《Pharmacological Research - Modern Chinese Medicine》：From Holism to Single-Cell Resolution: Applications and Advances of scRNA-seq in Pharmacological Research of TCM and Compound Formulas
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单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术突破了批量转录组学（Bulk RNA-seq）在中药研究中掩盖细胞异质性的局限。本系统综述涵盖了scRNA-seq在中药单体、单味中药及中药复方药理学研究中的应用。与空间转录组学（spatial transcripto
单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术突破了批量转录组学（Bulk RNA-seq）在中药研究中掩盖细胞异质性的局限。本系统综述涵盖了scRNA-seq在中药单体、单味中药及中药复方药理学研究中的应用。与空间转录组学（spatial transcriptomics）、多组学（multi-omics）及人工智能（AI）的新兴整合进一步增强了机制解析能力。研究指出了关键挑战：组织解离偏倚（dissociation bias）、批次效应（batch effects）、空间信息丢失及数据标准化问题。未来方向包括多模态组学（multimodal omics）、类器官模型（organoid models）及临床队列研究（clinical cohort studies）。
论文解读：单细胞RNA测序在中药及复方药理学研究中的应用与进展
一、研究背景与意义
传统中医药（TCM）以“整体观念”和“辨证论治”为核心理论，其复方通过多组分、多靶点、多通路的协同调控，在肿瘤、心血管疾病、炎症性疾病及代谢综合征等复杂疾病的防治中具有独特优势。然而，中药及复方中数十乃至数百种化学成分如何作用于机体不同组织与细胞类型，进而产生系统性的协同药理效应，一直是制约中药现代化研究的瓶颈。传统还原论药理学范式以“单一成分—单一靶点—单一通路”为核心，难以解析这一“黑箱”问题。批量RNA测序虽可捕获组织或细胞群体的全基因组平均基因表达谱，但其本质上的“群体平均化”局限将组织中数百万个不同类型细胞的转录组信号压缩为单一均值，掩盖了不同细胞亚群的差异响应及稀有功能细胞群的变化。这一局限对中药药理学研究尤为突出——中药的疗效往往并非通过改变细胞内单一通路实现，而是通过精细重塑微环境中多种细胞亚群的比例、引导特定细胞状态转变以及系统性微调细胞间通讯网络来实现，此类细胞亚型特异的调控信号极易在批量RNA测序数据中被淹没。
单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的突破有望重塑这一研究格局。自2009年首次实现单细胞水平全转录组分析以来，scRNA-seq已从低通量板式方法（如Smart-seq2）发展为高通量微流控平台（如10x Genomics Chromium），单次实验可捕获数千至数万个单细胞的全转录组信息。该技术解析细胞异质性、追踪细胞命运及解码细胞间相互作用的能力，与中药“整体调控、网络靶点”的作用本质高度契合，为深入解析中药及复方药理机制提供了强大技术工具。近年来，scRNA-seq在中药及复方药理学研究中的应用呈指数增长，涵盖肿瘤、心血管疾病、炎症与自身免疫病、肝病、肾病及神经系统疾病等多个治疗领域。
本综述的系统性区别于既往相关综述，其创新贡献体现在三方面：其一，构建了中药单体、单味药与复方制剂映射至靶细胞鉴定、系统免疫调控及基于配伍关系的网络解析三个维度的机制评估框架；其二，对scRNA-seq如何超越“群体平均化”局限、揭示中药整体疗效背后的细胞生态系统重构进行了批判性认识论分析；其三，提出了整合空间多组学、单细胞人工智能基础模型、类器官模型及临床队列研究的转化医学路线图。
二、主要技术方法
研究人员通过系统检索PubMed、Web of Science核心合集及CNKI数据库，采用布尔运算符组合三组概念词：（i）单细胞技术（“single-cell RNA sequencing”、“scRNA-seq”、“single-cell transcriptomics”、“snRNA-seq”、“spatial transcriptomics”）；（ii）学科领域（“Traditional Chinese Medicine (TCM)”、“TCM”、“TCM preparations”、“Compound formulations”、“TCM prescriptions”、“Single-ingredient herbs”、“Single compounds”）；（iii）药理学背景（“pharmacological mechanisms”、“action mechanisms”、“transcriptomics”、“single-cell”）。初步检索共获得457条记录，经去重、标题摘要筛选及全文评估后，最终纳入90项研究进行综合分析。
三、主要研究结果
3.1 scRNA-seq技术原理与分析框架
scRNA-seq实验流程包括五个核心步骤：单细胞悬液制备、单细胞捕获与条形码标记、逆转录与cDNA扩增、文库构建与高通量测序、生物信息学分析。单细胞悬液制备是初始关键步骤，过度解离可诱导细胞应激反应，解离不足则导致特定细胞类型选择性丢失。单核RNA测序（snRNA-seq）通过直接提取细胞核规避解离偏倚，适用于纤维化组织及脑组织等难解离样本。10x Genomics Chromium平台采用微流控液滴技术，通过细胞条形码和唯一分子标识符（UMI）标记每个mRNA分子，已成为中药药理学研究中最广泛采用的平台。标准生物信息学分析流程涵盖数据预处理与质量控制、标准化与降维聚类、细胞类型注释、差异表达分析、细胞间通讯分析及拟时序与RNA速率分析等环节。
3.2 scRNA-seq在中药单体药理学研究中的应用
丹参酮IIA的心脏保护机制研究是scRNA-seq应用于中药单体靶细胞鉴定的典范。研究人员构建小鼠心肌梗死模型并进行时间序列scRNA-seq分析，捕获16,380个心脏CD45?免疫细胞的转录组谱，揭示丹参酮IIA主要靶向并抑制以高表达Ear2和Ccr2为特征的浸润性促炎巨噬细胞亚群。该细胞亚群特异性效应在整体心脏裂解物的RT-qPCR检测中完全被淹没，因其占心脏总细胞比例不足5%。研究团队进一步开发scRank算法，利用靶点扰动基因调控网络（tpGRNs）从治疗前患者scRNA-seq数据预测药物响应细胞类型。枸杞糖肽（LbGP）延缓女性生殖衰老的研究通过scRNA-seq分析自然衰老小鼠卵巢组织，发现LbGP显著改变卵巢细胞组成，增加支持卵泡发育的功能性颗粒细胞群，减少促炎免疫细胞浸润，并修复衰老卵巢中紊乱的细胞间信号。青蒿琥酯治疗脓毒症的研究构建了盲肠结扎穿刺（CLP）诱导脓毒症小鼠肝脏单细胞图谱，发现青蒿琥酯不仅抑制促炎巨噬细胞扩增，还特异性恢复淋巴细胞免疫功能并部分挽救内皮细胞亚群丢失。小檗碱（BBR）治疗肝细胞癌（HCC）的研究结合质谱流式（CyTOF）与scRNA-seq，发现BBR对肝内T细胞的调控呈现亚群特异性模式——减少终末耗竭效应CD8?T细胞比例，同时扩增中央记忆T细胞（Tcm）亚群。
3.3 单味中药药理机制的解析
地榆的人外周血单个核细胞（PBMCs）研究首次在单细胞水平系统描绘了单味中药对免疫系统的整体调控效应。研究人员收集同一健康志愿者口服地榆前后的PBMCs进行scRNA-seq分析，发现地榆显著增加树突状细胞（DCs）、NK细胞、CD8?T细胞及初始CD4?T细胞比例，同时降低肥大细胞、B细胞和单核细胞比例。降香叶提取物（DLE）治疗脑缺血再灌注损伤的研究对小鼠脑组织进行scRNA-seq，鉴定出七种功能状态不同的小胶质细胞亚群，发现DLE特异性重编程小胶质细胞能量代谢，显著上调氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因及功能评分，并证实该过程依赖于GAS6-AXL/MERTK/TYRO3信号轴的激活。黄芪来源的三种单体——黄芪多糖（APS）、millepurpan及异芒柄花素-7-O-葡萄糖苷（IM-7G）——分别靶向神经元Nrf2/HO-1轴、小胶质细胞SMC2及心肌单核/巨噬细胞HIF-1α/THBS1通路，展示了同一药材中不同活性成分在单细胞分辨率下汇聚于同一组织生态系统的不同节点。麦冬的多组学研究揭示其通过调控HIF1A/TUBB3轴相关的M2巨噬细胞极化及部分纠正精氨酸代谢紊乱来缓解肺纤维化。马勃孢子治疗肛瘘的研究鉴定出高表达IL-6的巨噬细胞亚群，通过上调IL-6/CXCL-8信号通路增强巨噬细胞-成纤维细胞通讯，促进成纤维细胞向肌成纤维细胞表型转变。此外，知母-黄柏药对通过下调神经元CCL3并破坏神经元与CD8?T细胞间的CCL3-CCR5信号轴改善糖尿病认知功能障碍；白花蛇舌草-半枝莲药对通过重极化肿瘤相关巨噬细胞并切断OPN-CD44旁分泌轴抑制三阴性乳腺癌转移。
3.4 scRNA-seq解析中药复方配伍机制
参白解毒方（SBJDD）在Apc^Min/+小鼠模型及临床患者样本中的研究系统解析了其免疫调节机制，发现干预后肠道肿瘤微环境中以高表达Ccl22为特征的免疫抑制性树突状细胞（DC）亚群比例显著下降，并鉴定出方中核心活性成分小檗碱通过抑制TMEM131-TNF信号通路介导这一免疫调节效应。乌梅丸治疗溃疡性结肠炎的研究通过scRNA-seq轨迹推断，发现其不仅抑制炎症，还通过抑制TGF-β/Smad信号引导肠道干细胞向杯状细胞分化，从根本上修复黏膜屏障。补阳还五汤（BHD）治疗缺血性脑卒中的研究利用细胞间通讯分析（CellChat）揭示，脑缺血后血管内皮细胞通过Caveolin-1（Cav1）介导的外泌体信号向周细胞和星形胶质细胞的传递异常减弱，BHD干预后内皮细胞Cav1表达上调，外泌体携带的长链非编码RNA MALAT1分泌增加，通过调控YAP1/HIF-1α信号轴促进血管生成。清肺排毒汤（QFPDD）的研究整合scRNA-seq与非靶向代谢组学，发现其缓解疾病相关肝细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的转录失调，并显著调节肝脏嘌呤代谢通路。
3.5 免疫微环境重塑与细胞间通讯网络调控
在肿瘤免疫领域，参麦注射液（SMI）联合PD-1抑制剂治疗非小细胞肺癌（NSCLC）的研究发现联合组显著提高瘤内GZMA^high NK细胞和KLRB1? CD4? Th17样T细胞比例，并通过XCL1-XCR1配体-受体对增强NK细胞与树突状细胞间的通讯。复方苦参注射液（CKI）联合化疗治疗三阴性乳腺癌的研究揭示其增强CD8?T细胞浸润、抑制肿瘤促增殖信号通路。在炎症与自身免疫疾病领域，kurarionone治疗自身免疫性葡萄膜炎的研究发现其通过抑制Rac1/Id2/Pim1信号轴遏制Th17细胞致病性，同时增强Treg细胞调节功能。重楼皂苷I缓解银屑病炎症的研究结合RNA-seq、scRNA-seq和空间转录组学，精确定位了以高表达CLEC7A为特征的病理性角质形成细胞亚群，并揭示其通过KLK8-F2R信号轴与真皮成纤维细胞异常互作。在心血管与脑血管疾病领域，芪珀生脉颗粒通过调控心房心肌细胞钙信号通路相关基因发挥抗心房颤动作用；丹酚酸C（SAC）治疗新生儿缺氧缺血性脑病（HIE）的研究发现其在急性期抑制Stat3?星形胶质细胞驱动的神经炎症，亚急性期促进少突胶质细胞分化并增强抗炎小胶质细胞与髓鞘化少突胶质细胞的相互作用。
四、讨论与结论
研究人员对当前研究中的常见方法学局限进行了批判性评估：多数研究采用啮齿动物模型且样本量较小，统计功效可能不足以检测中药干预诱导的细微效应；绝大多数研究停留在临床前阶段，人类单细胞数据及前瞻性临床队列研究的匮乏限制了临床转化；许多研究局限于单时间点或终点分析，无法捕捉中药作用的动态时间特征；转录组数据虽丰富，但蛋白质或生理水平的正交功能验证仍显不足。在整体观与单细胞分辨率的调和方面，研究人员指出scRNA-seq并非对整体观的否定，而是其自然的机制基础——细胞间通讯分析将不同类型单个细胞重新整合为组织水平网络，单细胞谱系将整体调控的抽象原则转化为可验证的单细胞水平模型。前沿策略方面，scRNA-seq与空间转录组学（ST）的整合可恢复组织空间结构，雷公藤红素治疗银屑病的研究展示了从临床样本到单细胞图谱、空间定位、靶点鉴定、机制验证再到动物验证的完整逻辑闭环。单细胞多组学技术如10x Multiome可同时检测同一细胞内的转录组与染色质可及性，CITE-seq可同时测量转录组与细胞表面蛋白表达。人工智能方面，深度生成模型（如DCA）用于数据去噪与缺失值填补，基于变分自编码器的工具（如scVI、scGen）用于批次效应校正，单细胞基础模型（如scGPT、Geneformer）通过大规模自监督预训练实现跨数据集、跨物种、跨组织的知识迁移。未来方向包括：系统整合多模态单细胞与空间多组学构建四维药物响应图谱；应用患者来源类器官（PDOs）与器官芯片模型；开展基于患者临床样本的前瞻性scRNA-seq队列研究；构建标准化中药单细胞数据库；利用AI驱动中药疗效预测与智能方剂优化。研究结论指出，单细胞RNA测序技术正在推动中药及复方药理学研究的重大方法学进步，将研究分辨率从群体平均水平提升至单细胞精度，为中药药理机制的精确阐明及中药理论的现代科学解读提供了有力技术支撑。
