系统生物学概念范例6篇

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系统生物学概念

系统生物学概念范文1

系统生物学是旨在从整体高度理解生物系统的新的研究领域,代表21世纪生物学的未来。随着系统生物学的发展及其理论的突破,将会对医学研究产生重要的影响。如果将中医药的研究与系统生物学相结合,将有可能从系统的角度诠释中医药多靶点、平衡调理、标本兼治的治病机理和分子机制,为中医药研究提供新的思路。

1 系统生物学与中医学

中医学是生命科学的一个组成部分,以整体观、辨证论治、方剂干预为鲜明特色,是一门应用信息进行调控(通过测定和改变系统的输入和输出来调节系统的状态),并将其作为主要医疗手段的医学[1]。中医对接诊的患者首先采取以外揣内的方法,通过四诊获取人体处于何种状态的信息,再通过各种辨证方法对这些信息加以分析,最后按照中药性味及方剂中最佳配伍的信息组合进行组方,用以调动机体这个复杂系统的自修复能力,把人体不平衡的病理状态调整到平衡的最佳状态,抵御外部入侵,从而使之向健康状态转化。这种“整体观”、“动态观”、“辨证观”是中医理论的特色,与系统生物医学有着共同的哲学基础,研究思路也不谋而合。因此,中医的发展可以借鉴系统生物医学等现代生命科学成果,从更高层次的信息流上去开展研究。

中医学的整体观虽然具有系统科学的思想,也具有一定的优越性,但在几千年的自身发展过程中,仍驻足于哲学和经验的层次上,以阴阳、五行、气血等概念阐述人体生理病理变化,并未“自上而下”地继续下去,缺乏物质作用基础的局部分析研究,属于“黑箱操作”,在它指导下的整体调节也只是“知其然,不知其所以然”的过程,没有揭示事物的内在本质,无法解释系统内部组成成分和动力学过程。而系统生物学“系统整合”的观点与中国传统医学的“整体观念”,在核心思想上具有高度相似性,但系统生物学研究仍以还原论为主,是从最简单的系统,如单个细胞入手进行研究,再将多个简单的系统通过研究网络,“自下而上”地构建出完整而复杂的人体生命系统,把人体生物系统化为“白箱”,不仅要了解系统的结构和功能,而且还要揭示出系统内部各组成成分的相互作用和运行规律。因此,系统生物学的思路恰好能够弥补传统医学的缺陷,以促进传统医学的完善并向真正系统医学方向发展。

2 系统生物学与中药

2.1 中药的系统性

中药作为一个复合体系,多是配方使用,作用靶点多,涉及多个基因和细胞,从整体上调节人体的平衡和内环境的稳定。其有效性的物质基础是其中所含的化学成分,也正是这些同类及不同类的化学成分(或组分间)相互作用、相互配合,才表现出了四气、五味、归经、升降浮沉、毒性等药性。中药组方后,单味药的活性成分重新组合,或生成新的有效物质,或相互协同而增加疗效,或相互拮抗而降低疗效,或减小毒性,或增加毒副作用等,从而构成了新的更高一层的系统,并在与人体作用时,其活性成分与靶系统之间发挥强大的系统与系统的作用。

正是中药的这种系统性决定了仅以提取有效成分、以单体疗效来评价中药整体疗效或复方研究的只拆不合的方法,必然无法得到其本质属性。所以,中药既需要研究单味药及复方中各化学成分的理化性质及生物活性,又需要研究化学成分间的反应规律及与人体作用的靶系统和其协同作用方式。西方医学对中药复方的研究方法往往是采用“解剖麻雀”的方法拆方试验,以期最终找出作用明确的活性成分,但不能反映方剂中药物的君臣佐使配伍规律。因此,中药要想继续保持强大的生命力,既不能囿于“整体观”而拒绝发展,也不能仅停留在提取、提纯有效成分的水平上,而应该以中医药理论为指导,借助现代生物医学的研究方法,上升到对中药系统性的研究,以建立一个全新的与现代学科同质的理论体系。

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2.2 中药复方

中药复方体现了中医学的整体观念和辨证论治思想,对药物的合理选择体现了君臣佐使等配伍理论,通过综合调节机体的机能和平衡,祛邪扶正、标本同治等发挥作用。但临床使用的多数中药及中药复方不被西方医学界认可,而这些中药复方又是中国传统医学中的精髓。中药复方药效成分群与人体之间存在非线性的复杂作用关系。中药复方作用机理和配伍评价的研究必须牢牢把握中药复方作用的整体性特征,这种整体性本质上体现为中药与人体两个复杂系统的相互作用,并形成一个更高级的系统整体。只有在中医药理论指导下,结合现代科学技术,深刻地揭示这两个系统间的相互作用关系,才能全面深入地阐明中药复方配伍理论、作用机理及其药效物质基础。

中药复方的作用是由多种活性成分分别作用于不同器官和不同靶点,相互协同,对机体从生理病理上进行调理,经整合调节而发挥复方的综合疗效,因此,复方中药应作为一个整体进行研究。为了建立能评价复方中药质量的新方法,我们有必要引入化学物质组学理论,因其可以从分子水平的物质基础和作用机理层次揭示中药复方配伍规律,来开展方证相应的中药复方配伍研究。通过化学物质组学表征药物干预系统的组成及相互关系,通过系统生物学刻画生物系统的应答过程,进一步整合分析两个系统间的交互关系,即系统揭示化学物质组的变化与生物系统应答的时空响应的相关性,实现方-证信息的关联。

3 结语

系统生物学作为21世纪最前沿的科技之一,代表着新生的事物,具有强劲的发展势头,符合自然科学发展的根本规律。中医药学整体性思想和用药规律与系统生物学具有相通性,若中医药的研究能与系统生物学方法相结合,必将把中医药的研究再次推向科学发展的前沿,成为中医药现代化最重要的研究方向之一。

系统生物学概念范文2

关键词:穴位敷贴疗法;作用机理;中医药系统生物学;综述

DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2017.03.033

中图分类号:R245.9 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2017)03-0134-03

Research Review of Functional Mechanism of Treatment by Way of Pasting TCM on Acupoints HE Yan-ping1, XIAO Xiao-qin1, DENG Gui-ming2, OUYANG Lin-qi2, CHEN Zhen2, ZHANG Zhi-guo2 (1. Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China; 2. First Affiliated Hospital of Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410007, China)

Abstract: Treatment by way of pasting TCM on acupoints has a long history and the clinical efficacy is determined. In this article, based on the concept of TCM wholism and meridian theory, the mechanism of acupoint pasting therapy was expounded from the aspects of medicine effects on local stimulation of the body, meridian conduction, medicine transdermal absorption. Combining with the research hot spots of modern medicine transdermal delivery system, metabolomics, and efficacy material, this article proposed a new study mode of systems biology of TCM.

Key words: acupoint pasting therapy; mechanism of action; systems biology of TCM; review

穴位N敷疗法最早见于《五十二病方》,是以中医理论为基础,以整体观念和辨证论治为原则,根据经络学说,选取一定的腧穴,并采用适当的药物进行贴敷,通过经络刺激与药物的作用,调理脏腑阴阳,疏通经络气血,从而达到预防和治疗疾病目的的一种疗法[1-3]。

穴位敷贴疗法是中医外治法的特色,目前在临床上已经广泛应用于内、外、妇、儿等科急慢性疾病,疗效肯定,尤其对肺系疾病如哮喘、慢性支气管炎、过敏性鼻炎防治效果显著[4-8]。

穴位敷贴疗法作用机制非常复杂,在国内外研究者对中药穴位给药机制进行的初步研究中,一般认为是药物透皮吸收和经络系统对人体调节的双重效应[9]。本文主要从以下3方面论述穴位贴敷疗法作用

基金项目:国家中医药管理局中药炮制学重点学科(2012年);湖南省中医药管理局重点项目(201443);湖南省教育厅重点项目(13A067);张志国全国名老中医药专家传承工作室建设项目(2016年)

通讯作者:肖小芹,E-mail:

机理,为今位贴敷疗法的临床应用和实验研究提供依据。

1 对机体的局部刺激

即相当于药物灸疗法,使局部血管扩张,促进血液循环,并通过神经反射,激发机体的调节作用。现代研究表明,当药物作用人体穴位后,使该穴位的组织结构、皮肤、神经、血管、淋巴均发生一定的变化,某些中药能刺激穴位使局部的温度增高,毛细血管扩张,有利于药物成分通过皮肤穿过毛孔不断地进入淋巴液、血液,从而发挥其药理作用。穴位敷贴还可能通过刺激机体局部以及药物的吸收、代谢对机体的有关物理和化学感受器产生影响,直接反射性地调整大脑皮层和植物神经系统的功能,通过细胞免疫和体液免疫增强抗病能力,从而达到防病治病的目的[10-11]。

但目前中药药效成分及经络调节机制尚未阐述清楚,寻找其他途径的研究方法对于揭示中药穴位贴敷给药的机制更有意义。而从中药药效物质基础和代谢组学探求中药药效物质基础已经成为当今中医药界乃至整个药学界关注焦点问题[12]。刘莉等[13]通过超高效液相色谱结合高分辨率质谱联用(UPLC-Q-TOF- MS)技术研究中药穴位贴敷治疗豚鼠尿液代谢物图谱,初步确认部分哮喘发作潜在的生物标志物和治疗哮喘潜在的生物标志物。该研究建立了基于豚鼠尿液的UPLC-Q-TOF-MS代谢组学研究方法,初步阐释了中药穴位敷贴治疗哮喘的代谢组学机制和中医穴位敷贴透皮给药的内涵。研究结果对用现代生物科学技术解释传统中药制剂理论有一定的启发作用。

2 穴位刺激及经络传导

研究表明经络和穴位不同于血管和血液,它可以使药物直接到达相关脏腑发挥作用,而不是像血管和血液将药物广泛分布到全身[10]。各种病邪侵犯人体,脏腑功能受损,导致经络涩滞,郁而不通,气血运行不畅,引起各种疾病,此时可能在经络循行部位尤其在其所属腧穴部位出现麻木、疼痛、红肿、结节或特定敏感区及与经络相关脏腑的疾病等异常情况。用中药贴敷相关穴位,激发经气,既有穴位刺激作用又通过经络传导,使药物充分发挥其功效。改善经络气血的运行,纠正脏腑的阴阳失衡,对五脏六腑的生理功能和病理状态具有良好的治疗和调整作用,从而达到抗御病邪,保卫机体的作用[14]。腧穴作为脏腑气血汇聚之所,有其独特的生理功能,现代医学研究还认为,经穴对药物具有外敏感性和放大效应,经络系统是低电阻的运行通道,因此,药物贴敷于特殊经穴,能迅速在相应组织器官产生较强的药理效应,起到单相或双相调节作用[11]。

3 透皮吸收

药物贴敷于相应穴位后,经皮肤渗透吸收,进而通过血液循环最终到达脏腑经气失调的病所,发挥药物的“归经”和功能效应,从而产生治疗疾病的作用[15-17]。

中药经皮给药系统(TDS)是将中药或中药提取物与适当基质和/或透皮吸收促进剂混合后,敷贴于皮肤表面或相应穴位以起到治疗作用[18]。穴位贴敷与TDS概念不谋而合,因此对TDS和中药体外透皮吸收的研究对揭示中药穴位给药机制具有重要意义。穴位敷贴具有经皮给药的优点,不仅可以避免因口服给药导致胃肠内消化酶对药物的分解作用和肝脏的首过效应,还可以通过控制药剂输送的速率,产生持续稳定的血药浓度,降低药物的毒副作用,减少给药次数,经济安全,简便易行。故将中药经皮给药与穴位功能结合起来研究其作用机理可以发挥更大的优势。

传统的穴位敷贴给药局限于丸、散、膏、糊等制剂,药物的溶解率不高,且有效成分难以迅速充分透皮透穴吸收利用,限制了药效发挥和进一步研究应用[19-20]。国内外研究者从物理促渗、化学促渗剂促渗和剂型因素3方面进行了中药经皮给药促渗技术的研究[21-24],取得了很好的效果。本课题组曾对咳喘穴位贴散进行了质量控制研究及剂型改进,采用超临界CO2萃取技术提取了咳喘穴位贴散配方药物的有效部位[25]。在处方确定的基础上优选了基质的配比组成,筛选了1%氮酮为贴片透皮促进剂,对贴片的成型性进行了研究,采用热熔法制备了新型咳喘穴位贴片[26];并进行了贴片体外透皮吸收和释放性研究以及2种剂型的体外透皮特性比较研究[27]。这些工作都表明利用现代科学和实验技术可以进一步促进穴位敷贴药物的渗透吸收,更好发挥其药理作用,为穴位敷贴进一步的研究与开发利用提供了扎实的基础。

4 展望

中药穴位敷贴疗法以中医整体观念和经络学说为指导,既有药物本身的渗透吸收作用,又有药物对穴位的刺激作用以及经络穴位的传导功能,它们之间相互影响、相互作用、相互补充,共同发挥整体叠加治疗作用。中药通过多成分、多靶点、多环节的整合效应而发挥其综合作用的优势。但传统的中医药理论只对方药效果给出直观和取象比类的说明,没有药效物质成分,也没有揭示产生药效的过程和机制,且中医理论没有指出疾病的病因病理的物质基础,有一定的局限性。近年来,中医药研究在国内外得到空前的重视和发展,各种现代科学和高新技术介入传统中医药研究开发,给中医药带来了新的发展机遇。系统生物学在目前中医药方法学创新研究中最受关注,系统生物学以整体性研究为特征,以整合多种组学信息为手段,力图实现从基因到细胞、组织、个体的各个层次的整合,是当前复杂生命体系研究中比较公认的思维方式和研究手段,中医药同样是一个复杂的系统,其理论中最具特色的“整体观”“辨证观”“动态观”,与系统生物学的研究思路十分一致。因此,积极引入系统生物学的新思路、新方法,将可能成为推动中医药的现代化探索一个突破口,也开辟了系统生物学研究的一个新兴领域――中医药系统生物学。因此,以中医药理论为指导,结合现代科学分析与生物信息学技术,基于中医药系统生物学模式进行探索,加强基础研究,从药效物质组学、代谢组学等方面研究中药穴位敷贴疗法治疗疾病的药效物质基础及作用机制,将可能发现穴位敷贴药物药效作用的活性分子群、作用机理及可能作用靶点,实现药效物质基础与作用机制研究的一体化。基于临床疗效确切的咳喘穴位贴散,同时对传统敷贴进行剂型和制作工艺的改革,借鉴现代透皮给药的新技术、新方法,研制高效、新型的外用敷N药物,将有更广阔的市场前景。

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系统生物学概念范文3

药物承担着防治疾病、提高人们健康水平的作用,同时,医药产业也已成为社会经济建设不可或缺的部分。传统药物的发现主要集中于单一靶点的高特异性抑制剂。然而,通过大规模功能基因组研究证实,只有不到10%的单基因敲除具有治疗价值[1],而且,单一分子靶点的高特异性药物对复杂疾病通常难以获得良效,传统新药研发遵循的“单基因-单靶点-单疾病”的线性模式遇到巨大瓶颈及严峻挑战。资料显示,美国食品药品管理局(fda)2010年仅有21种新药通过评审,欧洲药品管理局(ema)也仅批准了14个新药[2]。新药在ⅱ期和ⅲ期临床试验中因缺乏有效性和出现非预期的毒性所导致的新药失败率高达30%[3],使整个制药业在持续繁荣后陷入困境。中医药在诊断上注重整体的和功能的动态变化,治疗上强调辨证论治,通过中药等在整体水平上的调节,治疗局部性病变和恢复整体功能平衡,获得治疗效果[4]。因此,药物的研发和机制研究亟需借鉴中医药的诊疗思路,从整体出发,“多基因-多靶点-复杂疾病”模式着眼,寻求新的研究途径。1 网络药理学的概念

随着组学技术的发展完善,系统生物学[5]及多向药理学[6]已广泛应用于多种疾病及药理、毒理等研究。2007年,hopkins[7-8]率先提出并系统地阐述了网络药理学(network pharmacology)的概念,网络药理学是基于系统生物学的理论,对生物系统的网络分析,选取特定信号节点进行多靶点药物本文由收集整理分基金项目:国家自然科学基金面上项目(81073134);国家中医药管理局重点学科项目(国中医药〔2012〕62号);上海市教委重点学科项目(j50301);上海市科委项目(12401900401)通讯作者:苏式兵,e-mail:shibingsu07@163.com子设计的新学科,是建立在高通量组学数据分析、计算机虚拟计算及网络数据库检索基础上的生物信息网络构建及网络拓扑结构分析策略和技术基础上的科学思想和研究策略。与传统药理学的最大区别在于,网络药理学是从系统生物学和生物网络平衡的角度阐释疾病的发生发展过程、从改善或恢复生物网络平衡的整体观角度认识药物与机体的相互作用并指导新药发现,强调对信号通路的多途径调节,提高药物的治疗效果,降低毒副作用[9]。

多数情况下,疾病发生的分子机制是细胞内调控网络的异常所致,复杂性疾病是由多基因、多功能蛋白相互作用紊乱而形成的疾病网络[10]。新药研发的策略应是发现如何干预疾病的病理网络,需要对多种基因及其调节蛋白的干扰才能影响疾病网络[11]。研究发现,在肿瘤、精神疾病和抗感染等治疗过程中,具有多靶点药理作用的药物比单靶点药物具有更好的疗效[12]。2 网络药理学的研究思路

目前,网络药理学的研究思路通常可分为两类:一是根据公共数据库和公开发表的已有数据,建立特定药物作用机制网络预测模型,预测药物作用靶点,并从生物网络平衡的角度解析药物作用机制。如gu j等[13]运用虚拟筛选和网络预测技术对大黄二蒽酮a、大黄二蒽酮c、番泻苷c等几种从未报道过具有抗2型糖尿病作用的成分进行预测并获得成功,yan j等[14]也成功利用该技术对麻黄汤新药理作用进行了预测。二是利用各种组学技术以及高内涵和高通量技术,采用生物信息学的手段分析和构建药物-靶点-疾病网络,建立预测模型,进而解析所研究药物的网络药理学机制。如运用网络靶标预测中药方剂六味地黄丸适于治疗的疾病和机制[15],以及对复方丹参方的网络药理学研究[16]。3 网络药理学的研究技术3.1 数据的获取和验证

网络药理学研究中与实验相关的环节有两个[17]:一是基于实验结果构建网络所需基本数据的获取,二是对所建立的网络预测模型进行实验验证,这两个环节涉及的技术均应具有高通量、可定量、灵敏、快速、简便、可靠地获取大量数据的特点。目前,网络药理学研究所涉及的相关技术除了组学(基因组、蛋白质组、代谢组和元基因组等)技术外,主要包括高通量和高内涵技术、双高通量基因表达检测技术和分子相互作用技术。3.1.1 高通量/高内涵技术 该技术是指在保持细胞、组织或整体动物结构和功能完整性的前提下,一次性检测成百上千个处理且同时检测被筛样品对活细胞、组织或整体动物多个表型的作用,具有均质、多维表型检测、实时动态监测和可视化的特点。3.1.2 双高通量基因表达检测技术 该技术是指应用具有检测样品高通量、检测目标基因高通量的双高通量技术,具有对所需基础数据和网络模型进行验证的作用。fakhari等[18]在2002年提出的聚合酶链式反应(pcr)芯片技术,具有操作流程简单、定量结果无需后期验证、特异性强、灵敏度高及重复性好等特点。3.1.3 分子相互作用技术 该技术是指从网络药理学角度揭示药物作用原理,或对所构建的药物作用网络或预测模型进行验证,用来揭示药物分子与机体生物大分子之间的相互作用关系。主要包括3种技术:基于表面等离子共振的检测技术[19]、基于生物膜层干涉的检测技术[20]、纳米液相层析-质谱分析技术[21]。这3种技术均具有高通量、高精度、无标记且实时检测的特点。3.2 网络可视化技术

该技术是指应用可视化工具,将联系表反映成一张相互联系的可视网络的过程[22]。一般分为2个阶段:①丰富网络属性,通过增添网络本身、节点及连接的属性,使节点联系表扩展为包含丰富信息的网络;②网络描述,通过丰富的特征描

述手段,使网络表现更加直观。目前,大部分网络药理学研究中的可视化可以通过cytoscape[23]、guess[24]、pajek[25]等专业工具来实现。3.3 网络分析技术

该技术是指采用相应技术对构建得到的网络进行分析,从中提取出有用信息。主要分为3类:①网络拓扑学信息计算,可以得到网络本身的统计属性,反映网络中的隐藏信息[26];②随机网络生成和比较,用来对现有网络进行可靠性验证[27];③网络分层和聚类,简化网络复杂度的重要算法,也是寻找网络潜在信息的方法[28]。4 网络药理学在中药研究中的应用

系统生物学概念范文4

2013年 麝香保心丸临床注册登记研究(真实世界研究)已在全国800家医院启动,预计首批入组患者40000例,5年内累计入组患者200 000例。此研究将建立麝香保心丸临床实际应用的研究、质控、数据管理和统计分析平台,为心血管药物在临床真实世界中治疗冠心病心绞痛有效性和安全性提供数据支持,并为完善中成药的有效性、安全性证据提供数据与支持平台。

2012年 《麝香保心丸的研制、现代研究与临床应用》项目荣获“上海市科学技术一等奖”,该项目证实长期服用麝香保心丸能改善血管内皮功能,并具备良好的临床耐受性与安全性,为长期用药提供了临床证据。同年,麝香保心丸循证医学研究中期总结会议在上海召开。循证医学概念的引人,为中西医结合治疗心血管疾病研究带来机遇。

2011年 麝香保心丸治疗冠心病的药理机制研究发表于国际著名的《分子生物系统》(Molecular Biosystems)杂志。该研究表明,麝香保心丸对心肌梗死的治疗机制可能是通过调节炎症反应、能量代谢及心肌肥大等代谢通路,从而抑制心肌梗死进展。此外,一项采用分子生物网络技术明确麝香保心丸等中药作用机制的研究发表于国际知名杂志《生物信息学前沿》(影响因子9.283)。同年,麝香保心丸循证医学研究“随机、双盲、多中心、安慰剂平行对照评估麝香保心丸治疗慢性稳定性冠心病的临床转归的临床研究”开始启动。

2010年 麝香保心丸被评为“上海市十大优秀专利产品”。同年剑桥大学与上海和黄药业签署协议,将开展麝香保心丸促进治疗性血管新生的研究。

2009年 麝香保心丸大型循证医学研究项目立项,该项目是国内率先开展的符合国际惯例的心血管中成药循证医学研究。该研究将评估麝香保心丸治疗慢性稳定性冠心病患者的疗效、安全性和远期心血管事件发生率。

2008年 麝香保心丸被纳入国家重大新药创制专项(2008ZX09202-002)。

2007年 麝香保心丸获得国家“十一五”科技支撑计划重点项目支持。在项目支持下,第二军医大学及清华大学专家组开展了药物物质基础研究,并取得一系列成果。目前从麝香保心丸共分离得到95种纯化合物,其中4种为新型化合物。麝香保心丸物质组学的明确为制定中药复方标准、深入开展系统生物学研究奠定基础。

2006年 麝香保心丸促进血管新生系列研究荣获首届中国中西医结合学会科学技术奖,同年麝香保心丸入选国家中药保密品种。

2004年 麝香保心丸促进血管新生研究结果发表于美国《生命科学》(Life Science)杂志。

2003年 研究发现,麝香保心丸促进鸡胚绒毛尿囊膜血管新生和血管内皮细胞管腔结构形成的作用,并可促进动物模型缺血心肌周围的血管新生。通过对心肌缺血患者的心肌影像学评估发现,该药可改善缺血心肌血供,其促血管生成机理可能与增加内皮细胞表达和释放血管内皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子相关。

2002年 麝香保心丸被率先证实为具有促进治疗性血管新生作用的中成药。

2000年 麝香保心丸入选国家基本医疗保险甲类目录。

1998年 研究显示,麝香保心丸具有扩张冠脉作用,并具减少心肌梗死面积和心室重构的特性。

1995年 多项研究显示,麝香保心丸具有血管内皮保护作用。同年麝香保心丸荣获“中国中药名牌产品”称号。

1994年 运动平板试验和硝酸异山梨酯对照试验进一步证实麝香保心丸对冠心病的治疗效果。

1991年 麝香保心丸荣获首届上海市科学技术博览会金奖。

1985年 麝香保心丸荣获国际传统医药荣誉奖。

1983年 麝香保心丸荣获上海市优秀新产品一等奖。

系统生物学概念范文5

1网络药理学的概况

在过去的10多年中,新药研发的失败率不断增高,面临困境[6],这不是技术问题,而是哲学问题,与疾病相关单靶点高选择性药物设计的主导思想是同时发生的。随着现代生命科学技术的发展,人类对疾病的生物学本质认识不断深化,西方医药界逐渐认识到多基因、多环境因素及其相互作用引起的复杂性疾病。2007年,AndrewLHopkins提出了网络药理学,将成为新药研发领域里新的发展方向[7-8]。网络药理学是在系统生物学和多向药理学快速发展的基础上建立起来的,它是在生物网络中各生物实体(疾病、表型、基因、靶标、药物等)相互作用的基础上,通过系统分析方法,观察药物对生物网络的作用和影响,使药物的研发更能针对疾病的实际情况,提高研发成功率。

网络药理学理解复杂的生物系统不仅仅需要实验,同样也需要计算方式的支撑。计算方法能够使网络药理学在复杂生物相互作用网络中获取整体、机制性信息,并能够发现新药靶标以及特效药的组合。尽管在网络药理学中的计算方法还处于实用建模和理论探索阶段,但是它已经为制药业面临的关键科学问题提供了一个很好的基础。网络药理学概念出现比较晚,但是其内涵已经在药理学实际应用中出现,作者概括了药物靶标识别、疾病关联基因发现等方面的研究,总结其方法主要有5个类型的计算方法:网络拓扑分析、靶标准则分析、分类分析、聚类分析和回归模型分析。

网络药理学采用文本数据挖掘(textmining)、知识发现(knowledgediscoveryofdatabase,KDD)、网络分析(networka-nalysis)等技术探索生物实体之间潜在的未被发现的关系,如构建疾病靶标的二部图网络,其中节(顶)点(vertex)代表疾病或靶标,边(edge)代表节点间的相互作用关系,即若2个节点以边相连,则其具有某种特定的关系,反之,则认为无相互作用或潜在未被发现关系。这种靶标网络体系具有评价疾病的发生发展状态,药物对疾病靶标网络的干预与影响预测等功能。网络药理学多以生物学数据库为处理对象,如在蛋白质相关的HPRD[9],BIND[10-11],DIP[12]等;与遗传、性状及其基因相关的OMIM[13];药物研发方面的DrugBank[14]。

网络药理学采用这些生物学数据库,能够从系统生物学角度,理解“疾病表型-基因-靶点-药物”相互作用网络的基础上,通过计算分析方法,来观察药物对病理网络的干预与影响,使研发的新药更接近于疾病的实际情况。它对人类疾病的认识具有系统性、动态性以及相互作用等特点,药物干预机体靶点,调节机体平衡,从而达到治疗作用。

2中药网络药理学的概念及其特点

传统中药强调“药有个性之特长,方有合群之妙用”的组合应用形式,重视“君臣佐使,七情合和”的组合效果,中医药被认为是古老又经典的系统生物学[15-16],开展中药网络药理学的研究能够明确中药的药效物质基础和作用机制,提高中药的研究水平。中药网络药理学既需要借鉴网络药理学的技术和手段,又需要结合中药本身的特点。相比较西药而言,中药具有2个特点:一是中药具有针对证候进行治疗的特点。但是,网络药理学是西方学者提出来的,它是以现代医药学数据库为基础,通过网络方法进行构建的。所以进行中医药与现代医学进行嫁接是中药网络药理学的一个桥梁,病症结合是一个行之有效的方法。二是中药具有多成分综合作用的特点。中药常用的用药形式是方剂,由成百上千个化合物组成。但是,中药大多数是口服制剂,必须经过吸收、分布、代谢、排泄过程,即ADME过程,到达靶标器官、靶组织而发挥作用。有些化学成分在体外药理活性必经强,但是由于生物利用度很低,在体内很难达到有效治疗浓度,有些成分经过肠内菌或者肝脏代谢以代谢产物发挥作用。所以,网络药理学必须与体内ADME过程相结合,才能更好提高中药的研究水平和切合中药的实际情况。

3基于体内ADME过程和网络药理学的中药现代研究思路

中药在中国以及亚洲地区被广泛应用,也引起世界广泛关注。但是,中药研究仍然面临许多困境和问题,其中2个问题最关键:一是药效物质基础不明确,二是药理作用及其作用机制不清楚。两者之间相辅相成,相互促进,只有明确药效物质基础,才能更好的阐释其药理作用及其作用机制,只有明确药理作用才能更好的辨识有效成分。作为中药的药效成分应该具有2个方面的属性:一是具有药理作用或者与药理作用相关联;二是该成分在体内具有适宜的药代动力学特征。网络药理学与体内ADME过程相结合对开展中药药效物质基础及其作用机制是一条确实可行的途径,其研究思路见图1。中医药最常用的用药形式是方剂,由君、臣、佐、使组成,是十分复杂的化学体系,通过化学分离、分析的方法研究中药方剂的化学成分,包括定性、定量分析等,建立方剂的化学成分信息库。20世纪90年代,我国学者王喜军教授认为入血的成分才真正是中药的有效成分,提出“中药血清药物化学”的研究方法[17],关注中药在体内的移行成分,并迅速得到了广大学者的广泛认可。对于中药方剂,通过高通量的定性、定量分析获得外源性药物本身及其所有代谢产物随时间和空间(各个组织)的动态变化情况,药物及其代谢产物各种代谢途径、方式的信息和药代动力学的各种参数等,研究方剂的体内ADME过程,获得方剂的代谢指纹,明确入血成分(包括原型成分及其代谢产物)以及到达靶器官、靶组织或者靶蛋白的成分,即达靶成分。但是,如果这些成分没有合适的药代动力学特征,例如生物利用度很低,没有达到最低有效浓度,或者消除太快,很快被排泄,对于这些成分很难被认为是有效成分。所以必须进行药代动力学的特征分析,获得具有适宜的药代动力学特征的入血成分和达靶成分(包括原型成分及其代谢产物)即药代标示物(PK-marker,PK-M)[18]。然后,对以生物学医学数据库为处理对象,通过文本数据挖掘、知识发现、网络分析等技术构建与疾病/证候的相关的网络靶标。再次,对药代标示物进行计算机靶标的虚拟筛选,与方剂治疗病症/疾病的网络靶标进行分子对接,评价药代标示物对靶标蛋白的作用位点及其作用力,从而预测方剂对疾病靶标网络的干预与影响等功能,有效阐释方剂的药效物质基础及其作用机制。

4中药ADME研究内容介绍

4.1计算ADME高通量筛选中药是一个十分复杂化学体系,基于体内过程发现中药的有效成分群是一条确实可行的途径,通过计算的方法进行虚拟筛选,进行有效成分群辨识是一个简单快捷的方法之一。药物的药代动力学性质是与其理化性质密切相关的,Lipinski等[20]早在1997年根据化合物的结构及理化性质总结预测药物口服吸收的“五倍律”定律。Ekins等[21]曾在220届美国化学年会的报告中总结了当前应用计算机构建的预测化合物ADME性质的一些模型,其中包括StephenJohnson应用回归树和神经网络方法构建的预测药物血清蛋白结合的模型,WilliamEgan应用统计模式识别方法预测药物的被动小肠吸收,BerndBeck用半经验定量方法构建的预测药物血脑屏障通透性的模型等,但这些方法的一个共同不足就是都是基于化合物的二维结构来预测。从化合物的分子场中相互作用的能量计算出化合物的性质,并将此方法应用于根据化合物的三维(3D)结构计算预测其理化性质及药代动力学性质是一种全新的方法[22]。VolSurf软件就是将从化合物的3D结构图中提取的相关信息,转换成几个容易理解和解释的描述符(参数),用这些描述符来构建一个用化合物的3D结构解释其生物学行为的多变量预测模型[23]。通过计算进行中药的ADME虚拟高通量筛选,为中药药物代谢物组学研究提供预测,使之研究更有针对性和目的性。

4.2体内过程的试验研究

4.2.1血清和组织药物化学日本学者田代真一基于“人体胃肠道中寄生菌群能够通过水解苷类物质获得能量来源,中药产生生物活性的成分可能是中药经过菌群代谢之后的产物”的想法,提出了“血清药物化学”的概念[24],我国学者对“中药血清药物化学”进行系统研究。中药血清药物化学正是通过研究中药或复方口服后被吸收入血的各个移行成分,来间接、快速地筛选有活性的药效成分,探明移行成分与传统疗效的相关性,同时对阐明中药及复方的作用机制、生物转化和代谢等过程,以及对药理、毒理的进一步研究有一定的辅助作用[25]。王喜军等[26]对茵陈蒿展开研究,发现其给药血清中主要药源性物质6,7-二甲氧基香豆素,并通过药效学试验发现其具有利胆、抗炎、利尿、降血脂等药效,从而证明其是茵陈蒿的有效成分。中药组织药物化学研究,分析达到靶器官的移行成分,并对了解药物浓度高、蓄积时间长的组织和器官,以及在药效或毒性靶器官的分布等。通过对血清和组织中移行成分与疾病的网络靶标进行分子对接,有利于从网络药理学角度,系统的阐释中药的药效物质基础和作用机制。

4.2.2多成分的药代动力学研究中药药代动力学起步较晚,多成分药代动力学研究一直是中药研究的难点问题之一。靶标分析是中药药物代谢物组学研究的常用方法,尤其是对在中药中大量存在、具有合适的药代动力学特征以及具有与药效相关的药理活性的化学成分,即对药代标示物[19]进行药代动力学研究,对用它们表征复方制剂在体内吸收、分布、代谢、排泄的动态变化规律及其体内时量关系、时效关系,并用数学模型提供药代动力学参数。同时整合药代动力学是中药药代动力学研究方向,整合机制研究是难点,笔者认为以“组效关系”[27]为核心开展整合机制研究将会突破这个难点。通过这些研究,可为药物的初步筛选、剂型设计、质量评估及给药方案的制订提供依据,可合理地指导临床用药,同时药动学研究对复方的组方、药物作用机制及药物相互作用等也可提供基础和依据。

系统生物学概念范文6

【关键词】中药复方制剂;物质组;溶出度

【中图分类号】R284 【文献标示码】A 【文章编号】1004-7484(2013)04-0119-02

中药复方制剂由于其效应成分多元,用某些单体成分为指标,进行体外溶出度测定,难以体现复方的整体释放特征。随着系统生物学的发展,以整体观和复杂科学为基础的蛋白质学,代谢组学等后续组学研究相继兴起,并应用于中医药研究[1-4],标志着中医药研究进入“组学”时代,“中药物质组”的概念应运而生,国内外诸多学者开展了以中药物质组为指标,进行了中药复方制剂的体外释放研究。本文就中药物质组的概念及其演变作一小结,并综述了溶出度的测定方法进展,提出中药物质组溶出度测定的意义。

1.中药物质组的概念

近期以来,国内学者提出“中药物质组”或类似概念及相关组学方法。不同的物质组类别具有不同的内涵。

1.1 内涵的比较

1.1.1 化学物质组:指一定条件下输入生物体系的所有化学物质(化学成分)组成的复杂化学体系。例如:药物、食物,以及从外部环境摄入的其他化学物质等[7~9]。

中药化合物组是指特定中药内所含的所有化合物的集合,即中药或中药复方制剂中可释放/溶出并在一定条件下可检测到的全部化合物[5~6]。

1.1.2 本草物质组:梁鑫淼等[10]提出本草物质组计划,拟用现代高效分离、表征技术,全面解析中药物质组成、结构和功能,构建本草物质资源库,阐述中药的多组分多靶点整体调节机制,但是,尚未在相关文献中明确定义本草物质组的概念。

1.1.3 中药物质组:除局部给药的非溶解性组分外,一般指单位中药或中药复方制剂中所含有的、在介质(口服给药时的介质为胃肠液)中溶解的所有组分的集合,它包括:①可溶解、吸收的活性成分;②可溶解、吸收的惰性成分;③部分不可溶解、吸收的惰性成分等[11]。

1.1.4 中药化学组:王启升[12]等提出中药化学组学,但是未明确中药化学组学的含义是通过现代技术手段结合传统中药理论和现代科学理论,阐明与中药药性、功能及主治有关的物质基础即药效成分的组成、结构、含量、相互作用及性质等。

1.1.5 有效成分组:指中药或中药复方制剂中所含有的所有与其临床应用目的密切相关的药理活性成分[13]。

1.1.6 活性成分组:指包括有效成分组的全部内容和另外一些具有生物活性的物质,不论这些活性成分中在该中药或中药复方的临床治疗中是否发挥作用或发挥什么样的作用[13]。

1.2 中药物质组学

中药物质组学的基本含义是指以中药物质组为研究对象,借助现代组学技术与方法,系统研究中药的物质组性质、稳定性及其质量控制标准与方法,研究中药物质组的药效学和毒性作用,研究中药物质组药物动力学及给药系统设计方法等。以中药物质组学为基础,有可能形成中医药研究的若干新型学科和研究领域,如,“中药物质组药效学”、“中药物质组配伍与相互作用”、“中药物质组的制剂学处方前研究”、“中药物质组质量控制”、“中药物质组释放动力学”和“中药物质组代谢动力学”等新型学科。将中药物质组学方法和理念贯穿于中药新药研发或中药给药系统研究,为中医药现代化、国际化研究提供新的视野与方法[14]。

2.溶出度

2.1 生物利用度:和安全性与药物的生物利用度密切相关。生物利用度系指药物被吸收进入全身血液循环的过程。

药物的疗效和安全性与药物的生物利用度密切相关。生物利用度的测定方法是根据人或动物用药后,其尿液或血液中药物的浓度来计算的,此试验工作量大,过程复杂,代价高,而且很多客观检查方法不灵敏或根本没有,实际应用存在困难。[15]

2.2 溶出度:是指药物从片剂等固体制剂在规定溶剂中溶出的速度和程度。溶出度是片剂等固体制剂质量控制的一个重要指标,对难溶性的药物一般都应作溶出度的检查。凡检查溶出度的制剂,不再进行崩解时限的检查。

药物的溶出度虽然与体内生物利用度不一定具有恒定的相关性,但是因其简单可靠,已经成为新药开发和药品质量控制方面的一个重要工具。在新药开发方面,它被用于指导制剂工艺研究;在药品质量控制方面是被用于药品进入市场前的批次之间的质量检测。基于溶出度的重要性,美国FDA已经建立了相关的指导原则,为溶出度方法学研究、溶出度的限度的制定、新药申请中的溶出度项目等提供信息和参考意见[16]。

2.3 溶出度的试验方法

2.3.1 转篮法:通过固定制剂的位置获得尽可能重现的液-固接触层。虽然转篮法已被使用了30多年,并且在很多剂型中得到了广泛的应用,但是它还是有几个不足的地方,如制剂中的胶性物质容易堵塞筛网,对溶出介质中溶解的气体极其敏感以及当颗粒逸出网篮并浮在溶出介质中时会造成流苏的变动;另外在试验中发现转篮法还存在着一个较为实际的问题:例如篮内装得较满时,在仪器转动过程中仅仅可以能使释放的介质与篮外层的部分相接触,所以就常常不能较为客观地反映出溶出规律。

2.3.2 浆法:浆法是最初由Poole建立,并且由美国FDA的国家药品分析中心的科学家对其进行了改进和修进。此方法可以克服篮法的诸多不足之处,但是该方法对搅拌桨和溶出杯几何尺寸的精度有相当高的要求,搅拌桨运动方向的微小改变都会引起溶出结果的变动,而这些结果的变动时可接受的。但是浆法同样具有极易导致样品上浮的缺点。

2.3.3 往复筒法:缓释制剂,特别是小丸(或微丸)的释放度检查用。该仪器装置采用两端装有筛网的透明中空圆筒。将样品置于圆筒中并将两端筛网紧固后,该装置在置于水浴中并内装有溶出介质的玻璃管中轻轻上下往复,解聚后的颗粒“悬浮”在往复运动的液流中。为部分拟人体胃肠道环境,可用于存放不同pH介质的一系列玻璃管作为溶出杯。往复筒法是一个特殊的系统。此方法的优点是所需介质少,易于改变pH、减少死时间以及避免降解等。用于缓控释制剂溶出。

2.3.4 流池法:该方法就是将制剂置于样品池中,溶出介质在泵压下通过流通池。可用于篮法和桨法中有饱和度问题的药物。用于片剂和包衣片、栓剂、软胶囊、植入剂、微胶囊、粉末和颗粒等制剂溶出速率的测定。特别适用于缓释制剂的检测以及需要改变介质pH的溶出或释放度的分析,还可为难溶性药物提供恒定的漏槽条件。该方法具有与自动取样技术的天然适配性。

2.3.5 其他方法:浆碟法、转筒法、往复架法、提取池桨法均用于透皮贴剂的药物释放试验,被FDA推荐使用。

虽然药典中介绍了各种溶出度的试验方法,但是依然不能检测部分药物的溶出度,如用于药物涂层支架的药物的溶出度检测,所以新的溶出度的试验方法随着新药和新剂型的出现而出现。

3.用物质组的方法测量溶出度

3.1 方法:中药的药效物质基础一直是中药研究的传统重点,但一般研究多侧重在其组分[ 17-19]和药效学[ 20-22],尤其缺少以中药药效物质的全部组分为对象的药物动力学研究。基于复杂性科学和系统生学的发展,从组学学科的理念出发,张继稳等[23]提出了以多组分中药化合物组为中药药动学评价对象的多组分中药释放动力学评价理论,该理论对多组分中药及其复方进行化合物组的释放动力学的量化表征;梁鑫淼等[10] 提出了本草物质组计划的设想与建议拟用现代高效分离、表征技术,全面解析中药物质组成、结构和功能,构建本草物质资源库,阐述中药的多组分、多靶点整体调节机制。

3.2 意义:由于中药药效物质基础复杂,所含化合物种类多样,现有质量控制方法还没有建立起面向多组分物质组的释放度溶出度质量控制方法,难以保证具有释放过程的中药制剂溶出度性质的稳定、可控,不能对多组分中药及其复方制剂的体内、体外释放过程进行量化控制。通过研究物质组释放动力学,可以建立一种既符合中医药多组分、整体性特点,又满足现代药物对安全性、有效性、稳定性和可控性的要求的质量控制方法。

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