中药药代动力学研究进展

中药药代动力学研究进展

中药药物代谢动力学（简称中药药代动力学）是根据动态原理研究中药活性成分、成分、中医方剂和配合物的动态变化规律及其体内时间-横向流的代谢和排泄，以及数学函数和定量边缘学科的边缘学科。它是中药药理学与药物代谢动力学相互结合、相互渗透而形成的。它借助于药代动力学的基本理论和方法研究中草药,中草药药代动力学的研究也为药代动力学提出了新的课题。中药特别是中药方剂十分复杂,其药代动力学的研究较通常的化学药物的药代动力学更为困难,中药药代动力学必将大大促进药代动力学向更深层次的发展。与化学药物的药代动力学相比,中药药代动力学虽起步较晚,但发展十分迅速。20世纪80年代以来,该领域的研究十分活跃,新理论、新方法的涌现使中草药药代动力学的研究快速发展,已取得令人瞩目的成就。由于要研究药物在体内的动态变化规律,中药药代动力学必须借助于动力学原理对中草药的ADME过程进行研究,即从速度论出发探明ADME的变化规律。中药药代动力学不仅要研究中草药ADME的动态变化,而且要研究其时量-时效关系。在中药药代动力学研究的同时更多地进行了时量-时效关系的研究,获得了有价值的成果。中药的药效是其所含众多化学成分的综合作用,目前多数中草药及其方剂无法测定其血药浓度,我国学者提出应用生物测定法(药理效应或毒理效应)间接推算中草药的时-量关系。这一方法开创了中药药代动力学的新局面,走出了一条具有中国特色的中药药代动力学的研究之路。但是,由于中药成分复杂,成分微量,未知的东西太多,其药代动力学研究面临许多困难、问题和挑战,随着科学的发展,也形成了一些研究热点,这些难点和热点有待人们开拓和发展。1中药药代动力学研究自20世纪60年代我国学者对中药大黄的体内过程研究以来,1949-1996年国内发表的中药药代动力学研究论文约450篇,其中80%以上为利用中药的有效成分进行药代动力学研究。其发展大致经历了3个发展阶段:第一阶段(1949-1970年)主要进行活性成分的体内过程研究,并未应用现代药代动力学理论,对实验数据作动力学分析。第二阶段(1970-1990年)中药的药代动力学得到了迅速发展,论文数目大增,高灵敏的现代分析仪器和测定方法的应用,在许多有效成分的药代动力学研究中动力学模型理论普遍应用,许多中药的药代动力学研究资料已在文献中可以发现,如丹参、人参、银杏叶、甘草、小檗等的药代动力学研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12];一些创新的研究方法的出现,在国际上产生了一定的影响。新药审评办法对新药药代动力学研究要求的提高促使药代动力学发展。第三阶段,1990年以来,一门新的中药药代动力学正在形成。中药复方制剂的药代动力学广泛研究,新理论,如“证治药代动力学”、“辨证药代动力学”、“复方散弹理论”等的出现大大丰富和活跃了中药药代动力学研究。中药的药动学研究方法,早期以生物效应法为主[14,15,16,17,18,19,20,21],近十多年来渐渐以血药浓度测定方法为主,药代动力学与药效动力学(PK-PD)结合的研究方法也有报道,中药胃肠动力学的研究思路也有进展。这些成绩体现在(1)血清药理学的研究;(2)单味和复方中药的化学成分的药代动力学研究;(3)中药药代动力学与药效动力学的结合研究;(4)中药理论在药代动力学中的扩展和应用研究;以及(5)药物相互作用和药物代谢酶的诱导和抑制研究等方面。证治药代动力学,包括证治药代动力学和复方药代动力学两部分。证治药代动力学认为同一药物的不同证的动力学参数的差异能影响药物的疗效和毒性,经过辨证用药后可以降低这类差异;复方药代动力学认为药物配伍能明显影响药物成分的动力学参数,而且与药物的疗效和毒性相关。还提出方剂血清成分谱和靶成分的概念,认为血清成分谱或靶成分谱的结构、组成、分布、数目和动态变化对于探明药物作用的物质基础、作用原理和方剂与机体的相互作用有理论和应用意义。2中国古药物动力学研究2.1中药的整体观和药代动力学研究中药是一个复杂的巨系统,无论是复方还是单方,其药效都是其中多种化学成分相互作用所产生的综合效果。这些化学成分相互协同或相互拮抗,从而产生中药的药理作用。中药制剂,特别是中药复方制剂成分复杂,绝大多数有效成分不明确或干扰因素太多,缺乏体内微量定量分析方法,然而,辨证论治,君臣佐使等原则是中医用药的精髓。因而整体观思想是中草药药理研究的一大特点,也是中药药代动力学研究的一大特点和应遵循的指导思想。中药不等于一般的植物药,它必须具备中药应有的真正的内涵,离开了中医药整体观,单纯追求西药化,将使中药药代动力学研究的路子越走越窄。自20世纪80年代国内采用毒理、药理效应法研究中草药药代动力学正是这种整体观的体现。在如何用药代动力学方法认识中药的整体作用,国内产生的一些研究理论和研究方法,如血清药理学、证治药代动力学和脾主药代动力学理论假说等对我国的中药药代动力学研究有所应用,但是,制约认识中药作用的整体观念还有许多问题和矛盾需要解决,如是否可以应用PK-PD结合分析的研究方法,综合评价药物活性物质群的药代动力学和药效动力学,以反映药物作用的整体观等。2.2现代化学成分技术是传统中药的现代科学化的表现之一科学史表明,任何学科的发展要与其同时代相关学科的发展水平处于同步化状况,才易达到。面对现代医学日新月异的发展,传统的中药必须实现现代化才能适应时代的步伐,必须具有现代科学化特点。整体观着重于宏观,现代科学化着重于微观,形成宏观与微观辩证统一的完善的中药药代动力学。2.3中药复方的药动学问题及其药代动力学研究认识中药药代动力学研究的难点也是中药研究的特点。从已有的研究资料分析表明,许多中药中已知的化学成分在体内运转过程中发生较大变化,并不是该成分产生药效作用,也不能在生物体内测定到该成分的存在。被认为是指纹成分的化合物的作用和运转过程中也如此。不论是单味中药还是中药复方,均为含有大量化学物质的巨大复方,而且每一成分含量极微。这种客观存在的问题构成其药效学和药代动力学研究的难点:说不清何为起药效作用的物质,也说不清这样的物质在体内发生何种变化,其变化与药效的关系又如何。随着科学技术的进步,现代分析技术和仪器的发展,研究药代动力学的分析测试方法,如HPLC,LC-MS,MS-MS,NMR和LC-NMR等高端仪器,可以使认识中药体内过程中所产生的药物信息提供了有力武器。但是由于中药化学成分的复杂性和多样性,中药处方的变异性和机体状态的不可预测性,给治疗的物质基础研究带来许多问题,上述对纯化学来源的药物可以分析的方法,还是难以认识中药作用的物质基础。2.4中药复方药代动力学研究阐明中药作用的内涵,研究它作用的物质基础和作用机制是十分重要的,也备受关注。国外许多研究机构,如美国、英国、德国,尤其是我们的周边国家和地区如日本、韩国和台湾的研究日益加强。众多的中药复方虽然临床疗效确切,但长期临床应用是按中医理论和经验用药的,对其作用机制的内涵以及与物质基础的关系,尤其是从药代动力学角度进行研究,得到国际医药学术界的理解和认同还有相当距离,这也影响了中药走向世界。通过对中药体内过程动态变化的研究可以阐明其作用机制以及对中药传统理论赋予现代科学的解释。中药能够产生药理作用,其作用不论从何而来,如来自存在的化学物质本身,还是调动机体的化学物质或机体的反应系统(如免疫系统)产生药理作用,必定存在一定的物质基础,其作用机制和科学内涵必须运用现代科学加以研究和阐明。3中国古药物动力学研究3.1中药的化学成分中药药代动力学研究面临的挑战来自3个方面:一是基础理论与传统医学的相关性。二是研究方法的难度,研究目标物的微量性和质量的不可控性。三是世界先进科学技术应用,要求我国的中药药代动力学研究有较高水平面对外部世界的挑战。中医理论的现代认识是对研究中药药代动力学的挑战。如何用现代科学方法研究中医中药理论等任务极大、极艰巨。中药发挥药理作用的物质基础和化学本质认识相当困难,许多中药的化学成分,特别是真正的有效成分不很清楚。从化学上来认识一味中药就是一个大复方,它是由多种化学成分组成的,而中药复方更是一个化学大复方,本身存在多种化学物质,还有它们在体内会发生代谢变化或复杂的相互作用的变化。这些化学物质在治疗用的方剂中含量极微,一般多在毫克水平或更低。中药中化学成分的含量还受多种因素的影响,如产地、种植条件、品种所用部位、收获时间等因素的影响。这些都给研究中药的药代动力学带来困难,要突破研究方法的难度,就是对研究者的挑战。世界先进科学技术应用,要求我国的中药药代动力学研究有较高水平面对外部世界的挑战。由于研究条件(研究基础、多学科合作、先进仪器等)问题,我国与发达国家或地区在天然药物研究及中药研究的差距不可忽视。日本对多种中药的药物代谢进行研究。如对人参在机体不同部位的代谢研究,获得多种代谢产物,为认识其药理作用提供了有价值的参考。德国对银杏叶制剂中内酯成分不但作为质量标准,而且还进行药代动力学和生物利用度研究。又如台湾学者对甘草等单味药的药代动力学研究,还应用微透析技术进行在体的连续测定体内化学成分的动态变化,对研究中药中微量、水溶性、难以提取分离的有效成分的药代动力学,具有较高水平。香港地区的几所大学的中药研究实力也很强,如香港中文大学和香港科技大学应用分子生物学、基因芯片技术研究中药很有实力。3.2是否有价值的科研工作,是研究研究。和参考价值中药药代动力学研究近二十年取得了很大成绩,获得了大量有价值的研究成果和发表了有参考价值的研究论文。特别是近十年来,由于许多微量、特异的分析测定方法的应用,为单味和复方中药的药代动力学研究开辟了新的局面。3.2.1药动学和药效学研究的必要性新理论和新方法是任何学科发展的基础,对于复杂的中药药代动力学研究更需要以新理论为基础、以新方法为手段,才可能有所突破。如近些年发展的新理论“证治药动学”、“辨证药动学”、“复方散弹理论”等,对于促进宏观和微观认识中药的药理作用的有机结合和统一,促进现代科学与传统医学的结合来认识中药作用的整体观念起着重要作用。血清药理学拓展了中药药理研究理论的思路,为提出和研究中药的药动学-药效学(PK-PD),提供了有价值的理论基础。“九五”期间,国家曾将中药的血清药理学研究列为重点研究课题,今后有必要继续引起国家的重视和支持。可以认为血清药理学的理论和方法,对中药的药代动力学与中医理论结合研究,特别是认识中药药理作用的物质基础具有推动作用,也为新药的研究开发,为从中发现新的先导化合物提供新思路。药物代谢的基础理论研究在中药研究中大有作为,已知不少中药,特别是含苷类化合物成分,能在肠道菌的作用下激活,有的成分能在肝酶的作用下发生结构转化,产生新的活性代谢物,通过代谢基础研究,阐明代谢的生化途径、代谢转化途径、代谢产物的化学结构,这些都可为认识中药作用的物质基础和创新设计提供基础信息。中药及其复方与化学合成药物的区别在于中药及其复方本身就是一种复杂制剂,在体外,复方的煎制过程就可能发生复杂的成分变化。在体内,组成成分相互作用对吸收、分布、代谢等转运环节发生变化,如按化学药物的药理研究方法和思路,仅仅单从化学成分的药理作用来认识中药,可能难以说明中药的作用特点,可能在活性成分的研究过程(如筛选、药效实验)中丢失真正的有效成分。对此,要求研究者必须学习中医中药的相关理论,运用多学科的研究手段,研究中药的现代内涵,创造新理论,使中医药理论为各国药学同行所理解,促进中药的国际化。3.2.2中药活性成分的研究对中药活性成分的研究已有近百年的历史,有的药物的活性成分化学结构已经阐明。据统计我国的中药、草药、民族药近13000种,而进行过化学成分研究的不过1000种,发现的有效活性单体化合物约500。还有相当多的中药,由于成分的复杂性、制备过程与体内过程的复杂性、微量成分的药理活性难以发现等原因,其活性成分并未完全阐明。目前很多中药的质量控制标准物,或“指纹成分”并不都是活性成分,而且其含量的多少也并不一定能代表它的内在质量。因此对中药活性成分的基础研究,不仅是控制药物质量研究的必做工作,也是中药现代化研究关键之一。如能设计新的有效成分的研究方法,阐明活性成分的产生、吸收、分布和代谢过程,确定活性物质存在,采用HPLC,HPLC-MS,MS-MS等现代分析方法,建立中药提取物、胃肠道代谢物、血清或肝代谢物等化学指纹谱。通过中药的物质基础研究,认识中药的活性成分与作用机制,为中药的现代化研究奠定科学基础。3.2.3中药中人参cyp450和药物相互作用的关系细胞色素P450(CYP450)是一组含有亚铁血红素的蛋白酶,可以催化多种类型的反应,对外源性物质的代谢起重要作用。大多数药物在肝代谢,其代谢与CYP4501A2,2A6,2C8,2C9,2C19,2D6,2E1HE3A4等含量和活性有关。研究表明诱导和抑制药物代谢酶是药物相互作用的主要机制。一些中药与其他药物合用时产生的不良反应,如当归、丹参和银杏与华法令合用出现的副作用,小柴胡汤使泼尼松的浓度减低,连翘使地高辛等的生物利用度降低,都可能与药物代谢酶的诱导和抑制有关。因此深入研究中药对药物代谢酶的影响,发现它们的影响规律,解释它们相互作用的机制,认识中药的十八反、十九畏等的科学内涵,是中药合理用药的现代研究的重要课题。国际上,一般采用肝微粒体内的天然CYP450与药物作用,然后用不同的分离分析方法(如HPLC,LC/MS)测定药物及其代谢产物,以研究药物对代谢酶的诱导和抑制,研究药物的相互作用。黄酮类化合物广泛存在于中药和植物中,是具有广泛药理活性的天然化合物。如在银杏叶中由双黄酮、黄酮醇和黄酮苷等组成黄酮类化合物对CYP450的影响,有人在动物和人肝微粒体系统进行过研究。槲皮素、山萘素可以抑制CYP4503A4,研究藤黄中的双黄酮化合物Koloviron可以上调CYP4503A4。研究发现Koloviron上调CYP4503A4可以促进黄曲霉素AFB1的细胞毒性和基因毒性。白芷中含有大量的呋喃香豆素化合物,它的提取物可以抑制大鼠肝微粒体酶CYP4503A4的活性。葡萄汁中也含有大量呋喃香豆素化合物,可以抑制许多心血管药物在体内的代谢。值得重视国外对人参的相关研究,为我们从人参的合理应用去认识中药合理应用的重要性。Donovan等对健康人体的研究表明,人参标准提取物会改变依赖于CYP4502D6或3A4代谢处置的药物的消除,在人肝微粒体研究人参皂苷Rb1,Rb2,RC,Rd,Re,Rf和Rg1的代谢,结果显示,这些成分会影响CYP1(1A1,1A21B1)的活性,而对其他CYP的活性无影响。Lee等发表的体内研究报告也表明人参提取物具有CYP1A抑制剂的作用,而且其作用强于对CYP2B的抑制。作者用Cocktail方法在大鼠研究了人参皂苷Re对CYP1A2,CYP3A4,CYP2E1和CYP2C19的影响,发现Re可以抑制CYP1A2和CYP3A4的活性,而不影响CYP2E1和CYP2C19的活性。3.2.4研究系统与研究方法细胞转运药物的研究由于小肠的生理结构实用于药物吸收,中药大多以口服给药。药物吸收主要取决于药物能否透过肠道上皮细胞以及与其发生生化反应,然后以活性形式转运到靶器官或部位,或与受体结合产生生物效应。用Caco-2细胞转运药物,研究表观透过系数与肠道吸收的关系,进一步提高Caco-2细胞模型的科学性,进行模型标准化和规范化,在该模型上有效地对CYP的作用底物、抑制剂和调控剂进行研究。已知许多药物属于CYPP-gp的共同作用底物,这一技术比动物实验简便、快速、经济。Caco-2细胞模型已是研究中药转运、肠道吸收机制的有效工具。用药物代谢酶研究中药的生物转化药物代谢酶细胞色素P450系统与药物结构转化的I相代谢以及结合反应的II相代谢均有关。近年来,随着细胞和分子生物学技术的发展,可将人细胞的P450和葡糖醛酸转移酶的编码基因转染细胞,获得表达药物代谢的重组酶,解决人肠道酶来源,为中药代谢研究提供模拟代谢环境。中药中含有多种糖苷类化合物,在口服以后,药物要经过胃酸、各种消化酶和体内菌丛的作用或代谢,会引起这些糖苷类化学成分的结构变化,进入人体以后还会在代谢酶的作用下发生进一步的代谢转化。因此,真正起药效作用的物质不一定是原来存在于中药或单味药的化学物质,而是经过多途径变化后的新的化学物质。建立植物化学-药效学-药代动力学的三维研究体系对于具有多成分的中药,从植物化学角度,建立中药的化学指纹固然重要,也是研究药效学(PD)和药代动力学(PK)的基础,但药物进入体内后,其化学成分将产生一系列变化,因此,研究三者间的关系就显得十分重要,而且也是发现药物作用物质基础、研究作用机制的关键所在。为此,建立植物化学-药效学-药代动力学的三维研究体系,配合体外-体内实验,发现化学指纹-药效指纹-药代指纹的关系,鉴别指纹图谱的变化,研究有效部位(成分)的指纹和药代指纹的一致性和差异性,进而建立新的三维模型,实现认识中药作用的整体观念,也能为现代科学阐明药物作用的物质基础提供新的研究方法。高通量药物代谢研究系统从药代研究的发展来看,20世纪70年代,药代研究主要在实验动物和人体进行,以获得药物在体内转运的ADME信息;80年代药代动力学研究与安全性评价结合,增加了毒代动力学(TK)研究;90年代将药代动力学与药物设计结合,为新药发现产生了积极效果。利用酶学、受体学等实验技术,从药代数据中获得候选化合物,从高通量活性筛选(highthroughputscreening)获得活性化合物,但由于药代原因,难以在体内产生作用。近年来,发展高通量药代动力学筛选(DMPKscreening)系统已为研究者重视。但目前高通量药代动力学筛选系统尚无成熟的模型或模式,一般是通过吸收速率和程度、代谢抑制和诱导以及代谢转化途径等。3.2.5复方的药理学药动作用中药方剂是在漫长的历史过程中,通过中医师的大量临床实践而产生的治疗方法,有记载的中药方剂有6万多个,是国际上“人种药理学”(Ethnopharmacology)的原始资料。应用现代科学研究复方中有疗效的物质基础,有助于认识复方中各药的协同作用是产生药效和降低副作用的基础。中药中的每一味药物本身就是一个复方,它的作用实际上是多成分、多靶点的协同作用,对于复方更是如此。复方的药理治疗作用,是各药的协同作用,其众多的活性成分可视为一“活性分子群”。复方药物在制备过程中,化学成分发生变化会形成新的物质(它可能是真正的活性成分),口服后,药物要经过胃酸、各种消化酶和体内菌丛的作用或代谢,会引起化学成分的结构变化,进入人体以后还会在代谢酶的作用下发生进一步的代谢转化。要认识真正的有效成分的作用,对于药代动力学研究来说,应设法和必须阐明活性成分的生成、吸收、分布、代谢的全过程,包括对制备过程、消化道运行过程、菌丛对化学物质的影响、体内转运代谢的一系