基于細胞藥代動力學(xué)的中西藥相互作用研究新思路與新方法

劉丹晨，周芳，張經(jīng)緯，王廣基

(中國藥科大學(xué)藥物代謝動力學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210009)

堅持中西醫(yī)結(jié)合、中西醫(yī)并重、中西藥并用，推動建立中醫(yī)藥和西醫(yī)藥的相互補充、協(xié)調(diào)發(fā)展的服務(wù)體系已成為全社會的共識。尤其在新冠疫情期間，中醫(yī)藥充分發(fā)揮疾病預(yù)防、治療以及康復(fù)的重要作用，顯示出中西醫(yī)協(xié)同這一新醫(yī)學(xué)模式的生命力。雖然中西藥聯(lián)用已成為國內(nèi)外臨床治療的普遍現(xiàn)象和重要手段，但是中西藥聯(lián)用中的相互作用數(shù)據(jù)尚未完善，對于中西藥聯(lián)用的評判尚缺乏完備的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，尤其對于增效減毒的聯(lián)用方案，更是因缺乏機制闡釋而影響其廣泛應(yīng)用。

化學(xué)藥物通常具有明確的作用靶部位/靶點，而中藥重在調(diào)理機體的功能狀態(tài)，故中西藥聯(lián)用機制往往是中藥通過調(diào)控靶部位的生理狀態(tài)，創(chuàng)造更有利于化學(xué)藥物代謝處置、發(fā)揮藥效的微環(huán)境。經(jīng)典的藥代動力學(xué)評價往往僅測定血漿中的藥物濃度經(jīng)時過程，但對于靶點位于細胞內(nèi)的藥物，其從血液到達靶點需穿透多重組織與細胞屏障，簡單的血漿藥物濃度信息不能完全表征靶點部位的藥物濃度，常出現(xiàn)藥動-藥效不相關(guān)的問題，嚴重制約了傳統(tǒng)藥代動力學(xué)的發(fā)展。因此，藥代動力學(xué)研究還需要更多地關(guān)注藥物進入靶組織/靶細胞的藥代動力學(xué)行為，本文將聚焦細胞藥代動力學(xué)思想指引下的中西藥聯(lián)用研究中的新模型、新技術(shù)、新機制,以期為中西藥藥代相互作用研究提供新思路與新方法。

1 中西藥藥代相互作用研究的新模型與新技術(shù)

對于靶點位于細胞內(nèi)的藥物而言，其發(fā)揮療效的關(guān)鍵過程包括：首先需要吸收進入血液，再經(jīng)過血液運送至靶器官，進一步從血管穿透進入靶組織后，被靶細胞攝取，最終分布到位于亞細胞器的相關(guān)靶點發(fā)揮作用[1]。因此，為闡明基于宏觀層面以及微觀(細胞藥代動力學(xué))層面的中西藥聯(lián)用的合理作用機制，需要建立“組織-細胞-亞細胞器”多水平相互作用研究的體外新模型與檢測新技術(shù)作為支撐。近年來，中西藥藥代相互作用研究的方法學(xué)體系日趨成熟，尤其是在血管形態(tài)功能、藥物的組織穿透、藥物的亞細胞分布等方面均建立了可靠的模型與評價方法，可直觀、定量地表征中西藥聯(lián)用后藥物在“組織-細胞-亞細胞器”中的藥代動力學(xué)過程，為初步闡明中西藥聯(lián)用的藥代相互作用機制奠定基礎(chǔ)。

1.1 血管成像檢測技術(shù)與模型

在實體瘤中，包括血管異常在內(nèi)的許多生理屏障阻礙了藥物向腫瘤的有效輸送[2-3]。因此，評估血管形態(tài)、血流量、血管張力等參數(shù)對于藥物遞送至關(guān)重要。在過去的20年里，多光子或雙光子顯微鏡開啟了生物成像領(lǐng)域的新紀元，其優(yōu)勢在于能在不損傷機體或模型的條件下獲取腫瘤內(nèi)部血管的三維(3D)動態(tài)圖像。目前，多光子顯微鏡已廣泛應(yīng)用于基因表達、血管生成、藥物輸送和血管通透性的評估。在前期研究的基礎(chǔ)上，本課題組采用多光子顯微鏡動態(tài)監(jiān)測腫瘤血管的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用此技術(shù)研究了腫瘤血管“結(jié)構(gòu)-功能-活性”三個維度的調(diào)控對于改善化療藥物遞送的機制[4-5]。相關(guān)研究表明多光子顯微鏡還可以測試腫瘤血管對藥物的反應(yīng)動力學(xué)過程[6]，或者量化有效遞送的納米粒子[7]，證實了多光子共聚焦顯微鏡在定量分析方面具有可行性。此外，標準熒光顯微鏡與動態(tài)增強磁共振成像技術(shù)可作為多光子顯微鏡的技術(shù)補充，用于研究腫瘤血管形態(tài)和功能變化[8-9]。為了更好地模擬體內(nèi)環(huán)境及血管的多級尺度，目前除活體成像技術(shù)外，OrganoPlate微流控平臺、“opentop”微流控設(shè)備等新型體外3D微血管模型被廣泛用于血管形態(tài)和功能的雙重模擬[10-12]。上述成像技術(shù)與體外模型可用于考察中藥復(fù)方、提取物或活性成分是否能調(diào)控血管形態(tài)和功能，進而影響藥物在靶器官內(nèi)的分布和療效。

1.2 組織穿透新模型新技術(shù)

經(jīng)典藥代動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)中藥作用于轉(zhuǎn)運體會增加藥物的吸收[13]，但細胞藥代動力學(xué)期望能定量研究聯(lián)用后中藥能否促進西藥從血管逸出后向組織深處的穿透。因此，需要建立藥物在組織內(nèi)穿透及動力學(xué)過程的定量分析方法作為研究基礎(chǔ)。早期研究發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)腫瘤細胞形成多層細胞模型，可用于評估藥物在腫瘤組織中的穿透[14]。在此基礎(chǔ)上，研究者進一步構(gòu)建了腫瘤球體細胞模型，其不僅仿真實體腫瘤組織的3D形態(tài)，還能模擬體內(nèi)的腫瘤微環(huán)境[15]，為體外模擬腫瘤組織藥物穿透提供了可能性。本課題組建立了多層細胞的培養(yǎng)模型和對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于定量評價藥物，尤其是化療藥物的穿透動力學(xué)[16-17]；同時建立了單一培養(yǎng)的腫瘤球體細胞模型和多類型細胞共培養(yǎng)的腫瘤球體細胞模型，能定量表征靶組織中不同區(qū)域的藥物濃度及其調(diào)控[18]。

熒光實時成像、光熱和光聲分析聯(lián)用的方法可用于研究腫瘤球體細胞中的納米藥物粒子的穿透行為[19]。此外，拉曼顯微光譜成像[20]或體內(nèi)病理組織切片[21]也可用于藥物組織穿透深度的研究。因此，在中西藥聯(lián)用中，這些模型與定量表征技術(shù)可用于評估和闡明藥物向組織深層穿透的動力學(xué)規(guī)律。

1.3 亞細胞器分布的定量研究技術(shù)

藥物穿過細胞膜后，必須與胞內(nèi)靶點結(jié)合才能發(fā)揮藥效[22]。因此，需要亞細胞器層面的成像技術(shù)和定量分析技術(shù)來描述藥物在亞細胞器的分布及動力學(xué)過程。穩(wěn)定同位素和多同位素成像質(zhì)譜首先被用于亞細胞器中藥物代謝過程和分布的成像研究[23]，但對于亞細胞器層面藥代動力學(xué)參數(shù)的定量分析仍未解決。本課題組基于細胞藥代動力學(xué)思想，對于熒光標記藥物，借助亞細胞器定位，通過成像技術(shù)進行亞細胞器內(nèi)的熒光強度-藥物濃度轉(zhuǎn)化，進而評價藥物的細胞內(nèi)靶向性[24-25]；對于無熒光標記藥物，則可通過分離亞細胞器并采用LC-MS/MS技術(shù)定量，建立不同亞細胞器內(nèi)藥物的濃度-時間曲線[26-27]。近年來以無標記為特點的MALDI-MSI[28]、3D OrbiSIMS[29]和NDPI-MS[30-31]等高空間分辨率的質(zhì)譜成像技術(shù)能準確繪制多種化合物在亞細胞器層面的相對定量分布和細胞器定位圖像。而在絕對定量方面，nanoSIMS納米質(zhì)譜成像方法提供了亞細胞器水平藥物和代謝物絕對定量的可能性[32-33]。本課題組在定量藥物濃度分析的基礎(chǔ)上，基于亞細胞器分布動力學(xué)結(jié)果，構(gòu)建了靶細胞藥動學(xué)模型，實現(xiàn)了藥物從細胞到亞細胞器轉(zhuǎn)運的動力學(xué)定量表征[24]。總之，基于前述各項可視化分析、定量分析和PK-PD建模研究，亞細胞器層面的中西藥聯(lián)用相互作用機制的闡明已具備一定的可行性。

2 中西藥合理聯(lián)用的調(diào)控機制

2.1 血管調(diào)控

腫瘤形成發(fā)展過程與新血管生成密切相關(guān)，因此抗血管生成的靶向藥物在多種惡性腫瘤的治療中顯示出一定的療效[34]。這些藥物主要通過以下機制發(fā)揮作用：①促進腫瘤血管正常化，增加腫瘤血流灌注從而增強化療藥物的療效，常與其他細胞毒藥物聯(lián)用[35]；②通過抗血管生成，從而減少腫瘤部位的氧氣和血流供應(yīng)，遏制腫瘤的生長[36]。

已證明許多益氣活血中藥，例如丹參、川芎等具有確切的擴張血管、增加血流量的作用[37]。川芎中的有效成分BDPH可與一氧化氮供體硝普鈉協(xié)同作用，起到擴血管的作用[38]。此外，一些中藥復(fù)方，如補陽還五湯、鎮(zhèn)肝熄風湯、桃紅四物湯等也具有擴張腦血管的作用[39]。本課題組通過多光子顯微鏡等手段，研究發(fā)現(xiàn)參麥注射液和人參皂苷Rd可改善腫瘤微血管的結(jié)構(gòu)和功能，增加腫瘤內(nèi)血流灌注，提高化療藥物濃度，從而增強抗腫瘤作用[40-41]。此外，冬凌草中的冬凌草素和甘草中的甘草次酸在與阿霉素聯(lián)用后，可通過其抗血管生成作用，增強阿霉素的抗腫瘤效果，同時降低阿霉素的心臟毒性[42-43]，通過分子對接技術(shù)輔助發(fā)現(xiàn)冬凌草素可能是通過抑制VEGFR2的磷酸化，從而達到增效減毒的作用[42]。

2.2 組織穿透調(diào)控

有效的組織穿透一直以來都是抗腫瘤藥物發(fā)揮藥效的關(guān)鍵[44]，但由于腫瘤微環(huán)境的改變，以及腫瘤組織中內(nèi)/外源性物質(zhì)代謝的紊亂，導(dǎo)致藥物在腫瘤部位的組織穿透性降低[45]。腫瘤微環(huán)境不同于體內(nèi)正常環(huán)境，具有間質(zhì)高壓、低氧、低pH值等有利于腫瘤增殖侵襲的特點[46-47]。與腫瘤相關(guān)的成纖維細胞可通過分泌促腫瘤細胞因子增加實體瘤壓力和間質(zhì)液壓力，從而成為限制藥物遞送的微環(huán)境物理屏障[48]。

中藥具備多靶點和多環(huán)節(jié)調(diào)控的特點，可對成纖維細胞相關(guān)微環(huán)境起到調(diào)控作用，當與化療藥物聯(lián)用后可增加其在腫瘤組織內(nèi)的遞送。例如，槲皮素能下調(diào)α-SMA表達，減少成纖維細胞數(shù)量，使成纖維細胞和細胞外基質(zhì)正?；?，增加順鉑的遞送從而達到協(xié)同抗腫瘤的作用[49]。當歸多糖可靶向遞送藥物和改善腫瘤微環(huán)境，增加化療藥物在靶器官中的藥物濃度，從而產(chǎn)生協(xié)同抗腫瘤的作用[50]。一些中藥或活性單體，還可以通過調(diào)節(jié)機體的內(nèi)源性代謝，改變藥物的跨細胞穿透能力。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)人參皂苷Rh2能調(diào)節(jié)磷酸戊糖通路從而下調(diào)P-gp表達，進而顯著提高阿霉素在荷瘤小鼠瘤內(nèi)的藥物穿透，增加療效[16-17,51]。

2.3 亞細胞器層面的調(diào)控

中西藥藥代相互作用主要是由代謝酶和藥物轉(zhuǎn)運體的改變而引起的[52]。而大多數(shù)化學(xué)藥物具有確切的作用靶部位及靶點。因此，研究中藥對靶部位的亞細胞器上的轉(zhuǎn)運體或代謝酶調(diào)控將從一個全新的視角詮釋中西藥藥代相互作用的潛在機制。盡管以往許多臨床研究認為中藥對代謝酶和轉(zhuǎn)運體的作用會增加藥物不良反應(yīng)的風險[53]，但越來越多的研究表明合理利用中藥及其活性成分對轉(zhuǎn)運體和代謝酶的調(diào)控，尤其是在亞細胞器層面的調(diào)控，可以增加藥效或降低不良反應(yīng)的發(fā)生。

在調(diào)控亞細胞器中的轉(zhuǎn)運體方面，人參皂苷Rh2、參麥注射液、當歸補血湯、康萊特注射液等通過抑制外排轉(zhuǎn)運體P-gp、MRP2或BCRP，從而提高化療藥物在腫瘤細胞內(nèi)的藥物分布，提高抗腫瘤效果[26,54-56]；人參皂苷Rh2可通過抑制細菌NorA基因，減少耐藥菌對環(huán)丙沙星的外排，從而增加其抗菌效果[57]；大黃酸通過抑制腎臟細胞OAT1/3轉(zhuǎn)運體，不僅可以增加培美曲塞的血藥濃度，從而增加其抗腫瘤活性，還能減少甲氨蝶呤導(dǎo)致的腎毒性。

在調(diào)控代謝酶方面，消癌平注射液中的主要活性成分通關(guān)藤的C21甾體苷元可作為CYP3A4抑制劑，通過抑制紫杉醇代謝，升高血藥濃度，增強抗腫瘤效果[58]。另外消癌平注射液還可通過抑制紫杉醇誘導(dǎo)的PXR和CAR的表達，從而抑制腫瘤細胞中CYP450酶、轉(zhuǎn)運蛋白P-gp的表達，進而增強紫杉醇對卵巢癌的療效[59]。

此外，白頭翁中的23-羥基白樺酸可在不影響阿霉素抗腫瘤效果的前提下，通過抑制心肌細胞中的羰基還原酶、降低毒性代謝物阿霉素醇的生成及其亞細胞分布從而發(fā)揮減輕心臟毒性的保護作用[24]，而丹參酮ⅡA可作用于溶酶體相關(guān)膜蛋白促進自噬來降低阿霉素心臟毒性[60]，甘草甜素也能改善自噬以減輕阿霉素引起的心臟毒性[61]。

3 中西藥聯(lián)用相互作用實例分析

在早期臨床研究中，中西藥相互作用首先是因為產(chǎn)生不良反應(yīng)而受到關(guān)注。對于化療藥物和治療窗窄的藥物，中藥復(fù)雜成分對于轉(zhuǎn)運體、代謝酶的改變可能會導(dǎo)致嚴重不良反應(yīng)[53,62]。例如人參誘導(dǎo)CYP3A4/5活性可能影響環(huán)孢霉素、他克莫司等窄治療窗藥物的暴露量，從而降低臨床療效[63]，川芎嗪可下調(diào)P-gp表達導(dǎo)致非索非那定清除率下降，增加體內(nèi)蓄積產(chǎn)生毒性反應(yīng)的風險[64]。

隨著中藥活性組分分離、分析技術(shù)的日漸成熟，以及對中藥活性成分藥效作用機制的逐漸闡明，越來越多的臨床研究中報道了中西藥聯(lián)用增效的相關(guān)實例：與前文2.1中增加藥物穿透的參麥注射液成分相近的生脈注射液、人參多糖注射劑分別在非小細胞肺癌和胃癌的臨床研究中被證實可以提高患者治療有效率、臨床獲益率等[65-66]；前文2.3中曾提到的能抑制外排轉(zhuǎn)運體改善耐藥的康萊特注射液，臨床研究中也被證實在聯(lián)合細胞毒藥物或介入療法治療非小細胞肺癌、鼻咽癌、肝癌時能顯著提高疾病控制速度、一年生存率，并通過增強免疫力減少不良反應(yīng)[67-69]。此外，近期研究報道了靈芝或云芝具有調(diào)節(jié)P-gp介導(dǎo)逆轉(zhuǎn)腫瘤細胞耐藥性的可能，并在臨床研究中發(fā)現(xiàn)細胞毒藥物與云芝或靈芝聯(lián)合治療胃癌、直腸癌、肺癌等可改善生存和生活質(zhì)量，減少腫瘤病變，調(diào)節(jié)免疫，緩解化療相關(guān)副作用[70]。因此，在中西藥相互作用研究新思路的指導(dǎo)下，中藥改善化學(xué)藥物治療的臨床應(yīng)用具有廣闊前景。

4 總結(jié)與展望

近年來，隨著中藥組分的分析手段不斷成熟和藥理活性研究的不斷深入，中西藥聯(lián)用增效減毒的機制研究已成為中西醫(yī)結(jié)合治療領(lǐng)域的研究熱點。然而，越來越多研究發(fā)現(xiàn)，由于中西藥相互作用的經(jīng)典藥物代謝動力學(xué)研究僅局限于血漿層面，無法解釋腫瘤、腦等特殊組織的藥物行為[22]，出現(xiàn)了中西藥聯(lián)用藥動-藥效不相關(guān)的現(xiàn)象[71-72]。因此，從“宏觀”的血漿藥物濃度深入到“微觀”的細胞/亞細胞器層面的細胞藥代動力學(xué)可為中西藥聯(lián)用機制的揭示提供新思路[73]。在定量分析血管、組織、細胞、亞細胞器層面藥物行為的新技術(shù)新模型作為可靠評價體系的基礎(chǔ)上，聚焦于促進腫瘤血管正常化、調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境、增加靶組織的藥物濃度、以轉(zhuǎn)運體/代謝酶為靶點改善耐藥等方面，以此揭示中西藥聯(lián)用增效減毒的作用機制，這與細胞藥代動力學(xué)的核心理念相輔相成。與此同時，越來越多的臨床中西藥聯(lián)用也提供了具有說服力的實例。然而，臨床也不乏中西藥聯(lián)用導(dǎo)致藥效降低或毒性反應(yīng)的現(xiàn)象，而這大多與中藥復(fù)雜組分在相互作用研究時缺乏完整的因果關(guān)系和整體的定量評估有關(guān)[74]?？傊?，中西藥聯(lián)用機制的闡明不僅有助于指導(dǎo)臨床合理用藥，也對化學(xué)-藥動-藥效三維中藥現(xiàn)代化研究體系的建立奠定了基礎(chǔ)[75]。綜上所述，細胞藥代動力學(xué)思想指導(dǎo)下的中西藥相互作用研究新模型、新技術(shù)、新機制，將為中西藥聯(lián)用的增效減毒機制研究開啟新篇章。