中药网络药理学：理论、方法与应用

中医学将病人当作一个具有不同状态的系统来进行治疗,具有悠久的历史,积累了大量的方剂。中医学的整体观念与网络药理学、网络生物学等前沿科技的核心思想具有相通之处,也符合了对肿瘤等复杂疾病进行系统性治疗的需求。“中药网络药理学”这一新领域的研究旨在从系统层次和分子水平揭示中药方剂的奥秘,促进中药研究从当前的“单一靶标,单一药物”模式转向“网络靶标,多成分药物”的新模式。近年来,中药网络药理学的一系列方法得以创建,包括基于网络的疾病基因预测、中药成分的靶标谱和药理活性预测、药物一基因一疾病的共模块分析、中药方剂多成分协同作用的大规模筛选、中药方剂的配伍规律和网络调节机理分析等。这些方法在清络饮、六味地黄丸等方剂的药效物质与作用机理等方面得到了有效应用。研究结果表明中药网络药理学能够为中医学从基于经验的医学迈向基于证据的医学提供新的途径,并能加速中药药物发现的进程,同时改进当前的药物研究策略。     

网络靶标:中药方剂网络药理学研究的一个切入点

目前中药研究的一个重点和难点问题是理解中药方剂复杂化学体系与病证复杂生物系统的相互作用.作者通过多年研究,从网络药理学、系统生物学角度对该问题提出“网络靶标”这一新的概念与方法.网络靶标概念指的是将病证生物分子网络当作靶标,由此设计和预测最佳的药物干预方式.网络靶标方法旨在将病证、方药映射于生物分子网络,然后在网络上对病证与方药的关系进行机制性的计算、分析与预测,以期发现药效物质及其作用机制,阐释方剂配伍规律与方证关联,并进行组方用药的理性设计.该文概述作者课题组在网络靶标方法及其在中药方剂中的应用进展,希望能为中药方剂的网络药理学研究提供参考.     

治疗类风湿关节炎中药方剂作用原理的网络药理学研究策略

方剂是中医临床用药的主要形式,是中医整体观和辨证论治思想的集中体现.长期以来,方剂作用原理的研究既是学术界的热点也是难点.近年来,基于组学技术及计算机模拟计算方法的网络药理学被广泛应用于中药药理、方剂配伍的科学内涵、中药药性与疗效等领域的研究中并产生了许多有价值的研究成果.本文概述了类风湿关节炎寒、热证候相关的疾病网络的构建方法,证候关联中药组方规律的文本挖掘方法以及方证对应的生物靶点网络的构建方法.初步探讨了基于证候动物模型的组学信息构建“病-证”动物表型网络及基于寒性、热性方剂对应的化合物信息构建药物靶标网络的网络药理学思路.提出应用网络药理学的技术方法研究类风湿关节炎寒、热证相关疾病网络特点及寒性、热性方剂作用原理的新策略.     

Prediction of quality markers of traditional Chinese medicines based on network pharmacology

Network pharmacology is a powerful tool to reflect the pharmacologically active effects, mechanism of action and toxic activity of traditional Chinese medicines (TCMs). The ingredients of TCMs, associated with quality control of TCM products, are those fundamental chemicals that exhibit biological activities. A great amount of effort has been made by scientists in that field in order to improve the quality of TCMs, though the approaches to determine their quality and the TCM theory and compatibility rules remain ambiguous. Now some methods and technologies must be applied to predict and explore the quality marker (Q-marker) for quality control, as well as to clarify the factors affecting the quality of TCM, which may give new insight into rational ground of establishment of appropriate quality control and assessment system. In this review paper, authors focus on the prediction of quality markers of TCMs by network pharmacology based on three aspects: (1) from network medicine to network pharmacology, (2) complex network system of traditional Chinese medicine, and (3) predicting TCM quality markers based on network pharmacology. Authors proposed the research pattern on network pharmacology based on biological and medical networks, and further TCM network pharmacology based on substantial basis of TCM formulae, and the idea of “effect-ingredient-target-fingerprint” to predict and recognize the TCM Q-marker was the ultimate goal. In addition, authors yet noted how to make full use of the advantages of network toxicology to provide new ideas for the toxicity study of complex TCM systems and the prediction of TCM toxicity markers.     

网络方剂学特征的研究进展

网络方剂学具有将网络科学与中医方剂学特点相结合,借助现代科技,整合中医整体思辨的宏观思维与现代医学生物细胞分子的微观视角,通过知识关联网络构建及分析法,建立一个系统方剂知识库及病症结合网络,重点研究方剂功效物质组整合调节机制、配伍规律的阐明、源自方剂的中药新药创制及类方网络方剂学构建等特征。物质基础研究能揭示方剂作用机制,是中药复方质量控制及安全性的保障;配伍规律是方剂的核心;方剂在治疗复杂疾病方面具备整合调节的优势,是研制多靶点新药的重要源泉;类方的研究有利于对方剂复杂体系的系统认知及对方剂配伍规律等核心问题的理解。以上4方面是方剂现代化研究的重点和难点,也是网络方剂学研究的重要内容及方向。网络方剂学的发展则有助于诠释中药复方的科学内涵,提高临床用药疗效,拓展新药的研发思路。该文对网络方剂学的特征进行总结,对基础研究、配伍理论、新药创制、类方研究4个方面的研究方法及进展进行概述,以期有助于阐明方剂的组方原理、配伍规律及其临床使用方式,促进方剂的现代化研究。     

Systems pharmacology for traditional Chinese medicine with application to cardio-cerebrovascular diseases

Identified as a treasure of natural herbal products, traditional Chinese medicine (TCM) has attracted extensive attention for their moderate treatment effect and lower side effect. Cardio-cerebrovascular diseases (CCVD) are a leading cause of death. TCM is used in China to prevent and treat CCVD. However, the complexity of TCM poses challenges in understanding the mechanisms of herbs at a systems-level, thus hampering the modernization and globalization of TCM. A novel model, termed traditional Chinese medicine systems pharmacology (TCMSP) analysis platform, which relies on the theory of systems pharmacology and integrates absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity (ADME/T) evaluation, target prediction and network/pathway analysis, was proposed to address these problems. Here, we review the development of systems pharmacology, the TCMSP approach and its applications in the investigations of CCVD and compare it with other methods. TCMSP assists in uncovering the mechanisms of action of herbal formulas used in treating CCVD. It can also be applied in ascertaining the different syndrome patterns of coronary artery disease, decoding the multi-scale mechanisms of herbs, and in understanding the mechanisms of herbal synergism.     

药物靶标预测技术在中药网络药理学中的应用

近年来,随着网络药理学逐渐兴起,特别是"网络靶标"概念的提出,引发了中医药新的研究热潮。其所强调的整体性与系统性和中医药理论不谋而合,能够很好的解释中医药的深刻内涵,包括中药作用机制解释,药效物质的寻找,君臣佐使配伍机制阐释等,更加适合中医药的学术特点和实际。而如何高效快速地识别大量的药物与靶标蛋白间的相互作用则成为中药网络药理学研究中的一个关键问题。药物-靶标相互预测技术作为一种高效而高通量的手段,能够减少成本,快速预测成分靶标,为中药网络药理学的应用奠定基础。事实上,针对庞大的化合物和靶标数据库,不同的预测方法和技术都被开发出来,并用于预测药物和靶标的关系,且已经有许多虚拟筛选技术成功的应用于网络药理学中。根据预测原理的不同,药物-靶标相互预测技术和策略大致可以分为4类,即基于配体的预测方法,基于靶标的预测方法,机器学习方法和组合应用的预测方法。该文就药物靶标预测方法及其在中药网络药理学的应用现状进行较系统的阐述,希望能够为广大中药研究者提供有益的参考和借鉴。     

中医药网络药理学:《指南》引领下的新时代发展

中医药凭借整体观和两千多年来临床使用天然药物的实践经验,在疾病的预防和治疗中有独特优势.中医药诊疗思想和丰富临床经验中的"整体"特色孕育了以"网络"和"系统"为特色的新一代研究模式.该模式在生物医学大数据和人工智能时代得到了快速发展,其中有代表性的研究领域——"网络药理学"为人工智能与中西医学交叉研究、分析海量生物医学...     

Systems approaches and polypharmacology for drug discovery from herbal medicines: An example using licorice

Ethnopharmacological relevance

Licorice, one of the oldest and most popular herbal medicines in the world, has been widely used in traditional Chinese medicine as a cough reliever, anti-inflammatory, anti-anabrosis, immunomodulatory, anti-platelet, antiviral (hepatitis) and detoxifying agent. Licorice was used as an example to show drug discovery from herbal drugs using systems approaches and polypharmacology.

Aim of the study

Herbal medicines are becoming more mainstream in clinical practice and show value in treating and preventing diseases. However, due to its extreme complexity both in chemical components and mechanisms of action, deep understanding of botanical drugs is still difficult. Thus, a comprehensive systems approach which could identify active ingredients and their targets in the crude drugs and more importantly, understand the biological basis for the pharmacological properties of herbal medicines is necessary.

Materials and methods

In this study, a novel systems pharmacology model that integrates oral bioavailability screening, drug-likeness evaluation, blood–brain barrier permeation, target identification and network analysis has been established to investigate the herbal medicines.

Results

The comprehensive systems approach effectively identified 73 bioactive components from licorice and 91 potential targets for this medicinal herb. These 91 targets are closely associated with a series of diseases of respiratory system, cardiovascular system, and gastrointestinal system, etc. These targets are further mapped to drug–target and drug–target–disease networks to elucidate the mechanism of this herbal medicine.

Conclusion

This work provides a novel in silico strategy for investigation of the botanical drugs containing a huge number of components, which has been demonstrated by the well-studied licorice case. This attempt should be helpful for understanding definite mechanisms of action for herbal medicines and discovery of new drugs from plants.     

网络药理学指导下的中药有效成分发现策略

网络药理学是建立在疾病-基因-药物的多层次网络基础上,用于从整体上预测药物靶点、提高药物发现效率的新兴学科,其研究理念同中药发挥整体疗效的观点十分相似,使得越来越多的医药研究人员开始寻找中药与网络药理学的结合点,并出现了一系列研究疾病相关基因、预测靶点信息及中药活性成分的方法。本文对网络药理学研究的主要工具与数据库及其应用进行归类总结与介绍,并在此基础上,提出了应用网络药理学进行中药有效成分靶向分离的科学策略,以期提高中药有效成分发现的效率与速率。     

高通量技术与网络药理学在中药活性成分筛选中的应用

目的:解决中药活性成分筛选的技术瓶颈。方法:根据实验室前期研究结果和相关文献,分析了有关通量研究技术,总结了课题组在网络药理学的指导下利用通量技术筛选中药活性成分。结果:快速制备、高通量筛选、高通量生物芯片技术以及组合药靶网络对于中药活性成分筛选、毒性成分排除、药物分子机制研究均有重要价值,是中药现代化及网络药理学研究的关键技术。结论:高通量技术与网络药理学相结合可提高中药活性成分筛选的效率。     

组分结构中药与网络药理学:病理机制网络的系统整体调控

疾病的发生发展是多种因素参与的生物网络变化的结果。药物干预的本质是将这种病理变化调控至正常范围。中药的优势在于通过多靶点、多层次、多途径地整体和系统性调控这种生物网络病理改变。组分结构中药为这种调控提供了可控、精确的"物"的基础,又通过网络药理学调控阐明"理"的本质。组分结构中药与网络药理学的密切结合为创新中药提供了一种新的研究策略,改变了传统用药的"一个药物、一个基因、一种疾病"的模式,体现疾病发生发展的整体特点,也充分体现中医药防病治病的内涵本质。该研究系统探讨了组分结构中药与网络药理学的结合本质、特点以及研究策略,从改善或恢复生物网络平衡的整体观角度来认识组分结构中药与机体的相互作用,成为揭示组分结构中药调控疾病生物网络机制的有效措施,也为进一步科学的研究创新组分结构中药提供新的思路和方法。     

中药多成分药代动力学研究:思路与方法

药物在体内产生药效作用有两个前提条件,其一是给药后药物分子能被机体有效利用(即:能够通过体内的生物屏障到达作用靶位,达到并维持起效浓度);其二是药物分子到达作用靶位的化学形式(原型化合物或代谢物)具有与药效关联的生物活性。中药药代动力学是中药药理学的重要分支,它从中药活性成分能否被机体有效利用的角度,研究与中药药效和安全性相关的物质问题。中药化学组成复杂,通常含众多活性成分,许多中药的发展经过"临床→研究→临床"的过程;与此相对应,化药通常为单一成分,其发展一般经过"研究→临床"的过程;这些带来了中药药代动力学研究有别于化药相关研究的特点。中药药代动力学研究常围绕临床有效中药,为揭示中药药效物质基础迈出关键的一步,并通过"选对成分"和"用好成分"为中药疗效的提高创造条件。作者主要基于其研究团队近年来开展的中药多成分药代动力学研究工作,重点介绍开展这类研究的思路和方法。     

基于多学科交叉的中药药效物质基础研究方法和思路概述

中药药效物质是揭示中药作用本质奥秘的关键,是中药安全性和质量控制的基础和核心,而中药及其复方多组分、多靶点、整体调节的作用特点,使其药效物质基础不明成为中医药现代化和国际化发展进程中的瓶颈之一.近年来,随着各学科研究方法和技术手段的不断发展和成熟,众多学科包括分析化学、中药药物化学、药理学、细胞生物学、系统生物学、生物信息学等不断引入中药研究.多学科的交叉整合实现了各学科之间的交流和良性互动,加速了中药研究和中药现代化的进程.该文通过对中药复方药效物质基础研究方法的探讨和总结,对多学科交叉整合的研究模式在中药药效物质基础研究中的应用进行综述,为中药及其复方药效物质基础的辨识提供参考.     

血清药理学研究概要

中药复方复杂多样,在研究其药理机制过程中暴露出许多问题,在此基础上产生了中药血清药理学。血清药理学是指用含有药物成分的血清施加于体外实验反应体系的一种半体内实验方法,目前正趋于成熟,并广泛应用于对中药复方药理作用和作用机理的研究。中国血清药理学起步晚,缺乏经验,中药血清药理学作为一种新的药理实验方法,在药理机制研究中的应用有待规范化。本文就中药血清药理学的一般方法、研究应用现状、优势和不足,结合笔者在实验中的经验做一概述。     

中药网络药理学研究中存在的问题与发展展望

网络药理学近年来已成为中药研究的热门工具,其系统性和整体性特点为复杂中药体系的研究提供了新思路,被广泛用于筛选中药有效成分、阐释作用机制和揭示方剂配伍原理等,为中药合理用药提供技术支持,促进中药现代化进展。通过对中药网络药理学研究现状进行梳理分析,指出中药网络药理学研究中存在的问题和面临的挑战,同时对中药网络药理学的发展方向进行了展望。将网络药理学应用于中医药研究时必须要注重中药自身的特点,开发出适合中医药体系研究的网络药理学方法。     

中药复方数学模型研究进展暨多源因果法

在综述数学模型研究中药药理、总结其发展动态的基础上,引入复杂系统、复杂网络和定性数学相关理论,从中药复方的特点寻找最适合的数学描述工具,提出基于博弈的组合成分模型、基于粗糙集的组合系统模型、基于分子网络调控的组合靶点模型,并在上述数学模型的基础上基于定性因果推理提出综合模型———多源因果法,为中药复方研究提供新的思路。     

Network Pharmacology for Traditional Chinese Medicine Research: Methodologies and Applications

The inception of network pharmacology comes from the advance in "multi-target, multi-drug" paradigm and opens up a new field for pharmaceutical science. Traditional Chinese medicine(TCM) is well-known for its use of medicinal herb combinations to treat the functional disorders induced by diseases through a holistic view, which naturally followed the principal of network pharmacology. In this review, the methodologies of network pharmacology in TCM studies were summarized. Specifically, the methodologies for network construction and network analysis were discussed in detail by following several TCM study cases. The perspectives for TCM network pharmacology were also provided.     

网络药理学在中药研究中的最新应用进展

中药具有多成分、多靶点、系统调节的特点,与近年来发展起来的网络药理学核心思想不谋而合。因此,将网络药理学引入中药的研究,有助于透彻了解中药治病的整体性和系统性。从预测和辨识中药作用靶点及活性成分群、阐明作用机制、科学解释组方规律、发现新的适应症、发现新的活性化合物及与组学技术结合应用等几个方面,对网络药理学在中药研究中的最新进展进行综述,以期有更多的人了解和应用这一新技术。     

Prescription pattern of Chinese herbal products for hypertension in Taiwan: A population-based study

Ethnopharmacological relevance

Traditional Chinese medicine (TCM) has been commonly used in Asia country. The aim of this study is to analyze the utilization of TCM among hypertensive patients in Taiwan.

Materials and methods

The use of TCM for primary hypertensive patients was evaluated using a randomly sampled cohort of 1,000,0s recruited from the National Health Insurance Research Database in 5-year period from 2006 to 2010.

Results

Overall, 49.7% (n=42,586) of primary hypertension utilized TCM and 12.1% (n=5132) of them used TCM for the treatment of hypertension. Among the top 10 most frequently prescribed herbal formulae, Tian-Ma-Gou-Teng-Yin, Gout-Teng-San, Liu-Wei-Di-Huang-Wang and its derivatives were found to be the most common herbal formulae prescribed by TCM doctors for the treatment of hypertension in Taiwan.

Conclusion

This study showed the utilization pattern of Chinese herbal product in patients with hypertension. Further researches and clinical trials are needed to evaluate the efficacy of these Chinese formulae or its ingredients in treating hypertension.