装过程如图1 所见。

图1 中药复方汤剂在煎煮过程中可能发生的自组装过程Fig 1 Possible self-assembly process of traditional Chinese medicine compound decoction in the process of decoction

3 中药复方汤剂多成分自组装纳米相态形成原理

3.1 皂苷类成分自组装纳米相态形成原理

皂苷是一种含有三萜类或螺苷元的疏水区域以及一条或多条亲水性糖链组成的两亲性化合物，称为糖苷配基，通过美拉德反应不仅能表现出良好的表面活性及乳化作用，还能减少产生全身性毒性作用的可能性［13］。五环三萜类材料具有刚性和手性的中心纳米骨架，大多数五环三萜类药物的分子长度为1.2～1.3 nm 的，无论是无环还是脂环三萜类天然成分因为其具有柔性侧链可折叠成许多不同的构象，故适合用于纳米相态的自组装［14］。五环三萜类的自组装主要是因为分子间的羧基和羟基的氢键和非极性三萜类骨架的分散力，而三萜类骨架和官能团空间方向的差异可能对自组装过程产生显著影响［15］。也有研究发现皂苷在一定条件下自组装形成胶束，苷元具有不同程度的亲脂性，糖链具有很强的亲水性，其可显著增加难溶性物质的溶解，而胶束的大小、形状和结构取决于其植物来源、温度、pH、电解质浓度等［16，17］。皂苷的表面活性可以将疏水药物包裹在疏水心中，作为药物的单载体或复合载体材料发挥增溶作用。Bag 等［15］研究齐墩果酸在水介质及非水介质中的自组装能力发现齐墩果酸可中水介质中包裹荧光团或阿霉素等药物自组装形成纳米凝胶，包括药物阿霉素等分子，并且认为这种自组装被认为是由分子间力驱动，如涉及羧基和羟基的氢键。因为糖苷和糖链具有多样性，导致皂苷作为表面活性剂具有差异，故皂苷的自组装机制也存在差异，中药中皂苷类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理如表1 所示。皂苷其苷元结构的不同，可分为三萜皂苷和甾体皂苷；皂苷根据糖链的数量可分为单糖、双糖和三糖链皂苷，糖链通常含有一个或几个单糖基［18］。三萜皂苷的糖链主要连接到苷元的C-3 和C-28 位；甾体皂苷的糖链通常连接在螺甾烷型皂苷的C-3 位和呋喃甾烷型皂苷的C-3 和C-26 位，其中二糖链皂苷构成亲水-疏水-亲水三嵌段结构，容易自组装形成胶束和囊泡［18］。如甘草皂苷具有内疏水基团（三萜苷）和外亲水基团（两种葡萄糖醛酸），内部疏水性基团链接难溶性成分，亲水性基团使得纳米相态溶于水溶液，使其可以在水溶液中形成球形胶束，提高难溶性的溶解度［19］。

表1 皂苷类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理Tab 1 Structural characteristics of saponins and the principle of nanophase formation by self-assembly

3.2 多糖类成分自组装纳米相态形成原理

大多数天然多糖具有羟基、羧基等亲水基团，当亲水性聚合物链与疏水段接枝时，合成了两亲性共聚物［24］。当与水环境接触时，聚合物两亲分子通过在疏水基团之间进行分子内或分子间的关联而自发地形成胶束或胶束状聚集体。由于分子链上存在各种可衍生基团，多糖可轻易地进行化学和生物化学修饰，产生了多种多糖衍生物，为了最小化界面自由能，两亲性分子在界面处通过自组装与组件形成球形胶束，并在球形胶束内部重组转化为圆柱状或形成薄膜，最后形成囊泡。Iitsuka 等［26］检测多种汤剂中的纳米颗粒发现主要由碳（93.49%）组成，其次是氧（3.95%），通过比较纳米颗粒与数据库中的拉曼光谱波形的相似性，预测纳米颗粒由阿拉伯半乳聚糖、纤维素等多糖组成。亲水基团能与生物组织形成非共价键，形成生物粘附性，以生物黏附多糖为载体的纳米颗粒载体可延长其停留时间，从而停留时间负荷药物吸收率［24，26］。Wang 等［27］经研究发现白及多糖主干结构由1、2-或1、4-链的甘露糖残基组成，甘露糖C-2 支链上还有己糖残基，存在大量的羟基，在遇水后易发生交联，长链大分子从舒展状态逐渐缠结形成分子间氢键阻碍水分子的自由运动，从而具有黏性，且黏性在pH≥5.0 时，黏性显著增加，进而对难溶性成分进行包封，可作为控释系统、生物黏附靶向系统的赋形剂。多种中药中富含多糖，因其具有独特的结构特点可自组装形成纳米相态，中药中多种多糖类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理如表2 所示。

表2 多糖类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理Tab 2 Structural characteristics of polysaccharides and the principle of nanometer phase state self-assembly

3.3 蛋白质类成分自组装纳米相态形成原理

天然蛋白质是形状近似球型形或椭圆形的复杂的生物大分子，其分子内部为具有疏水性氨基酸残基，分子外部是具有亲水性的氨基酸残基。蛋白具有3 个结构域，分别为50～70 个残基的两亲性N-末端区，72 个残基的中心疏水结构域和可变长度的两亲性C-末端［36］，这使得大多数蛋白质分子具有吸附在油水和空气-水界面上的能力，并能有效地作为乳液和泡沫的稳定剂，且在水介质结构中的通常与多糖结合形成凝胶的显微结构，实现从而达到蛋白质-蛋白质和蛋白质-水相互作用的平衡［37］。其分子内或分子之间的氢键、疏水作用、静电及范德华力等相互作用力使其具有特异性识别能力与结合作用，从而使其与其他成分容易自组装形成胶束。中药汤剂在煎煮过程中并非是一个单纯的热水抽提过程而是可能发生的化学反应过程（美拉德反应）和物理过程（超分子自组装）等。中药植物、动物等的还原糖与氨基酸、多肽、蛋白质等含有游离氨基的化合物之间可产生非酶促褐变反应，又称为美拉德反应［36］。加热是蛋白质结构变化的驱动力，蛋白分子内部含疏水基团，当蛋白结构发生变化的时候，疏水基团暴露出来，在水溶液中非极性分子或非极性基团相互靠近而积聚，此过程为蛋白质的疏水作用［38］。加热煮沸的过程引起蛋白质的结构变化，即三级结构的部分展开和二级结构的构象变化，然后一些特定的区域，如疏水位点或游离的-SH 基团暴露出来，蛋白质通过疏水作用形成聚集体形成胶束［39］。组成蛋白质的氨基酸多含或带正电或带负电的可解离侧链，异种电荷互相吸引，同种电荷互相排斥，电荷间相互作用产生静电［40］。若蛋白质中含有巯基，也可以通过加热，使分子形成二硫键，以二硫键交联自组装形成凝胶结构［41］。甘草蛋白因其特有酰胺基团与季铵离子可在水溶液中发生静电等作用使其可实现对难溶性成分的自组装成纳米相态［42］。蛋白质自组装是分子间及分子内的相互作用和相互平衡的过程，因此蛋白质种类不同会导致自组装形成过程有所不同，中药中蛋白质类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理如表3 所示。

表3 蛋白质类的结构特点及其自组装形成纳米相态原理Tab 3 Structural characteristics of proteins and the principle of nanophase formation by self-assembly

3.4 其他

在此基础上，还有研究者发现中药汤剂自组装形成纳米相态达到增溶增效的作用不只仅限于以上成分，已有研究者发现中药天然分子如粳米中的淀粉、石膏中的无机硫酸钙、植物中的木质素、黄酮类、生物碱、有机酸、微量元素等［46-49］都可自组装形成纳米相态。中药中其他类成分的结构特点及其自组装形成纳米相态原理如表4 所示。中药天然小分子大黄酸可以通过π-π 堆积、氢键和其他非共价相互作用下不需要任何结构修饰或传递载体从而实现自组装过程［50］。天然小分子小檗碱和肉桂酸也可以自组装成具有修饰性抗菌活性的天然纳米相态，其主要由氢键和π-π 叠加相互作用控制，且抑制作用远优于一些一线抗生素，如诺氟沙星、阿莫西林和四环素［47］。利用中药中天然成分在经过煎煮自组装形成纳米相态不仅解决了添加剂带来的一系列问题还能有效承递在现代制剂研究中所丢失的中药复方药性，很可能是一个很有前途现代制剂研究方向。

表4 其他类中药成分的结构特点及其自组装形成纳米相态原理Tab 4 Structural characteristics of other kinds of traditional Chinese medicine components and the principle of nano-phase formation by self-assembly

4 中药复方汤剂自组装纳米相态增效机制

甘草历有和中缓急、调和诸药之功效，现代医学对甘草调和诸药之功效进行深入之研究发现甘草次生代谢物中具有生物活性有三萜皂苷、各类黄酮、香豆素、多糖和其他酚类等，其中三萜皂苷类（甘草酸等）、黄酮类（甘草苷、异甘草苷等）及甘草多糖多为两亲性成分，甘草中的三萜皂苷含有非极性皂苷和水溶性侧链，其可以显著增加难溶性成分的溶解度，易在水煎煮过程中形成纳米粒［21］。难溶性成分柴胡皂苷-a、柴胡皂苷-b1、黄芩苷等是柴胡、黄芩的主要活性成分，但因为溶解度问题，其生物利用度常常难以提高。有研究者发现在复方汤剂中甘草皂苷及其衍生物能够对柴胡皂苷-a、柴胡皂苷-b1起到的显著增溶作用［54］。王舒琪等［55］通过对桃核承气汤中油水分配系数与指标成分含量的研究，验证了甘草的增溶作用，其增溶通过甘草酸自组装形成胶束来实现。Zhou 等［56］从麻杏石甘汤中成功地分离出胶体粒子，发现其有效成分麻黄碱（99.7%）和伪麻黄碱（95.5%）通过甘草皂苷自组装成纳米胶束，有效成分可以溶解在胶束的不同区域，如疏水核心、栅栏层或胶束外表面，从而有效提高其生物利用度。

除甘草外还有多种中药中的成分都可起到表面活性剂、乳化剂或增溶剂作用。李畅等［31］研究发现淫羊藿多糖与淫羊藿苷、宝藿苷Ⅰ形成了新的胶束复合物，从而实现淫羊藿多糖对难溶性黄酮成分淫羊藿苷和宝藿苷Ⅰ的增溶作用。Meng 等［57］分别对黄连解毒汤上清液和天然沉淀物进行研究，发现黄芩苷和小檗碱可自组装形成纳米颗粒。Li 等［58］进一步研究，发现小檗碱和黄芩苷形成天然的纳米颗粒对过敏性肠综合征有协同作用是由于自组装的形成而不是简单的混合而实现的。Liu 等［31］系统地研究了黄芪多糖对15 种黄酮类化合物在水溶液中的溶解度和稳定性的影响，发现黄芪多糖对黄酮苷元的增溶作用大于对黄酮苷的增溶作用，且黄芪多糖和黄酮类化合物可形成1∶1 复合物，此复合物将低溶解度的黄酮类包裹于纳米相态中，来实现增溶以提高的生物利用度。醋炒柴胡多糖是一种酸性多糖，其糖醛酸含量为61.16%，其独特的支化结构和醛酸残基可以增强氢键的分子内相互作用［27］，此外，醛酸残基还可增强多糖分子的电负性，从而加强了氢键的分子间相互作用，使其能在水溶液中自发聚集形成纳米相态，将难溶性成分黄芩苷与大黄酸包裹其中，使黄芩苷和大黄酸的溶解度分别提高15 倍和49.6 倍。

中药各成分大多通过在体外或体内自组装过程形成纳米相态从而提高药效。有效成分在体内可通过一个序列的自组装酶反应，如与大肠杆菌中的一对蛋白-肽的相互作用自组装形成纳米相态，通过药物外排泵和溶酶体隔离、胞吐，有效成分靶向给药。纳米粒子还可以与如肝或脾脏中的网状内皮细胞或循环的单核细胞自然吸收外来微粒实现细胞的内部积累［51］。其在体外形成纳米相态，可以影响药物水平、抗原性、位置和作用持续时间。纳米粒子亲水性基团朝外，可定向结合癌细胞表面的透明质酸受体进而进入细胞内，而疏水性基团朝内，可包裹疏水的药物，药物载体与还原剂作用后，二硫键断开导致球形胶束破裂，进而将药物分子释放出来，可控的还原响应胶束可使疏水药物分子在靶向细胞内的传递和释放，有效阻止药物在细胞内过多的积累，降低毒副作用，实现对癌细胞的治疗［52，53］。对于治疗癌症而言，70～200 nm 的纳米相态为理想尺寸。特别对于肝靶向性疾病，正常肝窦内皮细胞有直径为50～200 nm，直径小于200 nm 的纳米相态可以通过正弦开窗进入肝脏。当肝脏发生病变，如肝细胞癌的情况下，内皮细胞的孔直径可增加到400～600 nm，纳米相态的渗透率和外渗性将会增强，更加有利于纳米相态的吸收［59］。故中药复方汤剂自组装的形成纳米相态不仅能保证中药复方药性的完整承递，而且能提高生物利用度，增加药物在体内分布的时间等。

5 中药复方汤剂自组装纳米相态表征方法

中药复方汤剂自组装纳米相态可利用电喷雾质谱、毛细管电泳、核磁共振、紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外线、荧光光谱学等方法［31，58］进行综合分析。为确定纳米相态，需通过其形状、大小、晶体结构等参数，观察纳米相态的显微结构还需采用扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（LSCM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、动态光散射仪（DLS）、差示扫描量热法（DSC）等对其结构进行初步表征、分析［54］。SEM、TEM 技术被广泛用于纳米相态的表征［60］。Chen等［60］利 用SEM 和TEM 对 黄 芩 苷 和 小 檗 碱 复 合 物的形态进行了表征，发现自组装的纳米相态为均匀的球形纳米粒子，用DLS 对其进行了检测，表明其平均粒径为174 nm。Ping 等［46］对白虎汤采用TEM分析表明其纳米相态粒径为100 nm，且颗粒边缘光滑和清晰。

6 展望

汤剂是我国最古老、应用最广泛的传统经典剂型之一。数千年来，汤剂以其多成分的多效性、综合性作用及吸收快等优势，备受历代医家推崇和患者信赖。但现代制备过程中为提高其便携使用使其药性有所损失，现代研究者对于如何完整传承其药性也是层见叠出，如“组分药物”、“中药复方多元释药设计理论”、及 “物质粗糙集理论”等［1，2］。中药复方在煎煮过程中形成的物质基础复杂，其中皂苷类、生物碱类、多糖类、黄酮类等成分不仅可以发挥其药理作用还能自组装形成纳米相态，其纳米相态可包载难溶性及脂溶性的有效成分与载体一起协同发挥药效，实现增溶增效。由于中药复方汤剂的纳米相态可实现缓释效应，使其在体内可实现恒速稳定释放及靶向性，故还可实现“归经”效果。如进一步研究中药复方汤剂纳米相态，对其进行优化、现代化研究，可为中药制剂现代化迈出新的一步，大大提高汤剂的使用效果，亦有助于传承中医药的精气真髓。

作者贡献度说明：

管庆霞、周小影：论文资料查询及撰写；吕邵娃、杨芳芳、聂泽卉、林泽瑜：文献查找及表格制。

所有作者声明不存在利益冲突关系。