系統藥理學論文范文

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1中醫藥基礎理論解析

1.1“君臣佐使”和“相須”“君臣佐使”是中藥方劑配伍組成的基本原則之一。中藥成分復雜，整體的治療策略和協同機制是構建中藥配方中重要的基本概念。例如在不同的草藥甚至同一個草藥中，每個成分的結構和生物活性又有明顯的不同，而只有少數活性成分具有治療效果［39］。如此巨大的成分混合體，如何解讀中藥配伍規則是一個巨大的難題。在先前的工作中，以麻黃湯為例，作者利用系統藥理學方法揭示了中藥的配伍原則的科學內涵。麻黃湯由麻黃、桂枝、杏仁和甘草這四味中草藥組成。借助我們開發的系統藥理學模型，我們從藥代動力學互作、藥物－靶點網絡、靶點－疾病網絡，從分子和系統水平證實了這四個草藥在處方中的不同角色地位，如圖2所示。主要發現如下：1）通過ADME篩選共篩出麻黃湯中的45個活性物質，其中麻黃有14個，包括麻黃堿，偽麻黃堿，N甲基麻黃堿，槲皮素等；桂枝有10個，包括桂皮醛，桂皮酸，香豆素等；杏仁有9個，包括苦杏仁苷，豆甾醇等；甘草有12個活性分子，包括甘草酸，18β甘草次酸，甘草苷等。2）君藥麻黃在配方中起主導作用，主要通過作用于主藥靶腎上腺素受體來刺激機體發熱平喘。3）臣藥桂枝通過作用于與君藥相同的靶點來增強君藥的藥理作用，例如，通過共同作用于β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體以減少君藥所需劑量。4）佐、使草藥杏仁和甘草可提高君、臣藥的生物利用度，協調他們各成分的活性。四種草藥通過增加生物利用度或促進不同藥物的協同作用等來治療疾病。綜上，我們從系統水平闡明了君臣佐使豐富的科學內涵，對中藥復方配伍機理的系統深入研究具有重要意義。借助同樣的方法，我們以川芎、降香、延胡索為例，闡明了中藥“相須”理論［38］。

1.2“補氣補血”的物質基礎［34］氣血是構成人體維持生命活動的基本要素，又是臟腑經絡等組織器官進行生命活動的物質基礎，然而氣血本質至今尚未被科學揭示。我們開發了一種新的模型系統，研發了相關氣血分子識別公式（QBMR）：基于ADME虛擬篩選，采用人工智能技術和數學建模，并結合網絡藥理學方法，揭示了氣血的本質，闡明了人參等補氣中藥、當歸等補血中藥的分子基礎和作用機制。研究思路如圖3所示。研究結果主要有：1）發現了人參、甘草、黃芪、西洋參、黨參、山藥、太子參和白術等與補氣有關的主要活性成分為異甘草素、黨參苷I、罌粟堿、麥角固醇、白術內酯II等。同時，分析了與補血有關的當歸，白芍，陳皮，地黃等，其主要有效成分為白芍苷、阿魏酸和地黃苷A。2）建立了補氣補血分子預測模型，氣血分子識別公式（QBMR）如下：D＝0662×MlogP－0156×Mor27m＋0982×VEA1－0046×H－046－0966×HATSOe－4644Ntr＝908，Nte＝302，Qcv＝833％，Qex＝822％，SEqi＝825％，SPqi＝157％，SEblood＝843％，SPblood＝175％其中，Ntr和Nte分別是內部訓練集和外部測試集中化合物的數目；Qcv和Qex分別是內部訓練集和外部測試集的分類精度，敏感性SE和精確性SP驗證進一步驗證了模型的合理性。式中，MlogP、VEA1與補氣相關，Mor27m、H和HATSOe與補血相關，這個公式表明補氣分子具有更強的親脂性，而補血分子具有較強的化學反應活性。3）通過系統藥理學分析，揭示了補氣中藥可用于炎癥、心血管疾病、代謝類疾病、癌癥、中樞神經系統疾病（CentralNervousSystem，CNS）等治療中。而補血中藥通過調控骨髓生長因子、骨髓基質細胞，從而發揮補血功能。基于網絡的中藥藥理學從分子水平上揭示了補氣補血中藥的本質，同時對中藥的補氣補血理論研究提供了新的思路。

2闡明中藥作用機制

2.1飲片：甘草［40］甘草是一味古老的傳統草藥，被用作止咳、抗炎、抗潰瘍、免疫調節、抗血小板凝結、抗病毒和解毒劑。我們從系統水平闡明甘草如何治療呼吸系統疾病、心血管疾病、胃腸道疾病、惡性腫瘤和腎臟疾病，也闡明了其為什么被尊稱為“國老”，如何“除百毒調和諸藥”［40］。甘草中有22個靶標與呼吸系統疾病有關，其中ADRB1，ADRB2，CALM1，PDE4B，PDE4D，HSP90AA1，HSP90AB1，PPARG，THRB和哮喘有關；MMP12和PDE4D與慢性阻塞性肺病有關。甘草素、甘草查爾酮B、柚皮素、山奈酚等作用于靶標ESR1，MMP12和PPARG以抑制冠狀動脈粥樣硬化；異甘草素、甘草素和甘草苷等黃酮類通過調控HTR2A，PTGS2，F2，CHEK1和PTPN1治療血栓；甘草查爾酮A和甘草異黃酮作用于靶標HTR1A，OPRD1，GSK3B，HRH1，MAPK10，F2，ADRA2A，AChE治療心肌缺血，從網絡水平揭示了甘草治療心血管疾病的機制。甘草是一種重要解毒藥物，其中的甘草次酸結構和腎上腺皮質激素類似，能夠減少毒物吸收，增強機體對毒物的耐受性。PPARG，DPP4，GSK3等能夠激活免疫系統，從而發揮抗炎，免疫功能；甘草苷和甘草查爾酮G作用于金屬彈性蛋白酶，從而激活巨噬細胞抵抗外物侵襲。此外，甘草作用很多蛋白與其他疾病密切相關。如HTR2A和AKR1B1與糖尿病并發癥有關，MAOB，DRD2，DRD3和MAPK10與神經系統疾病有關；CDK2，ESR2，PPARG，PTGS2和CHEK1具有抗腫瘤的作用，而AKR1B1，PDE4D，OPRD1，OPRK1，CHRM2，CHRM4，OPRM1和PTGS2與疼痛相關。這些發現無疑為進一步探究甘草的作用機制提供了重要依據。

2.2復方：復方丹參方［35］復方丹參方是一個治療心血管疾病的典型方劑，由丹參、三七和冰片三味中藥組成。我們采用系統藥理學方法對復方丹參方進行了研究，方法如圖5所示，結果發現：1）復方丹參方中101個活性化合物，其中56個來自君藥丹參，丹酚酸B、丹參酮I、丹參素A是主要有效成分。臣藥三七中有29個活性分子，有三七總皂苷、人參皂苷、三七素和槲皮素等。而佐藥冰片中僅有9個活性化合物，包括D冰片、L冰片和異冰片。2）復方丹參方通過靶標eNOS，CYP2C9，HSP90s，PPARalpha，gamma和MIF抑制發炎并阻止炎癥因子對血管和心肌的損傷。與血管收縮有關的靶標血漿腎素，ACE，胃促胰酶，VDR和VEGFR2的調節可以降低血壓。Caspase3，MMP9，MR，TGFβ1R，Ang，AR，PDE4D和sPLA2IIA與血管平滑肌細胞的增殖和凋亡有一定的聯系。因此，復方丹參方通過調節這些靶點從而對心血管疾病起到良好的治療效果。3）化合物和通路的網絡表明，糖皮質激素和炎癥信號通路、L精氨酸／NO信號通路分別與58、56個化合物相互作用。其中35個化合物能擾亂腎素－血管緊張素－醛固酮通路，31個化合物作用于血小板聚集信號通路。由于這些信號通路與炎癥、凝血功能等緊密相關，因此復方丹參方可能通過擾動這些信號通路治療心血管疾病。4）靶點－疾病網絡分析復方丹參方療效的多樣性。其中，復方丹參方通過調節與代謝相關的靶點，如醛糖還原酶，LXRs，PPARs等發揮藥效。我們從分子水平上闡明了復方丹參方的治療機理和“君臣佐使”理論［48］，為復方研究提供了一種新方法。

2.3注射液：熱毒寧注射液［11］熱毒寧注射液處方源于名老中醫經驗方，由青蒿、金銀花和梔子三味草藥組成。目前注射液形式的ADME性質的研究陷入很大的困難，尤其對于中藥復雜體系。因此，我們重點解決了如下問題：1）將代謝組學、基因組學以及蛋白組學數據耦合進計算模型中，建立基于組學技術的ADME評價；2）首次提出半衰期評價模型PreDHL，使ADME評價模型更加完整準確；3）開發適合中藥特點的ADME評價技術，開展系統水平的藥動學、藥效學驗證技術。最大限度的耦合了重要的ADME性質，包括logS，logP，PPB，Pgp，P450酶代謝產物（2C6，2D9，3A4）和藥物半衰期Y（t1／2），篩選出熱毒寧注射液中的活性成分，如圖6所示。同時這也是首次耦合ADME性質應用于注射液物質基礎的研究。本研究也揭示抗病毒的機制，即當感冒病毒入侵后，一方面，熱毒寧活性分子通過刺激人體各種免疫通路（如Tolllike受體信號通路，NODlike受體信號通路，Tcell受體信號通路等）以增強人體的自主免疫力；另一方面，熱毒寧活性分子通過調控免疫因子或促炎介質（像IL6，IL8，TNFα，COX2等）來治療炎癥。目前，已證實了免疫在病毒感染類疾病中的重要作用［41］以及抗炎在免疫應答中的重要作用［42］，因此，利用草藥的免疫應答作用和抗炎作用能為抗病毒藥物的研發提供良好的思路和線索。

3新藥開發

系統藥理學為中藥活性物質發現，新藥組方提供了重要技術。

3.1活性物質發現［23］系統藥理學方法利用計算機模擬結合實驗驗證的方法，發現中藥中的活性分子，推進新藥開發。首先，作者基于網絡藥理學，通過構建藥物－靶點網絡和靶點－靶點網絡尋找多靶藥物的潛在靶點。其次，作者重建了天然草藥的化合物數據庫，通過虛擬篩選多靶化合物。繼而通過體外實驗驗證篩選出的化合物和靶點的可靠性，從而驗證基于系統藥理學方法的可靠性，為復雜疾病的多靶藥物開發和活性物質發現提供了一個新的模型［23］。

3.2新方：紅山丹［32］作者首先構建了和心血管疾病相關的藥物－靶點網絡，靶點－靶點網絡和藥物－藥物網絡，進而結合ADME篩選藥物和反向藥物靶點篩選，構建了與心血管相關的藥物分子和藥理學數據庫。從中篩選出心血管疾病治療中應用最廣泛的一味中藥丹參，根據丹參的相關通路，最終選擇了紅花、山楂作為輔藥，形成新的藥物組合－紅山丹，最后通過實驗驗證模型的可靠性，為新藥開發提供指導。具體研究思路如圖7所示。新藥組合紅山丹中，紅花和山楂對應了丹參的10條通路，表明他們有潛在的協同作用。網絡藥理分析表明，紅山丹中有56個與心血管相關的靶點，大多數靶點高度相連，為了進一步證實靶點之間的關聯性，我們選取A5L，B1AR，CDK2等10個蛋白進行研究。小鼠心肌梗死模型探究紅山丹的藥理作用，結果表明：與模型組相比，注射紅山丹的小鼠，其左室射血分數和縮短率維持的更好。通過RtPCR測定蛋白的表達，發現與模型組相比，注射紅山丹后A5L，B1AR，CDK2，MAPK14，NOSE，PPAR和PGS基因的mRNA水平顯著增加。紅山丹的信號通路中，PI3KAkt信號通路，VEGF信號通路，P53信號通路等被證實和心血管相關。此外，網絡中多靶標共享相同的信號通路，揭示了紅山丹治療心血管疾病的協同作用。通過紅山丹的研究，我們驗證了基于藥物－靶點相關通路的藥物組合的協同機制［38］，為新藥開發提供新的研究思路。

4討論

中藥是一個多成分的復雜體系，如何確定其中的活性分子，建立最佳的藥物組合是中藥研究的核心。系統生物學從整體水平和分子水平為研究中藥復方提供了可行的理論和方法，為中藥研究提供了新的理論方法和研究思路。我們提出了中藥研究的系統藥理學方法，并將其應用于中藥的復方解析、注射液的研究、老方優化和新藥開發。該方法的主要特點表現在：1）通過模型預測，篩選出復雜中藥組分中的潛在活性分子，從而為中藥分析化學家提供重要參考。2）預測中藥中有效活性成分的網絡靶標，通過網絡構建及分析，進一步對中藥作用機制進行探索。3）從網路動力學角度研究中藥系統，分析藥效分子間的相互作用，為中藥藥方優化和新藥開發提供理論支撐。4）在中藥的系統藥理學理論的基礎上，進行實驗驗證，理論結合實驗從而構建更加完善的中藥研究體系，為中藥的臨床應用提供依據。

作者：張文娟王永華單位：西北農林科技大學生命學院生物信息學中心系統藥理學實驗室