計算中藥學

計算中藥學
概述
中藥是指在中醫藥理論指導下，用於預防、治療疾病的各種藥物，包括中藥材(植物、動物和礦物)、中藥飲片和中成藥等。中藥物種的多樣性和多原性，中藥成分的豐富性和複雜性，中藥配伍的靈活性和多變性，中藥信息資源的急劇增長和海量資料的挖掘和整理，中藥研究現有實驗技術的局限和不足等等，決定了中藥研究不可想像的複雜性和艱巨性。因此，我們認識到要正確理解構成中藥複雜系統的要素（組成成分）、要素間的相互作用及其個體和整體的效應，需要改變常規的思維方式，在現有的醫藥學實驗科學方法的基礎上，套用計算科學及其方法，處理中藥研究中關鍵的科學問題。這就是所謂“計算中藥學”的來由。
計算中藥學（Computational Chinese Materia Medica，CCMM）是一門綜合套用計算方法來研究中藥問題的交叉學科。計算中藥學是在中醫藥理論指導下，以中藥為研究對象，以中藥學、中藥化學、中藥藥理學、化學信息學、生物信息學、化學生物學、藥物生物信息學等知識鏈為基礎，綜合套用計算機技術、信息技術、人工智慧技術、分子模擬技術、資料庫技術、計算機藥物輔助設計、系統生物學、複雜網路系統等現代科學、技術和方法，通過收集、整理、學習、分析、挖掘中藥蘊藏的豐富的信息資源，盡而預測、揭示、詮釋中藥獨具的深刻的科學內涵和防病治病的科學原理。同時，可以指導臨床進一步合理用藥，也可以為發現新的中藥提供線索，進而豐富中醫學和世界藥學寶庫【1】【2】【3】。
計算中藥學研究領域包括：計算中藥藥性學、計算中藥藥效學、計算中藥方劑學、計算中藥藥代學、計算中藥毒理學、計算中藥新藥學等。計算中藥學是一門新興的學科，是中藥現代化研究的一個重要組成部分；也是中藥學的一個重要分支學科。
1．計算中藥藥性學(ComputationalMedicinal Property of CMM )
中藥作用於特定生物體後，通過其藥性在四維世界（時間維、空間三維）中分別對特定生物體亞健康和病理狀態產生誘導、刺激、擾動、調節、平衡等一系列作用的綜合效應，最終趨使特定生物體恢復內環境和諧，與外環境協調的正常生理狀態。中藥藥性在四維空間對特定生物體的作用，其本質是是中藥中發揮特定藥性的化學分子集合的作用【4】。
計算中藥藥性學(ComputationalMedicinal Property of CMM )是運用化學、信息、計算（機）方法，基於微觀層面，即有效成分或分子層面，研究中藥藥性的學科，是計算中藥學的一個重要分支學科。它重點研究中藥四氣、五味產生的物質基礎；四氣、五味物質基礎的作用對象、作用規律與作用機制；物質基礎與中藥性味、物質基礎與中藥功能、中藥性味與功能之間的相互關係。與此同時，也研究中藥四氣、五味物質基礎作用對象—蛋白的結構與功能。現在各種生化、藥理機制已經進入分子微觀的闡釋階段，而中藥作為一種歷史悠久，療效顯著的傳統醫藥，其藥性理論、作用機理都不甚明確。計算中藥藥性學的出現，對中藥藥性理論的現代科學詮釋無疑是一個有力的補充。
近年來，我們開展了中藥寒熱性質預測系統的研究。在中藥寒熱性質化學解析的基礎上，構建了中藥寒熱性質的計算機預測模型，可用於民族民間草藥、外國草藥的寒熱性質預測。
同時對辛味中藥與嗅覺受體的生物相關性進行了研究。研究了中藥五味的與人體相互作用的生物學基礎。重點對辛味中藥與嗅覺受體（GPCR）的生物相關性進行了分子模擬的研究【5】。
2．計算中藥藥效學（ComputationalPharmacodynamics of CMM ）
計算中藥藥效學是在中醫藥理論指導下，運用化學、信息、計算方法，在分子水平上，研究中藥化學成分與靶標（蛋白）相互作用規律，進而闡明中藥的有效成分及其作用機制的科學。計算中藥藥效學是計算中藥學的重要組成部分。計算中藥藥效學的學科任務是闡明中藥的有效成分及其作用規律，為中藥藥效學的分子、細胞和整體水平的實驗研究提供科學依據，為中藥防治疾病的物質基礎給予科學的詮釋，同時也為中藥走向世界奠定一定的基礎。
計算中藥藥效學的研究思路是在中醫藥理論指導下對中藥中相對明確且肯定的藥理作用，套用數據挖掘、知識發現等方法，建立中藥功能主治與現代藥理作用相對應的關係。如清熱類中藥，其主要藥理作用有：抗病原微生物作用、抗細菌毒素作用、解熱作用、抗炎作用、對免疫功能的影響等。根據上述藥理作用，分別建立其分子藥理模型，研究中藥的藥效物質基礎及其作用機制。研究內容及方法包括：（1）針對單一靶點的研究：以中藥抗炎作用為例（以下同）。針對與炎症相關的單一靶點進行研究。如以COX-2為作用靶點，發現中藥中具有抗炎作用的有效成份及其機制。（2）針對多個靶點的研究：針對與炎症相關的多個靶點進行研究，如以COX-2、NFκB為作用靶點，分別發現中藥中具有抗炎作用的有效成份及其機制。（3）針對某個信號通路的研究：針對與炎症相關的某個信號通路進行研究。如以炎症及炎症介質產生的信號通路中所有的靶點為作用靶點，分別發現中藥中具有抗炎作用的有效成份及其機制。（4）針對系統生物網路的研究：以膿毒症為例，膿毒症的發病與多個系統有關。以膿毒症系統生物網路中的各主要生物靶點為重點研究對象，以次要靶點為輔助研究對象，發現中藥中抗膿毒症的有效成分，同時對中藥抗膿毒症的作用機理給出解釋【6】【7】。
3.計算中藥方劑學(ComputationalChinese Medical Formulas )
計算中藥方劑學旨在通過對中藥組方原則的深入討論與研究，給予中藥方劑的現代含義，並為創製新概念的中藥方劑奠定基礎。計算中藥方劑學的學科任務是探討與研究中藥方劑的組方原則，如君臣佐使原則，並在此基礎上創製新的中藥方劑。研究內容包括：（1）中藥方劑藥效物質基礎（有效成分）的研究。（2）中藥方劑中君、臣、佐、使有效成分的分類研究。（3）中藥方劑君、臣、佐、使有效成分相互作用的研究。（4）中藥方劑中化學成分間相互作用（絡合、聚集、超分子、共沉澱等）的研究。（5）利用已知的作用明確的有效成分研究蛋白的功能【8】【9】【10】。
圍繞計算中藥方劑學，我們開展了中藥方劑網路的構建。 中藥方劑網路用於解析中藥藥味之間的成方聯繫，並闡述了“十八反十九畏”配伍禁忌理論的科學基礎。
同時，通過利用同源模建、分子對接，藥效團搜尋等相關技術，對中藥複方血必淨與黃連解毒湯治療膿毒症的藥效物質基礎進行了全面的解析【11】【12】。
4.計算中藥藥代學（Pharmacokinetic of CMM ）
計算中藥藥代學是在現代藥物代謝動力學原理的指導下，通過信息學和計算機的方法對中藥的藥效成分進行ADME的預測和評價的科學。其學科任務旨在闡明中藥化學成分在體內的吸收、分布、代謝和清除的規律，側重計算機和信息學方法的運用。研究內容包括：（1）藥代動力學特徵簡單評估（五規則，rule of five）（2）腦血分配係數（血腦屏障穿透性）。（3）腸通透性。（4）水溶性。（5）代謝穩定性（人體CYP3A4）。（6）代謝途徑預測。（7）Caco-2細胞吸收。（8）人體血漿白蛋白結合能力。（9） hERG抑制。（10）人細胞色素P4502D6酶結合。（11）代謝產物預測。（12）首過效應預測。
5.計算中藥毒理學
計算中藥毒理學（Computational Toxicology of CMM ）運用計算機方法對中藥的化學成分進行毒性評估與預測，以此判斷和估計中藥可能存在的毒性，進行毒理學預測。研究內容包括中藥急性毒性預測、三致實驗模擬、慢性毒性評估等。研究方法涉及QSAR、模式識別方法和專家系統等。
6.計算中藥新藥學
計算中藥新藥學（Computational New Drug from CMM ）是融匯計算中藥學各學科的研究成果，致力於從中藥中發現新藥的綜合性套用學科。她以化學、信息、計算為技術支撐，旨在通過對中藥的系統研究從中發現並開發出新藥。研究內容包括：（1） 基於資料庫和數據挖掘的中藥新藥發現；（2）基於靶點的中藥新藥發現；（3）基於配體的中藥新藥發現：（4） 基於計算組合化學的中藥新藥發現；（5）類藥性的評價；（6）中藥新藥ADMET預測；（7）中藥新藥的綜合評價（成藥性、ADME特徵、毒性預測、藥效學及靶點確認）；（8）中藥分子複方概念、實現途徑及方法學研究【13】；（9）基於中藥有效成分（群）的中藥組方設計技術及其套用【14】。
近年來中藥研究與化學、信息學、計算科學走的越來越近，他們之間的交叉與融合催生了計算中藥學。我們相信計算中藥學基本概念、學科任務、研究思路、實現途徑的提出與科研的實踐，會對中藥科學研究工作帶來新的啟迪，並將激勵更多的人參與其中，為中藥現代化的發展貢獻力量。計算中藥學（我們稱之為“乾法”）與實驗中藥學（我們稱之為“濕法”）乾濕結合，相互補充，相互印證，將會進一步加速中藥現代化發展的進程，加快中藥走向世界的步伐，最終闡明中藥防治疾病的科學道理。
參考文獻
1．3D-QSAR Studies on a class of IKK-2 inhibitors with GALAHAD used to develop molecular alignment modela，QSAR. Comib. Sci，2008，27(9) :1113.
2． Current Mathematical Methods Used in QSAR/QSPR Studies，Int. J. Mol. Sci.，2009，10: 1978.
3． QSAR studies on imidazothienopyrazines as IKK-B inhibitors: from 2D to 3D, J. Chemometrics.，2009，23: 304.
4． 中藥藥性與中藥藥性物組學，中國中藥雜誌，2008，33（13）：10-12.
5． GPCR的計算機模擬研究，生命的化學，2009，29（3）：422．
6． IКB 激酶—β抑制劑的研究與開發，藥學服務與研究，2009，9（1）：22.
7．.新結構類型環氧化酶-2抑制劑的研究，中國新藥雜誌，2008，17（9）：719.
8．中藥複方現代研究新技術新方法的進展,中國中西醫結合雜誌,2005,25(11):1050-1052.
9．CADD技術在中藥及複方研究中的套用探討，世界科學技術-中醫藥現代化，2007，9（6）：22-24
10．現代信息技術在中藥複方研究中的套用,中國中藥雜誌,2007,32(13):1260-1263.
11．血必淨抗炎作用藥效物質基礎和多靶點作用效應，Acta. Phys. -Chim. Sin.，2009，25(9)：9.
12．計算機虛擬篩選技術對黃連解毒湯藥效物質功能分群的研究，醫藥導報，2008，27（1）：23-25.
13．一種中藥複方藥效物質基礎的虛擬篩選方法，發明專利，申請號：200610130709.9 .
14.一種基於中藥有效成分群的中藥組方設計技術, 發明專利，申請號：2008100536032.