基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的多靶點藥物分子設(shè)計策略

藥物在預(yù)防和控制疾病方面發(fā)揮著不可或缺的作用。與此同時，醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)也是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺一部分。傳統(tǒng)藥物的發(fā)現(xiàn)主要集中于單一靶點的高特異性抑制劑。然而,通過大規(guī)模功能基因組研究證實,只有不到10%的單基因敲除具有治療價值,而且,單一分子靶點的高特異性藥物對復(fù)雜疾病通常難以獲得良效,傳統(tǒng)新藥研發(fā)遵循的“單基因-單靶點-單疾病”的線性模式遇到巨大瓶頸及嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。資料顯示,美國食品藥品管理局(FDA)2010年僅有21種新藥通過評審,歐洲藥品管理局(EMA)也僅批準(zhǔn)了14個新藥。新藥在Ⅱ期和Ⅲ期臨床試驗中因缺乏有效性和出現(xiàn)非預(yù)期的毒性所導(dǎo)致的新藥失敗率高達(dá)30%,使整個制藥業(yè)在持續(xù)繁榮后陷入困境。中醫(yī)藥在診斷上注重整體的和功能的動態(tài)變化,治療上強調(diào)辨證論治,通過中藥等在整體水平上的調(diào)節(jié),治療局部性病變和恢復(fù)整體功能平衡,獲得治療效果。因此,藥物的研發(fā)和機制研究亟需借鑒中醫(yī)藥的診療思路,從整體出發(fā),“多基因-多靶點-復(fù)雜疾病”模式著眼,尋求新的研究途徑。1網(wǎng)絡(luò)醫(yī)學(xué)視角下藥物分子研究隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展完善,系統(tǒng)生物學(xué)及多向藥理學(xué)已廣泛應(yīng)用于多種疾病及藥理、毒理等研究。2007年,Hopkins率先提出并系統(tǒng)地闡述了網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)(networkpharmacology)的概念,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是基于系統(tǒng)生物學(xué)的理論,對生物系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析,選取特定信號節(jié)點進(jìn)行多靶點藥物分子設(shè)計的新學(xué)科,是建立在高通量組學(xué)數(shù)據(jù)分析、計算機虛擬計算及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫檢索基礎(chǔ)上的生物信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析策略和技術(shù)基礎(chǔ)上的科學(xué)思想和研究策略。與傳統(tǒng)藥理學(xué)的最大區(qū)別在于,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是從系統(tǒng)生物學(xué)和生物網(wǎng)絡(luò)平衡的角度闡釋疾病的發(fā)生發(fā)展過程、從改善或恢復(fù)生物網(wǎng)絡(luò)平衡的整體觀角度認(rèn)識藥物與機體的相互作用并指導(dǎo)新藥發(fā)現(xiàn),強調(diào)對信號通路的多途徑調(diào)節(jié),提高藥物的治療效果,降低毒副作用。多數(shù)情況下,疾病發(fā)生的分子機制是細(xì)胞內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的異常所致,復(fù)雜性疾病是由多基因、多功能蛋白相互作用紊亂而形成的疾病網(wǎng)絡(luò)。新藥研發(fā)的策略應(yīng)是發(fā)現(xiàn)如何干預(yù)疾病的病理網(wǎng)絡(luò),需要對多種基因及其調(diào)節(jié)蛋白的干擾才能影響疾病網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn),在腫瘤、精神疾病和抗感染等治療過程中,具有多靶點藥理作用的藥物比單靶點藥物具有更好的療效。2藥物作用機制目前,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究思路通常可分為兩類:一是根據(jù)公共數(shù)據(jù)庫和公開發(fā)表的已有數(shù)據(jù),建立特定藥物作用機制網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,預(yù)測藥物作用靶點,并從生物網(wǎng)絡(luò)平衡的角度解析藥物作用機制。如GuJ等運用虛擬篩選和網(wǎng)絡(luò)預(yù)測技術(shù)對大黃二蒽酮A、大黃二蒽酮C、番瀉苷C等幾種從未報道過具有抗2型糖尿病作用的成分進(jìn)行預(yù)測并獲得成功,YanJ等也成功利用該技術(shù)對麻黃湯新藥理作用進(jìn)行了預(yù)測。二是利用各種組學(xué)技術(shù)以及高內(nèi)涵和高通量技術(shù),采用生物信息學(xué)的手段分析和構(gòu)建藥物-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò),建立預(yù)測模型,進(jìn)而解析所研究藥物的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)機制。如運用網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)預(yù)測中藥方劑六味地黃丸適于治療的疾病和機制,以及對復(fù)方丹參方的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究。3網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究3.1實驗驗證的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中與實驗相關(guān)的環(huán)節(jié)有兩個:一是基于實驗結(jié)果構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所需基本數(shù)據(jù)的獲取,二是對所建立的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行實驗驗證,這兩個環(huán)節(jié)涉及的技術(shù)均應(yīng)具有高通量、可定量、靈敏、快速、簡便、可靠地獲取大量數(shù)據(jù)的特點。目前,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究所涉及的相關(guān)技術(shù)除了組學(xué)(基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組和元基因組等)技術(shù)外,主要包括高通量和高內(nèi)涵技術(shù)、雙高通量基因表達(dá)檢測技術(shù)和分子相互作用技術(shù)。3.1.1動物模型檢測該技術(shù)是指在保持細(xì)胞、組織或整體動物結(jié)構(gòu)和功能完整性的前提下,一次性檢測成百上千個處理且同時檢測被篩樣品對活細(xì)胞、組織或整體動物多個表型的作用,具有均質(zhì)、多維表型檢測、實時動態(tài)監(jiān)測和可視化的特點。3.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驗證該技術(shù)是指應(yīng)用具有檢測樣品高通量、檢測目標(biāo)基因高通量的雙高通量技術(shù),具有對所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行驗證的作用。Fakhari等在2002年提出的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)芯片技術(shù),具有操作流程簡單、定量結(jié)果無需后期驗證、特異性強、靈敏度高及重復(fù)性好等特點。3.1.3生物活性成分模型的驗證該技術(shù)是指從網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)角度揭示藥物作用原理,或?qū)λ鶚?gòu)建的藥物作用網(wǎng)絡(luò)或預(yù)測模型進(jìn)行驗證,用來揭示藥物分子與機體生物大分子之間的相互作用關(guān)系。主要包括3種技術(shù):基于表面等離子共振的檢測技術(shù)、基于生物膜層干涉的檢測技術(shù)、納米液相層析-質(zhì)譜分析技術(shù)。這3種技術(shù)均具有高通量、高精度、無標(biāo)記且實時檢測的特點。3.2網(wǎng)絡(luò)屬性網(wǎng)絡(luò)描述該技術(shù)是指應(yīng)用可視化工具,將聯(lián)系表反映成一張相互聯(lián)系的可視網(wǎng)絡(luò)的過程。一般分為2個階段:(1)豐富網(wǎng)絡(luò)屬性,通過增添網(wǎng)絡(luò)本身、節(jié)點及連接的屬性,使節(jié)點聯(lián)系表擴(kuò)展為包含豐富信息的網(wǎng)絡(luò);(2)網(wǎng)絡(luò)描述,通過豐富的特征描述手段,使網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)更加直觀。目前,大部分網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中的可視化可以通過Cytoscape、GUESS、Pajek等專業(yè)工具來實現(xiàn)。3.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)模型該技術(shù)是指采用相應(yīng)技術(shù)對構(gòu)建得到的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,從中提取出有用信息。主要分為3類:(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)信息計算,可以得到網(wǎng)絡(luò)本身的統(tǒng)計屬性,反映網(wǎng)絡(luò)中的隱藏信息;(2)隨機網(wǎng)絡(luò)生成和比較,用來對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性驗證;(3)網(wǎng)絡(luò)分層和聚類,簡化網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的重要算法,也是尋找網(wǎng)絡(luò)潛在信息的方法。4配方設(shè)計注重系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合中醫(yī)藥的特色體現(xiàn)在中藥復(fù)方對復(fù)雜疾病整體上的辨證論治,強調(diào)從整體把握病因、病機的傳變規(guī)律及疾病的發(fā)展變化,同時方劑的配伍組方注重“君、臣、佐、使”,通過多味中藥的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)對機體失衡紊亂狀態(tài)的調(diào)節(jié),這些理念充分體現(xiàn)了多成分、多靶點及系統(tǒng)調(diào)控的思想。借鑒并應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù)和方法,通過挖掘網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點和功能模塊研發(fā)多分子、多靶點的復(fù)方制劑,有助于中醫(yī)藥整體和多途徑系統(tǒng)調(diào)控的作用及其機理的研究。4.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及基因編碼建立中藥數(shù)據(jù)庫是開展中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究的前提。YeH等通過文本挖掘技術(shù)結(jié)合嚴(yán)格的人工審核與注釋,并從PubMed等海量文獻(xiàn)中獲取中草藥有效成分蛋白靶點信息,建立了首個中草藥有效成分蛋白靶點數(shù)據(jù)庫(herbalingredients’targetsdatabase,HIT),該數(shù)據(jù)庫提供了中草藥-活性成分-蛋白靶點一站式綜合信息,并且,提供了化合物結(jié)構(gòu)式及蛋白序列相似性的分析平臺。運用HIT發(fā)現(xiàn)中藥成分經(jīng)常作用于多個已知的西藥靶點,而其藥靶蛋白又具有明顯的網(wǎng)絡(luò)特征,如87%藥靶參與的pathway不超過4條。LiS等整合中醫(yī)藥數(shù)據(jù)庫與基因芯片數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建了具有全球網(wǎng)絡(luò)特性的文獻(xiàn)和基因芯片數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)(LMMA),并運用LMMA重建血管生成網(wǎng)絡(luò)。另外,疾病-藥物數(shù)據(jù)庫DrugBank和therapeutictargetdatabase(TTD)等,也為我們研究中藥成分的藥物靶標(biāo)等提供了研究工具。4.2小柴胡湯成分-多靶點作用靶點預(yù)測結(jié)果中藥靶點預(yù)測是通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù),虛擬篩選中藥有效物質(zhì)并發(fā)現(xiàn)其作用靶點,為發(fā)現(xiàn)中藥及復(fù)方新的藥理作用提供實驗理論依據(jù)。吳氏等根據(jù)1401個美國FDA批準(zhǔn)上市藥物的分子結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)靶點數(shù)據(jù),采用隨機森林法建立靶點預(yù)測模型,進(jìn)而依據(jù)附子所含化學(xué)成分預(yù)測其作用靶點,并據(jù)此構(gòu)建附子多成分-多靶點網(wǎng)絡(luò),研究發(fā)現(xiàn)附子的22個化學(xué)成分預(yù)測出多個作用靶點,預(yù)測結(jié)果得到文獻(xiàn)數(shù)據(jù)印證,反映出中藥“多成分、多靶點、多效應(yīng)”的特點。朱氏等對小柴胡湯中甘草酸、黃芩苷、柴胡皂苷A、人參皂苷Re等38種化學(xué)成分進(jìn)行靶標(biāo)預(yù)測和分析。研究表明,38種化學(xué)成分中有21種被發(fā)現(xiàn)有預(yù)測靶標(biāo),提示了小柴胡湯多效應(yīng)的分子機制。筆者采用基因芯片檢測的高通量組學(xué)數(shù)據(jù),通過連通圖(CMap)對扶正化瘀膠囊療效的新藥理作用進(jìn)行了預(yù)測,發(fā)現(xiàn)扶正化瘀膠囊具有降血糖、降血脂和降血壓的作用。4.3調(diào)脾護(hù)心方中化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分析為了分析中藥及其復(fù)方復(fù)雜且多向的藥理作用,朱氏等運用分子對接和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)研究調(diào)脾護(hù)心方所含化學(xué)成分和靶標(biāo)之間的相互作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn),調(diào)脾護(hù)心方所含化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)屬于無尺度網(wǎng)絡(luò)模型,網(wǎng)絡(luò)的無尺度特性和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性質(zhì)可以較好地闡釋各化學(xué)成分的藥理作用。鄭氏等利用生物網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù),對透骨消痛膠囊中分子配體-靶作用網(wǎng)絡(luò)和藥物庫中藥物分子配體-靶作用網(wǎng)絡(luò)對照研究透骨消痛膠囊的藥理學(xué)機制,研究發(fā)現(xiàn)透骨消痛膠囊和藥物分子配體-靶作用網(wǎng)絡(luò)中存在“一對多、多對一”復(fù)雜的非線性調(diào)控模式,揭示了透骨消痛膠囊的多向藥理學(xué)行為。4.4建立網(wǎng)絡(luò)模型,研究和詮釋飲片工藝以應(yīng)對中藥飲片的功能為了發(fā)掘文獻(xiàn)信息,實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合,發(fā)現(xiàn)中藥新的功效,吳氏等運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法理念構(gòu)建中藥飲片網(wǎng)絡(luò),研究和詮釋飲片的主治、功能與歸經(jīng)等屬性間相互關(guān)系,以2010年版《中華人民共和國藥典》所載646種中藥飲片的相關(guān)信息,采用文本挖掘法將飲片主治信息梳理歸類,以主治來關(guān)聯(lián)各味飲片,建立飲片網(wǎng)絡(luò)模型,再對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和詮釋。結(jié)果梳理歸納出3016對飲片-主治關(guān)聯(lián),據(jù)此建立飲片網(wǎng)絡(luò)。4.5基于網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)的知識產(chǎn)權(quán)法為了發(fā)現(xiàn)中藥多成分相互作用的方式和潛在藥理作用,YueQX等研究發(fā)現(xiàn),中藥多成分協(xié)同機制主要以藥效動力學(xué)為主,中藥多成分同時作用于生物網(wǎng)絡(luò)上的相同或不同靶點后,可以通過互補增強或拮抗抵消,網(wǎng)絡(luò)交叉相互協(xié)調(diào)來產(chǎn)生整體增強效果。LiS等將篩選具有協(xié)同作用復(fù)方制劑的網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)中醫(yī)藥,并提出了以網(wǎng)絡(luò)靶標(biāo)為基礎(chǔ)鑒別多成分協(xié)同作用(NIMS)的算法,運用NIMS算法發(fā)現(xiàn)中藥成分漢防己堿能與木樨草素、槲皮素、厚樸酚、苦參堿和芍藥苷5種成分產(chǎn)生增效協(xié)同作用。此外,WuZ等基于藥物相互作用分子網(wǎng)絡(luò)建立的多種藥物作用預(yù)測方法也可以用于中藥多成分相互作用的療效預(yù)測研究。4.6中藥生物學(xué)及生物活性評價網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)是在理解“毒性(副作用)-基因-靶點-藥物”相互作用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過網(wǎng)絡(luò)分析,來推測和判斷藥物的毒副作用,在復(fù)雜系統(tǒng)中尋找產(chǎn)生不良反應(yīng)的物質(zhì),為藥物安全性研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。劉氏等認(rèn)為,快速制備、高通量篩選、高通量生物芯片技術(shù)以及組合藥靶網(wǎng)絡(luò)對于中藥活性成分篩選、毒性成分排除、藥物分子機制等研究均有重要價值。范氏等認(rèn)為,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的相關(guān)技術(shù),通過基因、蛋白、化合物和毒性反應(yīng)之間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,在復(fù)雜體系中尋找毒性物質(zhì),預(yù)測已知化合物的毒副作用。如周氏等利用代謝網(wǎng)絡(luò)分析方法對馬兜鈴酸的腎毒性進(jìn)行了研究,建立了中藥整體、動態(tài)的藥物毒性評價方法。目前,用于網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)研究的比較毒理基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(CTD)、國家毒理學(xué)計劃(NTP)、毒理學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(TOXNET)等相關(guān)數(shù)據(jù)庫,用于毒性預(yù)測的TOPKAT、HazardExpert、DEREK等軟件,以及上海有機化學(xué)研究所開發(fā)的化合物致癌毒性預(yù)測系統(tǒng)(PSCT),都可以為開展中藥網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)研究提供工具。4.7病表型-生物分子中醫(yī)的特點體現(xiàn)在治療上的辨證論治,強調(diào)病證結(jié)合、方證合一。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)整合了“疾病-表型-基因-藥物”信息,建立了“疾病表型-生物分子”網(wǎng)絡(luò),能為具有中醫(yī)特色的“病-證-效”結(jié)合治療模式服務(wù)。牛氏等以熱證類風(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),運用定向文本挖掘等技術(shù)探討“藥-證對應(yīng)”的機制,結(jié)果發(fā)現(xiàn),RA熱證的分子網(wǎng)絡(luò)和對證中藥靶點的分子網(wǎng)絡(luò)所涉及的共同的生物學(xué)通路可能就是對證中藥治療