中药多组分pk-pd结合模型应用研究思路与方法探讨

中药多组分pk-pd结合模型应用研究思路与方法探讨

目前，中医复方多组复合制剂的物质基础、体内过程、生物效应和相关研究还没有形成一个相对成熟的概念。主要原因如下：（1）由于中医复方体系的复杂性，原研究成果仅通过组的分离或组成的分离，而不是高流量筛选，因此无法获得复杂的研究思路。（2）中药复方中的每种活性物质经历了吸收、分布、代谢和排泄的过程。每个活性物质的内部过程机制、影响因素和组成之间的互动非常复杂。（3）药物的活性表达及其机制存在着现代多指标效应与中医传统辩证法相关的研究方面的困难。PK-PD相关性研究是在药代动力学与药效动力学研究基础上,应用特定关联性分析方法所建立的相关性研究。本文在综合分析有关PK-PD结合模型应用研究的文献基础上,探索性提出在中医药理论指导下,开展中药多组分网络靶点效应PK-PD结合模型应用研究,为中药多组分PK-PD研究提供参考。一、基于药代动力学与化合物计算的中药复方优化自Sheiner等于1979年提出作用于效应室的药代动力学-药效动力学结合模型(IntegratedPK-PDmodel)以来,该研究方法被广泛应用于化学药物理论研究及临床应用领域,研究内容涵盖了药物的体内代谢过程、药物与酶的对应关系和相互作用、药物的毒副作用、耐受性与致敏性研究、立体异构体药物比较等众多方面。PK-PD结合模型能够将体内药物动力学与药效量化指标的动力学过程进行有机整合,更科学地揭示药物剂量、作用时间与机体的效应关系,有助于全面、准确地了解药物效应随剂量(或浓度)及时间的变化规律。PK-PD结合模型在中药多组分研究领域的应用目前主要开展了中药复方主要活性成分与主要生物效应之间的PK-PD相关性研究,常采用的结合模型有血药浓度与药理效应结合模型和血药浓度与毒理效应结合模型。例如,杜力军等选取黄芩苷、小檗碱和蛇床子素作为复方中黄芩、黄连、独活的代表性成分,利用PK-PD结合模型分析三者代谢过程与发热大鼠体温变化的关系,结果表明,体温下降与黄芩苷的血药浓度变化呈正相关,故认为黄芩苷可作为该复方解热作用的指标性成分,将其药代动力学过程与降体温效应的动力学过程联合分析可以反映复方的PK-PD特征。周莉玲等用血药浓度与毒理效应建立PK-PD模型分别对青藤碱制剂、丁公藤注射液进行药代动力学相关性研究,提示血药浓度法与毒理效应法的测定结果在一定时间范围内具有相关性。中药活性成分群的构成及其血药浓度与中药多组分网络药理中特定途径、环节或靶点的效应具有相关性,因此,研究建立中药活性成分的药代动力学与效应动力学相关性应该具有较好的预期结果。但是由于上述过程的复杂性,导致现有的研究报告并不能较好地反映其相关性。例如,在有关脑血管药金森脑泰粉针剂(Naturalcerebralnutrition,CBN)的研究中,以葛根素和人参皂苷Rg1为代表成分,分析二者的PK过程与抗血小板聚集、抑制丙二醛(MDA)生成等药理作用的关系,并未观察到明显的全程相关性。目前中药多组分PK-PD研究大多局限于单一成分的PK与复方药理效应的PD之间“点-系统”的研究,而且由于中药效应的多样性,导致PD指标选择的科学性与合理性也存在问题,可见,虽然以主要活性成分的药代动力学结合全方的药效动力学来探讨中药多组分的PK-PD特性具有一定的可行性,但只有在谨慎选择了合理的测试成分及效应指标的前提下,拟合模型才有可能成功。因此,建立与中药多组分特点相适应的活性成分群与网络靶点药效学之间的∑PK-∑PD结合模型,即“系统-系统”的研究方法才能较好地把握中药多组分作用的整体特征。二、药代动力学研究针对中药多组分复杂的成分组成和效应作用,如何建立有中医药特色的指标性成分和指标性效应体系?如何综合多指标、多效应进行PK和PD研究?PK和PD又怎样进行模型拟合……是进行中药多组分PK-PD结合模型研究需要解决的问题。1.中药多组分回收率中药多组分的药效是多种活性成分集群组合并发生相互作用、药物与机体相互作用所产生的综合效应,仅用中药多组分中效应明确的某一个或某几个成分来代表全方进行PK-PD研究所获得的资料只能说明主要活性成分的PK-PD特点,未能完整地反映中药多组分的体内过程。采取适宜的研究方法,科学界定中药复方效应物质基础是中药复方PK-PD研究的前提,常用的研究思路与方法有以下几种。(1)物质组学研究中药多组分化学物质组学是在中药复方配伍理论指导下采取从整体到部分、自上而下、逐层递进的策略,通过不同层次化学物质组的化学信息流与多参数生物信息流的相关分析,从药材、组分乃至成分逐步深入地揭示中药多组分的配伍关系,从复方的整体化学物质组中逐步发现和确认有效化学物质组的组成,辨识关键药效成分。目前的研究主要从整体化学物质组、有效化学物质组、有效化学成分群等不同层次逐步深入。例如,在对清开灵注射液的研究中,应用化学物质组学对各类化合物建立了相应的指纹图谱,设计了整体到细胞的多种模型共计51个药理学指标,最终确定清开灵治疗脑缺血损伤的4类有效组分是胆酸类、黄芩苷类、环烯醚萜类及珍珠母提取物,这4类物质组成了清开灵注射液的有效化学物质组,代表了清开灵注射液的药效物质基础。安全首次在PK-PD结合模型的平台上,分析中药单一成分环维黄杨星D(CVB-D)和有效部位黄杨宁在体内的相关性;从经皮制剂与口服制剂的比较,探讨剂型改进的可行性和优越性,为中药新型给药系统,特别是靶向、定位给药系统的研究、分析与评价提供了技术平台。中药多组分化学物质组学研究要求对复方中的成分及其药理作用事先进行从多角度多层次的归纳分析,研究系统深入但工作量偏大。(2)中药代谢中化合物代谢的应用将代谢物组作为中药复方的药物效应物质基础的研究趋势是伴随着系统生物学和代谢组学的发展而产生的,其核心在于研究比较外源物刺激或基因变异后体液中小分子代谢产物集合的变化。相关研究人员认为,不仅中药的原型成分和代谢产物与中药的治疗效应有关,中药与机体作用产生的新成分也在治疗中发挥作用,由这三者组成的代谢物组才是中药发挥治疗作用的物质基础。邵青等创新性地采用代谢组学技术,通过气质联用法测定空白对照组、模型组及给药组血液样本中的各种内源性代谢物,将模型组中异常变化的代谢物群作为生物标记物群,开展PK-PD结合研究,揭示中药治疗心血管疾病的药效物质基础。该方法适用于成分复杂、疗效多样的中药多组分PK-PD相关性研究。(3)药代动力学特征针对中药药代动力学评价指标的检测选择问题,药代动力学标记物(PKmarkers)在2009年的第九届全国药物和化学异物代谢学术会议上首次被提出。其核心理论为:如果中药的某些活性成分具有合适的药代动力学性质,比如显著的体内暴露、良好的剂量依赖性、合适的消除半衰期等,就可以作为PKmarkers来表征中药的整体药代动力学行为。PKmarkers的核心思想和FDA的观点一致,而且以三七为例,其活性成分人参皂苷类化合物的药时曲线与矩量法整合中药多成分整体药时曲线十分相似,这从一个侧面也说明了PKmarkers表征中药整体药代动力学特征的科学性和合理性。无论是中药多组分化学物质组、代谢物组,还是PKmarkers,都充分考虑了中药多组分的特点,能较为全面地代表中药多组分的效应物质基础。以此作为研究对象,对于全面深刻地理解中药多组分的物质基础与生物效应之间的关系具有重要意义。但是,面对中药复杂多样的药效作用,科学合理的网络靶点效应体系的建立成为了中药多组分PK-PD研究之关键。2.全药临床疗效评价中药复方多成分、多靶点、多途径、整体调节的特点,使得在PK-PD模型研究中,不仅难以确定足以代表全方药代动力学特征的效应物质基础,而且也很难将全方的治疗作用落实到某一个或某几个药效指标。因此,如何在中医药理论指导下,结合现代药效学,构建网络药理学效应指标体系,用于PD研究成为建立中药多组分PK-PD模型的另一关键问题。(1)中药复杂作用机制网络药理学是系统生物学和多向药理学的融合与发展,运用于中药多组分研究领域,则是立足于中药中已知的化学成分,充分利用已有的研究成果,用计算方法研究中药中化学成分的多靶标、多途径协同作用,并用网络的形式直观呈现出这种复杂作用。吴钉红等运用网络药理学的方法研究清热中药中化学成分与相关靶标的相互作用,初步揭示了中药分子基础及复杂的作用机理,将中药的作用机制研究推进到分子水平,为现代中药的开发奠定基础,而药物-靶标-疾病网络的构建和分析又将中药复杂作用机制研究推至网络水平。因此,引入网络药理学的理论和方法,收集中药中已知的化合物,与疾病相关的靶标,以及与靶标相关的其它疾病,利用计算机分析方法对各药效靶标进行分析研究,不仅可以避开中药中化学成分难以分离的壁垒,为进一步的研究提供计算假设和实验方向,大大减少实验工作量,同时也为与疾病相关的药物效应指标体系的建立提供了参考。(2)对药物效应的评价生物效应法为在体效应指标的选择提供了可借鉴的经验,提出在体效应指标应具备以下两点:一是被观测的效应指标应与治疗作用或毒性作用有直接关系或高度相关性,可预测疾病的结局,并可完全解释由治疗引起的临床结局变化的净效应;二是被观测的效应指标随药量的变化应是一种量反应而非质反应。目前,已有研究就多种疾病疗效评价中替代指标的选择进行了探讨[16~18],如以ATT(针对破伤风毒素的抗体效应)作为替代指标评价猴体内CD154的单克隆抗体5c8的免疫抑制作用、以血浆羟氢可待酮浓度作为替代指标评价阿片类镇痛药控释剂的止痛效果等研究都取得了较好的效果。赖宝林等通过同步进行血液和脑部微透析采样,同步测定脑缺血局部的药动学和药效学指标,建立了芎冰微乳鼻腔制剂的脑局部PK-PD模型。有些药效指标在体内的检测受到多种因素的限制,且动物个体差异大,干扰因素多,结果的准确性和重现性较差,而离体实验(如离体器官、组织、细胞、受体、酶等)观测药理效应较灵敏、准确。因此,在中药多组分的PK-PD研究,尤其是其作用机制研究中,离体实验指标正发挥越来越重要的作用。抗菌药物体外PK-PD模型能够模拟抗菌药物在人体内的药代动力学过程及其杀灭细菌的动态药效学过程,比用一般稳态模型更符合体内的实际情况,正得到广泛应用。含药血清的体外抗氧化、抗病毒细胞模型研究和指标测定也越来越多地应用于PK-PD研究。宋珏等以HPLC法同步监测血清黄芩苷、汉黄芩苷的水平,求算其血药浓度-时间曲线下面积(AUC),并将含药血清抗氧化作用的效应-时间曲线下面积(AUE)与对应的AUC进行相关性分析,发现黄连解毒汤、黄芩提取物及黄芩苷的抗氧化作用与血清黄芩苷、汉黄芩苷水平呈正相关,提示黄芩苷可能是黄连解毒汤及黄芩抗氧化作用的活性成分,汉黄芩苷也具有一定的抗氧化作用。中药多组分药物效应的评价是多方面的,只有在综合分析在体效应指标和离体效应指标的基础上,对PD的评价才是全面客观的。此外,先进检测技术和方法的发展将大大丰富和促进药效动力学和PK-PD结合模型研究的发展。刘宏伟首次运用微透析采样技术研究TMPP制剂的脑局部PK-PD结合模型,同时监测脑内药物TMPP和氨基酸类神经递质的变化,建立PK-PD模型,动态分析了动物给药后药物浓度和药理效应随时间变化的规律。(3)中药多组分pk-pd研究从中药多效应、多靶点、多途径、整体调节的特点和机体对于干预措施的整体反应性出发,综合的证候评价体系能够较全面地反映中药多组分的复杂效应作用,相信将证候指标引入网络靶点效应评价系统,将使中药多组分PK-PD研究进入一个崭新的阶段。但目前对于该方面研究报道较少。在合理选择中药多组分指标成分体系的基础上,建立多靶点的网络生物效应指标体系对于中药多组分PK-PD结合模型的研究和建立具有重要意义,但如何阐明中药多组分的∑PK和∑PD间“系统-系统”的关系依然是中药多组分代表性物质基础研究的核心问题。3.网络靶点效应与力学模型的关联整合中药多组分的代谢动力学特征、并与效应动力学指标进行关联,成为建立中药多组分网络靶点效应PK-PD结合模型需要解决的第3个关键问题。目前常用的关联性分析方法有以下几种。(1)对药代动力学研究传统的PK-PD模型研究要求事先对药物作用机制有所了解,但生理系统的复杂性以及药物作用机制常处于灰色地带等决定了仅靠有限的数学模型很难确定药动学变量、药物输入与药效之间的定量关系,而智能计算能够从数据挖掘的角度解决PK-PD结合模型研究中存在的关联性分析问题,因而近年来越来越受到研究人员的重视。苏怡利用基于Matalab的神经网络工具箱,建立了三层的BP网络,研究抗菌药物的血浆蛋白结合率与它们的量化参数、理化参数和分子连接性指数之间的定量关系。陈渊成等提出基于神经网络的PK-PD结合模型,对丹参主要活性成分丹参素心血管活性的贡献率进行评价。杨永茂采用了全模型的结构方程方法对大黄中4种游离蒽醌对3种治疗指标进行了建模,用LISRELS.8软件建立质量不守恒体系的常微分方程和动力系统方程,进行PK-PD模型拟合。该研究对中药多成分多效应之间的关系研究具有一定的借鉴作用。作为第二代人工神经网络的支持向量方法和贝叶斯网络方法等新的智能计算方法正在以其独特的不确定性知识表达形式、丰富的概率表达能力、综合先验知识的增量学习特征等成为当前数据挖掘众多方法中最为引人注目的焦点之一。由于贝叶斯网络的这些特点,将其应用于中药多组分药代动力学中分析PK-PD相关关系,将具有独特优势,然而还未见有研究报道。(2)基于毛细管电泳的基于pk-pd分析的中药药代动力学研究代谢组学研究常运用化学计量学理论和多元统计分析方法,对采集的海量多维原始信息进行压缩降维和归类分析,以较少的独立主成分综合体现原多维变量中蕴含的绝大部分整体信息。高荣应用基于毛细管电泳的代谢指纹图谱的代谢组学方法成功地对服用银黄制剂前后、炎症造模前后、不同的给药途径及不同药物的疗效等不同的代谢表型进行有效的区分,并找出了相应的生物标志物的特征峰,为应用代谢组学研究方法研究中药的PK-PD结合模型作出了有益的探索。邵青等通过选取中药干预后异常变化代谢物群回调明显的效应指标作为药效标记物群,以可量化的与疗效相关的内源性代谢物群作为药效替代指标,开展PK-PD结合研究,揭示中药药效物质基础。这种研究策略在最大化保留信息的前提下大大简化了数据分析的难度和工作量,值得相关研究人员借鉴。(3)基于图谱与多指标定量分析的药代动力学研究通过引入系统生物学和代谢组学的理论和方法,运用人工神经网络等智能计算方法,在网络药理学的基础上,建立中药多组分动态网络靶点效应PK-PD研究模式,对于中药多组分PK-PD的研究和分析具有重要意义。中药多组分动态网络靶点效应PK-PD研究模式是在系统生物学的基础上产生和建立的。它一方面采用化学物质组学方法、生物样品指纹图谱与多指标定量分析检测技术揭示中药多组分的主要物质基础及其在体内的吸收、分布、代谢、排泄等药-时规律(PK)。另一方面借助蛋白组学、基因组学、代谢组学等组学研究手段,从“动物-组织-器官-细胞-分子”等不同层次进行药理效应研究,从而揭示整体效应的变化趋势,建立效-时曲线(PD),并在此基础上,采用智能计算等方法揭示不同层面信息的内在联系,构建“化学特征谱-生物特征谱-效应谱-时间”的动态多维网络模式。这种研究模式可以从不同层次、不同生理状态角度深入阐释中药复方药代动力学规律与特征,及其与不同层次网络靶点药理效应间的相关性。罗国安等应用同一含药血清,按生物效应法,选择发生明显病理生理反应的时间点作为采血点,在测定病理、生理指标的同时,测定了同一份血浆中作为六神丸中有效成分同时也是毒性成分的蟾酥二烯内酯类化合物在体内的血药浓度,同步平行进行药动学研究