“暴露-反應-機制”三聯研究模式學術思想及其中醫藥領域應用

趙保勝劉 洋王晶娟王 剛董紅環呂貝然唐明敏

（1北京中醫藥大學科研實驗中心，北京，100029；2北京中醫藥大學中藥學院，北京，100102；3中財瀚熙（北京）生物科技發展有限公司，北京，100053）

“暴露-反應-機制”三聯研究模式學術思想及其中醫藥領域應用

趙保勝1劉 洋2王晶娟2王 剛3董紅環2呂貝然2唐明敏2

（1北京中醫藥大學科研實驗中心，北京，100029；2北京中醫藥大學中藥學院，北京，100102；3中財瀚熙（北京）生物科技發展有限公司，北京，100053）

以藥效為核心的中藥有效物質基礎與機制研究是中藥現代化研究的重點問題，藥代動力學、藥理學、分子生物學等不同學科交叉研究的不足使該問題的解決受到一定的限制，中藥化學、藥理學研究的孤立成果不利于中藥及其復方的現代化系統研究進程。本文在前期工作基礎上，從學術思想創新及科研方法實踐角度，提出了“暴露-反應-機制”三聯研究模式，并就其形成的學術背景、科學概念及研究內容等方面進行了論述，可望為中藥的效/毒作用物質基礎、作用機制研究提供創新性學術思想，為中醫藥現代化研究提供創新性研究方法。

中醫藥；暴露-反應-機制；三聯研究模式；學術思想；研究方法

中醫藥作為我國瑰寶，在五千年的歷史長河中，為保障和促進人類健康做出了巨大貢獻。由于歷史和科學條件的限制，傳統中醫藥治病只求“知其然”，對其“所以然”的認識只停留在思辨推理水平，缺乏客觀指標和數據的支持，現代科技的進步和創新科技手段的出現使中醫藥現代化科學研究成為必然。

作為治療疾病的物質基礎，中藥成分的藥效發揮除直接治療胃腸道疾病，或是通過間接作用于胃腸道菌群及腸道免疫應答外，絕大部分經口服發揮藥效的成分需吸收入血，并被運載到藥效靶點部位方能起效，因此，研究中藥的機體內暴露成分是進一步研究藥效作用的真正物質基礎。與此同時，研究化學分子層面機理的化學知識與代謝組學、基因組學、蛋白質組學等的交叉深入，使中藥成分藥效過程的代謝動態與分子作用機制聯結更為緊密。且相關的生物學分析技術發展也為從系統藥理學角度研究中藥的物質基礎、藥理作用及其作用機制提供了技術支撐，使以藥效為核心研究成分暴露和作用機制的系統鏈條，開展中藥全面、系統、深層次的現代化研究成為可能［1］。

本課題組一直以藥效為核心、結合中藥成分暴露和靶點作用機制進行聯動研究，開展了系列中藥及復方的相關探索，例如在“五味降壓方”研究中，以血壓為反應指標，對暴露成分-降壓反應的關系進行了探索［2-3］，為“暴露-反應-機制”（Exposure-Response -Mechanism，E-R-M）三聯研究模式的建立積累了一定的技術經驗；并且在前期工作基礎上，以此研究為題目承擔國家自然科學基金項目的研究工作。本文主要就“E-R-M”三聯研究模式的學術思想及研究方法做系統闡述。

1 E-R-M三聯研究模式形成的學術背景

E-R-M是在暴露-反應（Exposure-Response，E-R）研究的基礎上發展提升而來，“E-R-M”三聯模式是建立在“暴露-反應”研究體系上的，尤其適用于中藥及復方藥效、機制及有效成分探求的研究模式，他是通過定性/定量研究藥物入血/靶器官成分（暴露）與藥效/毒性（反應）之間的關系，動態分析中藥藥效/毒理作用分子靶標（機制）或效應靶器官，為闡明中藥藥效、毒理作用機制提供科學參考。

需要說明的是，本文的“暴露-反應”主要從藥物代謝學角度開展研究和闡述，有別于流行病學的病因研究，如環境污染、工作環境與疾病之間的關系研究中，“暴露”是指人或動物暴露于某種特定的環境，而“反應”是指受該特定環境的影響，人或動物羈患的某種特定疾病，E-R關系研究即指研究機體的暴露環境與患病之間關系，找出兩者的關聯性，以期有效預防疾病的發生。如有研究表明，暴露于二氧化硅環境下的工人患肺癌的機率明顯增加，且暴露量與發病率間呈正相關［4］，接觸臭氧的量與病死率成正比［5］，花粉濃度與變應性鼻炎就醫人次有一定暴露-反應關系［6］等。另有研究表明，長期從事動物實驗的工作人員發生過敏的機率高于其他工作工種的人員，且IgG/IgM值明顯升高［7］，而長期暴露于高惡英（dioxin）環境中的工人患腫瘤的機率較非暴露人群高1%［8］。再比如霧霾重污染時，持續暴露于高濃度PM 2.5時人體易發生哮喘、咳嗽等呼吸系統疾病［9］，這些均屬于流行病學的“E-R”范疇。

而本課題組研究方向是基于國際上對藥物代謝學的“藥物成分暴露與藥效關系”，并結合成分暴露于靶點后的藥效機制探索。國際藥學領域，E-R關系研究已經發展到從純學術成果向藥品管理實踐應用的階段，受到藥品研發及監管機構的極大重視，制藥企業和研究機構也運用其理論和方法開展新藥設計和研發，極大提高了研究質量，加快新藥的上市速度。美國食品藥品監督管理局（FDA）發布了專門針對于“暴露-反應”的技術指導原則“Guidance for Industry：Exposure -Response Relationships-Study，Design，Data Analysis，and Regulatory Applications”（行業指南：暴露量-效應關系——研究設計、數據分析和注冊申請）。簡單概括其核心內容為，廣義的“暴露”包括給藥劑量、血漿濃度以及其他藥代動力學參數（如Cmax，Cmin，Css，AUC）等；廣義的“反應”包括臨床終點、替代終點、生物標志物等，囊括了從臨床生物標記物（如受體占領）到藥物的預期作用機制，或是潛在或公認的作用（surrogate）（如對血壓、脂類或心臟輸出量的影響等），同時也包含藥物短期或長期給藥的臨床療效或安全性等［10］；此規定的相關內容已經從具體技術管理、技術指導角度明確了“暴露-反應”比劑量-效應關系、藥物代謝動力學/藥物效應動力學（PK/PD）研究范圍更寬、更廣［10-11］。

國際上以E-R方法為指導進行藥物PK/PD的研究較為成熟，在指導新藥臨床合理劑量、療程及注意事項等制訂等方面做出了卓著的貢獻［12-13］，而在國內E -R研究在中藥研究領域的應用發展緩慢。究其原因，除了中藥化學成分復雜這一客觀因素外，更主要的是研究者往往容易忽略中藥成分體內研究和體外研究，以及在機體生理狀態和病理狀態的體內過程不一致的事實［14］。另外，由于中藥化學-中藥藥理學-藥物代謝學三學科間未形成良好互動、交叉和借鑒，尚缺乏創新性學術思想將三方面融合起來。缺乏統一學術思想指導的割裂研究導致中藥的物質基礎、藥理效應及代謝過程缺乏系統性、完整性研究，進而嚴重阻礙了中藥功效機制的闡明。

中醫素有“黑匣子醫學”之稱，此稱謂源于控制論的“黑箱理論”，他是將藥物在體內的作用機制這一過程當作黑箱，在未了解系統內部結構和運動細節的情況下，依靠系統的輸入和輸出考察系統的整體功能和推測其結構的一種方法。作為現代科學研究復雜大系統的有效工具，黑箱理論在研究具有高度組織性的生命系統中具有獨特的作用。尤其值得重視的是，黑箱方法幾乎可以作為科學認識的起點，因為人類對所有未知科學問題的認知都是作為黑箱問題開始的，隨著研究的深入，研究對象的某些性質和特征逐漸被揭示出來，人們的認識便前進了一步。這時黑箱變成了灰箱。認識過程不斷深化，研究對象的本質規律最終被揭示出來，人們對事物的特征、功能、結構、作用方式等有了全面的認識，灰箱也就變成了白箱。所以，黑箱方法有重要的認識論意義，由黑箱到灰箱、再到白箱的轉化，就是認識的不斷深化過程。

因此，要解開中醫中藥這個復雜的黑箱體系，使之變為灰箱，最終變為白箱，需要從根本上解決藥物在體內的作用方式和作用途徑問題，也就是要明確中藥的作用機制問題。

眾所周知，中藥具有“多成分、多靶點、多途徑”綜合起效的作用特點，要闡明“多靶點、多途徑”的作用機制，首先要弄清“多成分”問題?？诜幬?，除直接治療胃腸道疾病，或間接通過腸道免疫應答和微生態調節起效外，絕大部分中藥成分需吸收入血，且被運輸到靶點方能起效，同時產生藥效的強度與暴露成分的量密切相關。但值得注意的是，并不是所有吸收入血的成分都能起效，也并不是吸收入血的成分都可到達靶點部位，因此有必要進一步明確暴露于靶點的成分種類。其次，機體內暴露的某一化學成分可能通過多個途徑或靶點，即多種作用機制產生多個藥效學反應，某一藥效學反應亦可能由多個成分通過一個或多個作用途徑共同完成。為此，在研究藥物作用物質基礎-藥效-作用機制的相互關聯的工作中，網絡化、立體結構的“暴露-反應-機制”三聯研究模式成為最適合的研究方法。

本課題組先期以中藥復方五味降壓方為載體，以血壓為反應指標，對腸吸收暴露成分-降壓反應的關系進行了初步探索［2-3］，為“暴露-反應-機制”三聯研究模式的建立積累了一定的技術經驗。本課題組以“E-R-M”三聯學術思想創新為理念的中藥研究方法項目已獲得2014年國家自然科學基金支持，有望通過多學科交叉，運用現代科學技術，以成分為基礎，以藥理為核心，以代謝為橋梁，形成化學-藥效-藥代“三位一體”的研究模式，將學術思想創新夯實在實驗研究佐證的基礎上，并進一步凝練提升。

2 E-R-M的應用

如上所述，“E-R-M”三聯模式是以“暴露-反應”研究體系為基礎，進而研究藥物效、毒作用機制的一種新型研究思路和方法，尤其適用于中藥及復方藥效、機制及有效成分探求的研究模式，通過綜合運用中藥化學、中藥藥理學和藥代動力學等相應技術與方法，對藥物入血/靶器官成分（暴露）與藥效/毒性（反應）之間的關系進行定性/定量研究，可動態分析中藥藥效/毒理作用分子靶標（機制）或效應靶器官，對闡明中藥藥效、毒理作用機制具有重大意義。

針對中藥“多成分、多靶點、多途徑”綜合起效的特點，將暴露、反應與機制聯系起來的有機聯動研究方法與體系，更有利于闡述中藥治療疾病的本質。本文結合本課題組近年來的研究成果，將“E-R-M”三聯模式構架圖示如下（圖1）。

下面以中藥降糖、改善IR的藥效物質基礎、藥效及機制研究為示例，說明“暴露-反應-機制”三聯研究模式在中藥現代化研究中的實際應用情況。

基于藥效成分需被血液運輸到靶點，并在靶點保持足夠濃度和駐留時間的基本事實，要尋找中藥降糖的作用物質基礎，需實時監控中藥降糖作用發生時的中藥成分體內暴露情況，并在此基礎上同時探討其相應機制，即可將其治療糖尿病IR的藥效學作用機制及其暴露成分闡述清楚。從圖2可以直觀地看出，E-R -M三聯模式更適合以“多成分、多靶點、多途徑”綜合起效為特點的中藥藥效學及其機制研究。

圖1 “暴露-反應-機制”三聯模式示意圖

圖2 中藥降糖“暴露-反應-機制”三聯研究模式示意圖

3 E-R-M的研究內容

3.1 成分暴露研究 成分暴露研究包含兩方面的內容，一是定性研究，即研究藥物暴露成分的種類，暴露成分可被進一步分類為血中成分和靶點成分，但因靶點成分的檢測難度，開展血中成分研究的情況較多，當然，暴露成分可以是中藥內含的固有原型成分，也可以是中藥成分經代謝轉化后的代謝產物等；二是定量研究，在定性研究基礎上，對暴露成分在機體內不同階段的具體含量進行測定，為藥物量-效/毒關系研究打下基礎，除經常采用的藥物濃度-效應之間的關系研究外，AUC，Cmax和Cmin等藥代學參數亦被借鑒，包含在暴露定量研究的范疇之內。

成分暴露研究除能闡明藥物作用物質基礎之外，尚有可能解決中藥量-效關系不明確這一難題。因中藥成分復雜，在研究中藥量-效關系研究中，藥量多指動物或人的給藥劑量，但忽略了中藥眾多成分具體的吸收和代謝比例，單以給藥劑量為標準來衡量中藥的量-效關系似有不妥，因為給藥劑量與入血劑量的相關性有時存在一定的問題，尤其是多藥物成分間相互作用的現狀下更是如此。該現象在西藥聯合用藥研究結果中可窺豹一斑：在健康志愿者中，環孢霉素A、地爾硫卓、利菌沙、酮康唑和維拉帕米等藥物明顯增加了西羅莫司的血中暴露量，相反，利福平則明顯降低了西羅莫司的血中暴露量，但其暴露量不受阿昔洛韋、阿伐他汀、地高辛、乙炔雌二醇/炔諾孕酮、格列本脲、硝苯地平、他克莫斯等藥物的影響［15］。因此，多成分同時用藥可能會影響彼此的暴露量，在成分復雜的中藥研究中，相關報道尚屬空白，但可以肯定的是，中藥復雜成分間相互作用與制約會影響到中藥成分吸收入血的程度，進而造成給藥量與入血量間的關聯性減弱，這可能是造成中藥量-效關系不明確的主要原因之一。

除去藥物因素外，機體的生理、病理狀態、年齡［15］、胃腸排空速率［16-17］等均可影響藥物的暴露量，因此，用暴露量來評價藥物的量-效關系，排除了藥物、機體等復雜因素對藥物入血量的影響，以此評價成分復雜的中藥量-效關系可能更科學、更合理，更接近于用藥事實。

3.2 藥物反應研究 藥物成分入血后，其反應可能存在三種情況，一是產生藥理活性，即藥效；二是產生毒理反應，即毒性；三是不產生任何反應，即非活性成分，亦非毒性成分。在“E-R-M”三聯研究模式中，前兩者是我們重點關注的主要內容，因此，反應指標可以是與藥物有效性有關的指標，可以是與藥物安全性有關的指標，也可以包括臨床終點、替代終點、生物標志物。

測定不同指標所反映的問題會不一樣，如選擇一種疾病的早期生物學標志物進行量-效關系研究，可以對藥物是否有效做出快速的決策，而不必等待漫長的臨床前/臨床試驗結果；而后期如果采用一種反映疾病進程的生物學指標可以對藥物的療效做出肯定的結論。生物標志物可以快速反映疾病的進程，有助于建立量-效關系。

3.3 藥物反應機制研究 中藥成分復雜，單味藥材就是一個化學分子庫，復方更是多個化學分子庫的組合。雖然不是所有化學成分都是有效成分，但在其發揮作用的過程中，各成分之間存在相互協同或抑制作用，其成分的多樣化必然導致作用方式和途徑的多樣化，進而影響中藥反應機制的研究進程。中藥作用機制不明晰是阻礙中藥現代化、國際化的重要因素，也是黑箱理論的關鍵所在，如何闡明中藥的作用機制，使黑箱由灰轉白是中藥現代研究的關鍵與核心。最大限度地采用先進的科學技術闡明中藥作用機制，用國際通用的科學語言對抽象的中醫藥理論加以詮釋，是保護我國中醫藥資源、開發具有自主知識產權的中藥、參與國際競爭的迫切需要。

中藥的作用對象是一個具有不同結構層次、多因素系統組成的復雜有機體，疾病的發生大多是不同致病因素通過多種途徑導致整體功能紊亂的過程。中藥對機體功能狀態的調節過程，涉及到分子、細胞、組織、器官、整體多個層面，對多層面的系統關聯性研究正是基因組學和蛋白質組學研究的主要內容。人類基因組計劃的成功實施，使得從整體水平系統、全面揭示中藥的作用機制成為可能。借鑒基因組學［18-19］、蛋白質組學［20-21］和生物信息學的技術支持，研究中藥作用于機體后基因和蛋白質整體水平的變化，確定關鍵作用靶標，有可能系統全面地揭示中藥的復雜作用機制。

4 小結

“E-R-M”研究，從外在形式上，是彼此獨立的，其內涵卻是一個密不可分的有機整體，且三者之間相互作用、相互影響、相互促進。藥物的體內暴露成分是產生反應的物質基礎，反應是體內暴露成分的外在表現；機體反應是研究藥物作用機制的前提，而藥物的作用機制則是機體反應的內在根源。同時，三者之間的研究順序并不是一成不變的，從暴露到反應再到機制的研究，有時也可從機制到反應再到暴露。比如，在藥物作用靶標定位明確的基礎上，可通過靶標蛋白特異性提取、分離、純化相應中藥成分，通過結構鑒定明確中藥產生作用的“反應成分組”和不產生作用的“無反應成分組”。并可明確“反應成分組”的藥效成分、藥效拮抗成分和毒性成分，在制劑時有針對性地提取保留與治療相關的有效成分，去除藥效拮抗成分、毒性成分和無作用成分，不僅可以提高療效、減少不良反應，而且還可以減少制劑劑量。

因此，E-R-M三聯模式研究是一個有機的整體，三者不能脫離彼此而孤立存在。這既符合中藥產生效/毒反應的用藥實際，也符合中藥“整體觀念”的理論內涵。E-R-M三聯研究模式在中藥或中藥復方研究中的靈活應用，有望在最大可能上減少工作量、降低實驗成本的基礎上，為中醫藥效/毒作用物質基礎、作用機制研究等方面帶來革命性的變革。

［1］Wagner H.Multitarget therapy-the future of treatment formore than just functional dyspepsia［J］.Phytomedicine，2006，13（Suppl5）：122-129.

［2］趙保勝，楊文寧，隗麗，等.五味降壓方藥效評價及血中暴露成分初探［J］.中國實驗方劑學雜志，2012，18（18）：258-261.

［3］趙慧輝，隗麗，張凱倫，等.五味降壓方在藥效反應時腸吸收多成分暴露特征探討［J］.國際中醫中藥雜志，2012，34（9）：804-807.

［4］Michael DA，Joseph C.Quantitative exposure-response for silica dust and lung cancer in vermontgranite workers［J］.Am JInd Med，2004，45：129-138.

［5］Bell ML.，Peng RD.，Dominici F.The exposure-response curve for ozone and risk ofmortality and the adequacy of current ozone regulations［J］.Enviro health perspect，2006，114（4）：532-536.

［6］李俊，王洪源，張志剛，等.空氣花粉濃度與變應性鼻炎就醫人次的暴露-反應關系初探［J］.環境與健康雜志，2008，25（9）：793-797.

［7］Meinir G.Jones.Exposure-response in occupational allergy［J］.Curr Opin Allergy Clin Immunol，2008，8：110-114.

［8］Kyle S，James D.Dioxin：Exposure-response analyses and risk assessment［J］.Ind Health，2003，41：175-180.

［9］謝元博，陳娟，李巍.霧霾重污染期間北京居民對高濃度PM2.5持續暴露的健康風險及其損害價值評估［J］.環境科學，2014，35（1）：1-8.

［10］FDA.Exposure-response relationships-study design，data analysis and regulatory applications［S］.2003：3-11.

［11］ICH E4.Dose-response information to support drug registration［S］. 1994：45-48.

［12］De Cock RF，Piana C，Krekels EH，et al.The role of population PK-PD modelling in pediatrics clinical research［J］.Eur JClin Pharmacol，2011，67（Suppl 1）：5-16.

［13］Owen JS，Melhem M，Passarell JA，et al.Bendamustine pharmacokinetic profile and exposure response relationships in patients with indolent non -Hodgkin's lymphoma［J］.Cancer Chemother Pharmacol，2010，66：1039-1049.

［14］張聲鵬，施旭光，桂蜀華.關于中藥血清藥理學中血清供體動物是否造模的思考［J］.中國中西醫結合雜志，2001，21（5）：388-389.

［15］James J.Zimmerman.Exposure-response relationships and drug interactions of Sirolimus［J］.AAPS J，2004，6（4）：1-14.

［16］T.Hamaguchi，D.Shinkuma，T.Irie，et al.Effect of a high-fatmeal on the bioavailability of phenytoin in a commercial powderwith a large particle size［J］.Int JClin Pharmacol Ther，1993，31：326-330.

［17］Choi RL，Sun JX，Kochak GM.The effect of food on the relative bioavailability of fadrozole hydrochloride［J］.Biopharm drug dispos，1993，14：779-784.

［18］Graham J.Boulnois.Drug discovery in the new millennium：the pivotal role of biotechnology［J］.Tibtect J，2000，18：31-33.

［19］David J.Lockhart，Elizabeth A，et al.Genomics，gene expression and DNA arrays［J］.Nature，2000，405（15）：827-835.

［20］Akhilesh P，Mtthias M.Proteomics to study genes and genomics［J］.Nature，2000：837-846.

［21］Kelvin H.Lee.Proteomics：a technology-driven and technology-limited discovery science［J］.TRENDS in Biotechnology，2001，19（6）：217-222.

（2014-03-21收稿 責任編輯：曹柏）

The Academ ic Theory of Triple Mode Research“Exposure-Response-Mechanism”and Its Application in Chinese Medicine Study

Zhao Baosheng1，Liu Yang2，Wang Jingjuan2，Wang Gang3，Lv Beiran2，Tang Mingmin2
（1 Center of Scientific Experiment，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100029，China；2 School of Chinese Materia Medica，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100102，China；3 Zhongcai Han Xi（Beijing）Biological Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 100053，China）

The active principle and medicalmechanism study with the core of pharmacodynamics action is the focal problem to Chinese Medicinemodernization，and the deficiency of cross study among chemistry of Chinese Medicine，pharmacology and molecular biology influences its resolution.Based on our former study，from theaspects of academic innovation and scientific research practice，a new Triple Research Mode“Exposure-Response-Mechanism”is proposed.Its academic background，scientific concept and research content are discussed，and we hope to provide a new academic thinking to the study of Chinesemedicine pharmacological and/or toxicologicalmaterials and mechanisms，so as to supply the innovativemethods tomodernization of Chinesemedicine.

Chinese Medicine；Exposure-response-mechanism；Trip le research mode；Academ ic idea；Research method

R284.2

A

10.3969/j.issn.1673-7202.2014.09.037

國家自然科學基金面上資助項目（編號：81374027、81303217、81274042）；北京中醫藥大學中青年教師資助項目（編號：2013-JYBZZJS-131）

劉洋（1973—），男，博士，副教授，研究方向：從事中藥藥效及暴露反應機制研究，E-mail：liuyang＠bucm.edu.cn