基于模型引导的中药安全用药的研究策略：中药定量毒理学

21世纪，中医药快速发展，在人类防病治病中发挥着重要作用[1]，尤其是新型冠状病毒感染疫情发生以来，中医药已经成为我国防治疫情的主要力量之一[2]。人们对中药的需求越来越多。然而，近年来中药不良反应事件时有发生，在一定程度上引起大众对中药安全性的关注，且中药安全性已成为急需解决的问题。中药毒性的理论研究快速发展，中药配伍禁忌的毒理研究[3]、中药毒代动力学研究[4]、中药内源性[5]和外源性危害物研究[6]等方面取得了一定的研究进展。但解决中药安全性领域出现的一些新情况、新问题仍需要搭建符合时代发展要求和现代中药毒性认知的风险防控对策和技术方法，以便为中医药健康可持续发展提供科学护航。

1 中药风险评估的新策略

近年来，临床实践中的精准医疗概念不断发展[7]，来自定量药理学理论的数学模型和模拟方法越来越多地被应用于临床实践[8-9]。数学建模和模拟技术被用来综合评估和利用各种患者、药物和疾病数据，以指导临床患者准确用药[10]，并为不同疾病的患者制定不同的用药方案，以提高药物疗效、安全性和依从性。基于毒理学和定量药理学的研究思路与方法，首次提出中药定量毒理学研究策略。

中药定量毒理学即基于风险评估、风险控制以及毒理学实验方法与定量药理学研究方法之间的相似性，该策略对毒性中药包括长期应用产生不良反应的中药首先寻找其致毒关键要素、毒性物质及毒性作用模式，摸清毒性成分的毒作用模式加和还是拮抗，在此基础上建立数学模型，为药品监管及临床应用部门提供可推广、可复制的中药质量评控体系及安全用药方案。中药定量毒理学需涵盖4点：一是明确的临床毒性表现以及毒性成因分析；二是清晰的毒性物质及致毒作用模式；三是详实的毒性物质代谢属性，某些程度上决定了其联合用药的风险与否；四是科学的可推广至不同人群的数学建模方法。

中药定量毒理学研究策略是在定量药理学和毒理学研究基础上提出的用于研究中药安全性与风险防控的策略。本课题组致力于“有毒”中药安全性研究，为中药定量毒理学提供方法学支持。主要包括：

（1）通过代谢组学分离分析及应用技术寻找中药毒性靶器官早期评价生物标志物研究，如本课题组前期以筛选发现的药物肾脏毒性生物标志物为指标并由此建立支持向量机模型[11]，通过对已知具有肾毒性的雷公藤、马钱子等5味中药实验验证，发现肾脏毒性生物标志物具有较高准确率和专属性[12]。建立中药毒性早期生物标志物可以及时发现毒性风险采取措施。

（2）基于靶器官毒性早期评价生物标志物开发中药毒性早期预测软件，用于中药毒性预测以及配伍减毒研究，本课题组开发制作MaToxPre毒性早期预测软件[13]，可以用于中药心脏毒性、肝脏毒性以及肾脏毒性早期毒性预测的工具。

（3）开发中药系统毒理学数据库（http://www.ehbio.com/ TCMSTD/front），摸清有毒中药，收集有毒中药研究信息推动人们对中药毒性的系统认识。

（4）构建基于有害结局路径的有毒中药进程动态机制研究方法，寻找中药直接毒性作用和间接毒性作用的分子起始事件和关键事件。有毒中药的毒性始动因素不明确，毒性进程指标不明朗，需要构建一套适用于中药的毒性动态机制研究方法，提升中药毒理学的国际认可度[14]。

（5）创建基于模型的中药危害评估方法，通过建立不同数学模型获取有毒中药的评估数据，为中药控毒标准的制定提供评估证据，如生理药动学（PBPK）模型用于中药风险评估的潜在价值[15-16]；开展有毒中药用毒须防，毒药新用，寻找有毒中药新用途研究，通过临床功能代谢组学研究从中发现先导化合物开发有毒中药。

中药定量毒理学研究策略是在研究中灵活运用多种技术方法，借助临床流行病学、大数据分析、代谢组学、建模与模拟等多学科和手段，建立毒性预测模型和中药毒性数据库预测毒性标志物、发现毒性物质以及直接靶标和关键通路、寻找有毒中药减毒方法、开发有毒中药新用途、建立临床安全用药策略和预警机制，以此推动中药毒理学的研究。

2 中药定量毒理学研究工具

美国食品药品监督管理局提出“基于模型的药物研发模式”[17]，在药物研发中，充分利用模型思维与方法，挖掘药物已有数据，将各个研究阶段产生的数据进行整合分析。将模型思维用于中药安全性的研究，借助数学模型和模拟技术，基于统计学、生物学等基础学科知识，分析中药各个研究阶段产生的数据对中药毒性展开综合性分析，最终实现对中药毒性的风险评估，推动中药毒理学由“定性”向“定量”发展，为临床应用的关键决策提供科学依据。

数学模型已经在指导药物开发[18]、精准用药[19]、定量药理学[20]等方面发挥重要作用，将模型用于中药定量毒理学研究中具有潜在价值。通过数学和统计学理论汇总现有中药毒性的研究数据，通过这些数据建立中药毒性的模型，推广应用于中药毒性研究，作为“定量”中药毒性的工具。

2.1 药动学-药效学（PK-PD）模型

PK-PD模型是用于研究药物体内过程及其在体内作用的模型，用于描述和预测药物在给定剂量下的“效应-时间”过程[21]。PK-PD模型用于研究“浓度-效应”和“剂量-效应”之间关系的模型。PK-PD常见的模型有线性模型、对数线性模型、最大效应模型、Sigmoid Emax模型、β-函数模型等[22]。常见PK-PD建模方法需要设置实验和数据收集，包括药物剂量的确定、采样时间，通过数据记录分析浓度与时间、效应与时间以及浓度与效应关系进行初步研究，对这些研究进行建模并分析实验结果。

在化学药物的PK-PD模型研究中，其成分较为单一，作用机制比较明确，与中药有所不同。中药PK-PD模型研究中不管是单味中药还是复方，其化学成分复杂[23]，部分成分含量较少，建立PK-PD模型首先要解决的问题是药效成分的确定，在此基础上研究不同成分之间是否相互作用，药效指标的对应成分、对应关系，进而研究药效成分在体内的变化。目前PK-PD模型在中药单体成分[24]、有效部位[25]、单味中药[26]和中药复方[27]都有应用。如林力等[28]提出中药复方指征药动学，以双参通冠方为研究对象，进行多成分的PK-PD研究，在药效成分不明确情况下，将双参通冠方中3味中药的15个成分的药动药效学测量数据标准化，数据处理上尽量减少异常值、个体间差异的影响，对多个药效指标确定对应成分。该研究测定了13个时间点中15个成分和24个药效指标，处理这些数据最终得到各药效指标的指征成分。“有毒”中药成分复杂且毒性成分不明确，“有毒”中药的“毒-效”关系是可以相互转化的[29]，挖掘“有毒”中药多成分的PK-PD参数以及单一成分PK-PD参数等数据，不仅对于阐明有毒中药“时间-血药浓度-效应（效、毒）”之间的关系具有重要意义，而且是进一步明确“有毒”中药剂量与毒性之间定量关系的基础。

2.2群体药动学-群体药效学（PPK-PPD）模型

PPK-PPD是在PK-PD基础上，结合群体统计学模型，观测患者群体的PK-PD整体特征，用于评估个体间和个体内的变异模型[30]。临床实际用药过程中影响药物的影响因素是复杂的，可以分为2类，包括固定效应和随机效应。PPK-PPD模型将固定效应纳入研究中，其中固定效应一般是指在短时间内不随时间变化的因素如年龄、性别、身高、体质量、合并用药、饮食、遗传特征等，固定效应主要影响药物在个体间的变异。PPK-PPD模型一般使用非线性混合效应模型（nonlinear mixed effect model，NONMEM）法，NONMEM法是目前广泛应用的PPK/PPD参数估算方法[31-33]。

群体模型的建立可以得到群体的平均水平、个体的生理病理学参数，体现个体在群体中的差异。群体药代动力学模型具体在中药中的应用，如Wang等[34]采用NONMEM法对广泛用于小儿肾移植的药物他克莫司建立PPK模型，将他克莫司与五酯胶囊联用纳入协变量作为考察因素。研究结果表明五酯胶囊对他克莫司消除有影响，二者临床联合用药时值得注意。

除此之外，PPK模型还能通过分析人群的基因预测中药与化学药联用时需要注意的情况，如Lv等[35]通过对使用华法林的冠心病兼房颤患者建立PPK研究华法林与复方丹参滴丸合并用药是否会有用药风险。研究结果发现华法林与复方丹参滴丸联用时对大部分人群华法林的PK和PD影响不大，且二者联用对冠心病兼房颤患者可能产生益处，但可能会对环氧化合物水解酶1基因人群产生不良反应，临床中需注意。

因此，群体模型可以用于指导中药与化学药的合并用药，以及“有毒”中药在不同患者体内暴露可能不同，预测需要注意的用药人群合理用药；通过分析正常人群患者的病理生理学特征、人口统计学信息等因素根据暴露量的变异程度合理指导特殊群体（儿童、老人、肝肾功能不全人群）的给药方案；同时，对于没有剂量相关的毒性中药以及长期使用产生不良反应的中药，可以通过PPK-PPD模型寻找易感人群，找到产生不良反应的潜在因素，在此基础上应用模型来预测给药后可能产生的变化，指导毒性中药的合理用药。

2.3 PBPK模型

PBPK模型是整合人体解剖生理学、药物物理化学和生物化学性质，并整合外源物质的理化性质，通过收集药物在体外和体内各组织及血液中的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）的相关数据，对化合物在生物体内的动力学过程进行模拟与预测[36]。PBPK模型中，机体的不同组织或器官被分割成若干个由血液供应链接的房室，通过简化药物在各房室的ADME过程，列出质量平衡微分方程来描述药物在体内的物理、化学过程及其对生物体的影响，可以在体外预测体内、在不同动物物种之间进行比较并外推至特定人群[37-38]。PBPK模型与药效学模型相结合，目前已成为预测药物在机体的分布[39]、疗效[40]和毒害物质风险评估[41]的有效工具。

PBPK模型可以分为整体PBPK模型和部分PBPK模型2类。整体PBPK模型将机体的各组织器官作为一个整体的模型结构；部分PBPK模型将生物体具体的某一组织器官作为研究的模型结构，如胃肠道模型、肝脏模型等。PBPK模型常用的一些软件有Matlab、GastroPlus、PK-Sim、Simcyp Simulator、ACSL、Berkeley Madonn等。PBPK模型的建立需要一些参数，包括基于物质（药物或毒害物质）的理化特征参数和药动学参数以及基于机体的生理参数。物质理化参数有吸收速率、最大代谢速率、组织扩散系数、转运体活性参数等，这类参数一般由实验获得。机体生理参数有体质量、心输出量、组织灌注速率、分输出量等。确认了模型结构和参数之后，就为每个房室列出质量平衡微分方程，利用计算软件求解。

PBPK模型可以用于预测药物在不同患者群体中的药动学行为，与正常人比较外推至特殊群体，指导特殊群体的合理给药剂量。如Rasool等[42]采用整体PBPK模型，基于健康人的参数构建模型后根据肝硬化患者的生理病理变化修改系统参数，与肝硬化C级患者临床卡维地洛用药实验数据比较评估后将其用于预测肝硬化A、B人群的卡维地洛药动学数据，并与健康人数据比较后得出卡维地洛在肝硬化患者中给药剂量需要减少的实验结论，在A、B、C不同等级的肝硬化人群中卡维地洛给药量减少到9.375、4.68、2.34 mg。

另外，PBPK模型在中药中的应用，如Fan等[43]研究五酯胶囊与环孢素A联合给药降低环孢素A肝毒性，二者有一定相互作用，通过分别建立五酯胶囊主要成分（schisandrin A和schisantherin A）和环孢素A的PBPK模型并验证，优化后的PBPK模型可用于估算五酯胶囊主要成分与环孢素A之间潜在的药物相互作用，可以用于指导临床中五酯胶囊与环孢素A的联合用药。结果表明五酯胶囊主要成分对环孢素A有抑制代谢的作用，并且schisantherin A对环孢素A的抑制作用大于schisandrin A，可以用于指导临床中五酯胶囊与环孢素A的联合用药。

PBPK模型用于中药用药风险评估推导安全剂量，通过PBPK模型的物种间剂量外推以及预测中药在特殊人群中的药动学变化和组织内剂量变化等具有潜在应用价值。将PBPK模型应用到中药定量毒理学研究中，挖掘不同人群“有毒”中药的药动学行为，指导“有毒”中药的合理给药剂量。

2.4 暴露-反应模型

暴露（exposure）是指通过药物使用剂量、药时曲线和相关非房室模型参数；反应（response）是指药物对机体的作用，主要为药物有效和安全2个方面的测量[44]。暴露-反应（exposure-response，E-R）模型可以阐明药物的体内代谢过程，对中药的安全性和有效性进行探索，从而在一定程度上也可以对中药临床剂量进行指导。

E-R模型相较于PK-PD模型有所不同，主要区别于暴露量是总和变量，反应量一般指临床终点，一般设置为某个指标治疗终点相对基线的值；E-R分析的主要是时间、联合用药或安慰剂效应导致的影响；E-R模型采用简单的回归分析。相对于PK-PD模型来说，E-R模型对于数据要求较低，使用的范围更广，主要需要测量出能够反映暴露量的参数，再结合有效性和安全性指标进行建模。E-R模型可以分成4个主要部分：根据实验目的建立假设、设计实验方案、分析实验数据和得出结论。E-R分析方法的选择需要针对待解决问题，基本上有是否有疗效、疗效是否随剂量而增加、E-R关系的特点以及剂量改变产生的预期效果。E-R模型不但可以为后期的实验设计提供剂量选择，而且其设计根据试验目的定制，更具有前瞻性。

E-R模型主要用于研究药物成分暴露与药效关系，药物入血成分或到达靶器官的成分（暴露）与药效或毒性（反应）之间的关系。E-R模型在中药中也有应用，如汪沉等[45]通过E-R模型研究青蛾丸的给药方案，基于青蛾丸临床上的更年期综合征患者给药的实验数据进行E-R模型，选择青蛾丸中的有效药物补骨脂的14种成分（暴露），24 h潮热次数相对基线的下降率（反应），建立模型并将体质量、疗程、剂量等因素作为模型的协变量。通过模型得出青蛾丸疗效和体质量负相关，与每日给药次数以及疗程正相关；青蛾丸给药12周以上才能达到与雌激素相同疗效。

应用E-R模型可以预测中药给药方案和用药影响因素，指导临床精准用药。将E-R模型用于有毒中药，在明确中药毒性（暴露）基础上，分析暴露成分在机体内E-R关系可能影响的因素。中药是多成分的复杂体，进入人体后成分与成分之间可能会相互影响，用暴露量描述中药用量与效应（效、毒）关系更加科学，在临床应用中有针对性地调整用药剂量，提高用药水平，尽可能避免或减少中药不良反应的发生。由于有毒中药多成分、多靶点的特点，在确定暴露与反应所对应时，往往无法明确暴露成分，其次是中药有些成分含量较低，血药浓度测定存在一定误差，会降低模型可靠性。对于“有毒”中药而言，建立E-R模型可能提供一种新的研究思路。

2.5 基于模型的荟萃分析（MBMA）

MBMA结合了不同来源的数据（临床前和临床等）和不同方面的数据（如靶标与机制、PK和PD、疾病、适应证、人群、药效指标、安全性指标等）[46-47]。MBMA设计主要包括研究计划、数据采集与处理、数据分析以及结果分析报告。其中数据采集与处理包括数据来源的确定和数据的纳入与排除标准，定义主要的数据提取字段，不同指标和单位之间的汇总方法，缺失数据填补方法、异常数据的排除方法。数据分析主要是模型选择、建立、验证、评价，常用的分析软件为NONMEM。

基于现有数据，MBMA可以挖掘PK-PD潜在的影响因素，可以为临床方案制定、药物研发决策和疗效指标比较等提供大量有价值的信息。吴蕾等[48]基于MBMA评价他汀类药物对创伤性颅脑损伤患者病死率以及预后的影响，检索现有的文献获取临床随机对照研究，与对照组相比可明显降低病死率并改善预后；曹思旸等[49]通过荟萃分析比较仑伐替尼与索拉非尼在晚期肝细胞癌患者中的临床疗效，通过对比分析得出在晚期肝细胞癌患者中仑伐替尼可以延长患者无进展生存期和客观缓解率。

MBMA可以用于挖掘临床上的用药信息，通过整合已有临床真实世界的用药数据，对药物临床疗效特征与其他药物对比，为临床用药提供科学依据。MBMA也存在一定局限性，如纳入研究分析的数据大多为临床回顾分析，可能存在数据不足、样本量小的问题，实验结果需要更多临床数据来验证。MBMA可分析“有毒”中药的临床用药、与化学药联合用药是否会提高疗效，或与其他药物比较用药疗效。对“有毒”中药与其他药物进行安全性和有效性比较，为临床用药提供依据。

2.6 定量构效/毒性关系模型

定量构效关系（quantitative structure-activity relationship，QSAR）模型以及定量结构-毒性关系（quantitative structure-toxicity relationship，QSTR）模型广泛应用于药物开发、毒理学等领域[50-51]。QSAR、QSTR模型是使用数学模型来描述分子结构、化合物的生理活性以及毒性关系，对已知活性的化合物建立模型，找到分子结构与活性或毒性之间的定量关系，由此可以预测结构类似的其他化合物的生物活性和潜在毒性[52-55]。

其中建立模型的步骤主要包括：（1）确定分子结构描述符；（2）确定化合物及其生物活性；（3）建立化合物与活性的定量关系模型；（4）对建立的模型进行验证。其中需要注意的是生物活性参数的选择以及生物活性数据的可靠性等问题。一般化合物的生物活性主要包括化合物对生物产生的毒性如急性毒性、亚急性毒性等；其次是化合物的物理化学参数，如疏水性参数、沸点、水解速率常数、生物降解速率常数等。

QSAR/QSTR模型是研究描述化合物的构效、毒性关系的模型，中药中的化学成分多样且复杂，利用中药中化学成分的结构与生物活性的关系为临床用药提供科学指导。QSAR模型已经应用于天然化学成分的毒性预测，如Arvidson等[56]用计算模型预测了6个天然成分的毒性，模型预测结果与实验毒性数据有较好一致性。同理，中药也可使用QSAR/QSTR模型，通过QSAR/QSTR模型早期预测中药可能的毒性成分、中药成分毒性的构效关系。

李雅秋等[57]构建用于预测心脏毒性的QSAR模型，用于中药化学成分潜在心脏毒性的预测，并用已知29种毒性成分验证达到83%的预测准确率。如高雅等[58]建立了中药成分QSAR预测数据库，预测中药成分的多个毒性终点。QSAR/QSTR模型的构建使中药定量毒理学可以用于中药毒性成分预测，其结果可以用于指导下一步实验设计并展开进一步研究。构建中药的QSAR/QSTR模型仍需更多的中药单一成分的毒性研究，目前用于中药成分毒性预测的QSAR/QSTR模型是基于合成药物的数据构建，相信随着中药毒性的研究越来越多，未来中药QSAR/QSTR模型会不断完善。

3 结语与展望

将这些模型应用在中药毒性研究中，根据研究目的不同，可以应用不同的模型来模拟预测。

（1）PK-PD模型可以通过人体、动物或细胞等实验来阐明毒性中药时间-血药浓度-效应（效/毒）之间的关系；

（2）PPK-PPD模型可以用于模拟预测评估个体间及个体内的差异，找到毒性中药用药人群中可能的易感人群；

（3）PBPK模型可以对毒性中药进行整体的风险评估，外推毒性中药在特殊群体中的药动学变化及指导合理用药；

（4）E-R模型可以用于毒性中药入学成分（暴露）与毒性反应之间的关系；

（5）通过对毒性中药不同来源的文献数据进行荟萃分析，筛选整合数据后进一步挖掘毒性中药用药潜在影响因素，指导临床方案制定；

（6）对特定毒性中药的毒性成分建立QSAR模型，找到分子结构与活性或毒性之间的定量关系，由此预测其他类似结构化合物的潜在毒性。

通过这些模型更好地了解认识中药与机体的相互关系，充分利用现有的数据，以及不断产生的数据，进行整合分析，为中药临床用药决策提供科学依据。

中药定量毒理学研究策略还需要在以下几个方面进行摸索：寻找毒性成分以及毒性靶点，摸清这些毒性成分是加和、合并或是拮抗的毒作用模式，在此基础上进一步建立模型，为有毒中药临床提供更多科学依据；进一步探索多组分的模型与算法，因为中药本身物质成分复杂，有着“多成分、多靶点”的特征，单一成分指标的研究并不能很好地表达中药的作用，参照现有的模型建立适合中药的多组分模型；中药产生不良反应是多方面的，如何收集分析来源复杂的数据，以及数据的可靠性有一定的挑战性，还需要一套行之有效的标准；对于需要临床前以及临床的毒理数据不断丰富和深入，对“有毒”中药制定合理应用的“量”，使针对不同患者的有毒中药的精准用药成为可能。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献（略）

来 源：李 雪，王 磊，卜睿臻，王玉明，张芳芳，褚 扬，李遇伯，蔡 挺．基于模型引导的中药安全用药的研究策略：中药定量毒理学 [J]. 中草药, 2023, 54(2):359-366.