乌头类中药毒代动力学及代谢组学研究进展

[摘要] 乌头类中药是一类常用中药材，含有多种生物活性物质，具有很高的药用价值，然而毒性极强，其主要毒性成分是乌头碱、新乌头碱、次乌头碱，同时也是有效成分，因此临床使用的安全性应受到广泛关注。随着药物开发研究的不断深入，人们已经不满足于仅仅了解药物的毒性，更迫切地需要了解其致毒机制及毒性产生和发展的规律性，以便对药物的安全性作出科学合理的评价，因此毒代动力学及代谢组学评价已逐渐成为创新药物评价的一项重要内容。建立科学、客观、规范的乌头类中药安全评估体系，正确评估和运用其毒性，是药物性能开发的重要内容。作者通过近年来对乌头类药物的毒代动力学和代谢组学研究进展进行综述，提出加强乌头类药物安全性评价研究工作，尽快建立科学，规范的安全评价体系，使民族瑰宝发挥出更大的优势。

[关键词] 乌头；毒代动力学；代谢组学

[收稿日期] 2013-12-25

[基金项目] 国家自然科学基金项目（81260650）

[通信作者] 李刚，教授，硕士生导师，研究方向为新药药理学与神经药理学研究，Tel：（0471）6653134，E-mail：

[作者简介] 马天宇，硕士研究生，Tel：15034772494，E-mail：

毛茛科Ranunculaeeae乌头属Aconitum L.植物是一年至多年生草本植物，多具有较高药用价值而受到广泛的关注，是一类具有广阔开发前景的药用资源。其中以川乌、草乌、附子为临床常用药物。但是毒性极强，李时珍曾以“飞鸟触之堕，走兽遇之僵”描述其毒性，误食或用药不慎则发生中毒[1]。因此，有必要对乌头类中药毒性进行分析，以正确理解其毒性因素，保证临床用药安全。而对毒物进入血液的几率以及体内产生何种情况进行描述的毒代动力学是一门研究毒物在体内量变规律及其对机体造成何种毒性影响的学科，常依据药代动力学的方法和原理，如房室模型系数和数学运算模式计算多种毒代动力学参数，以探讨毒性发生和发展的规律。此外，从系统生物学的角度看，中草药中毒是因蛋白质网络和基因调节网络被“扰动”而致，中医中的“证候”是蛋白质网络和基因调节网络被“扰动”后所发生的一种特异性变化状态，这一扰动网络可通过代谢组学分析分泌到血液和尿液的内源性成分的改变反映出来。代谢组学通过现代仪器分析技术测定机体整个代谢产物谱的变化，并通过多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况的改变。它跳过生命体内复杂的调控过程，通过分析代谢物，给出最终的、整体的结果。并在健康监测、疾病诊断、个性化治疗、疗效评价、药物开发、安全性评价等方面都有巨大的优势[2]。近几年来，国内外学者采用毒代动力学及代谢组学技术对乌头类中药进行研究，现就研究进展进行综述。

1 乌头类中药的毒性成分及中毒机制

目前，不同地区及不同部位的乌头类中药的代谢图谱比较发现，乌头类草药中主要存在烷基醇胺二萜类（ADAS），双酯型二萜类（DDAS）、 脂类三大类双脂型生物碱，具有共同的C19-去甲二萜骨架，其中的C8位置分别被羟基，乙酰氧基或脂肪酸酰基占用[3-6]，但有关3种生物碱毒性的比较尚未见相关文献报道。从化学结构上看，乌头类草药的毒性主要来源于带有羰基的双脂型二萜类生物碱[7]，如乌头碱、中乌头碱、新乌头碱。Famei Li[8]应用GC/TOF-MS技术对大鼠血浆中乌头类生物碱的代谢产物进行定性分析，结合质谱数据库鉴别36种代谢产物，同时通过乌头碱，次乌头碱，新乌头碱3组实验组代谢产物的比较，发现乌头碱能引起谷氨酰胺和肌酐下降，揭示了乌头碱是引起心脏和肌肉毒性的主要成分，并且3种乌头类生物碱具有不同的毒性和代谢机制。

在有关中毒机制的研究中，韩旭[9]拟用附子水煎液大鼠灌胃给药，待出现明显心律失常时取血，分离血清，一部分在组织水平观察对离体豚鼠肌动作电位的影响，一部分用于血清中成分分析测定，并以新乌头碱（mesaconitine）为研究对象，分析其致心律失常的机制，结果发现附子所含的新乌头碱通过调节钙通道活性而非bERG通道相对延长了APD90～30（复极90%～30%的动作电位时程），是引起大鼠心律失常，尤其是QT间期延长的原因之一。另一方面，乌头碱对心脏的作用是兴奋心脏迷走神经，使节后纤维释放大量乙酰胆碱，从而降低窦房结的自律性和传导性，引起窦性心动过缓和低血压[10]。由于乌头碱对心肌的直接作用是使心肌各部分兴奋，在神经方面则主要是首先兴奋后麻痹感觉神经和中枢神经，阻止冲动的发生和传导，出现一系列胆碱能神经毒蕈碱（M）样症状和烟碱（N）样症状，因而使心率变慢、心律不齐、血压下降。2012年，Yu-hong Zhou[11]从信号通路的角度探讨乌头碱对大鼠心室肌细胞内Ca2+信号的影响，发现乌头碱通过改变L-型钙电流和促进NCX和SERCA2a基因的表达增加细胞内Ca2+浓度，细胞内Ca2+浓度升高进一步促进靶基因的表达并延迟后去极化，引起心脏毒性，再一次验证草乌具有严重的心脏毒性。此外，体外实验中，乌头碱兴奋多巴胺能神经元释放多巴胺，细胞外过多的的多巴胺导致神经元凋亡，鉴于体外实验提示乌头类中药存在潜在的神经细胞毒性，过量用药或者敏感人群可能产生潜在的神经毒性[12]。因此，对乌头类中药的新药开发与临床应用均需谨慎[13]。

2 毒代动力学研究

随着中药现代化研究特别是中药毒理学研究的不断深入，人们逐渐认识到对中药毒性的研究不仅要注重其毒性表现和剂量、靶器官的关系，还有必要进行比较全面的毒代动力学研究，通过中药毒代动力学研究，可以了解药物大剂量和生物利用度的关系及其性别之间的差异，可以明确重复给药对药物代谢动力学的影响，有利于探讨剂量、药物组织水平和毒性之间的关系，能预测毒性作用靶器官，解释中毒机制。其中，单次与反复染毒的毒代动力学研究有利于探讨动力学特征可能发生的改变，预测染毒期间的毒物全身暴露的速度、程度以及持续的时间。在试验研究中，试验动物的选择应遵循与药效学研究和药物动力学相符合的原则。对于乌头类药物而言，单次与反复染毒的的毒代动力学研究数据可用于初步了解毒物在体内的动态变化。通过检测毒物的血毒浓度、组织分布及组织的损伤，描述毒物的毒代动力学规律，并发现其潜在器官损伤。对临床安全用药及联合用药起到一定的指导作用。

Lan Tang等[14]通过比较单次与多次给予大鼠附子提取物，发现乌头碱的生物利用度很低，单次与多次给药后乌头碱的药代动力学行为没有显著性差异。除此之外，与单次给药相比，多次给药可以提高乌头碱的生物利用度而引起中毒，并且乌头碱的血浆蛋白结合率低（23.9%～31.9%），使其很快从血浆中消除。其次，乌头类有毒中药生物碱30 min内的药-时曲线，可见乌头类有毒中药生物碱总量在20 min内快速上升，然后快速下降，特别是乌头碱和次乌头碱表现更为明显。提示动物在30 min内出现的中毒反应与乌头类有毒中药生物碱总量的血药浓度快速上升有关，而30 min后逐渐缓解与其血药浓度快速下降有关。其后乌头类有毒中药生物碱总量的血药浓度出现多峰现象，并在一定范围内相对平稳，使动物在一段时间内保持轻度中毒的状态，证实乌头类有毒中药生物碱的血药浓度与中毒反应的产生具有直接相关[15]。此外，有人利用LC/Q-TOF-MS分析灵敏度高、物质鉴定准确性强的特点，结合血药浓度法测定附子单煎液和附子甘草（干姜）合煎液中药效成分在大鼠血浆中的含量，对比研究附子配伍甘草（干姜）前后毒性成分乌头类生物碱在动物体内的药动学行为，从毒代动力学角度得“甘草（干姜）而后缓；附子之性毒，得甘草（干姜）而后解”的中医配伍理论[16-17]。最后，Thomas Y K Chan[18]在人的皮肤可以渗透乌头碱和中乌头碱基础上，研究乌头酊和生附子的全身毒性风险时发现乌头酊和生附子可以通过皮肤吸收进入全身血液循环，造成致命和非致命的中毒反应，因此在使用外用附子制剂和乌头类生物碱的透皮吸收制剂时，公众应警惕全身毒性的风险。

3 代谢组学研究

代谢组学最大的特色在于建立以整体观来剖析生命现象的理念，通过采用核磁共振谱和质谱等现代仪器分析手段，定性定量检测生物体液（包括尿液、血浆或血清、唾液、脑脊液、、汗液等）中尽可能多的内外源性代谢物。其中，药物毒性评价研究大多采用NMR技术来考察毒性机制、毒性部位、毒性强度等，由于LC-MS的高灵敏度，该技术己成为NMR技术的强有力补充[19]；代谢组学并借助于模式识别等化学计量学方法对测得的代谢物图谱加以分析，以了解和反映机体的整体状态，探索潜在的化学标记物，阐述中毒机制。

Hui Dong等[20]探索草乌诱导毒性的机制及表征生化扰动特征试验中，收集大鼠尿液，通过UPLC-Q-TOF-HDMS结合模式识别（PCA，PCA，PLS-DA，OPLS-DA）的数据处理方法发现丙氨酸，天门冬氨酸、谷氨酸、淀粉和蔗糖、氨基糖和核苷酸、嘌呤、色氨酸、牛磺酸、亚牛磺酸、果糖和甘露糖、脂肪酸代谢等生化扰动标记物，其中17种代谢产物的鉴定，表明草乌产生严重的心脏毒性和肝毒性。同时，Bo Sun等[21]运用气相色谱/飞行时间质谱分析技术比较对照组和不同的生物碱给药组大鼠的代谢差异，发现谷氨酰胺和肌酐在各中毒组大鼠血浆中显著降低，表明生物碱能引起心脏和肌肉功能损伤，且次乌头碱引起大鼠代谢紊乱的毒性机制与乌头碱和新乌头碱不同。Hui Dong等运用代谢组学法发现乌头类中草药毒性部位的靶器官，Bo Sun等则通过代谢组学法比较乌头碱、新乌头碱、次乌头碱毒性机制及毒性强度的差异。而Xijun Wang等[22]利用代谢组学方法研究乌头类药物在炮制后为什么能减毒的过程中，结合病理组织学检查和生化分析阐述道，乌头类药物诱导脂质代谢氨酰tRNA合成和色氨酸代谢紊乱，炮制则是通过调节神经鞘脂代谢及甘油磷脂的代谢而达到减毒的效果。除此之外，对C19型双脂型生物碱在C6进行乙酰化结构修饰后，对肺癌细胞毒（A549），前列腺（DU145），鼻咽癌（KB）和长春新碱耐药鼻咽癌细胞（KB-VIN）活性具有显著的抑制作用[23-24]。作为抗肿瘤制剂，在增强抗肿瘤药物的选择性方面，为进一步研究开发抗肿瘤新药提供线索。

4 小结与展望

乌头类药物毒代动力学及代谢组学研究的必要性在药学界已形成共识，它将有助于阐明毒效或靶器官的毒性。随着乌头类药物毒性研究的不断深入，尤其是代谢组学技术，成为药物毒理学研究中的主力军，其研究核心在于定量地测定由病理生理刺激或遗传变异诱导的与时间相关的多参数生物代谢应答，利用模式识别确定生物标记物，将代谢应答与体内生物事件关联，从而获得有关其发生的位点、途径和作用强弱的信息。目前，代谢组学作为后基因组时代一种新的研究方法，其特点在于整体生物学功能的把握，符合中医理论的整体概念[25]。应用代谢组学技术，不仅可以解释中医证候的本质和“辨证治疗”的理论，同时也阐明乌头类中草药毒性的现代科学内涵。然而，基于代谢组学比较多组分和多目标中药材与单组份靶药物的疗效，仍需要进一步研究。笔者相信随着代谢组学分析技术的进一步研究，尤其是多元统计分析技术，将大大促进乌头类中药的现代化研究，促进其合理科学地用于临床，使民族瑰宝发挥出更大的优势。

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Advance in studies on Aconitum traditional Chinese medicines in

toxicokinetics and metabonomics

MA Tian-yu， YU Teng-fei， LI Shu-min， LI Gang

（College of Pharmacy， Inner Mongolia Medical University， Hohhot 010110， China）

[Abstract] Aconitum， as a kind of common traditional Chinese medicine， contains multiple biological active substances， with a very high medicinal value but high toxicity. Its major toxic ingredients are aconitine， mesaconitine and hypaconitine， which are also efficient ingredients. Therefore， the safety of its clinical application has aroused wide attention. With the constant deepening of drug development studies， people want to learn about its toxic mechanism and the regularity of its emergence and development of its toxicology， so as to make a scientific and rational assessment for its safety. Therefore， toxicokinetics and metabonomics have gradually become important content in the new drug assessment. During the development of drug performance， it is crucial to establish a scientific， objective and standardized Aconitum safety evaluation system and correctly assess and utilize its toxicity. Having summarized studies on metabonomics and toxicokinetics of Aconitum drugs in recent years， authors proposed to strengthen the studies on Aconitum drug safety assessment and establish a scientific and standardized safety evaluation system as soon as possible， in order to make the national treasure more useful.

[Key words] Aconitum； toxicokinetics； metabonomics

doi：10.4268/cjcmm20141104