彭曉飛，王　麗，邊育紅

·綜述·

網(wǎng)絡藥理學研究相關技術與應用*

彭曉飛1，王麗2，邊育紅1

（1.天津中醫(yī)藥大學，天津300193；2.天津市第二人民醫(yī)院，天津300193）

近十幾年來，新藥的發(fā)現(xiàn)周期越來越長，新藥候選藥物轉化為臨床有效新藥的速率也顯著下降，因此從新的角度去認識藥物作用機制、采用新的方法發(fā)現(xiàn)新藥成為了科研工作者們亟待解決的問題。網(wǎng)絡藥理學與傳統(tǒng)藥理學最大的區(qū)別在于它是從系統(tǒng)生物學和生物網(wǎng)絡平衡的角度去闡釋疾病的發(fā)生發(fā)展過程、從改善或恢復生物網(wǎng)絡平衡的角度認識藥物與機體的相互作用并指導新藥的發(fā)現(xiàn)。

網(wǎng)絡藥理學；系統(tǒng)生物學；藥物研發(fā)

傳統(tǒng)藥物研發(fā)的理論基礎主要來源于一藥一靶的治療方式，但隨著人類疾病譜的改變，這一方式對于復雜疾病的效果越來越不盡人意，單一靶點藥物對于復雜疾病難以獲得良好治療效果，于是，網(wǎng)絡藥理學應運而生。本文就針對網(wǎng)絡藥理學及其相關技術做如下綜述。

1　網(wǎng)絡藥理學簡介

網(wǎng)絡藥理學是基于系統(tǒng)生物學的理論，對生物系統(tǒng)進行網(wǎng)絡分析，選取特點信號節(jié)點（Nodes）進行多靶點藥物分子設計的新學科。2007年Hopkins［1］首先提出并系統(tǒng)地闡述了網(wǎng)絡藥理學的概念，將藥物作用網(wǎng)絡與機體生物網(wǎng)絡整合在一起，分析藥物在網(wǎng)絡中與特定節(jié)點或模塊的相互作用關系，從而理解藥物和機體的相互關系。網(wǎng)絡藥理學是目前藥物作用機制探討和新藥研發(fā)的重要手段，廣泛應用于醫(yī)藥研究領域［2-3］。

2　網(wǎng)絡藥理學相關技術

目前，網(wǎng)絡藥理學的研究思路通?？煞譃?類［4］：一是根據(jù)公共數(shù)據(jù)庫和公開的已有數(shù)據(jù)，建立特定藥物作用機制網(wǎng)絡預測模型，預測藥物作用靶點，從生物網(wǎng)絡平衡的角度解析藥物作用的藥理學機制；二是利用各種組學技術以及高內涵/高通量技術，通過觀察藥物對模型（分子，細胞，組織或/和動物）的作用或模型對藥物的作用，針對所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)采用生物信息學的手段分析和構建藥物-靶點-疾病網(wǎng)絡，整體的揭示疾病與疾病、疾病與靶點、靶點與藥物、藥物與藥物之間的關系，建立預測模型進而解析所研究的藥物的網(wǎng)絡藥理學機制［5］。目前，網(wǎng)絡藥理學研究所涉及的相關技術主要有組學技術（包括基因組學，蛋白組學，代謝組學和糖組學等），高通量/高內涵技術等。

2.1組學技術20世紀，生物學經(jīng)歷了由宏觀到為微觀的發(fā)展過程，1953年沃森和克里克提出的DNA雙螺旋結構更使得生物學進入了分子時代，人類基因組計劃正式將人們的視線從解析生命的全部遺傳信息轉移到基因的功能以及其他大分子的結構與功能上，于是，“組學”技術應運而生。主要包括：基因組學，蛋白組學，代謝組學等，并進一步提出了系統(tǒng)生物學的概念。而網(wǎng)絡藥理學就是基于系統(tǒng)生物學的理論，運用各種組學技術發(fā)展起來的新的科學。

基因組學的核心技術為高密度的基因芯片和高通量測序［6］，已廣泛應用于生物醫(yī)藥的各個領域并取得突出進展，對疾病的分子與遺傳學基礎的認識達到了一個新的水平?；蛐酒瑱z測是利用兩條互補的核苷酸序列根據(jù)堿基互補配對原則來實現(xiàn)的；而高通量測序技術主要應用于目標基因組區(qū)域、外顯子組及全基因組測序，具有均一化、多維度表型測定、實時動態(tài)監(jiān)測以及可視化等良好特性。目前，基因組學技術已廣泛用于藥物作用機制［7］以及疾病的發(fā)病機制［8］的研究。Tanaka等［9］在大鼠肺動脈高壓以及心肌梗死模型中發(fā)現(xiàn)了S100C mRNA和蛋白質的大量誘導表達，這說明S100C有可能是這類疾病的藥物作用靶點。此外，他們還利用斑馬魚建造了心力衰竭模型并成功發(fā)現(xiàn)幾個候選基因作為新藥靶標。這些都說明了藥物基因組學是聯(lián)系體內的基因功能與體外的藥理學研究的潛在橋梁。

蛋白質組表示一個細胞或者組織所表達的全部蛋白質。而蛋白質組學是指應用各種技術手段來研究這些蛋白質的一門科學。其目的是從整體的角度分析細胞內基因表達產(chǎn)物——蛋白質的變化，了解蛋白之間的相互作用，揭示蛋白質功能與細胞生命活動規(guī)律。它是繼基因組學之后的又一“組學”技術。蛋白組學的主要研究手段包括蛋白質分離和鑒定［10-11］。目前，蛋白組學技術已廣泛的應用于生物醫(yī)學等領域，如血清蛋白組學技術篩選尋常性銀屑病相關蛋白的初步研究［12］、泌尿學［13］、腫瘤［14］以及篩選特異性標記物［15-16］等。此外，在中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究中，蛋白組學在中藥復方組分的分析中發(fā)揮著越來越多的作用［17］。

代謝組學是研究生物體系受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝物變化的科學［18］。其中心內容是對一個生物系統(tǒng)的細胞或組織在給定時間和給定條件下所有小分子代謝物質的定量分析。目前，代謝組學已經(jīng)在標記物的篩選［19-20］、藥物作用機制探討［21-22］、疾病的早期診斷和動物模型建立［23-24］等領域獲得較廣泛的應用。劉霞等［25］采用1H NMR代謝組學的方法分析了馬兜鈴酸Ⅰ誘導的小鼠的腎毒性。由于代謝產(chǎn)物的多樣性和復雜性，研究人員根據(jù)代謝產(chǎn)物的特異性進行了分類，形成了一系列代謝組學的分支，其中，脂質代謝組學作為最重要的一個分支，成為近幾年的研究熱點。脂質結構和種類復雜，具有獨特的化學性質，在生物大分子間相互作用，基因轉錄翻譯調控，細胞信號轉導，細胞近相互作用，指示細胞甚至周圍環(huán)境變化等方面都有重要作用［26］，進而影響許多疾病，比如動脈粥樣硬化、冠心病、糖尿病等的發(fā)生、發(fā)展。脂質代謝組學是研究脂質代謝等問題的一個重要手段。目前，脂質代謝組學在脂代謝疾病預防、控制及診斷［27］，脂質生物標記物的篩選［28］，藥物作用機制［29］等方面都取得了重要進展。

2.2高內涵/高通量技術20世紀80年代中期，新化合物大量產(chǎn)生，藥物作用靶點不斷揭示，為建立高效、低成本、微量化的大規(guī)模藥物篩選方法，即高通量篩選（HTS）技術奠定了基礎。高通量篩選采用分子和細胞水平的實驗手段，以微孔板作為實驗工具，以自動化操作系統(tǒng)執(zhí)行實驗過程，靈敏，快速批量的對大量樣品進行測定。ZHU等［30］采用高通量篩選技術來篩選藥物毒性。但是高通量篩選［31-32］主要只是建立在細胞和分子水平上的單一篩選模型，通過對樣品的活性進行評價，從而發(fā)現(xiàn)對某一具體靶點的活性樣品，也就是說它的篩選結果是單一的，而高內涵與高通量相比，克服了單一靶點的局限，實現(xiàn)了對多個靶點的同時篩選［33］。高內涵篩選是在高通量篩選技術的基礎上逐步發(fā)展起來的。它可以在保持細胞結構和功能完整性的前提下，同時檢測被篩樣品對細胞形態(tài)、生長、分化、遷移、凋亡、代謝途徑及信號轉導各個環(huán)節(jié)的影響，在單一實驗中獲取大量與基因、蛋白及其他細胞成分相關的信息，確定其生物活性和潛在毒性的過程。目前，高內涵藥物篩選已經(jīng)成為藥物發(fā)現(xiàn)領域的一個重要部分。

2.3分子交互驗證技術分子交互驗證技術也是驗證網(wǎng)絡藥理學方法的另一有效工具，它可以揭示藥物作用機制，驗證藥物作用網(wǎng)絡或者預測模型的準確性。具體表現(xiàn)在它可以反映體內大分子之間的相互作用，如蛋白-蛋白、核酸-蛋白以及藥物與大分子蛋白之間的相互作用及特異性結合、解離、分子識別等動力學過程，可以實時動態(tài)的獲取生物分子相互作用信息，為研究藥物作用機制提供有效研究工具。分子交互驗證技術主要包括等離子共振技術（SPR）和生物薄膜干涉技術（BLI）［34］，不僅可以用于揭示藥物的作用機制，還可以用于臨床檢測［35］，如鄭州大學第三附屬醫(yī)院就采用SPR技術在臨床上檢測宮頸人乳頭瘤并訴感染情況，結果顯示與HybriMax技術相比，該技術穩(wěn)定可靠，可作為臨床檢測主要手段。

3　網(wǎng)絡藥理學在中醫(yī)藥領域的應用

20世紀，新藥發(fā)現(xiàn)主要集中于尋找疾病過程中某一特定靶點或某個靶點的特異性抑制劑，但是隨著人類疾病譜的改變，某些復雜疾病，如腫瘤、心血管疾病、糖尿病等逐漸出現(xiàn)，針對這些復雜疾病，這一思路難以獲得很好的效果，而具有多靶點藥理作用的藥物療效更好［36］。事實上，根據(jù)近年來研究人員的發(fā)現(xiàn)，人體內存在著復雜的調控網(wǎng)絡。如果將疾病認為是身體原有網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的改變，那么恢復原有的平衡狀態(tài)就是新藥設計的原則，由于身體網(wǎng)絡的復雜性和穩(wěn)定性，通常需要對多個靶點進行調節(jié)，因此網(wǎng)絡藥理學應運而生。而中醫(yī)藥在治療過程中的動態(tài)辨證觀和整體綜合觀是與網(wǎng)絡藥理學觀念相一致的，而中藥與西藥的區(qū)別也在于其多成分、多靶點、多途徑的特征。因此采用網(wǎng)絡藥理學的方法來進行中醫(yī)病癥的分析以及中藥藥理的機制探討，是近年來中醫(yī)藥研究的主要方法。

除了用于中藥作用機制的探討以外，網(wǎng)絡藥理學還為中藥減毒配伍研究提供新的方法［37］。有研究顯示，藥物的療效相似性和化學結構的相似性與靶蛋白在生物網(wǎng)絡上的親緣性有關［38］，這里的療效相似，也包括了毒性。如果將中藥的毒/效二重性定義為藥物對生物網(wǎng)絡的不同映射的效應，那么毒/效表型的變化就可以用藥效靶標網(wǎng)絡和毒效靶標網(wǎng)絡交集大小以及進入交集區(qū)域的毒性效應中心節(jié)點的數(shù)量來顯示。當交集區(qū)域越大，毒效中心節(jié)點數(shù)量越大則可認為藥物毒性越大。藥物毒性大小可以用毒效中心節(jié)點數(shù)量表示，而毒效中心節(jié)點則受到進入體內毒性成分的數(shù)量和種類的調控。基于這一原理，中藥的配伍減毒可以通過煎煮影響毒性成分在體內的數(shù)量和質量，使其所能觸動的毒效中心靶點數(shù)量減少或效應降低。而網(wǎng)絡藥理學則可以幫助找到這些靶點或者相關基因。李彥文等［37］就利用此方法探究了四逆湯的減毒配伍機制。找出了附子、甘草以及生姜的共同靶標基因，推測減毒效應可能是與它們的共同靶標基因有關。

4　展望

除了上述應用外，網(wǎng)絡藥理學還有更廣泛的應用領域，如藥物的重新定位，中藥的藥效評價、疾病的個體化治療以及藥組合設計等?？傊?，網(wǎng)絡藥理學為研究者分析藥物作用機制提供了全新的角度，可以更進一步的闡明藥物的作用機制，這一點對中藥來說尤其重要。但目前由于網(wǎng)絡藥理學的研究還處于初級階段，其中的許多技術也未被大家所熟知，而有些技術也涉及到其他學科的知識，比如模型的建立、對計算機技術的了解等，這就對研究人員提出了挑戰(zhàn)，因此，加強學術交流有利于網(wǎng)絡藥理學的快速發(fā)展。中藥復方是一個復雜體系，網(wǎng)絡藥理學的研究也是一個系統(tǒng)工程，需要研究團隊之間的協(xié)同合作，取長補短，共同促進網(wǎng)絡藥理學的長足發(fā)展。

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Network pharmacology research technologies and applications

PENG Xiao-fei1，WANG Li2，BIAN Yu-hong1
（1.Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 300193，China；2.Tianjin Second People’s Hospital，Tianjin 300193，China）

In recent years，it takes longer period to develop new medicine.The rate of new candidate medicine transforming into clinical effective medicine is also decreased dramatically.It is an urgent problem to be solved to understand the mechanisms of medicine in a new prospective and to develop new medicine using new methods.The difference between network pharmacology and traditional pharmacology is that network pharmacology explains the progression and development of the disease from the angle of biological network balance and system biology.Network pharmacology also tries to understand the interaction between medicine and our body from the perspective that how to improve or recovery the equilibrium of biological network and to guide the discovery of new drugs.

network pharmacology；systems biology；new drug discovery

R285

A

1673－9043（2015）02－0121-04

10.11656/j.issn.1673-9043.2015.02.15

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（2014CB 542902）。

彭曉飛（1990-），女，碩士研究生，主要從事細胞生物學研究。

邊育紅，E-mail:bianyuhong_2012@163.com。

（2014-10-28）