系統(tǒng)藥理學(xué)在中藥研究中的應(yīng)用

系統(tǒng)藥理學(xué)在中藥研究中的應(yīng)用

1系統(tǒng)生物學(xué)術(shù)理性的定義高流量法研究所、質(zhì)量分析、nmr譜和集體技術(shù)的快速發(fā)展為藥物目標(biāo)點的檢測提供了無法提供的技術(shù)支持，嚴(yán)重影響了我們對藥物特性、藥代動力學(xué)和藥物毒性的認(rèn)識和評估標(biāo)準(zhǔn)，為制定藥物產(chǎn)品創(chuàng)造了重要機遇。為了應(yīng)付“數(shù)據(jù)爆炸”和解決復(fù)雜生物問題的需要,生物學(xué)家、藥物學(xué)家等不斷向數(shù)學(xué)和計算機專家求救。從而導(dǎo)致產(chǎn)生以計算為基礎(chǔ)工具的生物信息學(xué)、計算生物學(xué)、藥物信息學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué),網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)以及剛剛興起的系統(tǒng)藥理學(xué)等新興學(xué)科。就目前來說,系統(tǒng)藥理學(xué)還沒有確定的定義,從不同的角度和側(cè)重點其定義會不同。美國NIH于2011年10月年舉辦的系統(tǒng)藥理學(xué)研討會為此開展了初步的討論。專業(yè)學(xué)者認(rèn)為系統(tǒng)藥理學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)推動下的經(jīng)典藥理學(xué)的延伸(或重新發(fā)現(xiàn))。該學(xué)科的定義往往和工程學(xué)以及藥理學(xué)相關(guān)“定量分析藥物和一個生物系統(tǒng)間的動力學(xué)相互作用。其目的是為了從整體了解系統(tǒng)的行為,而不是從個體行為來了解”。而產(chǎn)業(yè)界則認(rèn)為“系統(tǒng)藥理學(xué)”分析和藥效動力學(xué)(PD)以及藥代動力學(xué)(PK)建模聯(lián)系緊密,這種復(fù)雜的生理過程涉及藥物的分布和作用,被簡單地用一系列存在相互聯(lián)系的“黑廂”所模擬。鑒于目前的認(rèn)識水平和發(fā)展成果,我們給系統(tǒng)藥理學(xué)給出如下定義。2系統(tǒng)心理學(xué)與多尺度研究系統(tǒng)藥理學(xué)是從系統(tǒng)水平研究藥物與機體相互作用及其規(guī)律和作用機制的一門新興學(xué)科。即從分子、網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞、到組織、器官等不同水平上研究藥物治療疾病時引起機體功能變化機制,建立藥物對于機體的作用從微觀(分子、生化網(wǎng)絡(luò)水平)到宏觀(組織、器官、整體水平)的各水平間是相互關(guān)聯(lián)的學(xué)問。系統(tǒng)藥理學(xué)致力于闡明、驗證和應(yīng)用理論計算結(jié)合實驗的方法和技術(shù)發(fā)現(xiàn)小分子,確認(rèn)靶標(biāo)、研究疾病發(fā)病和治療機制。從而為精確調(diào)控細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),改變疾病病理生理學(xué),提高藥物療效和降低不良反應(yīng)提供新的策略和工具。系統(tǒng)藥理學(xué)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物,包括經(jīng)典藥理學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)、基因組學(xué)、病理學(xué),醫(yī)學(xué)以及應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)、生物信息學(xué)和“-omics”方法,同時涵蓋了大量實驗學(xué)科包括從細(xì)胞、組織到器官的研究技術(shù)。系統(tǒng)藥理學(xué)被認(rèn)為是未來轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的核心技術(shù)。系統(tǒng)藥理學(xué)的一個典型特征就是其時間-空間多尺度(multiscale)的系統(tǒng)特征,如圖1所示。從系統(tǒng)水平闡明藥物和機體的相互作用必然要在一個多尺度的框架下進行。復(fù)雜生命體系所呈現(xiàn)的多尺度特征正在引起科學(xué)家們深刻關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn),構(gòu)建細(xì)胞等生命體的復(fù)雜生化網(wǎng)絡(luò),會呈現(xiàn)出從瞬間(如代謝反應(yīng))到長時調(diào)控(如細(xì)胞發(fā)育)的時間大尺度跨越(從10-15-108s),從細(xì)胞內(nèi)不同局域到組織、器官的空間大尺度跨越(從10-9-106m),也會呈現(xiàn)出從化學(xué)小分子、基因到蛋白質(zhì)互作的立體網(wǎng)絡(luò)的維度多重跨越(圖1)。不同尺度時間、空間狀態(tài)的跨越,使得細(xì)胞內(nèi)、外的信號相互作用表現(xiàn)了顯著的環(huán)境和尺度動力學(xué)效應(yīng)的差異,而忽視這種本征生理時-空耦合多尺度效應(yīng),必然會導(dǎo)致所研究問題的粗燥化,甚至造成錯誤結(jié)果。在不同的時空尺度下,模擬和分析方法也不同,在單分子水平研究分子識別、結(jié)合模式,主要采用分子動力學(xué)(MD)方法,在細(xì)胞內(nèi)生化通路、網(wǎng)絡(luò)水平則可以采用微分方程(ODE)、圖論的方法,而在細(xì)胞、組織水平闡明生命機制則可以采用格子氣模型、元胞機等方法,在更大的器官和整體水平在可以采用基于機制的藥代動力學(xué)(PBPK)模型來處理。顯然,如何在不同的尺度間開展耦合,從而保證信息傳遞的準(zhǔn)確和完整是解決多尺度模擬的關(guān)鍵和核心。3基于adme的活性成分模型中醫(yī)學(xué)認(rèn)為人體是一個有機的整體,同時也認(rèn)為人與自然環(huán)境、人的機體與精神也是一個整體,這就是所謂“天人合一”與“形神合一”。這種整體論是以陰陽五行學(xué)說、藏象經(jīng)絡(luò)以及陰陽理論為基礎(chǔ)的。因此它和以系統(tǒng)論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)生物學(xué)是有本質(zhì)差別的。整體論對事物的處理,經(jīng)常帶有主觀主義和經(jīng)驗主義的成分。在宏觀表現(xiàn)上具有一定的科學(xué)性,但是經(jīng)常忽略細(xì)節(jié),處理問題的時候又經(jīng)常出現(xiàn)偏差。然而系統(tǒng)論卻絕非如此,它以還原論為基礎(chǔ),通過還原分析,將一個整體分解成若干個子系統(tǒng),進而了解決定事物整體功能狀態(tài)的細(xì)節(jié),再有目的地針對這些細(xì)節(jié)進行處理,從而最終達(dá)到調(diào)控、改變和設(shè)計大系統(tǒng)整體功能狀態(tài)的目的。系統(tǒng)論從微觀入手,因此可以說在方法學(xué)上是易行的;而整體論從整體論整體,方法學(xué)上是難以入手的。中藥是多組分、多靶點及其組分間協(xié)同作用的復(fù)雜體系。因為其成分復(fù)雜,系統(tǒng)龐大,所以從混合物體系上開展研究其對機體的作用難度極大。中藥系統(tǒng)的復(fù)雜性使得中藥的深入研究呈現(xiàn)巨大困難,而中藥系統(tǒng)藥理學(xué)則為復(fù)雜中藥系統(tǒng)研究提供新的思路和視角。采用系統(tǒng)藥理學(xué)技術(shù),研究中藥活性物質(zhì)及組合、識別藥效成分的靶點,藥效物質(zhì)和疾病關(guān)系的理論和方法,從而建立基于系統(tǒng)水平的中藥藥效學(xué)和中醫(yī)藥基礎(chǔ)理論。中藥系統(tǒng)藥理學(xué)旨在開發(fā)適用于中藥復(fù)雜體系研究的整合若干時-空尺度數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)和計算模型,建立模型內(nèi)多個元素(藥物分子、靶標(biāo)、細(xì)胞、組織、器官等)間的相互作用,借以闡明和預(yù)測藥物療效和毒性。并最終構(gòu)建跨越分子、細(xì)胞、組織和患者間知識差異而創(chuàng)建的多維模型,實現(xiàn)評價靶標(biāo)篩選和測試驗證治療思路的臨床前和臨床研究的系統(tǒng)理論和方法。復(fù)方中藥/飲片,特別是針對口服中藥來說,草藥中的成分首先要克服機體ADME/T屏障(圖2),唯有這些分子才可能是活性分子。這些分子和機體內(nèi)的靶標(biāo)結(jié)合進而產(chǎn)生藥效,藥物將會在網(wǎng)絡(luò)水平以及器官整體水平上和機體發(fā)生相互作用。3.1.1ADME/TADME/T指機體對外源化學(xué)物質(zhì)的吸收(absorption)、分布(distribution)、代謝(metabolism)及排泄(excretion)過程,以及化合物對機體的毒性(Toxicity)。中藥主要以口服和外用藥為主,一次用藥可能就會有成百上千個化學(xué)成分同時進入機體,發(fā)生ADME等一系列復(fù)雜生理過程,活性小分子及其代謝產(chǎn)物在不同的層次上和機體發(fā)生相互作用,甚至不良反應(yīng)效應(yīng);西藥的大量研究表明近90%的先導(dǎo)化合物在臨床實驗中被淘汰,其中50%以上的先導(dǎo)分子是由藥物ADME/T性質(zhì)不良所致。而且藥物研究過程中也發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)分子的ADME/T性質(zhì)優(yōu)化比起活性優(yōu)化往往難度更大,也更加重要。藥物的溶解性、滲透性、蛋白質(zhì)結(jié)合,肝微粒體跨種族穩(wěn)定性、口服生物利用度、血腦屏障以及跨種族代謝都與藥物的ADME相關(guān)。如今,中藥的藥代動力學(xué)和不良反應(yīng)研究日益受到重視。然而與以單一成分為基礎(chǔ)的西藥相比,中藥的藥動學(xué)研究無論在方法學(xué)上、技術(shù)上甚至理論上都面臨著更大的挑戰(zhàn),存在的問題更多、更復(fù)雜。可以想見,一劑口服的復(fù)方中藥,盡管其中可能含有成千上萬個化學(xué)成分,然而能夠真正克服ADME/T的不利屏障的理想分子卻很少。近年來,隨著藥物開發(fā)上游技術(shù)的迅猛發(fā)展,及其體外實驗ADME-Tox(Toxicity,毒性)檢測分析技術(shù)的進步,產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù),在這個背景下,計算ADME/T應(yīng)運而生(圖3)。計算ADME/T就是應(yīng)用計算機技術(shù),在已有的藥物體外ADME數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建模型來預(yù)測藥物未知的ADME性質(zhì),從而起到輔助實驗的目的。在中藥復(fù)方解析、探索和優(yōu)化中開展ADME/T研究,特別是開展早期的虛擬(insilico)ADME/T預(yù)測,將有利于篩選出其中能夠起到相關(guān)療效的重要化學(xué)成分,并進一步優(yōu)化合成具有更強活性的藥物配方,無疑這對提高中藥新藥研發(fā)的成功率,獲得安全、有效的治療藥物具有重要意義。所以,開展中藥的ADME/T研究就顯得十分重要,這無疑是中藥現(xiàn)代化研究的必經(jīng)之路。闡明中藥成分在人體內(nèi)ADME/T過程是將現(xiàn)代科技如系統(tǒng)生物學(xué)方法論引入現(xiàn)代中藥研究的前提和關(guān)鍵。計算ADME/T的策略圖如下所示:針對計算ADME/T系統(tǒng)涉及的理論方法和數(shù)學(xué)工具主要包括:現(xiàn)代統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)以及計算化學(xué)等。這對該領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了大量的預(yù)測模型。從60年代以來,分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)如脂溶性等性質(zhì)就已經(jīng)和口服生物利用度聯(lián)系起來。2)口服生物利用度是評價藥物能否開發(fā)的一個重要指標(biāo)。在腸壁中被動吸收差的口服藥物,其到達(dá)體循環(huán)的比例會嚴(yán)重受到分子通過腸膜的比率的影響,此外,一些主動外排蛋白如P-糖蛋白,會通過泵出外源分子從而降低藥物生物利用度。針對這些不同學(xué)者已經(jīng)開發(fā)了大量的預(yù)測模型,包括P-糖蛋白底物識別,口服藥物吸收以及小腸吸收等模型以及代謝等[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。3)血腦屏障(BBB)通透性也是藥物分子最重要的性質(zhì)之一,它與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)藥物的ADME等重要的藥代學(xué)性質(zhì)和行為直接相關(guān),是藥物研發(fā)成敗的主要原因之一。這就限制了許多能夠治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物的應(yīng)用。因此在藥物研發(fā)的早期預(yù)測藥物BBB的通透性對于CNS靶點藥物至關(guān)重要。4)藥物的代謝和清除程度取決于分子的結(jié)構(gòu),會進而影響到藥物生物利用度,例如,低的清除率在某些情況下會補償差的腸吸收。因此建立藥物代謝和肝臟清除預(yù)測模型具有重要意義[23,24,25,26,27,28,29]。最近我們成功開發(fā)了一套藥物口服利用度專家系統(tǒng)OBioavail1.2,在該系統(tǒng)中將腸吸收,Caco-2,BBB,溶解度,以及P-糖蛋白作用,P450代謝,血漿蛋白結(jié)合等20余種ADME過程耦合起來,采用多層決策技術(shù),最終實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測口服利用度。5)毒理學(xué)預(yù)測也成為藥物開發(fā)的核心內(nèi)容。藥物在體內(nèi)除了發(fā)揮治療作用外,通常可能影響機體正常生理過程,從而產(chǎn)生毒性。因此開發(fā)計算機模型來預(yù)測藥物先導(dǎo)分子對機體造成的不良影響,如激素受體干擾,致癌毒性等已成為迫切需要。3.1.2網(wǎng)絡(luò)打靶發(fā)現(xiàn)和闡明中藥活性物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)是中藥現(xiàn)代化研究的核心命題。然而傳統(tǒng)的基于還原論的做法是通過分析化學(xué)手段獲取化學(xué)成分,采用分子生物學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)開展實驗驗證,尋找可能的靶點。顯然,從事這方面的研究不光需要專門的設(shè)備,而且處理成本高、工作量大,進展緩慢。不僅如此,其研究成果往往不盡人意,例如:1)單純的從事化學(xué)分析,雖然可以獲得大量的化學(xué)成分,如果不結(jié)合活性篩選,則難以真正獲得有效分子;2)活性篩選離不開合理可靠的模型。然而適用于中藥研究的體外、體內(nèi)模型、諸如寒熱、虛實模型等、幾乎是空白。3)在生化和分子水平上開展靶點尋找和驗證工作十分艱巨,猶如大海撈針。特別是有效組分群的多靶標(biāo)探索更是從方法學(xué)上更是陷入困難;4)無法反映方劑中藥物的“君、臣、佐、使”配伍規(guī)律和其獨特的系統(tǒng)特征。因此、研究新的理論和開發(fā)新的技術(shù)開展中藥現(xiàn)代研究迫在眉睫!目前西藥在多靶點發(fā)現(xiàn)研究也剛剛起步,突破性成果并不多。西藥多靶點發(fā)現(xiàn)從方法上主要有:1)從化學(xué)小分子角度,以已知小分子(結(jié)構(gòu)和靶標(biāo)已知)為模版,通過結(jié)構(gòu)比較來尋找未知小分子的靶標(biāo);在此基礎(chǔ)上構(gòu)建靶點網(wǎng)路并建立和疾病的關(guān)系;2)從靶標(biāo)角度,建立疾病相關(guān)網(wǎng)路,以此為基礎(chǔ),獲取靶標(biāo)結(jié)構(gòu)信息(一級序列或者3D結(jié)構(gòu)),進而開展高通量計算機篩選,從而找到活性化學(xué)分子。針對第一類研究,其基本思想認(rèn)為相似結(jié)構(gòu)的分子可能具有相同的功能,即作用于相同的靶標(biāo)。例如ScaffoldHunter可以通過分析比較分子的化學(xué)空間和活性空間的方法來判斷一個先導(dǎo)分子特征。類似的靶標(biāo)預(yù)測工具還有ChEM-BL和BindingDB,以及基于機器學(xué)習(xí)的G-蛋白偶聯(lián)受體家族和蛋白激酶家族新的藥物的預(yù)測分析。也有人直接采用多類別Bayesian模型來開展新靶標(biāo)預(yù)測工作。第二類研究對開展基于靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析、通過影響蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)的中間環(huán)節(jié)對理解和治療疾病具有重要意義。比較有趣的例子就是腫瘤抑制因子p53和其負(fù)調(diào)控子MDM2之間的互作,調(diào)控二者之間的相互作可以達(dá)到控制腫瘤目的。相對于傳統(tǒng)的以某個酶為靶點,這種做法的調(diào)控更加精細(xì)和專一,也可以有效避免脫靶效應(yīng)或者完全抑制酶的活性。最近我們也開發(fā)了一種基于化學(xué)基因組學(xué)、化學(xué)信息學(xué)和藥理學(xué)的一個預(yù)測靶標(biāo)預(yù)測模型,該研究為藥物多靶標(biāo)預(yù)測提供了新的工具。3.1.3網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是從系統(tǒng)生物學(xué),特別是從生物網(wǎng)絡(luò)的角度研究疾病的發(fā)生發(fā)展過程、認(rèn)識藥物與機體的相互作用并指導(dǎo)新藥發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)借助高通量組學(xué)數(shù)據(jù)、分子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及計算機模擬分析,進而研究藥物的作用機制和促進藥物創(chuàng)新。其基本思想是認(rèn)為通過干預(yù)疾病的病理網(wǎng)絡(luò),而非僅僅是與疾病相關(guān)的個別基因,達(dá)到綜合的防治效應(yīng)。不可否認(rèn),在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)在計算和建模方面受限于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,在實驗方面,很難對基于網(wǎng)絡(luò)所建立的預(yù)測模型(如靶點網(wǎng)絡(luò)、通路網(wǎng)絡(luò)、藥物組合或多靶點藥物等)進行驗證。因此,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的發(fā)展依然需要新理論、新方法和新技術(shù)的發(fā)展和突破。在現(xiàn)階段,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究主要有兩個思路:1)根據(jù)公共數(shù)據(jù)庫和文獻數(shù)據(jù),構(gòu)建藥物作用或者相關(guān)疾病網(wǎng)絡(luò),建立分析和預(yù)測模型,研究藥物作用機制和發(fā)現(xiàn)新靶標(biāo)。例如我們前期開展的基于基因組學(xué)、化學(xué)信息學(xué)和藥理學(xué)的藥物多靶標(biāo)預(yù)測模型就屬此類研究。2)利用高內(nèi)涵/高通量組學(xué)技術(shù),獲取藥物和實驗?zāi)Ｐ?細(xì)胞、組織等)之間的相互作用大量組學(xué)數(shù)據(jù),再采用計算生物學(xué)的方法構(gòu)建藥物-靶點網(wǎng)絡(luò)-疾病網(wǎng)絡(luò)模型,進而闡明待測藥物的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)機制。開展中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究,可以從系統(tǒng)水平構(gòu)建中藥活性分子-靶標(biāo)-疾病之間的關(guān)系,對中藥靶點發(fā)現(xiàn)、活性物質(zhì)確定以及復(fù)雜作用機制研究無疑具有重要意義。針對中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究,作者實驗室開展了若干的嘗試,研究了如甘草、麻黃湯以及復(fù)方丹參方等治療心血管病中藥復(fù)方的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)機制。此外、其他學(xué)者也開展了一些有趣的研究,例如牛等運用文本挖掘、PubChem小分子化合物數(shù)據(jù)庫檢索、臨床典型熱證RA患者外周血CD4+T細(xì)胞基因組學(xué)檢測以及IngenuityPathwayAnalysis(IPA)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等研究方法。以熱證類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)為切入點,通過構(gòu)建、分析其對應(yīng)的分子網(wǎng)絡(luò)及藥物靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò),初步探討“藥-證對應(yīng)”的機制。李等在以網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)為基礎(chǔ),將病證、方藥映射于生物分子網(wǎng)絡(luò),然后在網(wǎng)絡(luò)上對病證與方藥的關(guān)系進行機制性的計算、分析與預(yù)測,以期發(fā)現(xiàn)藥效物質(zhì)及其作用機制,闡釋方劑配伍規(guī)律與方證關(guān)聯(lián),取得了系列成果。吳等采用分子對接和計算機網(wǎng)絡(luò)分析方法,篩選清熱中藥中治療冠心病的活性成分,并構(gòu)建相關(guān)藥物-靶標(biāo)-疾病網(wǎng)絡(luò),對清熱中藥治療冠心病的有效成分和作用機制開展了研究。這些研究都是中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究的有益的嘗試。3.1.4多尺度模擬:從分子到器官系統(tǒng)生物學(xué)試圖從系統(tǒng)水平,揭示生物系統(tǒng)內(nèi)基因、蛋白質(zhì),以及生化網(wǎng)路等各組成之間,在時間次序和空間位置上的相互關(guān)系和系統(tǒng)功能。從而在不同層次信息上理解生物系統(tǒng)的復(fù)雜生命行為,最終實現(xiàn)在給定條件下對生物系統(tǒng)的干預(yù)、改造和修復(fù)。生命體系固有的時間(即功能)結(jié)構(gòu),空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,決定了傳統(tǒng)的單因素、單尺度和孤立系統(tǒng)理論方法的不足。近年來,復(fù)雜生命體系所呈現(xiàn)的時-空多尺度(multiscale)效應(yīng)和特征正在引起科學(xué)家們深刻關(guān)注。混合時間尺度、空間狀態(tài)的跨越,使得細(xì)胞內(nèi)、外的信號相互作用表現(xiàn)了顯著的環(huán)境和尺度動力學(xué)效應(yīng)的差異。在單一的微觀尺度上如電子尺度,可以采用量子力學(xué)(QM)的方法,但體系上升到原子尺度,則可以采用分子動力學(xué)(MD)方法,全原子MD模擬研究在化學(xué)、物理學(xué)乃至生物學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量的重要研究成果。在跨越電子-原子尺度上則可以采用QM/MM耦合方法,并在生物酶如P450催化機制研究上取得諸多成果。然而全原子MD在較大時間、空間尺度上的拓展應(yīng)用出現(xiàn)了問題,幾乎無法高效開展μs級的大分子計算,諸如細(xì)胞膜自組裝,細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞內(nèi)外納米尺度顆粒的動力學(xué)分析等。近年來,粗?；肿觿恿W(xué)(Coarse-grainedmoleculardynamics,CGMD)理論逐漸走上前臺。CGMD方法以其特殊的多尺度穿越性,為所研究對象的實驗驗證和理論模擬之間構(gòu)建了重要的實踐橋梁。然而迄今為止,基于形狀的(Shape-based)或者基于殘基(Residue-based)的CGMD方法無論在模型上和理論實踐上尚存在多處不足,特別在研究網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)、組織-組織、甚至器官之間的互作卻無法實現(xiàn)了。在更大的時-空尺度上,系統(tǒng)動力學(xué)建模分析成為研究細(xì)胞內(nèi)分子網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)性質(zhì)的重要工具?；谖⒎址匠?ODE,PDE)的動力學(xué)模型已被廣泛用于系統(tǒng)生物學(xué)建模,目前,針對生物網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模擬作者開展一些嘗試。其具體方法是,首先對選擇的生物現(xiàn)象建立符合已知的相關(guān)生物學(xué)知識的邏輯性或統(tǒng)計模型,通過參數(shù)連接起來,然后開展模擬。該方法適用于大多數(shù)基因及其調(diào)控關(guān)系相對比較清楚的情況,研究的主要目的是構(gòu)建一個精確的仿真模型。這類方法和PBPK模型有著本質(zhì)的差異,在前者建模中,基因和蛋白質(zhì)作為一個節(jié)點(單元),而在后者中機體的組織/器官作為一個節(jié)點(單元)。因此前者處在微觀/介觀水平,而后者則處在宏觀水平,可以說這兩類模擬是在不同的尺度水平上開展的?；谙到y(tǒng)學(xué)的生物技術(shù)使得人們逐漸認(rèn)識到細(xì)胞復(fù)雜生命行為不光決定于細(xì)胞內(nèi)分子網(wǎng)絡(luò),同時也和細(xì)胞環(huán)境密切關(guān)聯(lián),即復(fù)雜生命體系宏觀行為和分子微觀行為之間的關(guān)聯(lián)和耦合的多尺度問題。2007年以來,基于流體力學(xué)理論,粒子模型,以及元胞自動機等方法已被嘗試引入細(xì)胞多尺度分析領(lǐng)域。較為成功的模型包括Anderson,Owen等人在2007和2009年相繼開發(fā)的腫瘤細(xì)胞生長、入侵的混合多尺度模型,以及2009,2010年Marc和Magdalena等人在組織、器官的形成機制的多尺度動力學(xué)效應(yīng)研究。其主要成果表現(xiàn)在將原子模型(小尺度)和系綜水平上的(大尺度)分子模型聯(lián)系起來。這些成果中所發(fā)明的多尺度耦合方法為微觀和宏觀尺度之間建立了時間和空間上的信息傳遞和聯(lián)系,拓展了系統(tǒng)科學(xué)研究的視野。作者最近試圖將細(xì)胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)參數(shù)和PBPK模擬結(jié)合起來,從而實現(xiàn)分子網(wǎng)絡(luò)和組織器官間的動力學(xué)耦合。動力學(xué)/藥動學(xué)模擬可以從系統(tǒng)水平上考察方劑配伍規(guī)律,闡明多成分、多靶點、多途徑作用模式的規(guī)律。在構(gòu)建靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,通過比較分析中藥作用前后或者不同配伍情況下生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性(如擾動情況下的網(wǎng)絡(luò)魯棒性)的變化,揭示出特定的生物網(wǎng)絡(luò)不同條件下的時-空的動力學(xué)特征。總之,系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域的生物動力學(xué)模擬的開展無疑為藥物作用動力學(xué)提供重要的基礎(chǔ)作用。如果成功用在中藥領(lǐng)域,則可以預(yù)測方劑藥效物質(zhì)的協(xié)同作用類型(包括增效、減毒等),理解研究化學(xué)成分相互間的反應(yīng)規(guī)律及其與人體作用的靶系統(tǒng)協(xié)同作用方式,揭示出系統(tǒng)內(nèi)部各組成成分的相互作用和運行規(guī)律,從而從一個嶄新的角度揭示方劑配伍原則的科學(xué)內(nèi)涵。3.1.5中藥系統(tǒng)藥理學(xué)平臺作者實驗室最近建立一個融合了藥物化學(xué)、藥代動力學(xué)、網(wǎng)絡(luò)靶點預(yù)測、藥物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、靶標(biāo)-疾病網(wǎng)絡(luò)信息的中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析平臺(TcmSPTM,),其主要技術(shù)如圖4所示。本數(shù)據(jù)庫包含了近500個已經(jīng)在中國藥典注冊過了的草藥,囊括了超過31000種化學(xué)成分。這些草藥分布在18個不同的藥物類別中,并通過建立網(wǎng)絡(luò)映射到3987種人類蛋白和848種疾病。本數(shù)據(jù)庫關(guān)注于藥物、靶點以及疾病之間的相互關(guān)系,主要包含了分子數(shù)據(jù)集、靶點識別系統(tǒng)、分子與靶點間相互作用網(wǎng)絡(luò)、靶點與相關(guān)疾病間相互作用網(wǎng)絡(luò)信息以及口服生物利用度、類藥性、小腸上皮通透性和溶解度等信息。每個中藥查詢?nèi)肟诒环殖伤拇箢?1)中藥的化學(xué)成分信息;2)化合物的藥代動力學(xué)和類藥性分析;3)藥效物質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)靶點信息;4)靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)信息。數(shù)據(jù)庫中同時設(shè)計了高級查詢功能。本數(shù)據(jù)庫和分析平臺為發(fā)現(xiàn)中藥活性物質(zhì),闡明中藥靶標(biāo),建立中藥-疾病作用機制提供基礎(chǔ),本數(shù)據(jù)庫的開發(fā)為現(xiàn)代中藥研究提供了一個新契機。軟件平臺界面如圖5、6所示:3.1.6系統(tǒng)藥理學(xué)在中醫(yī)藥中的應(yīng)用作者實驗室開發(fā)了一套較完整的中藥系統(tǒng)藥理學(xué)方法模型。該技術(shù)整合了藥物ADME預(yù)測、成藥性分析、網(wǎng)絡(luò)打靶、靶標(biāo)驗證以及系統(tǒng)分析等技術(shù),并成功用于復(fù)雜疾病如抗抑郁癥的中藥作用機制研究和新藥開發(fā)中。特別地,以甘草為例,我們闡明了多向藥理學(xué)、以及系統(tǒng)藥