来源：转载大品种联盟公众号 | 发表时间：2021-06-22
来源于《中国中药杂志》，2021,46（10）
结构中药学: 中药药效物质基础研究的新领域
乔宏志1，2通讯作者，狄留庆1，平其能3 ，胡立宏2通讯作者
( 1．南京中医药大学 药学院，江苏省中药高效给药系统工程技术研究中心，江苏 南京 210023;
2. 江苏省中药功效物质重点实验室，江苏南京 210023; 3．中国药科大学 药学院，江苏 南京 211198)
中药药效物质基础是中药学研究的根本问题，也是中药学各二级学科绕不开的科学问题。中药药效物质基础研究旨在阐明中药药效物质、药理作用及起效机制，是揭示中药及其组方内涵、开发中药适宜制剂、制定质量标准、提高临床疗效的前提和依据，是中药现代化的重要组成部分。经过数百年的发展，中药化学成分的分离和评价手段日趋成熟，中药化合物获得充分积累，化学结构及其活性的关系已经比较明晰。但同时，部分中药的活性成分不清、体内外活性不一致、大多数中药活性成分的成药性差等问题愈发凸显且长期未能解决，现有研究体系难以全面阐释中药药效物质基础的科学内涵。另一方面，新兴学科和技术的发展使人们认识中药的思路、方法和手段获得极大拓展，发现了很多不同于传统研究理念，但却能较好体现中药功效的新活性物质和起效方式，为破解中医药谜题带来新的线索。本文回顾了中药药效物质基础研究的历程，指出当前面临的瓶颈问题，从中药药效物质基础的两面性角度分析了问题产生的共性原因，即长期以来对中药药效物质物理基础研究的忽视。并根据近年来该领域涌现的新观点、新进展证明了活性成分的存在形式对起效的关键作用，由此提出结构中药学理论和研究模式，以期为中药药效物质基础研究提供新的视角和思路。
1中药药效物质基础的研究历程
过去数百年，在天然药物化学和多组分分离技术的带动下，一大批中药化学成分被发现，形成了丰富的天然化合物库。但传统方法分离周期长、过程繁琐，且常存在活性成分丢失、获得的化合物无效等问题，反映出研究的高消耗性和盲目性。作为改进，以“分子-靶标”理论为基础的中药药效物质研究取得重大成效，形成了以活性为导向的天然产物发现与靶点确证研究模式。在该研究框架下，大量活性化合物被发现，其中不乏青蒿素、喜树碱等结构明确、药效显著、机制比较清楚的化合物，已被开发成临床药物，并逐渐形成了基于天然产物的新药创制模式。但该研究模式也存在一定的局限性，因为中药是多成分、多靶点起效，单一或少数指标筛选得到的活性成分不能全面体现中药药效物质基础。为了更好地适应中药特点，近年来国内外研究者提出和发展了多种研究思路、方法和技术，包括组合化学和化学物质组思想、成分敲出/ 敲入方法、中药谱效关联方法、血清药物化学和药理学结合方法、中药整体药代动力学方法、等效成分群发现技术、分子生物色谱技术和网络药理学技术等。这些思路和方法在解释和发现中药活性组分方面各有优势，对认识中药药效物质基础起到了积极作用。但应该看到，现有方法在不同方面都存在一定的弊端和应用限制。
纵观国内外中药药效物质基础研究的历程，有些根本问题或现象始终未能解决。这包括化学成分与有效成分的错位认识，提取物越纯活性越弱甚至无效的现象，临床有效但药效成分不明，化合物体外有活性但生物利用度和成药性差，药效/ 毒效叠加方式和协同机制不清楚，中药活性物质的体内传递过程未明确等。
2中药药效物质基础的两面性和多维特征
一直以来，对中药的认识和研究主要是基于其所含的化学成分，即通过各种方法和技术弄清中药的化学组成及其药效活性。中药活性化合物的集合构成了中药起效的化学基础。然而，决定中药药效的另一重要方面，即中药多组分形成的物理基础( 相态) 及其作用模式的解析，则尚未有清晰的认识和深入的研究。随着中药化合物库的积累以及出现的越来越多的未知和矛盾现象，人们逐渐意识到传统单一的化学视角在认识和阐释中药药效物质基础方面存在局限性，甚至有些现象不能从化学成分角度解释。例如，葛根素、小檗碱和黄芩苷是从葛根、黄连和黄芩中分离到的活性成分，但存在溶解性差，口服生物利用度低的问题。但在经典方剂葛根芩连汤中通过与甘草的配伍，上述成分的溶出度和生物利用度明显增加。这是由于甘草中的甘草酸具有两亲性，可以与难溶性成分形成“胶束相”，起到增溶作用，改善了全方活性成分的吸收和疗效。由此可见，中药活性成分的起效需要适宜的存在形式和物相状态，这就是中药功效物质的相态属性或物理基础。中药药效物质基础的两面性是由中药多组分起效的本质决定的，成分的多样性必然存在相互作用，继而产生形式各异的物理结构，而成分和结构共同影响了药效的发挥。成分是效用的来源和基础，结构是起效的形式和途径。抛开成分谈结构会变成无本之木、无源之水，而摒弃结构谈成分则很可能丧失舟楫而难以行船。大量天然成分难以成药的事实很大程度上就是忽视了中药起效的适宜形式。
中药药效物质基础的两面性决定其具有多维特征。中药的化学组成、化合物的理化特性和活性功能等属于中药化学基础的范畴，也是以往研究的重点; 而中药不同成分间的互作关系、存在状态和组织构造、特定物相对成分吸收和转运的影响、成分-物相-药效间的传递方式和协作关系等信息则属于中药物理基础的研究领域，但目前的关注度和研究深度还有待加强。
3结构中药学的提出背景和依据
瑞典著名结构生物学家 LILJASA 教授在其著作《结构生物学: 从原子到生命》中全面解析了重要生命活动过程的结构基础及由此阐发的分子机制，展现了生物大分子结构与生命效应的内在联系。中药作为来源自然界的一类活性物质，其效应方式伴随着分子键合或配体/ 受体对接，必然对化合物及其高级组装形式的结构具有高度依赖性。从药用动植物到炮制加工品再到具体制剂的整个中药生命周期中，普遍存在化学成分和物理结构的传递，并对生物转运和药效发挥起重要作用。例如中药煎煮过程中往往会有自沉淀现象，这预示着新相态的形成。研究者较早发现了中药共煎对相关活性成分溶出度、药效和毒性的影响。但长期以来，这种新物相形式的产生基础和对起效的意义未能被揭示，相关现象和研究也缺乏系统的归纳总结。此外，受天然化合物分离方法的限制，中药本源的物态形式在有机溶剂萃取和洗脱过程中被破坏或摒弃，也是造成中药物理结构研究一直未有明显进展的原因。
近年来，随着超分子化学、生物物理学、纳米生物学等学科的发展以及各类电镜、成像和谱学分析技术的突破，中药的很多物相形式和特征被发现和揭示，极大地拓展了中药药效物质基础的认识维度。
3.1 动植物体内的功能性囊泡
细胞外囊泡( extracellular vesicles，EVs) 是一种由活生物体细胞释放到细胞外基质的膜性小泡，参与细胞通讯、细胞迁移、血管新生和肿瘤细胞生长等过程，广泛地存在于各种体液和细胞上清中。成分解析发现EVs 包含脂质、蛋白、核酸及其他分子。近年来，有学者参照EVs 的分离方法从植物样本中分离出囊泡结构，粒度在30 ～1 000 nm，有类似于原植物的活性功能，部分活性甚至优于传统功效成分。例如，西兰花来源囊泡可显著降低结肠组织中IFN-γ，IL-17A，TNF-α 的表达，有效缓解结肠炎小鼠的症状。生姜来源囊泡对牙龈卟啉单胞菌有抑制作用，其作用机制是囊泡中特定比例的脂质可与细菌表面的HBP35 蛋白结合，抑制细菌生长。ZHOU Z 等发现金银花囊泡携带的miＲ2911 可直接靶向多种流感病毒( H1N1，H5N1，H7N9) ，抑制病毒的复制，且miＲ2911 具有极强的稳定性，可以耐受煎煮和胃酸环境的降解。CAO M 等发现人参来源囊泡与巨噬细胞接触后会被迅速识别、内化，诱导巨噬细胞M1 型极化，抑制小鼠肿瘤生长，并证明囊泡结构的完整性是起效的必要条件。类似结果在本课题组研究的地黄囊泡中也得到证实，同时发现囊泡的免疫增强功能显著优于传统活性成分地黄多糖。目前认为，来源于植物的囊泡是由各类初级、次级代谢产物组装而成的结构单元，在生物转运和药效方面发挥协同作用。
3. 2 中药炮制品的活性纳米结构
中药炭药是中医临床应用极具特色的一类传统药物。中药制炭的主要目的是使药物产生或增强收敛、止血、止泻作用以及缓和药性、降低毒性。传统炭药主要关注小分子炮制前后的含量变化，得到的信息呈现碎片化，缺乏规律性和因果关系，某一成分在不同炭药炮制过程中的升降趋势也并不完全一致，很难作为炭药的物质基础。近年来有人从贯众炭中发现大量边界清晰的纳米颗粒，尺度 1 ～7 nm，晶格排列整齐。这些纳米碳点可明显抑制肝出血，并具有较好的保肝功效。类似的，经过纯化去除小分子成分后的荆芥炭主要为粒径30～60 nm、分散良好的纳米碳点，具有显著止血活性。LIU G 等深入研究了纳米生物炭的形成过程和结构特征， 这为揭示中药炭药的物质基础提供了新角度和实验证据。
3. 3 中药汤液中的功能性胶体
中药汤液存在多重相态，如真溶液、胶体、乳液和混悬液等。有学者按粒度大小将白虎汤分成不同组分，发现 100 nm 尺度的胶体组分具有最好的退热功效，与白虎汤全方相当，且易于口服吸收。进一步检测该组分的构成，表明含有新芒果苷、芒果苷、甘草酸等传统功效成分，并包含镁、铝、锌、钙等无机元素，表明这些成分通过相互作用形成了新的活性相态形式。陈秋薇研究了附子甘草配伍前后汤液化学成分以及电导率、黏度、表面张力和粒度等物化参数的变化，并与毒效指标关联，证明成分、相态和毒效间具有关联性。LI X 等发现中药汤液中存在热稳定性良好的纳米级“汤剂体”，该结构由多种脂质、蛋白、sＲNA 和小分子代谢物组成。中药红景天煎液中的“汤剂体”可以促进活性sＲNA ( HJT-sＲNA-m7) 入血并能靶向肺纤维化相关蛋白，降低纤维化因子表达，改善肺纤维化症状。该类研究为分离中药活性组分提供了不同的思路和方法，同时为中药汤剂质控体系的构建提供了多元的质控参数参考。
3. 4 中药活性小分子间的相互作用
中药煎煮过程中的絮凝或沉淀现象反映化学成分间的相互作用。近年来，对天然产物在不同环境中的互作机制研究取得积极进展。ZHAO X 等研究表明，甘草酸在一定浓度下会从溶液状态向凝胶相转变，继续增加浓度将完全胶凝，且表现出对金黄色葡萄球菌的生长抑制。HUANG X 等研究表明小檗碱和肉桂酸可自组装形成蝶形一维结构并最终堆砌成三维球形构象，二者作用力为氢键和π-π 堆积。形成的纳米结构对耐药型金黄色葡萄球菌有显著抑制效果，活性强于单用的小檗碱，但肉桂酸并无明显抗菌活性。LI T 等研究了黄连解毒汤中主要成分小檗碱与黄芩苷、汉黄芩苷的互作机制，证明二者分别形成了纳米粒和纳米纤维构象。2 种构象在抗菌活性方面表现出明显差异，其中纳米粒的活性强于小檗碱，而纳米纤维的活性比小檗碱弱，表明活性成分的物理结构对药效发挥有关键作用。
3.5 中药活性小分子与初级代谢产物的超分子组装
除了小分子次级代谢产物之间存在相互作用外，小分子与中药中的脂质、蛋白、多糖等初级代谢产物也存在互作关系。但传统的中药分离工艺将这些大分子视为无效成分而丢弃。近年来的研究表明，很多大分子成分也有一定活性，或者本身无药效活性，但在塑造活性起效形式、改善活性成分转运、增效减毒等方面具有独特功能。例如中药葛根的淀粉质量分数高达 22% ～26%，高温煎煮下淀粉溶胀、分裂形成均匀糊状溶液，该过程被称为淀粉的糊化。研究表明糊化淀粉颗粒呈无定型，与小檗碱结合更加紧密，对小檗碱的溶解和溶出有促进作用。QIAO H 等发现中药鞣质类成分可以与多肽复合形成稳定的超分子结构，该结构对动物毒肽的溶血性有较强的屏蔽效果，同时可以助力多肽发挥药效。QIAO H 等从临床肾方的汤液聚集物中分离出氨基多糖、大黄素和微量元素，揭示了三者聚集的作用机制和构造特点，证明聚集物在改善难溶性成分溶解度，提高大黄素、丹酚酸等活性成分的肾脏分布和干预肾纤维化进程方面较单成分具有显著优势，对揭示中药的组方内涵和药效物质基础有一定的参考意义。
4结构中药学的概念、特征和研究模式
4.1 结构中药学的基本概念
中药成分的互作关系、存在形式和物理状态对生物利用度、体内转运过程和起效机制有重要影响，是中药药效物质起效的物理基础。它与活性化合物组成的化学基础分别体现了中药药效物质基础的 2 个方面。结构中药学就是研究中药功效成分物理基础的学科领域，它包括中药成分的相态变化规律及其效应关系。“相态”是指在一定环境下，不同或相同成分间相互作用形成的相对稳定的构造形式，它包含成分和结构2个层面。传统中药研究比较关注成分层面，但任何成分都有其所处环境和存在状态，相同的成分在不同环境条件下会有不同的结构形式。如很多中药成分在有机相中呈“溶解状态”，而水中则呈聚集态甚至沉淀，这直接决定了其在生物药剂学分类系统中的划分类别。但事实上，很多化合物即使是被定义为水溶性成分，也未必是“真溶液”的存在形式。例如很多中药“水溶性”皂苷成分在一定浓度下会缔合成“胶束相”从而影响其性能。因此，中药成分( 包含各类初级和次级代谢产物) 在一定条件下相互作用产生的特定相态才是功效传递的完整形式。相态的产生可源自本体，如前文所述生物体细胞分泌的细胞外囊泡或甘草酸自身组装形成的聚集形式; 也可以是通过炮制或配伍等方式实现的， 例如炮制后形成的碳点或复方中药煎煮过程形成的自沉淀。相态的维持与变化受组分构成、所处环境等多元因素调控，相态的转化引起功能或效应的迁移。例如氨基多糖、钙离子和丹酚酸在中性pH 下可组装成球形纳米粒子，在体内稳定地传输。但在炎性环境的酸性条件下可解聚释放出游离丹酚酸。这种随环境而变得相态伴随着药物的装载、释放、转运和起效，体现中药物质和功效的传变规律。
4. 2 结构中药学的几大特征
结构中药学具有以下几个特征，①整体与个体统一: 研究维度不再是孤立的分子或分子组合，而是存在弱键互作关系及特定结构的活性相态形式，单分子仅仅是中药成分的一种相态形式，在不同环境下存在单体和聚集态的互变; ②动态性和阶段性: 相态是特定环境下的多因函数，不同的体内外环境促成不同的相态形式，这些特定相态可以反映中药物质形成、衍化、转运、起效的整个生命周期，而特定环境下的相态反映所处阶段的功能和意义，这也为研究工作的分段开展提供了可能; ③相效关联性: 这既是认识观又是方法论，即研究中药的相态不是抛开成分和效应单纯研究结构和物理性质，而是关注和揭示成分-相态-效应关联链条中的物质与功能传变规律; ④实践性: 结构中药学是源于实践的总结，并将为中药药效物质基础研究提供多维的、可行的研究思路和实施方法; ⑤开放性和延展性: 结构中药学的理论和实践对中药药效物质基础的阐释、中药质量的多元评价、功能辅料的发现、中药新药的创制提供了开放的研究空间。
4. 3 结构中药学的研究模式
4. 3. 1 中药活性相态的分离与纯化由于传统天然化合物的分离多基于分子极性的不同，常使用大量有机溶剂，这往往导致中药原有相态的破坏。因此活性相态的分离宜采用温和的、非破坏性分离方法。目前化工领域常用的分离技术，如离心、微纳滤、离子交换、凝胶色谱、透析等技术可供借鉴使用( 图1) 。此外，近年来开发的非对称流场流分离( asym- metrical flow field-flowfractionation，AF4) 技术利用垂直方向的外力场和载液使不同粒度样品发生差速迁移以达到分离目的。由于该技术的分离腔无填料，流动相允许使用高离子强度载液，无需添加其他改性剂，因此不会影响颗粒尺寸和表面电荷，末端串联其他检测设备，如紫外光谱、电感耦合等离子体质谱仪或颗粒尺寸表征设备，可显著提高AF4 的分离效率和功能性，是一种有前景的分离技术。
4. 3. 2 活性相态的表征表征内容包括几个方面: ①化学组成和比例的确定可以使用现行通用的色谱技术、质谱方法和测序技术等，对活性相态的初级、次级代谢产物及无机元素进行全面解析; ②借鉴微纳结构和胶体的表征方法，对活性相态的尺度、形貌、电荷、构造、黏度、张力、聚集/ 分散性和生物物理参数等进行表征; ③借鉴超分子化学原理和检测技术研究分子的组装机制，明确分子互作的热动力学参数、组 装规律和触变条件。
4. 3. 3 相态的生物转运和效应机制借鉴生物药剂学、药代动力学理论和方法，研究中药相态的吸收、分布、代谢、排泄等生物转化过程，揭示其跨越生物各级屏障的路径和机 制，使用合适的药理模型评价活性相态的药效学和起效协同 性，深入阐述活性相态成分-结构-转运-效应的关联传变机制。
4. 3. 4 技术应用与拓展领域①结构中药学将中药的化学成分和存在形式都纳入到药效考量体系中，更符合中药整体性和协同性特点，可用于指导中药药效物质基础和质控标准研究; ②“药辅合一”作为中药制剂加工和临床用药的特色，强调中药中非传统活性成分的功能，如充当载体或改善其他成分稳定性和生物利用度等，这与结构中药学的整体研究方向是一致的，因此可以作为发现药源性辅料的一种途径; ③由于结构中药学涉及从药材到制剂的全链条研究， 这就为以活性相态为基础的中药新药开发提供了思路和借鉴。
5结语
结构中药学是在总结前人理论和实践的基础上提出的，有其客观性和时代性。首先，生物体是由大量生物分子构成的，而每一个功能生物大分子都有特定的结构，并被赋予特定的功能。它们相互协调，共同组装成更高级的分子机器、细胞器，进一步组装成生命功能的基本单元———细胞。因此，生物体就是由化学元素构成的分子通过组装成特定结构而发挥功能的，这是生物世界的基本规律。中药作为来源于生物界的活性产物并作用于新的生物系统，也必然遵循这一规律。其次，结构中药学的产生具有鲜明的时代特征。结构生物学、超分子化学、生物物理学等新兴学科和现代技术的发展极大地拓展了人们对中药的认识维度和实践手段，数以万计的天然化合物的发现和积累也为理解中药由成分到结构再到功能的传变过程提供了研究基础，这是催生结构中药学理论和实践的时代元素。
当前，很多久而未解的瓶颈问题制约着中医药现代化的进程，传统的研究模式经过百余年的发展已趋于成熟和固化，很难突破现有范式转化为更高级模式，这实质上就是美国人类学家 Clifford Geertz 提出的内卷化概念在科学研究中的表现，这是一种规则范式在穷尽其生产力功能之后所呈现出的一种高成本的无差别吞噬或沉没效应。要想破解中药学研究的内卷化趋势，保持系统的开放状态是必要的外部条件。此外，在领域内保持思想和方法的多样性也是构建多元生动的科研生态、避免系统过度内卷化的必要内部条件。与近年来中药学领域出现的其他思想和方法一样，结构中药学也是中药守正创新道路上的探索和实践，也同样需要经历长期的论证和修正以获得不断的发展。但与此同时，笔者更希望通过结构中药学的提出构建一种开放多元的科研生态，使业内重视和加强中药多维特征的研究，这不仅会拓宽和丰富人们对中药科学内涵的认识，也将对中药学其他领域的传统实践产生重要影响。
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