宋 挺

（合肥师范学院医院，安徽合肥 230061）

系统生物学在中药研究中的应用

宋 挺

（合肥师范学院医院，安徽合肥 230061）

我国中药的体内作用过程一直不明确，近年来随着生命科学的发展，将中药的研究与系统生物学相结合，有可能从系统的角度诠释中医药多靶点、平衡调理和标本兼治的治病机制和分子机制，为中药的研究提供新的思路。

系统生物学；中药研究；基因组学；蛋白质组学；代谢组学

中药（traditional Chinese medicine）即传统中国药，在我国已有二千多年的发展历史，在广大人民群众中具有深刻影响。所以一直以来我们都用中华民族的瑰宝来形容中药。但是由于中药作为一个复合体系，多是配方使用，也就是说中药的整体理疗理念近似于‘黑匣子［1］’。与西药的透明作用过程不同，中药在体内的具体作用过程尚不确切。也正是由于这一点，加上近年来国内外关于中药不良反应的报道增多，欧美国家对草药的安全性和联合用药的相互作用普遍关注［2］。

近几年来随着功能基因组时代的到来，生命科学发生了本质的飞跃，为中药现代化发展提供了新的契机，系统生物学已成为医药学研究的一个极其重要的工具［3］。系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科，是生命科学研究领域的一门新兴学科。它采用系统的方法，将研究对象看作为一个整体，通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学等各种高通量的组学平台全方位地获取海量的数据信息，并利用生物信息学及各种数学方法对数据分析处理，寻找规律，揭示自然界生物体所蕴涵的奥秘。它的技术平台为组学，包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学和计算机生物学等［4］

这种应运而生的系统生物学与中药研究的思路和方法不谋而合，为复杂的方药体系研究带来了希望［5］。下面就主要从基因组学、蛋白质组学、代谢组学和生物信息学四个方面来谈谈系统生物学在中药研究的应用。

1 基因组学技术在中药研究中的应用

基因组学（Genomics）是对一个物种的所有基因进行基因组作图（包括遗传图、物理图谱、转录图谱），核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门学科［6］。伴随着后基因时代的到来，基因组学提供了数目可观的新药靶标，更重要的是催生了一批与中药研究相关的新技术，例如基因芯片技术，生物信息学技术，以及由此发展起来的药物基因组学等。其中的基因芯片技术以高通量、多因素、微型化和快速灵敏的特点而见长，能够针对中药的多成分、多途径、多系统、多靶点的作用特点而进行系统深入的研究。所以这方面主要讨论一下基因芯片技术在中药研究中的应用。

1.1 探索中药作用靶点与作用机制

基因芯片技术有助于识别药物相应的靶序列，分析整个基因组药物作用，监视药物治疗反应中的基因表达改变，以探索中药作用机制提供有效的依据。如陈明伟等［7］利用基因芯片技术检测中药单体人参皂苷20（R）Rg3对肿瘤血管生长调控因子（VEGF）蛋白表达的抑制作用。这些研究从基因芯片表达的角度探索中药的分子层面作用机制，为进一步阐明复方和复杂网络奠定了基础。

1.2 确定中药有效部位

基因芯片技术的出现和发展有可能简化中药研究的过程和大大降低研究的难度。我们可以选择特定的疾病模型，提取其病理情况下的RNA，反转录成cDNA后，建立该疾病的基因芯片，并以此检测药物作用后基因的表达差异，从而对单味药的各种化学成分或不同的复方进行筛选和分析，找出确定的有效成分或合适的组方供进一步进行新药研究［8］。

1.3 中药材鉴定

基因芯片通过获取不同中药样本的特异性基因序列，用于中药品种的快速、准确、自动化鉴别，如果在单片芯片上固定了足够多的来自不同中药样本的特有基因序列，则此种芯片就可以用于多种中药样本的鉴别，使分析时间大大减少，极大地提高了鉴定效率。如Zhang YB等［9］用基因芯片技术对中药复方中单味药材石斛的不同种属进行了鉴别研究，将16个不同种属石斛的ITS1－5.8S－ITS2序列固定于玻片上制作了基因芯片，并用荧光标记的ITS2序列作为探针，可检测出五种已被载入中国药典的石斛。

1.4 道地药材鉴别

利用基因芯片高效、高通量分析生物信息的优势可快速进行鉴别道地药材与非道地药材［10］。研究道地药材的基因组特征，最终实现道地药材真伪鉴别系统及优良种系基因库标准基因图谱的建立，特别是对有效成分的研究，可为新药的研究提供先导化合物；对功能基因组顺序结构和调节机制的阐明，能够提高有效物质的产量和减除有害成分；还可用于转基因中药材的构建和解决濒危中药材的可持续应用。

2 蛋白质组学技术在中药研究中的应用

蛋白质组是指由一个基因组以及一种生物、组织或细胞表达的全部蛋白质［11］，蛋白质组学是对某一研究对象所有蛋白质进行系统地鉴定、定量及功能研究的科学［12］。它可以从整体的角度，分析细胞、组织等生物标本内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用和联系，这种强调联系、动态和整体的思想方法与我国传统中医理论相一致。国内已有一些研究机构将蛋白质组学运用到中药的作用机制研究中，例如番泻叶提取物的药理作用机制研究［13］，在模型小鼠的结肠组织中，共发现20个蛋白质的表达发生改变，并对两个蛋白质的N端氨基酸序列进行了测定。

在现代中药研究中，以蛋白质组学理论为指导，对中药材或中药制剂有效部位或有效成分作用靶点识别的大量结果，进行系统化分析和整理，从而建立系统化的生命模式背景，以及有效部位或有效成分作用靶点的识别体系，进而可以指导和预见中药材或中药制剂中化学成分的发现和分离。与疾病相关的靶基因作为中药作用的最本质的治疗指标，可望对中药材或中药制剂有效部位或有效成分的识别研究取得突破性进展。

另外，因为绿色开花植物的基因组之间具有相似性，利用植物研究中的基因组技术［14］，从众多临床常用的中药材中，选取一些具有代表性药材特征的范例，作为研究某一应用领域的模式植物，进行植物功能基因组研究，也可以为有关中药材的道地性，科学种植等相关研究提供有利的科学依据。

3 代谢组学技术在中药研究中的应用

代谢物组（Metabonome）指生物体内的所有小分子代谢物，是生物体内经基因组表达和新陈代谢产生的中介物及终产物。而代谢组学作为一门新兴的技术，是通过考察生物体系受刺激或扰动（某个特定的基因变异或环境变化）后，所有低分子量代谢产物随时空变化的情况，来研究生物体系代谢途径的一种方法［15］，其研究对象主要是各种生物体液，如尿液和血液等［16］。

3.1 药物作用（药效和毒性）模型的鉴别和确证

代谢物组学作为一种系统方法，能在鉴别和确证药理和疾病模型上发挥作用。它可以区别不同种属、不同品系动物模型的代谢状态，鉴别与人体疾病状态的差异，寻找人类疾病、药效和毒性的适宜动物模型［17］。

3.2 药物作用机制的研究

代谢物组学研究“代谢指纹图谱”，它不仅研究药物本身的代谢变化，而主要是研究药物引起的内源性代谢物的变化，更直接反映体内生物化学过程和状态的变化。通过认识体液“代谢指纹图谱”变化的原因，阐明药物作用靶点或受体。

3.3 药物安全性研究和评价

例如在防治由木通、防己中的马兜铃酸所导致的马兜铃酸肾病中，由于代谢物组学有独特的优势，实验样品多为外周性的生物样品（如尿），可以连续多次获取，在同一动物或人体观察毒性作用发生、发展和恢复过程；样品处理简单，适用于HPLC，LC－MS和NMR分析；可以根据代谢物组图的变化，发现毒性的化学或生物标志物［18］。以此作为体内药物安全性评价的方法，比传统方法更快、更准确地发现毒性物质和毒性规律。因此可以说在现在的药物的毒性评价中，代谢组学已经作为一种独立的技术被广泛应用。

4 生物信息学方法在中医药研究中的运用

生物信息学（Bioinformatics）是指生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科，通过对生物大分子信息的获得、加工、存储、分类、检索与分析，以达到理解这些生物大分子信息的生物学意义。许忠能［19］根据生物信息学及相关领域近几年的研究，提出应立足于利用多学科的思路与工具促进中草药研究，指出药靶与活性成分结构预测、代谢模拟和药理的能量观点是中草药研究尤其值得探索的新内容。

5 结语

系统生物学是生命科学中的一个新兴领域，代表21世纪生物医学的未来，在医药方面的应用具有无限的潜力，将对基础医学、临床研究及药物研发等产生重要影响。中药学整体性思想和用药规律与系统生物学的相通性，不仅会促使中药学在其自身发展中借助系统生物这门现代生物学的语言、手段和成果去阐述和进行理论创新，还会为系统生物学在对生命体各层次元素整合时提供有宜的指导［20］。中药的研究若能与系统生物学相结合，将有可能从系统的角度诠释中医药多靶点、平衡调理和标本兼治的治病机制和分子机制，为中药的研究提供新的思路。

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［5］ 李平，杨丽平.系统生物学方法在中医药研究中的运用［J］.中西医结合学报，2008；6（5）：454－457.

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［7］ 陈明伟，倪磊，赵小革，等.人参皂苷Rg3对肿瘤血管生长调控因子蛋白表达抑制作用的研究［J］.中国中药杂志，2005，30（5）：357.［8］ Hara A，Iizuka N，Hamamoto Y，et al.Molecular dissection of a medicinal herb with antitumor activity by oligonucleotide microarray［J］.Life Sci，2005，77（9）：991.

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Application of Systems Biology to the Research of the Traditional Chinese Medicine

SONG Ting
（HefeiNormalUniversityInfirmary，Hefei230601，China）

The action process of Traditional Chinese Medicine in the body is not clear.In recent years，with the development of life science，it is possible to explain the cure mechanism and molecular mechanism of traditional Chinese medicine features with multi－target，balance regulating，taking measures both from its root cause and symptoms from perspective of system by combining the research of Traditional Chinese Medicine with systems biology，offering some new thoughts for Traditional Chinese Medicine research.

systems biology；the research of Traditional Chinese Medicine；genomics；proteomics；metabolomics

R28

B

1674－2273（2011）06－0086－03

2011－04－20

宋 挺（1983－），男，合肥师范学院校医院药师。