來源：轉載大品種聯盟公眾號 | 發(fā)表時間：2021-06-22
來源于《中國中藥雜志》，2021,46（10）
結構中藥學: 中藥藥效物質基礎研究的新領域
喬宏志1，2通訊作者，狄留慶1，平其能3 ，胡立宏2通訊作者
( 1．南京中醫(yī)藥大學 藥學院，江蘇省中藥高效給藥系統工程技術研究中心，江蘇 南京 210023;
2. 江蘇省中藥功效物質重點實驗室，江蘇南京 210023; 3．中國藥科大學 藥學院，江蘇 南京 211198)
中藥藥效物質基礎是中藥學研究的根本問題，也是中藥學各二級學科繞不開的科學問題。中藥藥效物質基礎研究旨在闡明中藥藥效物質、藥理作用及起效機制，是揭示中藥及其組方內涵、開發(fā)中藥適宜制劑、制定質量標準、提高臨床療效的前提和依據，是中藥現代化的重要組成部分。經過數百年的發(fā)展，中藥化學成分的分離和評價手段日趨成熟，中藥化合物獲得充分積累，化學結構及其活性的關系已經比較明晰。但同時，部分中藥的活性成分不清、體內外活性不一致、大多數中藥活性成分的成藥性差等問題愈發(fā)凸顯且長期未能解決，現有研究體系難以全面闡釋中藥藥效物質基礎的科學內涵。另一方面，新興學科和技術的發(fā)展使人們認識中藥的思路、方法和手段獲得極大拓展，發(fā)現了很多不同于傳統研究理念，但卻能較好體現中藥功效的新活性物質和起效方式，為破解中醫(yī)藥謎題帶來新的線索。本文回顧了中藥藥效物質基礎研究的歷程，指出當前面臨的瓶頸問題，從中藥藥效物質基礎的兩面性角度分析了問題產生的共性原因，即長期以來對中藥藥效物質物理基礎研究的忽視。并根據近年來該領域涌現的新觀點、新進展證明了活性成分的存在形式對起效的關鍵作用，由此提出結構中藥學理論和研究模式，以期為中藥藥效物質基礎研究提供新的視角和思路。
1中藥藥效物質基礎的研究歷程
過去數百年，在天然藥物化學和多組分分離技術的帶動下，一大批中藥化學成分被發(fā)現，形成了豐富的天然化合物庫。但傳統方法分離周期長、過程繁瑣，且常存在活性成分丟失、獲得的化合物無效等問題，反映出研究的高消耗性和盲目性。作為改進，以“分子-靶標”理論為基礎的中藥藥效物質研究取得重大成效，形成了以活性為導向的天然產物發(fā)現與靶點確證研究模式。在該研究框架下，大量活性化合物被發(fā)現，其中不乏青蒿素、喜樹堿等結構明確、藥效顯著、機制比較清楚的化合物，已被開發(fā)成臨床藥物，并逐漸形成了基于天然產物的新藥創(chuàng)制模式。但該研究模式也存在一定的局限性，因為中藥是多成分、多靶點起效，單一或少數指標篩選得到的活性成分不能全面體現中藥藥效物質基礎。為了更好地適應中藥特點，近年來國內外研究者提出和發(fā)展了多種研究思路、方法和技術，包括組合化學和化學物質組思想、成分敲出/ 敲入方法、中藥譜效關聯方法、血清藥物化學和藥理學結合方法、中藥整體藥代動力學方法、等效成分群發(fā)現技術、分子生物色譜技術和網絡藥理學技術等。這些思路和方法在解釋和發(fā)現中藥活性組分方面各有優(yōu)勢，對認識中藥藥效物質基礎起到了積極作用。但應該看到，現有方法在不同方面都存在一定的弊端和應用限制。
縱觀國內外中藥藥效物質基礎研究的歷程，有些根本問題或現象始終未能解決。這包括化學成分與有效成分的錯位認識，提取物越純活性越弱甚至無效的現象，臨床有效但藥效成分不明，化合物體外有活性但生物利用度和成藥性差，藥效/ 毒效疊加方式和協同機制不清楚，中藥活性物質的體內傳遞過程未明確等。
2中藥藥效物質基礎的兩面性和多維特征
一直以來，對中藥的認識和研究主要是基于其所含的化學成分，即通過各種方法和技術弄清中藥的化學組成及其藥效活性。中藥活性化合物的集合構成了中藥起效的化學基礎。然而，決定中藥藥效的另一重要方面，即中藥多組分形成的物理基礎( 相態(tài)) 及其作用模式的解析，則尚未有清晰的認識和深入的研究。隨著中藥化合物庫的積累以及出現的越來越多的未知和矛盾現象，人們逐漸意識到傳統單一的化學視角在認識和闡釋中藥藥效物質基礎方面存在局限性，甚至有些現象不能從化學成分角度解釋。例如，葛根素、小檗堿和黃芩苷是從葛根、黃連和黃芩中分離到的活性成分，但存在溶解性差，口服生物利用度低的問題。但在經典方劑葛根芩連湯中通過與甘草的配伍，上述成分的溶出度和生物利用度明顯增加。這是由于甘草中的甘草酸具有兩親性，可以與難溶性成分形成“膠束相”，起到增溶作用，改善了全方活性成分的吸收和療效。由此可見，中藥活性成分的起效需要適宜的存在形式和物相狀態(tài)，這就是中藥功效物質的相態(tài)屬性或物理基礎。中藥藥效物質基礎的兩面性是由中藥多組分起效的本質決定的，成分的多樣性必然存在相互作用，繼而產生形式各異的物理結構，而成分和結構共同影響了藥效的發(fā)揮。成分是效用的來源和基礎，結構是起效的形式和途徑。拋開成分談結構會變成無本之木、無源之水，而摒棄結構談成分則很可能喪失舟楫而難以行船。大量天然成分難以成藥的事實很大程度上就是忽視了中藥起效的適宜形式。
中藥藥效物質基礎的兩面性決定其具有多維特征。中藥的化學組成、化合物的理化特性和活性功能等屬于中藥化學基礎的范疇，也是以往研究的重點; 而中藥不同成分間的互作關系、存在狀態(tài)和組織構造、特定物相對成分吸收和轉運的影響、成分-物相-藥效間的傳遞方式和協作關系等信息則屬于中藥物理基礎的研究領域，但目前的關注度和研究深度還有待加強。
3結構中藥學的提出背景和依據
瑞典著名結構生物學家 LILJASA 教授在其著作《結構生物學: 從原子到生命》中全面解析了重要生命活動過程的結構基礎及由此闡發(fā)的分子機制，展現了生物大分子結構與生命效應的內在聯系。中藥作為來源自然界的一類活性物質，其效應方式伴隨著分子鍵合或配體/ 受體對接，必然對化合物及其高級組裝形式的結構具有高度依賴性。從藥用動植物到炮制加工品再到具體制劑的整個中藥生命周期中，普遍存在化學成分和物理結構的傳遞，并對生物轉運和藥效發(fā)揮起重要作用。例如中藥煎煮過程中往往會有自沉淀現象，這預示著新相態(tài)的形成。研究者較早發(fā)現了中藥共煎對相關活性成分溶出度、藥效和毒性的影響。但長期以來，這種新物相形式的產生基礎和對起效的意義未能被揭示，相關現象和研究也缺乏系統的歸納總結。此外，受天然化合物分離方法的限制，中藥本源的物態(tài)形式在有機溶劑萃取和洗脫過程中被破壞或摒棄，也是造成中藥物理結構研究一直未有明顯進展的原因。
近年來，隨著超分子化學、生物物理學、納米生物學等學科的發(fā)展以及各類電鏡、成像和譜學分析技術的突破，中藥的很多物相形式和特征被發(fā)現和揭示，極大地拓展了中藥藥效物質基礎的認識維度。
3.1 動植物體內的功能性囊泡
細胞外囊泡( extracellular vesicles，EVs) 是一種由活生物體細胞釋放到細胞外基質的膜性小泡，參與細胞通訊、細胞遷移、血管新生和腫瘤細胞生長等過程，廣泛地存在于各種體液和細胞上清中。成分解析發(fā)現EVs 包含脂質、蛋白、核酸及其他分子。近年來，有學者參照EVs 的分離方法從植物樣本中分離出囊泡結構，粒度在30 ～1 000 nm，有類似于原植物的活性功能，部分活性甚至優(yōu)于傳統功效成分。例如，西蘭花來源囊泡可顯著降低結腸組織中IFN-γ，IL-17A，TNF-α 的表達，有效緩解結腸炎小鼠的癥狀。生姜來源囊泡對牙齦卟啉單胞菌有抑制作用，其作用機制是囊泡中特定比例的脂質可與細菌表面的HBP35 蛋白結合，抑制細菌生長。ZHOU Z 等發(fā)現金銀花囊泡攜帶的miＲ2911 可直接靶向多種流感病毒( H1N1，H5N1，H7N9) ，抑制病毒的復制，且miＲ2911 具有極強的穩(wěn)定性，可以耐受煎煮和胃酸環(huán)境的降解。CAO M 等發(fā)現人參來源囊泡與巨噬細胞接觸后會被迅速識別、內化，誘導巨噬細胞M1 型極化，抑制小鼠腫瘤生長，并證明囊泡結構的完整性是起效的必要條件。類似結果在本課題組研究的地黃囊泡中也得到證實，同時發(fā)現囊泡的免疫增強功能顯著優(yōu)于傳統活性成分地黃多糖。目前認為，來源于植物的囊泡是由各類初級、次級代謝產物組裝而成的結構單元，在生物轉運和藥效方面發(fā)揮協同作用。
3. 2 中藥炮制品的活性納米結構
中藥炭藥是中醫(yī)臨床應用極具特色的一類傳統藥物。中藥制炭的主要目的是使藥物產生或增強收斂、止血、止瀉作用以及緩和藥性、降低毒性。傳統炭藥主要關注小分子炮制前后的含量變化，得到的信息呈現碎片化，缺乏規(guī)律性和因果關系，某一成分在不同炭藥炮制過程中的升降趨勢也并不完全一致，很難作為炭藥的物質基礎。近年來有人從貫眾炭中發(fā)現大量邊界清晰的納米顆粒，尺度 1 ～7 nm，晶格排列整齊。這些納米碳點可明顯抑制肝出血，并具有較好的保肝功效。類似的，經過純化去除小分子成分后的荊芥炭主要為粒徑30～60 nm、分散良好的納米碳點，具有顯著止血活性。LIU G 等深入研究了納米生物炭的形成過程和結構特征， 這為揭示中藥炭藥的物質基礎提供了新角度和實驗證據。
3. 3 中藥湯液中的功能性膠體
中藥湯液存在多重相態(tài)，如真溶液、膠體、乳液和混懸液等。有學者按粒度大小將白虎湯分成不同組分，發(fā)現 100 nm 尺度的膠體組分具有最好的退熱功效，與白虎湯全方相當，且易于口服吸收。進一步檢測該組分的構成，表明含有新芒果苷、芒果苷、甘草酸等傳統功效成分，并包含鎂、鋁、鋅、鈣等無機元素，表明這些成分通過相互作用形成了新的活性相態(tài)形式。陳秋薇研究了附子甘草配伍前后湯液化學成分以及電導率、黏度、表面張力和粒度等物化參數的變化，并與毒效指標關聯，證明成分、相態(tài)和毒效間具有關聯性。LI X 等發(fā)現中藥湯液中存在熱穩(wěn)定性良好的納米級“湯劑體”，該結構由多種脂質、蛋白、sＲNA 和小分子代謝物組成。中藥紅景天煎液中的“湯劑體”可以促進活性sＲNA ( HJT-sＲNA-m7) 入血并能靶向肺纖維化相關蛋白，降低纖維化因子表達，改善肺纖維化癥狀。該類研究為分離中藥活性組分提供了不同的思路和方法，同時為中藥湯劑質控體系的構建提供了多元的質控參數參考。
3. 4 中藥活性小分子間的相互作用
中藥煎煮過程中的絮凝或沉淀現象反映化學成分間的相互作用。近年來，對天然產物在不同環(huán)境中的互作機制研究取得積極進展。ZHAO X 等研究表明，甘草酸在一定濃度下會從溶液狀態(tài)向凝膠相轉變，繼續(xù)增加濃度將完全膠凝，且表現出對金黃色葡萄球菌的生長抑制。HUANG X 等研究表明小檗堿和肉桂酸可自組裝形成蝶形一維結構并最終堆砌成三維球形構象，二者作用力為氫鍵和π-π 堆積。形成的納米結構對耐藥型金黃色葡萄球菌有顯著抑制效果，活性強于單用的小檗堿，但肉桂酸并無明顯抗菌活性。LI T 等研究了黃連解毒湯中主要成分小檗堿與黃芩苷、漢黃芩苷的互作機制，證明二者分別形成了納米粒和納米纖維構象。2 種構象在抗菌活性方面表現出明顯差異，其中納米粒的活性強于小檗堿，而納米纖維的活性比小檗堿弱，表明活性成分的物理結構對藥效發(fā)揮有關鍵作用。
3.5 中藥活性小分子與初級代謝產物的超分子組裝
除了小分子次級代謝產物之間存在相互作用外，小分子與中藥中的脂質、蛋白、多糖等初級代謝產物也存在互作關系。但傳統的中藥分離工藝將這些大分子視為無效成分而丟棄。近年來的研究表明，很多大分子成分也有一定活性，或者本身無藥效活性，但在塑造活性起效形式、改善活性成分轉運、增效減毒等方面具有獨特功能。例如中藥葛根的淀粉質量分數高達 22% ～26%，高溫煎煮下淀粉溶脹、分裂形成均勻糊狀溶液，該過程被稱為淀粉的糊化。研究表明糊化淀粉顆粒呈無定型，與小檗堿結合更加緊密，對小檗堿的溶解和溶出有促進作用。QIAO H 等發(fā)現中藥鞣質類成分可以與多肽復合形成穩(wěn)定的超分子結構，該結構對動物毒肽的溶血性有較強的屏蔽效果，同時可以助力多肽發(fā)揮藥效。QIAO H 等從臨床腎方的湯液聚集物中分離出氨基多糖、大黃素和微量元素，揭示了三者聚集的作用機制和構造特點，證明聚集物在改善難溶性成分溶解度，提高大黃素、丹酚酸等活性成分的腎臟分布和干預腎纖維化進程方面較單成分具有顯著優(yōu)勢，對揭示中藥的組方內涵和藥效物質基礎有一定的參考意義。
4結構中藥學的概念、特征和研究模式
4.1 結構中藥學的基本概念
中藥成分的互作關系、存在形式和物理狀態(tài)對生物利用度、體內轉運過程和起效機制有重要影響，是中藥藥效物質起效的物理基礎。它與活性化合物組成的化學基礎分別體現了中藥藥效物質基礎的 2 個方面。結構中藥學就是研究中藥功效成分物理基礎的學科領域，它包括中藥成分的相態(tài)變化規(guī)律及其效應關系?！跋鄳B(tài)”是指在一定環(huán)境下，不同或相同成分間相互作用形成的相對穩(wěn)定的構造形式，它包含成分和結構2個層面。傳統中藥研究比較關注成分層面，但任何成分都有其所處環(huán)境和存在狀態(tài)，相同的成分在不同環(huán)境條件下會有不同的結構形式。如很多中藥成分在有機相中呈“溶解狀態(tài)”，而水中則呈聚集態(tài)甚至沉淀，這直接決定了其在生物藥劑學分類系統中的劃分類別。但事實上，很多化合物即使是被定義為水溶性成分，也未必是“真溶液”的存在形式。例如很多中藥“水溶性”皂苷成分在一定濃度下會締合成“膠束相”從而影響其性能。因此，中藥成分( 包含各類初級和次級代謝產物) 在一定條件下相互作用產生的特定相態(tài)才是功效傳遞的完整形式。相態(tài)的產生可源自本體，如前文所述生物體細胞分泌的細胞外囊泡或甘草酸自身組裝形成的聚集形式; 也可以是通過炮制或配伍等方式實現的， 例如炮制后形成的碳點或復方中藥煎煮過程形成的自沉淀。相態(tài)的維持與變化受組分構成、所處環(huán)境等多元因素調控，相態(tài)的轉化引起功能或效應的遷移。例如氨基多糖、鈣離子和丹酚酸在中性pH 下可組裝成球形納米粒子，在體內穩(wěn)定地傳輸。但在炎性環(huán)境的酸性條件下可解聚釋放出游離丹酚酸。這種隨環(huán)境而變得相態(tài)伴隨著藥物的裝載、釋放、轉運和起效，體現中藥物質和功效的傳變規(guī)律。
4. 2 結構中藥學的幾大特征
結構中藥學具有以下幾個特征，①整體與個體統一: 研究維度不再是孤立的分子或分子組合，而是存在弱鍵互作關系及特定結構的活性相態(tài)形式，單分子僅僅是中藥成分的一種相態(tài)形式，在不同環(huán)境下存在單體和聚集態(tài)的互變; ②動態(tài)性和階段性: 相態(tài)是特定環(huán)境下的多因函數，不同的體內外環(huán)境促成不同的相態(tài)形式，這些特定相態(tài)可以反映中藥物質形成、衍化、轉運、起效的整個生命周期，而特定環(huán)境下的相態(tài)反映所處階段的功能和意義，這也為研究工作的分段開展提供了可能; ③相效關聯性: 這既是認識觀又是方法論，即研究中藥的相態(tài)不是拋開成分和效應單純研究結構和物理性質，而是關注和揭示成分-相態(tài)-效應關聯鏈條中的物質與功能傳變規(guī)律; ④實踐性: 結構中藥學是源于實踐的總結，并將為中藥藥效物質基礎研究提供多維的、可行的研究思路和實施方法; ⑤開放性和延展性: 結構中藥學的理論和實踐對中藥藥效物質基礎的闡釋、中藥質量的多元評價、功能輔料的發(fā)現、中藥新藥的創(chuàng)制提供了開放的研究空間。
4. 3 結構中藥學的研究模式
4. 3. 1 中藥活性相態(tài)的分離與純化由于傳統天然化合物的分離多基于分子極性的不同，常使用大量有機溶劑，這往往導致中藥原有相態(tài)的破壞。因此活性相態(tài)的分離宜采用溫和的、非破壞性分離方法。目前化工領域常用的分離技術，如離心、微納濾、離子交換、凝膠色譜、透析等技術可供借鑒使用( 圖1) 。此外，近年來開發(fā)的非對稱流場流分離( asym- metrical flow field-flowfractionation，AF4) 技術利用垂直方向的外力場和載液使不同粒度樣品發(fā)生差速遷移以達到分離目的。由于該技術的分離腔無填料，流動相允許使用高離子強度載液，無需添加其他改性劑，因此不會影響顆粒尺寸和表面電荷，末端串聯其他檢測設備，如紫外光譜、電感耦合等離子體質譜儀或顆粒尺寸表征設備，可顯著提高AF4 的分離效率和功能性，是一種有前景的分離技術。
4. 3. 2 活性相態(tài)的表征表征內容包括幾個方面: ①化學組成和比例的確定可以使用現行通用的色譜技術、質譜方法和測序技術等，對活性相態(tài)的初級、次級代謝產物及無機元素進行全面解析; ②借鑒微納結構和膠體的表征方法，對活性相態(tài)的尺度、形貌、電荷、構造、黏度、張力、聚集/ 分散性和生物物理參數等進行表征; ③借鑒超分子化學原理和檢測技術研究分子的組裝機制，明確分子互作的熱動力學參數、組 裝規(guī)律和觸變條件。
4. 3. 3 相態(tài)的生物轉運和效應機制借鑒生物藥劑學、藥代動力學理論和方法，研究中藥相態(tài)的吸收、分布、代謝、排泄等生物轉化過程，揭示其跨越生物各級屏障的路徑和機 制，使用合適的藥理模型評價活性相態(tài)的藥效學和起效協同 性，深入闡述活性相態(tài)成分-結構-轉運-效應的關聯傳變機制。
4. 3. 4 技術應用與拓展領域①結構中藥學將中藥的化學成分和存在形式都納入到藥效考量體系中，更符合中藥整體性和協同性特點，可用于指導中藥藥效物質基礎和質控標準研究; ②“藥輔合一”作為中藥制劑加工和臨床用藥的特色，強調中藥中非傳統活性成分的功能，如充當載體或改善其他成分穩(wěn)定性和生物利用度等，這與結構中藥學的整體研究方向是一致的，因此可以作為發(fā)現藥源性輔料的一種途徑; ③由于結構中藥學涉及從藥材到制劑的全鏈條研究， 這就為以活性相態(tài)為基礎的中藥新藥開發(fā)提供了思路和借鑒。
5結語
結構中藥學是在總結前人理論和實踐的基礎上提出的，有其客觀性和時代性。首先，生物體是由大量生物分子構成的，而每一個功能生物大分子都有特定的結構，并被賦予特定的功能。它們相互協調，共同組裝成更高級的分子機器、細胞器，進一步組裝成生命功能的基本單元———細胞。因此，生物體就是由化學元素構成的分子通過組裝成特定結構而發(fā)揮功能的，這是生物世界的基本規(guī)律。中藥作為來源于生物界的活性產物并作用于新的生物系統，也必然遵循這一規(guī)律。其次，結構中藥學的產生具有鮮明的時代特征。結構生物學、超分子化學、生物物理學等新興學科和現代技術的發(fā)展極大地拓展了人們對中藥的認識維度和實踐手段，數以萬計的天然化合物的發(fā)現和積累也為理解中藥由成分到結構再到功能的傳變過程提供了研究基礎，這是催生結構中藥學理論和實踐的時代元素。
當前，很多久而未解的瓶頸問題制約著中醫(yī)藥現代化的進程，傳統的研究模式經過百余年的發(fā)展已趨于成熟和固化，很難突破現有范式轉化為更高級模式，這實質上就是美國人類學家 Clifford Geertz 提出的內卷化概念在科學研究中的表現，這是一種規(guī)則范式在窮盡其生產力功能之后所呈現出的一種高成本的無差別吞噬或沉沒效應。要想破解中藥學研究的內卷化趨勢，保持系統的開放狀態(tài)是必要的外部條件。此外，在領域內保持思想和方法的多樣性也是構建多元生動的科研生態(tài)、避免系統過度內卷化的必要內部條件。與近年來中藥學領域出現的其他思想和方法一樣，結構中藥學也是中藥守正創(chuàng)新道路上的探索和實踐，也同樣需要經歷長期的論證和修正以獲得不斷的發(fā)展。但與此同時，筆者更希望通過結構中藥學的提出構建一種開放多元的科研生態(tài)，使業(yè)內重視和加強中藥多維特征的研究，這不僅會拓寬和豐富人們對中藥科學內涵的認識，也將對中藥學其他領域的傳統實踐產生重要影響。
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