系統(tǒng)生物學(xué)在中藥研究中的應(yīng)用

宋 挺

（合肥師范學(xué)院醫(yī)院，安徽合肥 230061）

系統(tǒng)生物學(xué)在中藥研究中的應(yīng)用

宋 挺

（合肥師范學(xué)院醫(yī)院，安徽合肥 230061）

我國(guó)中藥的體內(nèi)作用過(guò)程一直不明確，近年來(lái)隨著生命科學(xué)的發(fā)展，將中藥的研究與系統(tǒng)生物學(xué)相結(jié)合，有可能從系統(tǒng)的角度詮釋中醫(yī)藥多靶點(diǎn)、平衡調(diào)理和標(biāo)本兼治的治病機(jī)制和分子機(jī)制，為中藥的研究提供新的思路。

系統(tǒng)生物學(xué)；中藥研究；基因組學(xué)；蛋白質(zhì)組學(xué)；代謝組學(xué)

中藥（traditional Chinese medicine）即傳統(tǒng)中國(guó)藥，在我國(guó)已有二千多年的發(fā)展歷史，在廣大人民群眾中具有深刻影響。所以一直以來(lái)我們都用中華民族的瑰寶來(lái)形容中藥。但是由于中藥作為一個(gè)復(fù)合體系，多是配方使用，也就是說(shuō)中藥的整體理療理念近似于‘黑匣子［1］’。與西藥的透明作用過(guò)程不同，中藥在體內(nèi)的具體作用過(guò)程尚不確切。也正是由于這一點(diǎn)，加上近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于中藥不良反應(yīng)的報(bào)道增多，歐美國(guó)家對(duì)草藥的安全性和聯(lián)合用藥的相互作用普遍關(guān)注［2］。

近幾年來(lái)隨著功能基因組時(shí)代的到來(lái)，生命科學(xué)發(fā)生了本質(zhì)的飛躍，為中藥現(xiàn)代化發(fā)展提供了新的契機(jī)，系統(tǒng)生物學(xué)已成為醫(yī)藥學(xué)研究的一個(gè)極其重要的工具［3］。系統(tǒng)生物學(xué)是研究一個(gè)生物系統(tǒng)中所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）的構(gòu)成，以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系的學(xué)科，是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的一門(mén)新興學(xué)科。它采用系統(tǒng)的方法，將研究對(duì)象看作為一個(gè)整體，通過(guò)基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等各種高通量的組學(xué)平臺(tái)全方位地獲取海量的數(shù)據(jù)信息，并利用生物信息學(xué)及各種數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，尋找規(guī)律，揭示自然界生物體所蘊(yùn)涵的奧秘。它的技術(shù)平臺(tái)為組學(xué)，包括基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、表型組學(xué)和計(jì)算機(jī)生物學(xué)等［4］

這種應(yīng)運(yùn)而生的系統(tǒng)生物學(xué)與中藥研究的思路和方法不謀而合，為復(fù)雜的方藥體系研究帶來(lái)了希望［5］。下面就主要從基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和生物信息學(xué)四個(gè)方面來(lái)談?wù)勏到y(tǒng)生物學(xué)在中藥研究的應(yīng)用。

1 基因組學(xué)技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用

基因組學(xué)（Genomics）是對(duì)一個(gè)物種的所有基因進(jìn)行基因組作圖（包括遺傳圖、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜），核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門(mén)學(xué)科［6］。伴隨著后基因時(shí)代的到來(lái)，基因組學(xué)提供了數(shù)目可觀的新藥靶標(biāo)，更重要的是催生了一批與中藥研究相關(guān)的新技術(shù)，例如基因芯片技術(shù)，生物信息學(xué)技術(shù)，以及由此發(fā)展起來(lái)的藥物基因組學(xué)等。其中的基因芯片技術(shù)以高通量、多因素、微型化和快速靈敏的特點(diǎn)而見(jiàn)長(zhǎng)，能夠針對(duì)中藥的多成分、多途徑、多系統(tǒng)、多靶點(diǎn)的作用特點(diǎn)而進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。所以這方面主要討論一下基因芯片技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用。

1.1 探索中藥作用靶點(diǎn)與作用機(jī)制

基因芯片技術(shù)有助于識(shí)別藥物相應(yīng)的靶序列，分析整個(gè)基因組藥物作用，監(jiān)視藥物治療反應(yīng)中的基因表達(dá)改變，以探索中藥作用機(jī)制提供有效的依據(jù)。如陳明偉等［7］利用基因芯片技術(shù)檢測(cè)中藥單體人參皂苷20（R）Rg3對(duì)腫瘤血管生長(zhǎng)調(diào)控因子（VEGF）蛋白表達(dá)的抑制作用。這些研究從基因芯片表達(dá)的角度探索中藥的分子層面作用機(jī)制，為進(jìn)一步闡明復(fù)方和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 確定中藥有效部位

基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展有可能簡(jiǎn)化中藥研究的過(guò)程和大大降低研究的難度。我們可以選擇特定的疾病模型，提取其病理情況下的RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA后，建立該疾病的基因芯片，并以此檢測(cè)藥物作用后基因的表達(dá)差異，從而對(duì)單味藥的各種化學(xué)成分或不同的復(fù)方進(jìn)行篩選和分析，找出確定的有效成分或合適的組方供進(jìn)一步進(jìn)行新藥研究［8］。

1.3 中藥材鑒定

基因芯片通過(guò)獲取不同中藥樣本的特異性基因序列，用于中藥品種的快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)化鑒別，如果在單片芯片上固定了足夠多的來(lái)自不同中藥樣本的特有基因序列，則此種芯片就可以用于多種中藥樣本的鑒別，使分析時(shí)間大大減少，極大地提高了鑒定效率。如Zhang YB等［9］用基因芯片技術(shù)對(duì)中藥復(fù)方中單味藥材石斛的不同種屬進(jìn)行了鑒別研究，將16個(gè)不同種屬石斛的ITS1－5.8S－ITS2序列固定于玻片上制作了基因芯片，并用熒光標(biāo)記的ITS2序列作為探針，可檢測(cè)出五種已被載入中國(guó)藥典的石斛。

1.4 道地藥材鑒別

利用基因芯片高效、高通量分析生物信息的優(yōu)勢(shì)可快速進(jìn)行鑒別道地藥材與非道地藥材［10］。研究道地藥材的基因組特征，最終實(shí)現(xiàn)道地藥材真?zhèn)舞b別系統(tǒng)及優(yōu)良種系基因庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)基因圖譜的建立，特別是對(duì)有效成分的研究，可為新藥的研究提供先導(dǎo)化合物；對(duì)功能基因組順序結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)制的闡明，能夠提高有效物質(zhì)的產(chǎn)量和減除有害成分；還可用于轉(zhuǎn)基因中藥材的構(gòu)建和解決瀕危中藥材的可持續(xù)應(yīng)用。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組是指由一個(gè)基因組以及一種生物、組織或細(xì)胞表達(dá)的全部蛋白質(zhì)［11］，蛋白質(zhì)組學(xué)是對(duì)某一研究對(duì)象所有蛋白質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)地鑒定、定量及功能研究的科學(xué)［12］。它可以從整體的角度，分析細(xì)胞、組織等生物標(biāo)本內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成成分、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用和聯(lián)系，這種強(qiáng)調(diào)聯(lián)系、動(dòng)態(tài)和整體的思想方法與我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)理論相一致。國(guó)內(nèi)已有一些研究機(jī)構(gòu)將蛋白質(zhì)組學(xué)運(yùn)用到中藥的作用機(jī)制研究中，例如番瀉葉提取物的藥理作用機(jī)制研究［13］，在模型小鼠的結(jié)腸組織中，共發(fā)現(xiàn)20個(gè)蛋白質(zhì)的表達(dá)發(fā)生改變，并對(duì)兩個(gè)蛋白質(zhì)的N端氨基酸序列進(jìn)行了測(cè)定。

在現(xiàn)代中藥研究中，以蛋白質(zhì)組學(xué)理論為指導(dǎo)，對(duì)中藥材或中藥制劑有效部位或有效成分作用靶點(diǎn)識(shí)別的大量結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)化分析和整理，從而建立系統(tǒng)化的生命模式背景，以及有效部位或有效成分作用靶點(diǎn)的識(shí)別體系，進(jìn)而可以指導(dǎo)和預(yù)見(jiàn)中藥材或中藥制劑中化學(xué)成分的發(fā)現(xiàn)和分離。與疾病相關(guān)的靶基因作為中藥作用的最本質(zhì)的治療指標(biāo)，可望對(duì)中藥材或中藥制劑有效部位或有效成分的識(shí)別研究取得突破性進(jìn)展。

另外，因?yàn)榫G色開(kāi)花植物的基因組之間具有相似性，利用植物研究中的基因組技術(shù)［14］，從眾多臨床常用的中藥材中，選取一些具有代表性藥材特征的范例，作為研究某一應(yīng)用領(lǐng)域的模式植物，進(jìn)行植物功能基因組研究，也可以為有關(guān)中藥材的道地性，科學(xué)種植等相關(guān)研究提供有利的科學(xué)依據(jù)。

3 代謝組學(xué)技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用

代謝物組（Metabonome）指生物體內(nèi)的所有小分子代謝物，是生物體內(nèi)經(jīng)基因組表達(dá)和新陳代謝產(chǎn)生的中介物及終產(chǎn)物。而代謝組學(xué)作為一門(mén)新興的技術(shù)，是通過(guò)考察生物體系受刺激或擾動(dòng)（某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化）后，所有低分子量代謝產(chǎn)物隨時(shí)空變化的情況，來(lái)研究生物體系代謝途徑的一種方法［15］，其研究對(duì)象主要是各種生物體液，如尿液和血液等［16］。

3.1 藥物作用（藥效和毒性）模型的鑒別和確證

代謝物組學(xué)作為一種系統(tǒng)方法，能在鑒別和確證藥理和疾病模型上發(fā)揮作用。它可以區(qū)別不同種屬、不同品系動(dòng)物模型的代謝狀態(tài)，鑒別與人體疾病狀態(tài)的差異，尋找人類(lèi)疾病、藥效和毒性的適宜動(dòng)物模型［17］。

3.2 藥物作用機(jī)制的研究

代謝物組學(xué)研究“代謝指紋圖譜”，它不僅研究藥物本身的代謝變化，而主要是研究藥物引起的內(nèi)源性代謝物的變化，更直接反映體內(nèi)生物化學(xué)過(guò)程和狀態(tài)的變化。通過(guò)認(rèn)識(shí)體液“代謝指紋圖譜”變化的原因，闡明藥物作用靶點(diǎn)或受體。

3.3 藥物安全性研究和評(píng)價(jià)

例如在防治由木通、防己中的馬兜鈴酸所導(dǎo)致的馬兜鈴酸腎病中，由于代謝物組學(xué)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)樣品多為外周性的生物樣品（如尿），可以連續(xù)多次獲取，在同一動(dòng)物或人體觀察毒性作用發(fā)生、發(fā)展和恢復(fù)過(guò)程；樣品處理簡(jiǎn)單，適用于HPLC，LC－MS和NMR分析；可以根據(jù)代謝物組圖的變化，發(fā)現(xiàn)毒性的化學(xué)或生物標(biāo)志物［18］。以此作為體內(nèi)藥物安全性評(píng)價(jià)的方法，比傳統(tǒng)方法更快、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)毒性物質(zhì)和毒性規(guī)律。因此可以說(shuō)在現(xiàn)在的藥物的毒性評(píng)價(jià)中，代謝組學(xué)已經(jīng)作為一種獨(dú)立的技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

4 生物信息學(xué)方法在中醫(yī)藥研究中的運(yùn)用

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是指生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)以及應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科相互交叉而形成的一門(mén)新興學(xué)科，通過(guò)對(duì)生物大分子信息的獲得、加工、存儲(chǔ)、分類(lèi)、檢索與分析，以達(dá)到理解這些生物大分子信息的生物學(xué)意義。許忠能［19］根據(jù)生物信息學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域近幾年的研究，提出應(yīng)立足于利用多學(xué)科的思路與工具促進(jìn)中草藥研究，指出藥靶與活性成分結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、代謝模擬和藥理的能量觀點(diǎn)是中草藥研究尤其值得探索的新內(nèi)容。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)生物學(xué)是生命科學(xué)中的一個(gè)新興領(lǐng)域，代表21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)的未來(lái)，在醫(yī)藥方面的應(yīng)用具有無(wú)限的潛力，將對(duì)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床研究及藥物研發(fā)等產(chǎn)生重要影響。中藥學(xué)整體性思想和用藥規(guī)律與系統(tǒng)生物學(xué)的相通性，不僅會(huì)促使中藥學(xué)在其自身發(fā)展中借助系統(tǒng)生物這門(mén)現(xiàn)代生物學(xué)的語(yǔ)言、手段和成果去闡述和進(jìn)行理論創(chuàng)新，還會(huì)為系統(tǒng)生物學(xué)在對(duì)生命體各層次元素整合時(shí)提供有宜的指導(dǎo)［20］。中藥的研究若能與系統(tǒng)生物學(xué)相結(jié)合，將有可能從系統(tǒng)的角度詮釋中醫(yī)藥多靶點(diǎn)、平衡調(diào)理和標(biāo)本兼治的治病機(jī)制和分子機(jī)制，為中藥的研究提供新的思路。

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Application of Systems Biology to the Research of the Traditional Chinese Medicine

SONG Ting
（HefeiNormalUniversityInfirmary，Hefei230601，China）

The action process of Traditional Chinese Medicine in the body is not clear.In recent years，with the development of life science，it is possible to explain the cure mechanism and molecular mechanism of traditional Chinese medicine features with multi－target，balance regulating，taking measures both from its root cause and symptoms from perspective of system by combining the research of Traditional Chinese Medicine with systems biology，offering some new thoughts for Traditional Chinese Medicine research.

systems biology；the research of Traditional Chinese Medicine；genomics；proteomics；metabolomics

R28

B

1674－2273（2011）06－0086－03

2011－04－20

宋 挺（1983－），男，合肥師范學(xué)院校醫(yī)院藥師。