中國中醫科學院研究生，中國中醫科學院研究生院
本文源自《中國中藥雜志》
雷蕾1,李小陽1,劉駿2,楊樂1,王晰1,王忠2*
(1.中國中醫科學院中醫藥信息研究所,北京100700;2.中國中醫科學院中醫臨床基礎醫學研究所,北京100700)
*通信作者王忠,研究員,博士生導師,研究方向為中藥臨床藥理學,E-mail:zhonw@vip.sina.com
摘要
為了更好地解析中藥化學成分與功效之間的復雜關系,該文首次提出“化學功效組學”(chemical functiomics)概念,通過止血藥和活血化瘀藥核心成分群的研究提出“化學功效組學”內涵和意義,為中藥現代研究提供新方向?首先將《中藥學》收載的止血藥名和活血化瘀藥名作為關鍵詞,在中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP)?中醫藥百科全書數據庫(The Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine,ETCM)?Natural Product Activity and Species Source Database(NPASS)3個數據庫中進行檢索得到化學成分?然后以MESH2021術語(中文版)為標準,規范止血藥和活血化瘀藥功效對應藥理作用?最后使用Discovery Studio4.5計算分子的ADMET (absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity)分子描述符,使用Origin2021完成了主成分分析和95%的置信橢圓計算,使用KNIME4.3.2軟件CDK算法和RDKit算法包完成化學成分的加氫和Murcko骨架計算?結果顯示,止血藥和活血化瘀藥有404個共有成分,占總成分的17.3%?繪制止血藥和活血化瘀藥的化學功效圖,可以看到藥理作用組作為橋梁連接了功效組與化學成分組,藥理作用的不同組合可以表達出不同的功效?止血藥核心成分特有的Murcko骨架包括萘醌?四環三萜等,活血化瘀藥核心成分特有Murcko骨架生物堿較多?該研究以止血藥和活血化瘀藥核心成分群的研究為例,為“化學功效組學”的研究提供了借鑒,也為中藥功效物質基礎研究提供支撐?
關鍵詞化學功效組學;功效;化學成分;核心成分群
DOI:10.19540/j.cnki.cjcmm.20220726.406
收稿日期:2022-06-27
基金項目:中國中醫科學院科技創新工程項目(C12021A05307)
作者簡介:雷蕾,E-mail:1163204431@qq.com
網絡首發時間:2022-07-2808:43:09
網絡首發地址: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2272.R.20220727.1244.004.html
中藥功效是在長期臨床實踐中對中藥作用的歷史性的總結與高度凝練,是中醫臨床遣藥組方?治療疾病的重要依據?由于中藥的成分復雜,因此中藥功效存在多元化?多態性的特點,例如當歸既能補血,又能活血,還可調經止痛,潤燥滑腸;血竭具有活血定痛和化瘀止血“相反藥效”?在中藥功效物質基礎的研究中,尋找與中藥“多元功效”對應的核心化學成分群,不僅可以為制訂工藝路線和質量標準提供科學依據,也對新藥研發與臨床合理用藥具有非常重要的意義?
當前,中藥功效核心化學成分研究方面越來越受到關注?張燕玲等構建了中藥靶標活性譜進行了理氣功效和活血功效機制探索?此外,他們還研究了基于活血功效靶標的血府逐瘀湯有效成分群辨識?XIAORY等根據艷山姜的抗炎?鎮痛活性,經過譜效相關評估發現α-呋喃?β-pine烯等可能是鎮痛和抗炎的主要活性成分?王毅等采用系統論?信息論以及協同論等科學方法論對中藥藥效物質研究領域的關鍵科學問題進行探索?喬宏志等基于中藥活性物質提出“結構中藥學”概念?張文晉等提出中藥現代化研究的“藥效基團-功效假說”?學者從不同角度探索了中藥功效核心化學成分的界定方法,然而均未深入剖析化學成分組?藥理作用組以及功效之間的復雜多態關系?筆者認為化學成分具有多種藥理作用,而不同的藥理作用組合會表現出不同的功效,這是中藥功效物質基礎研究的一個重要思路?
基于此,為了更好地解析中藥化學成分與功效之間的復雜關系,筆者提出“化學功效組學(chemical functiomics)”的概念以期開拓中藥現代研究的新方向, 即從功效與化學成分及其具有的藥理作用入手,使用主成分分析和Murcko骨架分析,探索止血藥和活血化瘀藥的核心化學成分群及特點,為功效的物質基礎研究提供新的思路與方法?
1 “化學功效組學”概念的提出
隨著科學的不斷發展,研究人員提出從整體的角度出發去研究事物,例如人類組織細胞結構?基因?蛋白及其分子間的相互作用,“組學(omics)”逐漸被廣泛應用?Omics是組學的英文稱謂,它的詞根‘-ome’英譯是一些種類個體的系統集合,組學是研究組合內個體以及個體之間的關系,例如基因組學(genomics)這門學科就是研究這些基因以及這些基因間的關系?
在現代研究中,中藥功效表現出較強的組學性質,中藥功效與多個藥理作用對應,例如止血藥對應收縮血管?促進凝血因子生成?改善血小板功能?抑制纖維蛋白溶解等多個藥理作用?中藥功效對應多種疾病,例如止血藥與消化道出血?便血?痔瘡?功能性子宮出血等疾病密切關聯?本課題組前期比較了解表功效中藥化學和收澀功效中藥成分的重要理化性質?Murcko骨架結構特征以及Bayesian距離,發現中藥功效和化學成分性質結構之間存在內在聯系?中藥功效的核心化學成分群是中藥發揮藥效功能的主要化學成分的集合,在藥理作用?治療疾病和結構特征上同樣表現出組學的特征?中藥包含多種化學成分,化學成分具有不同的藥理作用發揮不同的功能,不同功能組合起來體現中藥不同的功效,見圖1?化學功效組學的核心內涵為研究化學物質組與功效組之間的復雜關系,通過對化學成分的不同藥理作用組合產生功效的研究,推斷功效對應的核心化學成分群,進而探索中藥治療疾病的物質基礎,以及中藥治療的途徑和機制,為中藥的臨床應用以及新藥研發提供理論依據?
2 止血藥和活血化瘀藥核心成分群的研究
2.1 方法
在《中藥學》第18章止血藥和第19章活血化瘀藥中檢索得到止血功效的中藥26個,活血化瘀功效的中藥38個?將中藥及其拉丁名稱作為關鍵詞,在TCMSP?ETCM?NPASS3個數據庫中分別進行檢索,得到化學成分名稱?在PubChem中檢索化學成分的結構和CID編號,保存為sdf格式文件?使用化學成分的CID編號進行查重合并?
查找PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)化學成分中藥理作用MESH術語,并以MESH2021術語(中文版)為標準,規范止血藥和活血化瘀藥功效對應的藥理作用?
使用Venny2.1(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)繪制韋恩圖?使用DiscoveryStudio4.5計算分子ADMET相關的分子描述符,包括ADMET_Solubility(藥物水溶性)?ADMET_BBB(血腦屏障)?ADMET_EXT_CYP2D6(細胞色素)?ADMET_EXT_Hepatotoxic(肝毒性)?ADMET_EXT_PPB(人類腸道吸收水平)?ADMET_AlogP98?ADMET_PSA_2D?ADMET_Absorption(血漿蛋白結合預測分數)等,如果沒有特別說明,設置均為系統默認參數?使用Origin2021完成主成分分析和95%的置信橢圓計算?使用KNIME4.3.2軟件CDK算法和RDKit算法包完成化學成分的加氫與Murcko骨架計算?
2.2 結果與討論
2.2.1 中藥和化學成分統計情況
止血功效的中藥有艾葉?三七?側柏葉等,共包括945個中藥成分?活血化瘀功效的中藥有郁金?莪術?川芎等,共包括1797個化學成分?止血藥和活血化瘀藥的成分的情況見圖2?除了特有成分外,止血藥和活血化瘀藥有404個共有成分,占總成分的17.3%?可以看出,雖然止血藥和活血化瘀藥是2類功效相反的中藥,但是它們之間并非完全對立,而是存在某種內在聯系,在一些情況下有可能相互轉化,相輔相成?
既存在于止血藥又存在于活血化瘀藥的高頻成分見圖3,beta-Sitosterol存在于7個止血藥和21個活血化瘀藥中,sitogluside存在于9個止血藥和16個活血化瘀藥中?由此可見,相同的化學成分可能參與不同的功效表達?
2.2.2 化學成分的藥理作用分析
本研究依據《中藥藥理學》對止血藥和活血化瘀藥對應的藥理作用進行整理,止血藥對應30項功能,包括收縮局部血管?抗血栓?保肝等,活血化瘀藥對應36項功能,包括抑制血小板?抑制凝血?免疫調節等?參考MESH主題詞的藥理作用(樹狀結構號D27.505),對這些藥理作用進行了規范,例如抗血栓統一為纖維蛋白溶解,利膽統一為利膽藥和促膽汁分泌?
本研究在PubChem上對止血藥和活血化瘀藥包含的2338個化學成分的MESH藥理作用術語進行了逐條檢索,最后得到197個化學成分,對應143個藥理作用?其中止血藥成分對應抗氧化?酶抑制?抗腫瘤等96個藥理作用,而活血化瘀藥成分對應抗氧化?酶抑制?消炎等132個藥理作用?在這些藥理作用中,有1-octanol?methanol?glycerol等溶劑(Mesh Term:Solvents)和D-mannitol?sucrose?D-fructopyranose等甜味劑(Mesh Term:Sweetening Agents),這些明顯與止血和活血化瘀功效沒有直接關系,本文進行了刪除處理?同時可以看出,只有與功效對應的藥理作用組相關的核心化學成分群才有可能是中藥發揮功效的物質基礎?
將30項止血藥對應的藥理作用和36項活血化瘀藥對應的藥理作用與143個藥理作用對應起來,最后得到31個成分對應13個藥理作用以及31味中藥?止血藥和活血化瘀藥的化學功效圖見圖4?5?可以看到藥理作用作為橋梁連接了功效與化學成分,藥理作用的不同組合可以表達出不同的功效,例如三七的止血功效對應血小板聚集抑制?消炎?抗真菌等藥理作用,成分包括trilinolein?4-methoxyphenol?benzoicacid等;血竭的活血化瘀功效對應纖維蛋白溶解?利膽和促膽汁分泌?抗真菌?鎮痛等藥理作用,包含abieticacid?ferulicacid?benzoicacid?isopimaricacid?ursolicacid等成分?
中藥不同功效對應的藥理作用組不同,相關的化學成分群也是不同的?川芎的活性化瘀功效與纖維蛋白溶解?抗真菌?抗腫瘤和利膽和促進膽汁分泌等藥理作用相關,而發揮這些功能的化學成分包括decanoicacid?benzoicacid?perillylalcohol?fenipentol?ferulicacid?beta-asarone等化學成分,見圖6?
2.2.3 止血藥和活血化瘀藥核心成分群的確定
中藥功效的核心成分群是中藥功效的物質基礎,對它的研究將是化學功效組學研究的一個重要內容?一般來說,中藥功效的核心成分不僅與成分本身的結構有關系,還與成分體內吸收代謝過程相關?本文對止血藥和活血化瘀藥的31個化學成分進行吸收?分布?代謝?排泄及毒性(ADMET)性質計算,并通過主成分分析將計算出的ADMET多維分子描述符數據映射到三維化學空間上,見圖7,結果顯示,化學成分在化學空間中的位置與其ADMET活性密切相關?最后本文使用95%置信橢圓計算確定其核心成分群的邊界?
2.2.4 止血藥和活血化瘀藥核心成分群的Murcko骨架分析
Murcko骨架由BEMISGW等設計并用于藥物分子的形狀?結構分析,它可以去除支鏈,將分子結構中的母核提取出來?本文對止血藥和活血化瘀藥核心化學成分的Murcko骨架進行研究,希望找到不同功效成分群的骨架特點?止血藥18個核心成分特有的Murcko骨架見圖8,可以看出,這些骨架包括萘醌?四環三萜等?活血化瘀藥22個核心成分特有的Murcko骨架中生物堿比較多?
3 學科價值
3.1 內涵
3.1.1 化學物質組與功效組存在復雜不對等關系
中藥包含的化學成分種類豐富,數量眾多?然而,中藥的功效卻相對比較少,例如2010年版《中華人民共和國藥典臨床用藥須知》中547味中藥僅有335種功效?這就使得中藥的化學物質組與功效組存在復雜不對等關系?一方面并非所有化學成分都參與了中藥功效的表達,例如溶劑?甜味劑等成分,并不屬于功效的核心成分群?另一方面,化學成分具有不同的藥理作用,不同的化學成分匯聚后形成化學物質組合,表現出不同的藥理作用,最終體現為不同的功效表達?“化學功效組學”認為,中藥的化學成分與功效的數量上是不平衡的,化學成分數量比功效數量高很多,這給中藥功效的物質基礎研究帶來了困難?
3.1.2 中藥的復雜化學組可存在多功效的對應
化學成分組和功效組之間存在復雜的對應關系,并非簡單的一對一關系?化學成分和藥理作用的研究屬于現代醫學范疇,而中藥功效的表達主要基于中醫基礎理論?由于中西醫學體系存在巨大差異,因此不能將化學成分組和功效組簡單對應起來,它們之間必然存在復雜的對應關系?“化學功效組學”認為,化學成分的藥理作用本質上體現的是化合物的功能,不同功能的組合可以表達不同的功效?以藥理作用作為橋梁,可以有效地將化學成分與中藥功效連接起來,中藥的復雜化學成分組合將與一個或者多個功效對應?
3.1.3 對立功效之間可存在重疊的化學物質組
中醫認為止血藥是指以可以阻止體內外出血為主要功效,用以治療各種出血病癥的中藥?活血化瘀藥是以通利血脈?促進血行?消散淤血為主要功效,用以治療血瘀證的中藥?然而,在臨床實踐中卻發現,有一些中藥既具有止血功效又具有活血化瘀功效,例如《中國藥典臨床用藥須知》中記錄血竭的功效為活血定痛?化瘀止血?生肌斂瘡?本文研究發現止血中藥和活血化瘀中藥雖然是功效對立的2類中藥,但是quercetin?sitogluside等404個成分同時出現在2類中藥中,占總化學成分數量的17.3%?“化學功效組學”認為,中藥功效是從臨床實踐中總結出來的,在臨床治療上,對于疾病中醫更加注重調理機體,使之達到穩態,同時,中藥使用遵循君臣佐使等配伍規律,藥物之間也有相輔相成的作用?這些都可能源自中藥內不同的化學成分組合表達出來不同或者相同的功能?即使相同的成分,在不同的化學成分組內也可表達出不同的功能?
3.1.4 中藥的一個功效可能是多個化學物質組的綜合效應,但存在邊界
本文研究發現止血藥成分和活血化瘀藥成分的ADMET性質與Murcko骨架存在差異,止血藥核心成分特有的Murcko骨架包括萘醌?四環三萜等?活血化瘀藥核心成分特有的Murcko骨架包括生物堿等?而本課題組前期的研究發現解表中藥成分與收澀中藥成分在ADMET性質和芳香環數量等11個理化性質方面存在明顯差異?苯環?黃酮?環己烯?環己烷骨架在解表中藥成分中占比大一些,而羽扇豆烷骨架?聯苯環辛烯類木脂素骨架和異喹啉類生物堿骨架在收澀中藥成分中占比大一些?“化學功效組學”認為,中藥包含一種或者多種功效,而每一個功效都可能是多個化學物質組的綜合效應?同時,在分子性質和Murcko骨架上必然存在邊界可以劃分出與某一功效密切相關的核心成分?
3.2 意義
3.2.1 在組學的層次探索中藥組-化學物質組-藥理作用組-功效組之間多態關系,將系統闡釋中藥化學組與功效組的新型關系
“化學功效組學”認為中藥組-化學物質組-藥理作用組-功效組之間存在復雜的多態關系,而對組間關系的研究將有利于推動中藥功效物質基礎研究向縱深發展?中藥功效核心成分組的確定?功效組對應藥理作用組的探索?基于核心成分群的中藥配伍理論的闡釋等或許成為中藥功效研究的新方向?
3.2.2 奠定中藥功效的核心化學物質基礎,為現代技術闡釋中藥科學內涵提供堅實基礎
“化學功效組學”將為現代技術闡釋藥性理論和性味配伍的內涵提供堅實基礎?藥性理論包括中藥藥性?歸經?升降浮沉?十八反?十九畏?有毒無毒等內容,是中醫藥領域基礎理論之一,而性味配伍則是遣藥制方的關鍵環節?對于藥性理論的物質基礎研究一直都受到關注?竇德強等提出中藥藥性化學,其內容為藥性是功效的依據,功效又歸結于化學物質,不同性味化學物質的歸經?升降浮沉也不盡相同?陳健等提出“性味網絡藥理學”概念,使用性味藥物模塊成分-靶點-疾病模型探析中藥復方物質基礎?陳軍等提出外用中藥藥性“組分-遞送-效應”三要素的表征思路?然而這些概念和理論都未強調功效組與化學物質組之間的復雜關系,以及藥理作用組的橋梁作用?在臨床上,藥性決定功效,多種功效會體現出一種藥性?筆者通過藥性→功效組→藥理作用組→化學物質組進行推導,可以得到治療某一疾病的藥性理論的核心化學成分群,這樣會使得藥性理論的物質基礎會更加明晰?
3.2.3 奠定方劑功效結構的化學選擇與優化基礎,促進中藥新藥開發
“化學功效組學”將為新藥研發提供重要參考?天然產物一直是化學藥新藥研發的重要來源之一,而利用中藥包含的化學成分研發活性優良的新藥是新藥研發的重要方法?然而,其中的瓶頸問題是化學成分單體不能代替中藥,分離得到的活性成分的功效和適應癥無法有效確定?化學功效組學可以將功效組與化學物質組緊密結合起來,明確中藥的某一功效的核心化學群,這樣不但可以為化學成分群開發新藥提供可能的適應癥,還可以借助藥理作用的這個橋梁,明確中藥的核心化學群的藥效?如果將化學功效學引入化藥的功效研究,即可實現西藥“中藥化”,為中西醫結合治療帶來新的思路?
3.2.4 功效化學物質基礎的現代理解為臨床合理用藥提供技術支撐
中藥的臨床應用中,“有效性”是核心?因此,在臨床治療中,根據適應癥選擇中藥的功效是中藥運用的基礎?“化學功效組學”深入研究中藥功效組與化學成分組的多元關系,將藥理作用組作為橋梁,確定出功效對應的核心成分群,為臨床選擇適應癥提供參考和依據,為合理用藥提供支撐?
4 不足與展望
本研究以藥理作用為橋梁將化學成分與功效有機結合在一起,創新性地提出“分子功效組學”概念?研究中最為關鍵的2個數據庫分別是功效-藥理作用數據庫和中藥成分-藥理作用數據庫?為了嚴謹,本研究使用了《中藥藥理學》教材?美國國立圖書館的MESH主題詞表藥理作用術語等較為權威的數據作為數據源?然而,由于數據量有限,絕大多數的中藥成分與功效都無法產生連接,大大限制了本研究的深度和廣度,不能較為全面地展示分子功效組學研究的意義和價值,具有局限性?在未來的研究中,應加強中藥藥理作用數據庫建設,推動化學功效組學向縱深發展,以期為中藥新藥開發和中藥的臨床應用提供有益的參考?
參考文獻 略
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中國中醫科學院研究生(中國中醫科學院研究生院)
