网络方剂学:方剂现代研究的新策略

[摘要]该文简要分析并论述了方剂学研究现状及所面对的重大科技问题，提出推进方剂学现代研究的新策略及技术方法。为探索揭示方剂功效物质组与机体生物调控网络间复杂的网状交互作用，提议开展“网络方剂学”研究，并概述了其研究框架及发展方向。

[关键词]方剂学;网络药理学;网络生物学;中药配伍理论;方剂功效物质组;中药现代化

[收稿日期]2014-12-12

[基金项目]国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB5184）

[通信作者]*范骁辉，博士，教授，博士生导师，Tel： （0571）88208596，E-mail： fanxh

Network formulaology： a new strategy for modern research of

traditional Chinese medicine formulae

FAN Xiao-hui1*， CHENG Yi-yu1， ZHANG Bo-li2

（1. Department of Chinese Medicine Science & Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China;

2. Tianjin State Key Laboratory of Modern Chinese Medicine， Tianjin University of Traditional Chinese Medicine， Tianjin 300193， China）

[Abstract]This paper briefly analyzed and discussed the current status and major scientific challenges of traditional Chinese medicine （TCM） formulaology research. To promote formulaology research， a new strategy and corresponding technology， network formulaology， were proposed to reveal the complex interaction between functional chemome and biological responses network. The research framework and directions of network formulaology were also summarized and prospected.

[Key words]formulaology; network pharmacology; network biology; compatibility law of TCM; functional chemome of TCM formulae; TCM modernization

doi：10.4268/cjcmm20150101

方剂是凝聚着中医原创思维精萃的临床治疗复方药物，也是历经千百年发展形成的医药宝藏。自《五十二病方》和《黄帝内经》始，各类文献所记载的方剂总数达40万余首^[1]，已成为我国防治复杂性疾病的重大战略资源。长期的临床实践与深入的科学研究使人们认识到，方剂通过多种药效物质协同互济，融拮抗、补充、整合、调节等多种功效而起到治疗作用^[2-3]，研究表明方剂的疗效取决于其功效物质组与机体生物调控网络间复杂的网状交互作用。因此，方剂学领域当今的重大科技问题是：如何高效率地从浩如烟海的文献中开发中医药宝藏，使用高技术工具挖掘知识源泉;如何将巨大的祖国医药资源转化为临床医疗优势，构建源自于方剂的新药创制技术体系;如何通过“病证结合、方证对应、理法方药一致”途径，运用现代科技手段阐明中药方剂配伍理论;如何研究揭示方剂化学成分网络与机体生物分子调控网络间的网格关系，诠释中医原创思维的科学内涵，建立创新中药的发现方法与设计理论。

网络生物学（network biology）^[4]、网络药理学（network pharmacology）^[5]以及大数据科学（big data science）^[6]的快速发展为解决上述科技难题提供了新技术和新方法。笔者认为，应当运用创新理念审视方剂学领域问题，聚焦于辨识功效物质与其生物效应相关性，见图1，以宏观整体把握与微观具体辨析相结合策略，采用网络科学、整合生物学、大数据科学及知识库等新方法对方剂功效物质、生物效应及其作用机制开展网格化、集群化、系统化的整合研究，力求在方剂学继承与创新研究2方面取得整体进展。

图1方剂功效物质组与机体生物网络间复杂的网状关系示意图

Fig.1The complex interaction between functional chemome and biological responses network

据此，本文在简要论述方剂学发展现状及瓶颈问题的基础上，提出网络方剂学（network formulaology）理念及研究策略，并展望了其发展前景。

1方剂学研究现状及瓶颈问题简述

粗略地看，方剂学研究方向可分为两大类：方剂现代基础研究和源自方剂的创新药物研究。前者试图研究揭示方剂功效物质及其作用机制，诠释方剂配伍理论的科学内涵;后者侧重于从方剂知识出发，创制中药新药。近半个世纪以来，随着药物分析学、现代药理学、分子生物学、数据挖掘等大量现代科学技术的引入，方剂学在这两大类研究中均取得了一定进展，已逐渐形成了古籍文献分析、临床经验总结、实验方剂学研究等若干各有侧重的释理性研究方法^[7]。

1.1方剂知识整理与发掘研究方剂知识的整理与发掘是当前方剂学研究的重要领域。除了常规的古籍文献中药性、归经等统计与分类，文本挖掘、古文语义识别、知识发现（knowledge discovery in database， KDD）等人工智能技术也被陆续引入到本领域的研究中，用于药味频次排序、高频药对发现和组方优化等。这些新技术可快速分析大量方剂数据，并挖掘出被传统统计分析方法所忽略的用药规律。方剂间的相互关系研究尚不多见，有必要从经典古籍数据出发，构建方剂知识库，开展相关研究。

1.2方剂化学物质基础研究近年来，方剂化学物质基础研究取得了较大进展，一大批方剂的化学物质基础得到了剖析。相关研究模式主要有两大类：一是以分离纯化结合波谱解析为主要技术手段。这类方法能够对微量成分进行富集，鉴定结果准确性高，但耗时费力，而且需要针对不同的方剂样品探索不同的分离纯化流程。另一类研究主要依靠联用分析技术，尤其是液质联用对方剂提取物进行色谱分离后依靠多级或高分辨质谱数据进行结构推断。这种研究模式具有所需样品量小、实验周期短、成本低等优势，但存在推断结果准确性依赖人工经验等问题。总体而言，相关研究存在“方剂味”不浓的问题。许多研究者更注重新化合物发现或微量成分分析，而对组方前后的成分变化关注不多，尤其缺乏对方剂化学成分间相互作用的研究，为进一步开展方剂功效物质发现及配伍规律研究带来了困难。

1.3方剂功效物质基础研究发现功效物质基础研究是阐明方剂作用机制、制定质控指标及标准的前提。活性追踪法、活性筛选和活性物质快速辨识是当前方剂功效物质发现的主要研究策略和方法。研究人员采用这些策略从方剂中发现了大量活性成分。前2种研究策略大多与系统分离相结合，虽然相对全面，但存在周期长、成本高的缺点。活性物质快速辨识法筛选效率远高于前述2种传统方法，近年得到了研究人员的广泛关注，已发展出细胞膜色谱、亲和超滤、磁珠吸附、在线流动注射等多种手段。但这些研究策略大多以某一体外活性或药效为指标，脱离了中医“方证”的概念， 未能从整体上反映方剂的功效，难以阐明方剂化学组成与中医证候之间的相关性^[8-9]。

1.4方剂配伍规律研究方剂配伍规律研究是近年方剂学的研究热点。早期配伍规律研究侧重文献挖掘与理论探讨，但越来越多的研究人员致力于通过拆方、组分敲入敲除等实验手段诠释“君臣佐使”、“七情合和”等配伍规律的科学内涵。其中，拆方研究是当前最为常见的研究策略，具体方法包括全方拆方、药对拆方、撤药拆方以及基于实验设计法的拆方等。但相关研究大多遵循还原论的思路，与方剂的系统性、整体性理论呼应不足^[10-12]。

1.5病证结合研究“法随证立、方从法出”。证是方剂学研究的核心概念。然而中医症候高度依赖医生的主观经验，标准化难度高，为方剂现代研究带来了困难。病证结合被认为是方剂学研究的潜在突破口。目前，相关研究主要涉及证的病理形态学及生物学基础、证的动物实验模型制备等，尚待深入。如能构建病证网络，将证与机体生物网络相融合，有望诠释方剂化学组成与其所治的病证病机之间的关联关系。

1.6源自于方剂的新药创制研究方剂在治疗复杂性疾病方面具有整合调节优势和不可替代性，已经成为我国创制多靶点新药的重要源泉^[13-14]。吴以岭院士根据络病学说成功创制的多个中药新药就是这一研究思路的典范。近年来，依据组分配伍理念分析临床有效方剂已经成为中药新药创制的有效途径^[15]。方剂组分与其生物效应间的定量关系是这一新药创制策略的核心，其辨识结果的准确性和整体性将直接影响组分配伍优化结果。

据此，无论是方剂功效物质基础研究，还是方剂配伍理论的科学诠释，或者是源于方剂的创新中药研发都应以辨识方剂功效物质与其生物效应相关性为突破口。然而，现有的释理性研究模式大多采用简化的线性研究策略，宏观与微观割裂，与方剂研究中化学组成及机体生命系统的双重复杂性难以匹配，无法有效揭示方剂功效物质组与机体生物网络间复杂的交互作用，亟待创建和发展新的方剂学研究策略。本团队的前期探索结果[13-14，16-26]表明，将网络科学等与中医方剂学特点相结合，有望剖析方剂化学组成与机体间复杂的网状关系，诠释方剂的配伍规律和科学内涵。

2网络方剂学研究框架

笔者认为，为阐明方剂的组方原理、配伍规律及其临床使用方式，应当采用网络科学、整合生物学及大数据科学等方法对方剂功效物质、生物效应及其作用机制开展网格化、集群化、系统化的整合研究，科学发展中医方剂学，可将这一研究方略姑且简称为“网络方剂学”。网络方剂学的研究框架见图2。

图2网络方剂学研究框架示意图

Fig.2The diagram of research framework of network formulaology

范骁辉等：网络方剂学：方剂现代研究的新策略

2.1网络方剂学主要研究目标探索方剂组方的功效物质组合规律，构建“理法方药”关联网络，揭示方剂功效物质组的化学组成规律;辨析方剂功效成分网络与机体生物分子调控网络间的网格关系，阐明方剂功效物质组与其生物效应相关性，诠释方剂配伍理论的科学内涵;建立方剂知识库系统，创建源自于方剂的创新中药发现及设计方法学。

2.2网络方剂学研究路径①依据“病证结合、方证对应、理法方药一致”研究思路，以辨析方剂组方的功效物质组为切入点，构建“病-证”与“方-证”及“理法方药”关联网络，阐释方剂功效物质组的化学组成规律。②采用实验数据与文献信息融合分析方式，运用网络理论、大数据分析技术、系统生物学等方法，以“整体动物实验-组学数据辨析-分子网络建模-关联实验-多源信息融合辨识”5段式研究策略，探索揭示方剂功效成分群与其生物效应相关性，诠释方剂配伍理论的科学内涵。③以“药-方-证-病”为主线，系统梳理古籍文献、实验研究及临床验案等方剂相关研究资料，再整合现代生命科学研究成果，构建方剂知识库，并建立功效物质组库，进而依据化学组成与生物效应相关性定量辨析出与临床疗效相关功效物质组，最后通过组分配伍优化得到中药复方新药。

2.3网络方剂学支撑技术除分析化学、药理学等经典学科外，网络科学、大数据科学、系统生物学及整合生物学等新兴学科的发展为开展网络方剂学研究提供了众多支撑技术。目前，已有大量的基础数据库和软件工具可用于研究网络方剂学。相关基础数据库主要包括中医药数据库、天然产物数据库、疾病、通路、蛋白相互作用（PPI）数据库等，见表1。此外，Cytoscape，MCODE等网络可视化及分析工具可用于分析方剂网络，挖掘隐含知识及规律。

3方剂学创新研究方向

综上，网络方剂学可为阐释方剂科学内涵、研发现代中药提供全新的视角。据此，笔者建议方剂学领域的重点研究方向如下。

3.1方剂知识库构建技术研究为从海量的方剂文献及实验数据中发掘有价值信息、发现蕴藏知识和认识隐含的科学规律，极有必要开展方剂知识库构建技术研究，建立方剂知识库，为开展方剂学创新研究奠定基础。本团队以仲景方为对象，从药-方-证-病多个层次入手，初步构建了仲景方知识库^[27-28]，包括药材-证候网络、药材-疾病网络和成分-疾病网络等3个不同层次的网络，以及涵盖240余首方剂和15 000余个组分的仲景方方剂实体库。研究结果表明，将3层网络中成分、药材、方剂和证候、疾病这些元素有机的结合起来，可用于探索传统研究思路所无法挖掘的仲景方组方规律及其隐含的化学组成规律。

3.2病证结合网络构建技术研究开展中医证候研究，从整体上把握病因、病机及其传变规律是方剂现代研究的科学基础。现代医学已经在分子水平取得了系列进展，多种复杂性疾病的生物网络已有报道^[22-23]，但病证结合研究尚不多见。若能有针对性地开展病证结合网络的构建技术研究，既体现西医疾病病理变化特点和疾病表型与生命大分子的关系，又考虑中医的证候特征，成功构建病证生物网络，有望用现代医学研究成果助力方剂学研究。

3.3方剂功效物质组整合调节机制研究阐明方剂功效物质组的整合调节机制，是方剂学的重要研究内容。常规的药理学研究大多侧重研究单一信号通路或单一病理环节，或者只关注方剂给药后引起的差异基因等组学变化，并未能从“多成分、多靶点和多途径”的角度揭示方剂功效物质组的作用机制。因此，应当开展针对性研究，建立方剂功效物质组整合调节机制研究技术体系。例如，在构建相关病证网络模型的基础上，采用基因芯片等组学技术测定方剂及其主要成分干预后模型动物的生物效应谱，从中筛选出关键靶点和通路，并结合文献和体内外实验进行验证，可阐明方剂成分-靶点-通路关系，有助于诠释其整合调节机制[20，24，29]。

3.4类方网络方剂学研究方剂中由传统名方衍化发展而成的类方，集历代名医应用之精华，尤受历代医学大家所重视。清代医家徐灵胎认为“方之治病有定，而病之变迁无定，知其一定之治，随其病之千变万化而应用不爽”，因此将类方思路应用于《伤寒论》的研究，并著有《伤寒论类方》。显然，以一组类方为对象，采用网络方剂学研究策略，构建类方与病证靶标间的网络模型，进而对网络模型中各方化学成分与作用靶点及通路的相随变化情况进行深入比较，研究类方的内在异同，有望反映类方的组方思路和配伍规律，是诠释中药方剂科学内涵的潜在突破口[26-28，30-34]。

3.5方剂肠道微生态及宏基因组学研究现代医学已经认识到，肠道菌群与宿主和外环境间存在着相互依赖相互制约的统一关系。人体全身的整体代谢实际上是其体内自身的基因组和其肠道内共生的微生物组活动的整合。因此，开展方剂肠道菌群相互作用研究，采用宏基因组测序等方法开展研究方剂肠道微生态，有助于揭示方剂化学组成与肠道微生态间的复杂关系。

3.6源自方剂的中药新药创制将巨大的祖国医药资源转化为临床医疗优势，构建源自于方剂的新药创制技术体系是方剂学的重要研究方向。若采用网络方剂学方法开展相关研究，可望发现方剂的新功能主治或创制组分中药，丰富创新中药发现及设计方法学^[17]。例如，本团队在前期研究中，创建了基于定量组效关系的计算机辅助方剂配伍优化方法[35，36]。该方法通过测定不同比例组合物的药效，根据组效关系模型，优化方剂配伍配比。根据测定药效学指标的多寡，本团队在研究中相继建立了单指标和多指标优化策略。显然，其优化结果与所测药效指标直接相关。如果选取的药效指标不合理，优化结果必定不佳。为克服这一缺陷，本团队又根据中药整合调节特点，研究提出了机体平衡及失衡网络构建方法，并据此创建了基于网络平衡的中药配伍优化方法[21，26]。该方法根据药物对机体失衡网络回调程度来优化方剂配伍配比，能更完整和准确地反映方剂的功效。

4展望

继承并创新发展中医药理论，让古老而又年青的方剂学焕发更大活力，是方剂学研究人员的重大历史使命。为破解方剂功效物质群与机体生物网络间相关性辨识难题，本文提议用创新科技理念审视方剂学领域问题，研究建立网络方剂学，从而对名方进行阐述、对验方进行优化和对大方进行精制。这一研究策略集宏观整体把握与微观具体辨析于一体，不仅有助于诠释方剂科学内涵，为中药临床合理使用提供科学依据，同时也将开拓现代药物研发思路，丰富方剂学的研究内容，促进方剂关键科学问题研究进展。

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