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编者按：网络药理学作为新兴学科，成为药物研究的新模式。中医药整体性、系统性、复杂性的特点，使其亟待寻求中医药创新研究的新方法。因此，将网络药理学与中医药有机结合，已经成为现代医药学具有原创价值的研究方向。 值此世界中医药学会联合会网络药理学专业委员会第二届学术年会即将召开之际，中药大品种联盟与网络药理学专业委员会联合推荐网络药学研究方面的优秀论文。欢迎大家点击左下角阅读原文，报名参加网络药理学专业委员会第二届学术年会。 方剂是中医整体观、辨证论治在用药上的体现。数十年来，中药方剂现代研究从饮片层次上的全方、拆方研究等模式，发展到了有效部位、有效组分、有效成分层次上的组分配伍研究模式。随着研究的深入和复杂性的增加，理解方剂复杂化学体系与机体复杂生物系统的相互作用，成为当前方剂研究的根本问题之一。中药方剂化学成分、机体生物系统及其相互关系等多方面的复杂性与还原、试错研究方法的矛盾，则是研究该问题的方法学瓶颈。我们通过多年研究，从网络药理学、系统生物学角度对该问题提出“网络靶标”这一新的切入点。现将本课题组对网络靶标的方法学研究及其在中药方剂中的应用进展作一概述，以供同道参考。 随着各种高通量组学技术的不断进步、计算方法与能力的迅速发展，人类进入了一个全新的生物信息时代。面对海量的数据，我们正经历着从单方面孤立地思考问题到多方面系统地探索疾病、控制疾病的转变，在研究策略上正发生从描述性研究转为预测性研究的飞跃。其中一个重要标志就是从“生物分子网络”的结构与功能来认识疾病分子机理与药物作用机制。最近国际上相继提出网络生物学、系统医学、网络医学，以及被认为是“下一代药物研究模式”的网络药理学等新概念，带来了医学研究，尤其是药物研究的重大变革。这为中药方剂研究也带来了新的机遇与挑战。其中最大的机遇在于能够用网络与系统的思想来理解并处理方剂化学体系与机体生物系统的复杂性，使得方剂现代研究由描述转为预测成为可能，并为发挥方剂配伍用药的特色与优势，跻身药物研究的前沿创造了有利条件。而最大的挑战在于：如何将中药方剂的理论与实践与新兴的网络药理学有机结合，发现新规律，并利用这种规律来推动组方用药的理性设计。
在上述科技背景下，我们提出“网络靶标”的概念并进行了一系列探索工作，希望能为理解方剂复杂化学体系与机体复杂生物系统的相互作用提供一种新的思路与方法，并为中药方剂的网络药理学研究找到一个切入点。 2.1 网络靶标的基本思路 “网络”是机体复杂生物系统的构建基础。我们提出“网络靶标”旨在将病证生物分子网络当作靶标，由此设计和预测最佳的药物干预方式。网络靶标方法的重点是将方药、病证映射于生物分子网络，以网络为基础建立方药与病证的关联机制（图1）。这里的“方药”指中药、方剂里成分清楚的化合物组合与集合，或现代化学药物；“病证”指具有一定分子机制的疾病、证候或有关表型；“生物分子网络”主要是基因及基因产物等生物分子之间通过复杂相互作用而形成的网络，也可拓展到以生物分子为基础的信号通路网络、生物过程网络、组织网络等。网络靶标方法具体而言，即以病证生物分子网络的关键环节为靶标，通过衡量方药成分的靶标谱与病证分子网络关键环节的关系，发现中药方剂的药效物质及其作用机理；通过分析方剂所含成分的靶标在网络上的分布规律，来探索药性、君臣佐使、七情合和等方剂特色内涵的网络特征；进一步地，利用这种网络特征来预测组方用药的临床生物标志，并利用所发现的规律来进行组方用药的理性设计。
图2显示了一个网络靶标的示意图。病证生物分子网络的关键环节包括度数高、或显著影响网络连通性的节点或集合，串联、并联、反馈通路上的节点或集合，重要功能模块的代表性分子，等。这些关键环节中有的分子并不具有可药性，对此药物可作用于其邻近节点而达到有效干预。具体疾病的网络靶标有其特异性，药物靶标往往是其中的一个子集，药物的脱靶效应则与毒副作用表型或药物新功能有关。该示意图也表明了药物联合干预疾病的必要性，并为增效、减毒的药物最佳组合理性设计提供了基础。
网络靶标有别于以往的单靶标、多靶标等概念。单靶标、多靶标是从药物作用性质的角度来定义的，网络靶标是从药物与机体相互作用的角度来定义，亦即同时考虑了药物作用机理与病证分子机制；此外，多靶标、多途径等概念是解释性、描述性的，网络靶标则强调量化分析、机理性预测。
2.2 网络靶标方法的若干特点
系统性：以生物分子网络为基础来理解病证相关复杂生物系统，从网络的系统调控角度研究药物干预机制，体现了从还原到系统的迈进。
关联性：利用生物分子网络衔接方剂复杂化学体系与机体复杂生物系统，在网络的基础上分析二者的相互作用和关联机制。
预测性：在病证生物分子网络的基础上，对中药方剂复杂成分的作用特点、组合效应进行定性与定量分析，为组方用药提供机理上的预测，从而大大降低试错法的消耗，快速获得规律性发现。 图1 网络靶标建立病证与方药在机制上的关联 图2 网络靶标的示意图
3.1 基于网络大规模预测致病基因、药物靶标的方法
网络靶标方法首先面临的一个问题是，如何获得病证相关的分子信息、中药成分的分子靶标？传统实验方法耗费大、失败率高，且难以对众多疾病、药物从全基因组水平进行筛选。中医整体观“取象比类”的特点在于用一个复杂系统类比另一复杂系统，从中认识新规律。借鉴这一思想，我们提出CIPHER、drugCIPHER两种方法分别实现了生物分子网络系统、疾病系统、药物系统的关联，由此预测致病基因、药物靶标，均达到当时国际上的最高准确率。以药物靶标预测为例，其基本思路是：给特定的药物建立一个“关系网”，从药物的化学结构、药物治疗作用两个方面，度量该药物与现有已知其它所有药物的相似性，同时度量某个蛋白质与其它所有已知药物靶标的网络距离，进而计算这两组向量的相关性，来判断某个蛋白质成为该药物的靶标的可能性。我们方法不同于传统方法的特点是：（1）不是孤立地研究某一疾病或药物，而是充分发掘利用它和众多已知疾病或药物的关系；（2）引入了分子网络的相互作用信息和众多已知的疾病与基因、药物与靶标的关联信息；（3）能在全基因组水平对众多疾病、药物进行大规模预测，从而更全面地理解疾病分子机制、药物作用机理。例如drugCIPHER预测的药物靶标谱包含了药物靶标和脱靶效应，利用靶标谱的聚类特征可发现药物的新功能或副作用。以上两种方法使得将病证表型、方药成分映射于生物分子网络成为可能。Barabási等学者提出“网络医学”、“系统医学” 等新概念、评论网络药理学的新进展时，均引用了我们的方法。近期我们通过引入模块性度量，在上述算法框架下又进一步提高了预测准确率。
3.2 病证生物分子网络构建与分析方法
复杂病证发生发展的内在机制难以用单一生物分子的变化来描述，而适合于以生物分子相互作用的“网络”来刻画。从数据层面上，目前用于构建疾病相关生物分子网络的数据主要包括基因表达谱芯片等各种高通量实验所产生的生物实验数据，以及海量的生物学及医学文献数据、多种数据库中搜集的蛋白质相互作用数据、转录调控数据等。2006年我们提出了一种针对特定病证，融合基因表达谱芯片与文献数据的生物分子网络构建方法。在此基础上，针对病证的内在机制，初步建成了一套包括多层次生物分子网络建模、网络平衡状态度量等在内的病证分子网络构建与分析方法。方法特点是：综合特定病证相关的大规模文献、组学实验数据等信息，从分子、信号通路等多个层次来构建与分析病证生物分子网络。方法的有效性在炎症与肿瘤血管新生的案例研究中得到了验证。
3.3 网络靶标的定性与定量分析方法
在以上两方面研究的基础上，我们针对方剂复杂化学体系与机体复杂生物系统的相互作用，提出在网络靶标的计算框架下评价药物功能的方法，能够将疾病与药物的相互作用，转化为网络靶标基础上疾病相关分子与药物干预分子的相互作用，并结合生物分子在网络中的重要性度量，来综合判断药物功能。这一方法还可在特定网络靶标或全局生物分子网络上，从大量药物成分中预测出具有协同作用的药物组合，对药物组合的协同作用强度给出定量表示，同时给出其组合效应的分子机制，从而大大降低筛选有效药物组合的成本。该方法在发现抗血管新生的协同式中药成分组合中取得了较成功的应用。该预测方法在原理上体现为通过合理的药物组合，更有效地干预关键分子、信号通路中的反馈环等网络关键环节（如图2所示），实现对病证分子网络的有效控制。2011年7月，该成果被国际权威机构“千名医学家”（医学F1000）作为“新发现”和“技术进步”，推荐为药理学等领域的“必读论文”。
在识别生物分子网络关键环节的研究基础上，我们还针对药物组合协同作用的定量预测问题，通过构建网络关键环节的动力学模型，提出了药物组合协同干预效应定量分析的一般性框架，并以肿瘤血管新生TNF-NFκB 通路为例，预测出了三种药物组合协同干预方式。 4.1 网络靶标用于理解方剂配伍规律、发现新的活性成分
在作用机理层面上，可以认为，药性、君臣佐使、七情合和等方剂配伍理论蕴藏着潜在的分子网络特征，中药方剂配伍效应的“涌现”来自于方中各药物成分在作用靶点上的网络联系。因此，利用中药各成分的靶标谱及其关联，研究不同配伍组合的网络靶标特征，可望从新的角度阐释方剂配伍的科学内涵，挖掘方剂的现代药物基本特征及组合用药规律。以下两方面研究结果表明这一思路与方法具有可行性。
对于给定方剂，预测其适于治疗的病证与作用机理：以六味地黄丸为例，该方据报道能用于调节多种疾病，然而机制一直不明。我们研究发现该方的分子靶标主要分布于神经内分泌免疫（NEI）相关信号通路，且这些分子靶标与肿瘤、糖尿病、高血压等疾病的致病基因在分子网络上显著接近（P<>
对于给定病证或病理环节，从方剂中预测有效成分或组合：以肿瘤血管新生的干预为例，利用互信息熵和君臣佐使关系，从3685 首络病方剂中提取了中药核心配伍网络，并从核心配伍网络中预测发现新的活性成分，发现具有协同或拮抗作用的寒热不同成分组合。进一步研究表明这些成分均能有效作用于肿瘤血管新生的分子网络。
4.2 网络靶标阐释中药方剂与证候的关联机制
方剂有别于单纯复方用药的特点在于方剂与证候的相关性。网络靶标同样能较好地建立方剂与证候的关联机制，使方剂作用机理与病证生物学基础两方面研究同步发展。六味地黄丸“异病同治”的网络靶标特征是一个例证。同时，我们还建立了中医寒证、热证的生物分子网络，通过炎症大鼠的实验研究，发现热性方剂主要作用于寒证分子网络的关键节点，寒性方剂主要作用于热证分子网络的关键节点，与“疗寒以热药、疗热以寒药”的辨证治则相符，表明该网络能有效区分寒性、热性方剂“同病异治”的不同生物效应。进而通过网络生物标志预测，将寒证、热证生物分子网络用于临床也取得了有意义的发现。提示以方剂成分的分子靶标谱与证候分子网络的关联为线索，可望从机理上预测出方证关联的临床生物标志，为辨证处方的临床研究提供一个支撑。
4.3 网络靶标用于组方用药、方药合用的理性设计
如何找出方剂中哪些成分或成分组合是发挥疗效所必需、哪些又会引起副作用？进而如何设计出物质基础与作用机理清楚、治疗病症明确、安全性好的最优组方？这是方剂研究的一个核心问题。这一问题更明显地存在于目前日益普遍的中药方剂与西药合用（方药合用）中。由于方药合用处于中西医学交接的空白地带，缺乏恰当的理论指导，方药合用的有效性、安全性已成为医学界关注的焦点。
我们研究论证了网络靶标定性与定量分析方法用于大规模筛选协同式中药成分组合的有效性，并构建了药物-NEI-疾病的多层次网络，这为探索基于网络靶标开展组方用药的理性设计提供了一定的基础。从网络靶标的角度建立中药方剂、方药合用的理性设计方法，还需要在以下两方面深入。一是进一步认识病证生物分子网络最适合的药物组合干预方式，并更精确地定量分析药物剂量和配比对网络的干预效应；二是进一步在网络上找出方剂的配伍特征及中药、中西药物的相互作用规律。在此基础上有望发展出适于方药理性设计的网络靶标新算法。 我们提出网络靶标的概念，初步建立了一套具有自主知识产权的网络靶标方法，在中药方剂研究中取得了有意义的发现。网络靶标方法同样适用于现代药物研究，并有可能将方剂传统理论用于现代药物的个性化用药或组合用药。目前我们的研究虽然处于探索阶段，但以网络靶标为切入点开展中药方剂网络药理学研究，其前景将是广阔的。 |
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