中国中医科学院研究生，中国中医科学院研究生院
本文源自《中国中药杂志》
雷蕾1,李小阳1,刘骏2,杨乐1,王晰1,王忠2*
(1.中国中医科学院中医药信息研究所,北京100700;2.中国中医科学院中医临床基础医学研究所,北京100700)
*通信作者王忠,研究员,博士生导师,研究方向为中药临床药理学,E-mail:zhonw@vip.sina.com
摘要
为了更好地解析中药化学成分与功效之间的复杂关系,该文首次提出“化学功效组学”(chemical functiomics)概念,通过止血药和活血化瘀药核心成分群的研究提出“化学功效组学”内涵和意义,为中药现代研究提供新方向｡首先将《中药学》收载的止血药名和活血化瘀药名作为关键词,在中药系统药理学数据库与分析平台(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP)､中医药百科全书数据库(The Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine,ETCM)､Natural Product Activity and Species Source Database(NPASS)3个数据库中进行检索得到化学成分｡然后以MESH2021术语(中文版)为标准,规范止血药和活血化瘀药功效对应药理作用｡最后使用Discovery Studio4.5计算分子的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%的置信椭圆计算,使用KNIME4.3.2软件CDK算法和RDKit算法包完成化学成分的加氢和Murcko骨架计算｡结果显示,止血药和活血化瘀药有404个共有成分,占总成分的17.3%｡绘制止血药和活血化瘀药的化学功效图,可以看到药理作用组作为桥梁连接了功效组与化学成分组,药理作用的不同组合可以表达出不同的功效｡止血药核心成分特有的Murcko骨架包括萘醌､四环三萜等,活血化瘀药核心成分特有Murcko骨架生物碱较多｡该研究以止血药和活血化瘀药核心成分群的研究为例,为“化学功效组学”的研究提供了借鉴,也为中药功效物质基础研究提供支撑｡
关键词化学功效组学;功效;化学成分;核心成分群
DOI:10.19540/j.cnki.cjcmm.20220726.406
收稿日期:2022-06-27
基金项目:中国中医科学院科技创新工程项目(C12021A05307)
作者简介:雷蕾,E-mail:1163204431@qq.com
网络首发时间:2022-07-2808:43:09
网络首发地址: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2272.R.20220727.1244.004.html
中药功效是在长期临床实践中对中药作用的历史性的总结与高度凝练,是中医临床遣药组方､治疗疾病的重要依据｡由于中药的成分复杂,因此中药功效存在多元化､多态性的特点,例如当归既能补血,又能活血,还可调经止痛,润燥滑肠;血竭具有活血定痛和化瘀止血“相反药效”｡在中药功效物质基础的研究中,寻找与中药“多元功效”对应的核心化学成分群,不仅可以为制订工艺路线和质量标准提供科学依据,也对新药研发与临床合理用药具有非常重要的意义｡
当前,中药功效核心化学成分研究方面越来越受到关注｡张燕玲等构建了中药靶标活性谱进行了理气功效和活血功效机制探索｡此外,他们还研究了基于活血功效靶标的血府逐瘀汤有效成分群辨识｡XIAORY等根据艳山姜的抗炎､镇痛活性,经过谱效相关评估发现α-呋喃､β-pine烯等可能是镇痛和抗炎的主要活性成分｡王毅等采用系统论､信息论以及协同论等科学方法论对中药药效物质研究领域的关键科学问题进行探索｡乔宏志等基于中药活性物质提出“结构中药学”概念｡张文晋等提出中药现代化研究的“药效基团-功效假说”｡学者从不同角度探索了中药功效核心化学成分的界定方法,然而均未深入剖析化学成分组､药理作用组以及功效之间的复杂多态关系｡笔者认为化学成分具有多种药理作用,而不同的药理作用组合会表现出不同的功效,这是中药功效物质基础研究的一个重要思路｡
基于此,为了更好地解析中药化学成分与功效之间的复杂关系,笔者提出“化学功效组学(chemical functiomics)”的概念以期开拓中药现代研究的新方向, 即从功效与化学成分及其具有的药理作用入手,使用主成分分析和Murcko骨架分析,探索止血药和活血化瘀药的核心化学成分群及特点,为功效的物质基础研究提供新的思路与方法｡
1 “化学功效组学”概念的提出
随着科学的不断发展,研究人员提出从整体的角度出发去研究事物,例如人类组织细胞结构､基因､蛋白及其分子间的相互作用,“组学(omics)”逐渐被广泛应用｡Omics是组学的英文称谓,它的词根‘-ome’英译是一些种类个体的系统集合,组学是研究组合内个体以及个体之间的关系,例如基因组学(genomics)这门学科就是研究这些基因以及这些基因间的关系｡
在现代研究中,中药功效表现出较强的组学性质,中药功效与多个药理作用对应,例如止血药对应收缩血管､促进凝血因子生成､改善血小板功能､抑制纤维蛋白溶解等多个药理作用｡中药功效对应多种疾病,例如止血药与消化道出血､便血､痔疮､功能性子宫出血等疾病密切关联｡本课题组前期比较了解表功效中药化学和收涩功效中药成分的重要理化性质､Murcko骨架结构特征以及Bayesian距离,发现中药功效和化学成分性质结构之间存在内在联系｡中药功效的核心化学成分群是中药发挥药效功能的主要化学成分的集合,在药理作用､治疗疾病和结构特征上同样表现出组学的特征｡中药包含多种化学成分,化学成分具有不同的药理作用发挥不同的功能,不同功能组合起来体现中药不同的功效,见图1｡化学功效组学的核心内涵为研究化学物质组与功效组之间的复杂关系,通过对化学成分的不同药理作用组合产生功效的研究,推断功效对应的核心化学成分群,进而探索中药治疗疾病的物质基础,以及中药治疗的途径和机制,为中药的临床应用以及新药研发提供理论依据｡
2 止血药和活血化瘀药核心成分群的研究
2.1 方法
在《中药学》第18章止血药和第19章活血化瘀药中检索得到止血功效的中药26个,活血化瘀功效的中药38个｡将中药及其拉丁名称作为关键词,在TCMSP､ETCM､NPASS3个数据库中分别进行检索,得到化学成分名称｡在PubChem中检索化学成分的结构和CID编号,保存为sdf格式文件｡使用化学成分的CID编号进行查重合并｡
查找PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)化学成分中药理作用MESH术语,并以MESH2021术语(中文版)为标准,规范止血药和活血化瘀药功效对应的药理作用｡
使用Venny2.1(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)绘制韦恩图｡使用DiscoveryStudio4.5计算分子ADMET相关的分子描述符,包括ADMET_Solubility(药物水溶性)､ADMET_BBB(血脑屏障)､ADMET_EXT_CYP2D6(细胞色素)､ADMET_EXT_Hepatotoxic(肝毒性)､ADMET_EXT_PPB(人类肠道吸收水平)､ADMET_AlogP98､ADMET_PSA_2D､ADMET_Absorption(血浆蛋白结合预测分数)等,如果没有特别说明,设置均为系统默认参数｡使用Origin2021完成主成分分析和95%的置信椭圆计算｡使用KNIME4.3.2软件CDK算法和RDKit算法包完成化学成分的加氢与Murcko骨架计算｡
2.2 结果与讨论
2.2.1 中药和化学成分统计情况
止血功效的中药有艾叶､三七､侧柏叶等,共包括945个中药成分｡活血化瘀功效的中药有郁金､莪术､川芎等,共包括1797个化学成分｡止血药和活血化瘀药的成分的情况见图2｡除了特有成分外,止血药和活血化瘀药有404个共有成分,占总成分的17.3%｡可以看出,虽然止血药和活血化瘀药是2类功效相反的中药,但是它们之间并非完全对立,而是存在某种内在联系,在一些情况下有可能相互转化,相辅相成｡
既存在于止血药又存在于活血化瘀药的高频成分见图3,beta-Sitosterol存在于7个止血药和21个活血化瘀药中,sitogluside存在于9个止血药和16个活血化瘀药中｡由此可见,相同的化学成分可能参与不同的功效表达｡
2.2.2 化学成分的药理作用分析
本研究依据《中药药理学》对止血药和活血化瘀药对应的药理作用进行整理,止血药对应30项功能,包括收缩局部血管､抗血栓､保肝等,活血化瘀药对应36项功能,包括抑制血小板､抑制凝血､免疫调节等｡参考MESH主题词的药理作用(树状结构号D27.505),对这些药理作用进行了规范,例如抗血栓统一为纤维蛋白溶解,利胆统一为利胆药和促胆汁分泌｡
本研究在PubChem上对止血药和活血化瘀药包含的2338个化学成分的MESH药理作用术语进行了逐条检索,最后得到197个化学成分,对应143个药理作用｡其中止血药成分对应抗氧化､酶抑制､抗肿瘤等96个药理作用,而活血化瘀药成分对应抗氧化､酶抑制､消炎等132个药理作用｡在这些药理作用中,有1-octanol､methanol､glycerol等溶剂(Mesh Term:Solvents)和D-mannitol､sucrose､D-fructopyranose等甜味剂(Mesh Term:Sweetening Agents),这些明显与止血和活血化瘀功效没有直接关系,本文进行了删除处理｡同时可以看出,只有与功效对应的药理作用组相关的核心化学成分群才有可能是中药发挥功效的物质基础｡
将30项止血药对应的药理作用和36项活血化瘀药对应的药理作用与143个药理作用对应起来,最后得到31个成分对应13个药理作用以及31味中药｡止血药和活血化瘀药的化学功效图见图4､5｡可以看到药理作用作为桥梁连接了功效与化学成分,药理作用的不同组合可以表达出不同的功效,例如三七的止血功效对应血小板聚集抑制､消炎､抗真菌等药理作用,成分包括trilinolein､4-methoxyphenol､benzoicacid等;血竭的活血化瘀功效对应纤维蛋白溶解､利胆和促胆汁分泌､抗真菌､镇痛等药理作用,包含abieticacid､ferulicacid､benzoicacid､isopimaricacid､ursolicacid等成分｡
中药不同功效对应的药理作用组不同,相关的化学成分群也是不同的｡川芎的活性化瘀功效与纤维蛋白溶解､抗真菌､抗肿瘤和利胆和促进胆汁分泌等药理作用相关,而发挥这些功能的化学成分包括decanoicacid､benzoicacid､perillylalcohol､fenipentol､ferulicacid､beta-asarone等化学成分,见图6｡
2.2.3 止血药和活血化瘀药核心成分群的确定
中药功效的核心成分群是中药功效的物质基础,对它的研究将是化学功效组学研究的一个重要内容｡一般来说,中药功效的核心成分不仅与成分本身的结构有关系,还与成分体内吸收代谢过程相关｡本文对止血药和活血化瘀药的31个化学成分进行吸收､分布､代谢､排泄及毒性(ADMET)性质计算,并通过主成分分析将计算出的ADMET多维分子描述符数据映射到三维化学空间上,见图7,结果显示,化学成分在化学空间中的位置与其ADMET活性密切相关｡最后本文使用95%置信椭圆计算确定其核心成分群的边界｡
2.2.4 止血药和活血化瘀药核心成分群的Murcko骨架分析
Murcko骨架由BEMISGW等设计并用于药物分子的形状､结构分析,它可以去除支链,将分子结构中的母核提取出来｡本文对止血药和活血化瘀药核心化学成分的Murcko骨架进行研究,希望找到不同功效成分群的骨架特点｡止血药18个核心成分特有的Murcko骨架见图8,可以看出,这些骨架包括萘醌､四环三萜等｡活血化瘀药22个核心成分特有的Murcko骨架中生物碱比较多｡
3 学科价值
3.1 内涵
3.1.1 化学物质组与功效组存在复杂不对等关系
中药包含的化学成分种类丰富,数量众多｡然而,中药的功效却相对比较少,例如2010年版《中华人民共和国药典临床用药须知》中547味中药仅有335种功效｡这就使得中药的化学物质组与功效组存在复杂不对等关系｡一方面并非所有化学成分都参与了中药功效的表达,例如溶剂､甜味剂等成分,并不属于功效的核心成分群｡另一方面,化学成分具有不同的药理作用,不同的化学成分汇聚后形成化学物质组合,表现出不同的药理作用,最终体现为不同的功效表达｡“化学功效组学”认为,中药的化学成分与功效的数量上是不平衡的,化学成分数量比功效数量高很多,这给中药功效的物质基础研究带来了困难｡
3.1.2 中药的复杂化学组可存在多功效的对应
化学成分组和功效组之间存在复杂的对应关系,并非简单的一对一关系｡化学成分和药理作用的研究属于现代医学范畴,而中药功效的表达主要基于中医基础理论｡由于中西医学体系存在巨大差异,因此不能将化学成分组和功效组简单对应起来,它们之间必然存在复杂的对应关系｡“化学功效组学”认为,化学成分的药理作用本质上体现的是化合物的功能,不同功能的组合可以表达不同的功效｡以药理作用作为桥梁,可以有效地将化学成分与中药功效连接起来,中药的复杂化学成分组合将与一个或者多个功效对应｡
3.1.3 对立功效之间可存在重叠的化学物质组
中医认为止血药是指以可以阻止体内外出血为主要功效,用以治疗各种出血病症的中药｡活血化瘀药是以通利血脉､促进血行､消散淤血为主要功效,用以治疗血瘀证的中药｡然而,在临床实践中却发现,有一些中药既具有止血功效又具有活血化瘀功效,例如《中国药典临床用药须知》中记录血竭的功效为活血定痛､化瘀止血､生肌敛疮｡本文研究发现止血中药和活血化瘀中药虽然是功效对立的2类中药,但是quercetin､sitogluside等404个成分同时出现在2类中药中,占总化学成分数量的17.3%｡“化学功效组学”认为,中药功效是从临床实践中总结出来的,在临床治疗上,对于疾病中医更加注重调理机体,使之达到稳态,同时,中药使用遵循君臣佐使等配伍规律,药物之间也有相辅相成的作用｡这些都可能源自中药内不同的化学成分组合表达出来不同或者相同的功能｡即使相同的成分,在不同的化学成分组内也可表达出不同的功能｡
3.1.4 中药的一个功效可能是多个化学物质组的综合效应,但存在边界
本文研究发现止血药成分和活血化瘀药成分的ADMET性质与Murcko骨架存在差异,止血药核心成分特有的Murcko骨架包括萘醌､四环三萜等｡活血化瘀药核心成分特有的Murcko骨架包括生物碱等｡而本课题组前期的研究发现解表中药成分与收涩中药成分在ADMET性质和芳香环数量等11个理化性质方面存在明显差异｡苯环､黄酮､环己烯､环己烷骨架在解表中药成分中占比大一些,而羽扇豆烷骨架､联苯环辛烯类木脂素骨架和异喹啉类生物碱骨架在收涩中药成分中占比大一些｡“化学功效组学”认为,中药包含一种或者多种功效,而每一个功效都可能是多个化学物质组的综合效应｡同时,在分子性质和Murcko骨架上必然存在边界可以划分出与某一功效密切相关的核心成分｡
3.2 意义
3.2.1 在组学的层次探索中药组-化学物质组-药理作用组-功效组之间多态关系,将系统阐释中药化学组与功效组的新型关系
“化学功效组学”认为中药组-化学物质组-药理作用组-功效组之间存在复杂的多态关系,而对组间关系的研究将有利于推动中药功效物质基础研究向纵深发展｡中药功效核心成分组的确定､功效组对应药理作用组的探索､基于核心成分群的中药配伍理论的阐释等或许成为中药功效研究的新方向｡
3.2.2 奠定中药功效的核心化学物质基础,为现代技术阐释中药科学内涵提供坚实基础
“化学功效组学”将为现代技术阐释药性理论和性味配伍的内涵提供坚实基础｡药性理论包括中药药性､归经､升降浮沉､十八反､十九畏､有毒无毒等内容,是中医药领域基础理论之一,而性味配伍则是遣药制方的关键环节｡对于药性理论的物质基础研究一直都受到关注｡窦德强等提出中药药性化学,其内容为药性是功效的依据,功效又归结于化学物质,不同性味化学物质的归经､升降浮沉也不尽相同｡陈健等提出“性味网络药理学”概念,使用性味药物模块成分-靶点-疾病模型探析中药复方物质基础｡陈军等提出外用中药药性“组分-递送-效应”三要素的表征思路｡然而这些概念和理论都未强调功效组与化学物质组之间的复杂关系,以及药理作用组的桥梁作用｡在临床上,药性决定功效,多种功效会体现出一种药性｡笔者通过药性→功效组→药理作用组→化学物质组进行推导,可以得到治疗某一疾病的药性理论的核心化学成分群,这样会使得药性理论的物质基础会更加明晰｡
3.2.3 奠定方剂功效结构的化学选择与优化基础,促进中药新药开发
“化学功效组学”将为新药研发提供重要参考｡天然产物一直是化学药新药研发的重要来源之一,而利用中药包含的化学成分研发活性优良的新药是新药研发的重要方法｡然而,其中的瓶颈问题是化学成分单体不能代替中药,分离得到的活性成分的功效和适应症无法有效确定｡化学功效组学可以将功效组与化学物质组紧密结合起来,明确中药的某一功效的核心化学群,这样不但可以为化学成分群开发新药提供可能的适应症,还可以借助药理作用的这个桥梁,明确中药的核心化学群的药效｡如果将化学功效学引入化药的功效研究,即可实现西药“中药化”,为中西医结合治疗带来新的思路｡
3.2.4 功效化学物质基础的现代理解为临床合理用药提供技术支撑
中药的临床应用中,“有效性”是核心｡因此,在临床治疗中,根据适应症选择中药的功效是中药运用的基础｡“化学功效组学”深入研究中药功效组与化学成分组的多元关系,将药理作用组作为桥梁,确定出功效对应的核心成分群,为临床选择适应症提供参考和依据,为合理用药提供支撑｡
4 不足与展望
本研究以药理作用为桥梁将化学成分与功效有机结合在一起,创新性地提出“分子功效组学”概念｡研究中最为关键的2个数据库分别是功效-药理作用数据库和中药成分-药理作用数据库｡为了严谨,本研究使用了《中药药理学》教材､美国国立图书馆的MESH主题词表药理作用术语等较为权威的数据作为数据源｡然而,由于数据量有限,绝大多数的中药成分与功效都无法产生连接,大大限制了本研究的深度和广度,不能较为全面地展示分子功效组学研究的意义和价值,具有局限性｡在未来的研究中,应加强中药药理作用数据库建设,推动化学功效组学向纵深发展,以期为中药新药开发和中药的临床应用提供有益的参考｡
参考文献 略
我们安排一期国自然申报的经验分享，特别是中医药相关的国自然青年基金申请的老师朋友，不要错过！
本公众号已与浙江慧通测评动物实验中心搭建紧密的合作关系：该动物中心已获得动物使用许可，如您需要含药血清制备-成分分析、灌胃给药、造模、药理、毒理以及相关实验（sci）外包服务，欢迎联系我们！
【福利时刻】毕业季找工作点击链接，多家企业30W+年薪工作招聘任你选（赶紧点击进入注册，上传简历吧~ ） 。
中国中医科学院研究生(中国中医科学院研究生院)
