课题负责人：张琪
项目类别： 科技创新类调研课题
一、立项背景和依据
1.研究意义
习近平总书记指出“中医药学包含着中华民族几千年的健康养生理念及其实践经验，是中华民族的伟大创造和中国古代科学的瑰宝”。随着《“十四五”中医药发展规划》出台，中医药文化进一步深入到千家万户、走向世界各地，对推动中华优秀传统文化创造性转化、创新性发展至关重要。我国中医药材种类繁多、资源丰富，但是，目前中药研发面临诸多挑战。野生中药材资源枯竭、药用濒危物种增加导致中药资源现状不容乐观。药材的选择区域受限且极其容易混淆，使药用植物资源的分析鉴定遇到瓶颈。中药本身物质基础复杂，具有“一物多效”的特点，致使中药有效化学成分、药效机制和病理相关研究，难以规范评价，未能在国际上得到广泛承认、应用。此外，中药安全性评价是中医药现代化进程中的关键，但目前缺乏有效的评价中药毒副作用的方法，难以对其中的物质基础及作用机制进行有效的识别和研究。因此，寻找先进的方法技术，解决制约中药现代化和产业高质量发展的“卡脖子”关键问题，是中药现代化的主要任务和重点方向。
作为二十一世纪高新技术的核心，生物技术方兴未艾，在医药、环保、食品等领域都有着非常广泛的应用。生物技术包括合成生物学、系统生物学、基因组学、蛋白质组学、代谢组学以及生物信息学等现代生物技术，已应用于药用珍稀物种的高效繁殖、药物的生产与研发、疾病的诊断与治疗等。因此，生物技术可为中药领域的许多难题提供合适的解决方案，促进中药可持续发展。传统中药与现代生物技术的紧密结合是实现中药现代化的必经之路。我们应当在应用生物技术的同时，对其进行不断优化，使其更好地服务于人类健康。
2.国内外研究现状、水平和发展趋势的分析与评价
2.1生物技术在中药资源中的应用
中药发挥防治作用的物质基础就是药用植物中的药用活性成分，主要包括生物碱类、甾体类、多酚类、萜类等，是植物进行次生代谢产生的复杂化合物，也是中药预防和治疗疾病的根本。但是，总含量较低导致入药部位少，药用成本高。获取的常规方式分离提取和化学法合成法，存在提取/合成步骤繁琐、成本高、环境污染等缺点，制约了药用植物生物活性成分的获得和应用[1]。近年来，随着我国中药资源的需求量大幅上升，特别是未实现人工种植的珍稀濒危药用植物面临着绝种的危险[2]。
合成生物学作为新兴技术，利用基因组测序、生物工程和化学合成等技术进行生命设计与合成再造，突破原有生物系统的限制，创造出更加符合产业化的新型生物系统，应用于医药、化工、农业、环境等多个领域[3,4]。天然产物尤其是有明确药理活性的单体化合物的研究，在合成生物学出现后获得了全新的机遇。通过挖掘中药活性成分生物合成途径中的关键酶，并利用合成生物学技术来设计构建和优化模式微生物和模式植物中新的代谢途径，实现相关中药活性成分在微生物体内（大肠杆菌、酵母等）的异源高效合成，是一种崭新的、极具潜力的药用化合物获取方法[5]，将为中药资源可持续利用提供新的研究策略和有效途径[6]。目前，许多研究已经通过DNA重组技术顺利构建拥有高附加值的微生物工程菌株，包括紫杉醇前体、丹参酮、人参皂苷、阿片类、姜黄素、鼠尾草酸等化合物。合成生物学方法具有高效、经济、稳定、绿色环保、周期短等优点，是现代新药的创新途径，具有独特的优势和发展潜力。
2.2生物技术在中药鉴定中的应用
中药品种繁多，其疗效与药材品质密不可分，为保证用药的安全有效，需对药材的真伪、优劣做出准确的判断。但中药鉴定的样品复杂，有完整的药材，有碎块、饮片和粉末等。常规的性状鉴别难以准确区分，利用现代生物技术则可以更准确的做出判断。现已应用于实际操作的方法有生物免疫技术、电泳技术和DNA分子遗传标记技术。
中药材都含有为数不少的抗原大分子物质，生物免疫技术能够借助抗原大分子物质制备特异性抗体，从而鉴别药材中的成分，具有精准度高、耗时短等技术优势。电泳技术包括两类，聚丙烯酞胺凝胶电泳技术（PAGE）和高效毛细管电泳技术（HPCE） [7]。PAGE方法精准度较高，主要通过检测中药成分中的蛋白质、各类酶以及多种人体所需的氨基酸，鉴别出药材的优劣。HPCE具有识别率高、灵活度好以及高效快捷的特点，主要检测生物性碱等有机化合物。DNA分子遗传标记技术主要检测的是物种的基因，故不容易受到样本自身条件、药材的产出地以及其他外界条件等因素的干扰，鉴定结果的可信度颇高[8]。DNA分子遗传标记技术主要分为四类，限制性片断长度多态性分析技术（RFLP），多聚酶链反应测序技术（PCR），随机引物PCR技术（RAPD）和DNA序列标记技术。
2.3生物技术在中药药理研究中的应用
千百年的临床实践已证明中药的确切疗效，但由于中药作用具有多效、双向调节作用、正常与病理条件下的作用差异性、量效关系复杂等特点，经典的、化药类的药理评价体系已无法满足需求。采用生物技术研究中药进入机体内的代谢过程，进而了解中药结构的改变及所形成的各种成分变化，对于研究中药的作用机理具有十分重要的意义。系统生物学中基因组学、蛋白组学、代谢组学、网络药理学等多组学技术对生物体的信息进行获取和分析，已广泛应用于中医药研究，为中药药理研究提供了新的策略。
利用蛋白质组学可以直接比较中药方剂种不同药物及其结合对蛋白质组的改变，建立中药蛋白质图谱，可最终阐明中药复方中功能蛋白质分子机制与作用靶点[9]。蛋白质组学的应用有助于提升中药材的药用价值，为发现中药新靶点和信号通路，阐明中药作用机制和毒性机制，完善中药的安全性评价体系等[10]，提供了切实有效的工具。
代谢组学的整体性研究与中药作用整体观相一致，强调了多成分、多靶点、多层次的整体调节。代谢组学还具有系统性、灵敏性、特异性和动态性等特点，能够揭示中药在体内发挥作用的全过程[11]，通过特异性比较机体代谢图谱的变化情况，对代谢物的可量化差异进行分析，多层次地研究中药及其复方，揭示药效的物质基础[12,13]，并提供细胞、组织和相关机制的信息 [14-15]，促进中药现代化研究与国际化发展。
由于中药化学成分组成的复杂性以及在生物体内发挥药效成分的多样性，包括复方中药在内的多成分药物的代谢动力学研究一直以来是一个“瓶颈”。因此，复方中药作为一个“黑箱”，无法得到客观性的评价，用简单的还原方法得出的结果无法真正体现中医方剂配伍下具有协同效应的复方中药的临床价值。近年来，随着生命科学技术的发展，先进的生物新技术为中药药代动力学研究提供了新的研究策略。越来越多的研究着眼于定量分析药物经血液进入靶组织／靶细胞／亚 细 胞 器 的 药 代 动 力 学 过 程，将 药 代 动 力 学 研 究 从“宏观”的血浆深入到“微观”的细胞层面，为中药临床应用提供依据。中药成分复杂，作用靶点、途径多，尤其是中药复方各有效成分或协同或拮抗生效，若只以单成分反映整体过程过于片面，所以通过构建药动学-药效学（PK-PD）模型，解析剂量（浓度）、效应与时间三者的动态关系，能更加科学地衡量药物的动力学行为和药理效应的变化过程，有利于进行中药及其作用机制的研究[16,17]。
生物信息学（Bioinformatics），是系统生物学的关键技术组成，其优势不仅在于能够解读不同类型数据之间的关联，更在于擅长挖掘海量数据背后所蕴含的生物学规律。生物信息学通过对中医药数据库数据进行处理，构建网络体系，在“疾病-基因-靶点-药物”网络的基础上，充分利用基因、靶点、中药等大数据、系统地阐明中药对疾病网络的干预机制，综合进行中药药理学研究。
2.4生物技术在中药安全性评价中的应用
中药在防治疾病和养生保健的同时，毒性和安全性问题也一直备受关注。由于中药成分和作用机制的复杂性，难以用传统的安全性评价方法来全面分析药物的毒性。近年来，生物组学技术应用于中药的安全性研究。蛋白质组学通过筛选相关差异蛋白、富集靶蛋白和相关信号通路，从而探究中药的毒理学机制，保证临床用药的安全、稳定、有效及质量可控，不仅有利于阐明中药毒性的作用机制，还对科学合理地使用有毒中药具有指导意义。代谢组学可以快速分析中药的多条代谢通路，寻找生物标志物，缩短研究周期，正确定位靶组织，分析中药的毒副作用程度[20]，有助于建立科学的中医药临床用药安全评价体系[21]。
江苏省药理学会聚集了江苏省药理学界的精英人才，众多会员单位如中国药科大学、南京中医药大学、南京工业大学、江苏省中医院、康缘、江苏省产业研究院等，及其会员理事长王广基院士、名誉理事长胡刚、副理事长肖伟院士、秘书长张琪教授等在利用生物新技术推进中药现代化过程中进行了长期深入的研究、探索和实践，并取得了国内外瞩目的成绩。
因此，本课题基于江苏省药理学会这个涵盖专业的高校、医院、科研机构、医药企业等的交流互动学术平台，拟通过对合成生物学、多组学技术、生物信息学等现代生物技术在中药领域中应用发展状况的调研，深入剖析当前生物技术在中药领域应用中的瓶颈与挑战，进而有针对性地提出生物技术在中药领域应用的新策略及建议，为江苏省中药产业高效、快速、可持续发展提供数据参考和决策支持。
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二、研究方案
| 1.主要研究内容、预期目标以及主要考核指标
1.1主要研究内容 1.1.1合成生物学在中药资源应用的现状分析及主要挑战 主要内容：调研省内应用合成合物学进行中药资源研发的高校、企业、研究院等，并宏观分析国内合成生物学在中药资源应用的现状以及面临的问题。 方案设计： ① 走访和调研江苏省产业技术研究院工业生物技术研究所、国家生化工程技术研究中心（南京工业大学）、南京生命原健康科技有限公司等应用合成生物学进行中药资源研发的现状； ② 宏观分析国内合成生物学在中药资源研发应用的现状，以及亟待解决的问题，进行优化整改。
1.1.2生物技术在中药鉴定的应用现状和主要问题分析 主要内容：重点调研应用生物技术进行中药鉴定的高校、医院、研究院等，了解其应用现状，交流并探讨如何优化升级，初步建立中医药标准化和规范化。 方案设计： ① 通过专家访谈，调研江苏省食品药品监督检验研究院、中国药科大学中药学院、南京中医药大学中药学院、江苏省中医院、南京市中医院等应用生物技术进行中药鉴定的现状。 ② 围绕各应用主体的功能定位与发展诉求，设计调研或访谈提纲，向其了解生物技术应用于中药鉴定存在的主要问题及其对策建议，交流并探讨如何优化升级，初步建立中药标准化和规范化。
1.1.3多组学技术联合生物信息学在中药药理研究的应用现状和关键瓶颈分析 主要内容：主要调研进行中药药理学研究的代表性高校、科研机构、医药企业等单位应用多组学技术联合生物信息学的现状，PK-PD模型的应用现状，深入分析并讨论如何全面、系统建立多组学技术联合生物信息学评价平台，提高新药研发效率。 ① 通过专家访谈，调研天然药物活性组分与药效国家重点实验室（中国药科大学）、国家中医药管理局中药复方药代动力学重点实验室、江苏省药物代谢动力学重点实验室、江苏省药物研究所、南京中医药大学、江苏省中医院临床基地、金陵药业股份有限公司、江苏康缘药业股份有限公司和南京百益恒安生物科技有限公司等应用多组学技术联合生物信息学进行中药药效评价，PK-PD模型分析的应用现状。 ② 围绕各应用主体的功能定位与发展诉求，设计调研或访谈提纲，向其了解多组学技术联合生物信息学应用于中药药理研究存在的关键问题及其发展建议，分析并讨论如何建立高效、全面、创新的评价平台，降低中药研发成本，并缩短其研发时间。
1.1.4多组学技术在中药安全性评价方面的应用现状及其面临的困难 主要内容：主要调研从事药物安全性评价的高校、科研机构和医药企业等单位多组学技术在中药安全性评价方面的应用现状及其面临的困难。 ① 通过专家访谈，调研苏州西山中科药物研究开发有限公司、江苏省药物安全性评价中心、中国药科大学新药安全评价研究中心、江苏省食品药品监督检验研究院等单位多组学技术在中药安全性评价方面的应用现状及其存在的技术问题。 ② 调研并对比分析国内其他省份或地区多组学技术在中药安全性评价方面的应用经验，以发掘江苏省多组学技术在中药安全性评价方面应用有待改进和完善的地方。 附：调研提纲 合成生物学在中药资源应用的现状分析及主要挑战 ① 我国的合成生物学发展到什么阶段了？存在什么技术难点？ ② 合成生物学在中药资源的科研转化方面要特别注意什么问题？ ③ 作为企业，未来在合成生物学领域会沿着一条怎样的技术路径迈进？ 生物技术在中药鉴定的应用现状和主要问题分析 ① 目前中药分子鉴定的普遍原则和热点问题有哪些？ ② 中药分子鉴定技术创新有哪些难点？ ③ 未来中药分子鉴定的可能技术规范路线和发展建议？ 多组学技术联合生物信息学在中药药理研究的应用现状和关键瓶颈分析 ① 当下多组学技术在中药药理机制研究中的常见技术路线有哪些？ ② 现有技术路线的优势是什么，需要解决哪些局限性问题？ ③ 高校与企业之间在多组学联用药理机制研究中的异同点，如何更好地开展校企联动？ 多组学技术在中药安全性评价方面的应用现状及其面临的困难 ① 多组学技术在中药安全性评价方面的应用现状，目前常见的技术手段有哪些？ ② 多组学技术在中药安全性评价领域未来的技术发展趋势是怎样的？ ③ 如何利用多组学技术推动我国中药产业规范发展，促进中药产业“走出去”？
1.2预期目标 ① 完成现代生物技术在中药领域应用的现状和发展策略分析研究。 ② 针对合成生物学、多组学技术、生物信息学技术等应用于中药资源开发、分析鉴定、药理研究和安全性评价中的关键瓶颈问题，如大多数药物活性成分的代谢途径尚未明确、庞大的多组学数据的整合与优化分析等提出对策与建议。
1.3主要考核指标 ① 回顾分析国内外关于现代生物技术的最新发展，及其在中医药领域中的应用现状与主要挑战。 ② 通过与现代生物技术应用主体（高校、医院、科研机构、医药企业等）的讨论与交流，撰写调研总结报告，针对生物技术在中药领域应用中亟待解决的关键问题提出优化策略。 |
| 2.研究方法、技术路线及本课题的创新之处
2.1研究方法 ① 文献检索 采用文献研究方法，回顾分析国内外关于现代生物技术的最新发展，及其在中药资源开发、分析鉴定、药理研究和安全性评价的应用现状与主要挑战。 ② 研究与实践 课题组一直从事中药研发工作，积累了扎实的研究基础，熟悉现代生物技术应用于中药研发的现状与主要问题，并在具体研究实践中不断分析、总结和优化。 ③ 专家咨询与访谈 针对现代生物技术（如合成生物学、多组学技术、PK-PD模型和生物信息学等）的主体展开调研与访谈，与国内从事中药研究代表性的医院、高校、科研机构和医药企业进行交流与研讨，以全面了解、分析并总结现代生物技术在我国中药领域中的应用现状，并针对实际应用中的关键瓶颈问题提出对策与建议。
2.2 技术路线
2.3本课题的创新之处 ① 中药资源可持续利用、中药作用的物质基础和作用机理研究、中药复方新药研究、中药新药的疗效评价和临床研究等，是中药现代化的主要任务和重点方向。本课题跟进国际领先的现代生物技术，多方面评估其在中药合成、分析鉴定、药理研究、安全性评价等重点领域的应用现状和发展潜力，为我省中药的研究方向、产业发展、政府决策提供实时数据和前瞻思考，助力我国中药传承创新发展，实现中药现代化和国际化。 ② 本课题研究形式创新，利用文献检索、研究与实践、专家咨询与访谈等方法，从多方位、多角度调研现代生物技术应用于中药研发的现状及遇到的关键瓶颈，归纳总结分析，并提出解决问题的对策与建议。 ③ 本课题借助江苏省药理学会的学术和科研平台优势，实现医院、高校、科研机构和医药企业等应用主体信息交流和资源共享，优势互补，强强联合，构建全面、动态、可持续的中药研发创新技术平台，促进现代生物技术在中药领域“产、学、研”体系的成果转化与落地实施。
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