网络药理学原理及在中医药中的作用

中医药是中国优秀传统文化的瑰宝，是数千年实践经验的集结，经过历代医家不断的发展创新，取优弃粕，逐渐形成了系统的中医药理论及独特的学术体系，在人类防病治病、维护健康中作出了巨大的贡献，而整体观、辨证论治和个体诊治即是其精髓所在。随着单靶点高选择性的化学药物在临床应用上的毒副作用大、对复杂疾病的治疗效果差等缺点，公众回归自然的呼声越来越高，国际社会逐渐形成一股中医药热[1?3]。但是由于中医独特的哲学思想与理论体系，很难被各国医生及患者理解与接受。中药及其复方具有多成分、多途径、多靶点协同作用的特点，这种复杂性使得中药药效物质基础不明确、作用机制不清楚、中药和中药材质量难以控制、缺乏科学合理有效的药效和安全性评价体系，从整体到组织器官、细胞和分子水平都很难进行全面系统地研究[4]。这些大大限制了我国中医药的现代化和国际化的进程。但是近10年来，随着现代基因组学、蛋白质组学、代谢组学等组学理论的发展，系统生物学视角的引入以及生物信息学的应用[5，6]，网络药理学networkpharmacology概念应运而生，它是在系统生物学与计算机技术高速发展的基础上发展起来的，基于疾病?基因?靶点?药物相互作用网络的基础上，通过网络分析，系统综合地观察药物对疾病网络的干预与影响，揭示多分子药物协同作用于人体的奥秘[7]，这与中医学从整体的角度去诊治疾病的理论，中药及其复方的多成分、多途径、多靶点协同作用的原理殊途同归，无疑为跨越中西医间的鸿沟架起了桥梁，为中医药的现代化和国际化指明了方向。1、中医药现代化面临的机遇与挑战生物医学发展至今，各项理论和技术日新月异，传统的中医药必须加紧现代化的步伐，与时俱进，才能有更广阔的发展空间。从以下几方面阐述现阶段中医药现代化面临的机遇和挑战。1.1人类疾病谱发生了变化随着人类物质文明的高度发展，生活方式的改变，以及老龄化进程的加剧，以肿瘤、心血管疾病和糖尿病等为代表的慢性病已替代感染性疾病成为影响人类健康的重要因素。这类复杂性疾病是多基因、多步骤作用的结果。对这些疾病的治疗，单靶点高选择性药物显示出了治疗效果差、副作用大等弊端。而在诊断上注重整体的和功能的动态变化，治疗上强调辨证论治，力求从整体水平上调控机体，从而治疗局部性病变和恢复整体功能平衡的传统中医药学显示出了良好的治疗效果[8]。1.2新药研发陷入困境自从PaulEhrlich在20世纪初提出化合物受体存在的学说后，期望设计能与疾病发生发展过程中的关键靶标高度特异结合的魔术子弹magicbullet，成为现代药物发现的核心问题[9]。在过去的30年中一药，一靶，一病还原论方法加速了药物发现的步伐，取得了突出的成果。然而，其效率低、速度慢以及成功率低的缺点也逐渐的显露出来，特别是研发费用大而产出率低，二者之间不成比例。许多候选化合物难以全面、系统地反映药物与疾病的相关性，往往在临床前期和临床试验中，因低效或无效、药物动力学较差、急性或亚慢性毒副作用等问题而被迫退出研发[10]。新药研发正面临着巨大困难，单靶点高选择性的新药研发思想到了瓶颈期，显示出了其发展的局限性。系统生物学的研究揭示了药物发挥作用的网络特点，表明与单靶点药物相比，多靶点药物可能会有更好的临床疗效和较小的毒副作用。而中药及其复方发挥疗效具有整体性、多成分和多靶点协同作用的特点[11]，势必是未来国际上新药研发的方向。1.3中医药现代化研究现状肖培根院士2016年发表了21世纪中药研究的进展方向，指出中药的现代化是指将传统中药的特色优势与最新的现代化科学技术密切结合，明确中药及其复方在体内作用的物质基础及药理作用机制，使药材质量达到稳定可控，能够开发出具有中医药特色的治疗复杂疾病的新药[12]。目前科研人员常采用活性追踪分离法从中药中筛选活性化合物，但往往分离到的物质越纯，其药效活性越弱，难以追踪到药效物质。在整体观和辨证论治理论的指导下，中药及其复方发挥疗效通常取决于其中的有效成分群的综合作用[13]，但是由于中医理论现代化的研究滞后，以及中药作用整体性、中药成分复杂性和作用机制的多途径、多靶点，使得中药有效成分群难以识别，中药药效物质基础不明确、作用机制不清楚，中医理论指导下的新药发现与设计进展缓慢，甚至趋于空白，成为制约中药现代化、国际化和产业化进程的瓶颈。因此寻找符合中医理法方药理论，遵循中药复杂体系、多途径、多靶点的作用特点，建立与之相关的研究方法和关键技术，必将是科学研究中医、合理应用中药、复方推陈出新的关键科学问题。2、网络药理学中医药现代化是形式所迫、大势所趋，寻找适合中医药体系研究的模式和方法是中医药现代化发展的关键。现阶段兴起的网络药理学对于中医药现代化研究来说是一个很好的契机。2.1网络药理学概念的形成一直以来，新药研发所遵循的基本原则是对靶点的高选择性，认为药物对靶点的选择性越高，效果就越好，而副作用就越少。然而近几年这一基本思路受到越来越大的挑战。近20年来新药开发的成功率越来越低，而临床淘汰率却越来越高，究其原因可能并不仅仅是技术、环境和投入的问题，更重要的可能是新药开发的策略所致，即一个基因，一种疾病，一个药物的原则在像癌症这样的多基因疾病领域的药物开发中可能并不适用。系统生物学和生物途径及相互作用网络分析表明，生物系统的稳定性源于生物系统的网络结构具有鲁棒性robustness特征。这一网络里的某一节点蛋白的改变并不总是能使表型发生很大的变化，这种表型的稳定性可以理解为与基因冗余功能和信通路的代偿有关。多数情况下，疾病发生的分子机制就是细胞内的调控网络异常所致[14，15]，所以对网络内某个成员的高选择性的药物并不能使控制疾病的网络瘫痪。现阶段对疾病分子机制的认识与传统的中医证候理念不谋而合。数十年的中医证候现代研究表明:证候是由许多因素组成的复杂系统，难以用单一的生理生化指标来表达。中医证候与生物网络的调节机制具有关联性[16]。随着对生物网络认识的逐步深入，新药研发有了新的策略:多靶点药物的开发。如何寻找高效的多靶点药物，发挥药物最大的临床疗效，将副反应和毒性降到最低?在这个过程中产生了一种更具体、更有操作性的概念网络药理学。网络药理学的概念由AndrewLHopkins于2016年首次在NatureBiotechnology上撰文明确[6]，2016年在NatureChemicalBiology进一步发表了网络药理学:药物研发中的下一个研究范式的综述[5]。网络药理学是在系统生物学和多向药理学快速发展的基础上提出的药物设计新方法和新策略，内容涵盖各种组学、系统生物学、基因的连接性和冗余度以及基因的多效性、计算生物学和网络生物学分析等。它在基于疾病?基因?靶点?药物相互作用网络的基础上，通过分析基因网络库、蛋白网络库、疾病网络库、药物网络库等现有数据库的信息资料，结合从实验中获得的谱图数据，利用专业网络分析软件及算法，系统的、整体的揭示疾病?疾病、疾病表型?靶点蛋白、靶点蛋白?药物、药物?药物之间关联的奥秘，从网络的层面观察药物对疾病的干预与影响，揭示复杂药物协同作用于人体的奥秘，从而找出高效低毒的多靶点新药[17]。中医理论具有系统观与整体论的思想，虽然与网络药理学的理念不可简单地相提并论，但它们有一点是共同的，也是非常重要的，即十分注重在整体条件下开展研究，同时十分注重在致病因素或者药物干预下机体及网络系统的整体反应，而不仅仅是观察某些局部的病灶或表型改变[18]。同时，中药复方是中医防病治病的主要形式，具有多成分、多靶点、多途径的特征，而这些特点正是网络药理学所要重点研究和期望达到的。2.2网络药理学发展的关键应用网络药理学指导新药研发最关键的一步就是分析疾病网络，鉴定疾病网络中的关键节点。目前有3种互补的方法可以寻找调控网络中的关键节点:系统筛选、知识挖掘和网络分析。系统筛选指应用细胞筛选模型进行化合物组合、化合物与基因组合等的筛选方法。单独的化合物可能只针对某一节点，而两种或以上的组合能产生协同作用，可能针对的就是整个网络。化合物与基因组合也是方法之一，首先使某个基因表达沉默，在此条件下再加入一种化合物，这样联合作用的结果对病变细胞会产生单一手段达不到的作用，例如对病变细胞的协同致死性。实际上，这种筛选方法在寻找关键节点的同时也找到了干预节点的多靶点药物组合，效果很好，然而工作量很大。知识挖掘和网络分析是首先应用计算机进行计算筛选以寻找最有可能的节点，之后再进行实验验证。知识挖掘是用提取数据、挖掘文本等方法对文献数据库、疾病数据库、基因数据库等进行关联，并从中提取出疾病网络基因作用网络、蛋白作用网络。当然这只是一种初步分析，提取的网络还需要实验验证。中医药发展至今，积累了大量的数据和信息，现阶段已有各种中医药数据库搜索系统，从这些已有的数据中挖掘关键信息、重要信息，发现中医药证候方剂的复杂网络特征及现代医学本质是一项重要的研究内容。国内学者通过开发多种算法，探寻方剂复杂化学体系和机体复杂生物系统的关联性，并取得了较大进展[19]。网络分析即拓扑分析，也就是分析相互作用的网络，从中找出关键节点。例如某一节点的分支越多，某节点与其他节点的路径越短，那么这一节点可能就越关键[6]。常用的网络拓扑特征有度degree、聚类系数clusteringcoefficient、最短距离shortestpath、介数betweenness等[20]。中医药从证候到方剂均体现了复杂网络的特质。中医辨证论治的原则是药证相应，在处方用药中存在君药对主证，臣药和佐药对兼证的关系;主证、君药类似于网络的少数关键的集散节点，治则治法是这种复杂网络关系的抽象概括，用现代生物信息方法对中医药复杂体系的网络分析，有助于探索中医证候治法中药的关联[21]。3、网络药理学与中医药现代化的结合及应用中医治疗以整体观、辨证论治为指导原则，具有君、臣、佐、使配伍原则的中药复方则为临床防病、治病的主要形式[22]。网络药理学本着整体性和动态性的特点，倡导多靶点、多途径的给药原则。因此，在中医药现代化进程中，一些中医药研究者借鉴网络药理学的研究思路，探索中医药病证方的本质属性，揭示中药及其复方多途径、多靶点、多成分的综合整体效应[23?26]，并取得了良好的阶段性成果。3.1网络药理学与中医证候生物学基础研究中医学的基本特点在于整体观和辩证论治，以病证结合、方证相应，即病证方结合的诊疗模式为特色。证候是中医学整体观、辨证论治、复方干预这一特色诊疗体系的核心内容。辨证论治与对症治疗的区别在于前者治疗时针对体现整体变化的证，后者则针对症状，头痛医头，脚痛医脚。在认识层次上后者较浅，属于感性认识;前者较深，有从感性认识上升到理性认识的飞跃，是深入到事物内部规律的认识阶段。阐明证候的生物学基础是中医药现代化的关键之一。数十年的证候现代研究表明:证候是由许多因素组成的复杂系统，难以用单一的生理、生化指标来表达。因此，随着研究深度和复杂性的增加，需开辟一条适合于从复杂系统中发掘中医证候特征的途径[27]。网络药理学融合疾病?表型?基因?药物的信息，从系统的、网络的角度理解疾病表型与生命大分子的关系，其对疾病表型?生物分子网络构建的思路能用于指导中医药证候生物学基础的研究[28]。国内一些研究者利用网络药理学的方法，从生物分子网络角度针对证候的生物学基础展开研究，形成了适用于阐释病证方系统内涵的表型网络?生物分子网络?药物网络研究构架，并进一步提出了证候生物分子网络标志的构想，并构建了基于神经?内分泌?免疫NEI的寒证、热证生物分子网络，通过网络功能分析，发现寒证生物分子网络以激素的功能模块为主，热证的生物分子网络以细胞因子的功能模块为主，神经递质功能模块共同分布于两个网络。同时，通过网络拓扑结构分析，发现寒热证生物分子网络具有无标度scalefree性质，即网络的功能实现主要依赖于一些关键节点，这些关键节点可视作寒证、热证的生物分子网络标志。最后，他们还分析了证候分子网络标志应用于证候客观化与个体化诊疗、中医药临床效果评价、方剂与中药药性等研究领域的可能性，为证候生物学基础研究提供