馬詩瑜,方 潔,卞曉嵐△,楊 銘,鄭 嵐,鄭 林
(1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院,上海200023;2.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院,上海200032;3.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院,上海200003)
臨床實(shí)踐顯示,中醫(yī)藥及中西醫(yī)結(jié)合治療新型冠狀病毒肺炎(簡稱新冠肺炎,COVID-2019)成效明顯,在疫情防控中發(fā)揮了重要作用。武漢市首個以中醫(yī)治療為主的方艙醫(yī)院患者觀察數(shù)據(jù)顯示,與單純西醫(yī)治療相比,中西醫(yī)結(jié)合治療患者的臨床癥狀消失時間(5.15 d)少2 d,體溫恢復(fù)時間(2.64 d)少1.7 d,平均住院時間少2.2 d,CT影像好轉(zhuǎn)率高22%,臨床治愈率高33%,普通轉(zhuǎn)重癥比率低27.4%[1]。瑞金醫(yī)院中醫(yī)科自擬“清瘟湯”(QWT),主要由貫眾、大青葉、板藍(lán)根、金銀花、蒲公英、金蕎麥、藿香、黃芪、防風(fēng)、白術(shù)、甘草11味中藥組方,發(fā)揮益氣固表、祛濕排毒功效,疫情前已在瑞金醫(yī)院感染科重癥監(jiān)護(hù)室(ICU)使用,對病毒性肺炎患者療效良好。新冠肺炎中醫(yī)辨證為“濕毒疫”,主要病位在肺。根據(jù)《溫病條辨》《傷寒論》等醫(yī)學(xué)著作,結(jié)合實(shí)際辨證論治,目前QWT已在瑞金醫(yī)院援助的武漢同濟(jì)協(xié)和醫(yī)院(光谷院區(qū))、孝感市中心醫(yī)院、隨州市中心醫(yī)院、武漢大學(xué)附屬中南醫(yī)院等使用,取得了較好的臨床效果。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究策略主要是從系統(tǒng)性和整體性的特點(diǎn)來研究中藥復(fù)方的多成分、多靶點(diǎn)、多途徑的協(xié)同作用,從而闡明藥物作用機(jī)制[2-9]。分子對接技術(shù)是一種較成熟的發(fā)現(xiàn)新藥的技術(shù)手段,采用計算機(jī)輔助進(jìn)行藥物設(shè)計,通過化學(xué)計量學(xué)模擬分子的作用力和結(jié)構(gòu),尋找小分子(或配體)與已知結(jié)構(gòu)的大分子(或受體)活性位點(diǎn)的低能結(jié)合模式[9]。本研究中基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù)和分子對接技術(shù)探討QWT對新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)的作用機(jī)制,為進(jìn)一步合理控制疫情及使用中藥提供理論基礎(chǔ)?,F(xiàn)報道如下。
化學(xué)成分篩選:通過搜索5個開源的數(shù)據(jù)庫(TCMID,CHEMBL,TCMSP,HIT,STITCH),得到QWT的相關(guān)活性成分及作用靶標(biāo)數(shù)據(jù),并使用NCBI數(shù)據(jù)庫的Gene基因搜索功能對靶點(diǎn)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。使用了類藥性描述符(QED)對化合物的吸收、分布、代謝、排泄(ADME)性質(zhì)進(jìn)行篩選[4-8],QED整合了8個重要的分子描述符,設(shè)定的化合物類藥性指數(shù)閾值為0.2,大于0.2的類藥性成分納入網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析。
表1SARS-CoV-2的相關(guān)基因
作用靶標(biāo)篩選:按照公式(1)計算復(fù)方作用靶標(biāo)GS,其中分子與分母分別表示靶標(biāo)與k個以上活性成分具有相互作用概率的負(fù)對數(shù)及按升序排列的秩次,P值越小相對應(yīng)的GS值越大,而P≥0.05時相應(yīng)的GS值為0。按照二項分布理論以P(X≥k)表示靶點(diǎn)與k個以上活性成分具有相互作用的概率值[公式(2)]進(jìn)行篩選,公式(2)中n是活性化合物總數(shù),g是平均每個靶標(biāo)相互作用的活性化合物數(shù),k為當(dāng)前靶標(biāo)相互作用的活性化合物數(shù)。當(dāng)靶標(biāo)P≤0.05時,說明該靶標(biāo)與k個活性成分相互作用是小概率事件,則該靶標(biāo)可以認(rèn)為是復(fù)方的主要作用靶標(biāo)。最終得出GS得分不為0的基因,即主要作用靶標(biāo)。
活性成分篩選:在GS值基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用復(fù)方作用靶標(biāo)得分的GS值[公式(3)]進(jìn)行篩選,式中GS是活性化合物i的靶標(biāo)基因得分,Ni是活性化合物i的靶標(biāo)基因數(shù),I是指示變量,活性化合物i的得分等于其相應(yīng)靶標(biāo)得分的均值。通過GS值,可最終發(fā)現(xiàn)與復(fù)方中有效成分作用最相關(guān)的靶點(diǎn)。
上述工作由中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析系統(tǒng)完成,TCMNPAS(TCM networkpharmacologyanalysissystem)國家計算機(jī)軟著登記號:2019SR1127090。
采用String V11.0軟件構(gòu)建QWT靶標(biāo)的蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interactoin)網(wǎng)絡(luò),物種設(shè)置為“Homo Sapiens”,最低閾值設(shè)置中等置信度“Medium confidence”為0.4。使用Cytoscape 3.7.0軟件計算相應(yīng)的拓?fù)鋮?shù)值進(jìn)行篩選,使用MCODE功能對PPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊分析,設(shè)置K-core值需大于4。
對靶標(biāo)基因生物功能分析主要有3個層次,即基因本體(GO分析)、信號通路(pathway)及醫(yī)學(xué)主題詞(Mesh),采用超幾何分布模型P值,評估靶標(biāo)基因是否與特定的基因本體、信號通路及主題詞顯著關(guān)聯(lián),同時還有經(jīng)過False Discovery Rate(FDR)法調(diào)整的P值,反映靶點(diǎn)群與基因本體、信號通路的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度,以調(diào)整的P<0.01為關(guān)聯(lián)最顯著。
基于網(wǎng)絡(luò)的QWT作用于疾病靶標(biāo)相關(guān)性分析,使用最短路徑長度評估QWT作用靶標(biāo)與疾病的相關(guān)性,以P值判斷;顯示復(fù)方靶標(biāo)與疾病靶標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度,按P值顯著性排序關(guān)聯(lián)程度最高的GO術(shù)語、KEGG通路。
從QWT的有效成分中,選取等級值(degree,等級值越高,說明其在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系中作用越重要)最高的活性成分(27種),與SARS-CoV-2的3C類似蛋白酶(3CLpro,PDB ID:6Lu7)和天然人類血管緊張素轉(zhuǎn)換酶相關(guān)的羧肽酶(ACE2,PDB ID:1R42.)進(jìn)行分子對接。從RCSB數(shù)據(jù)庫(https://www.rcsb.org/)下載相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu),從ChemicalBook數(shù)據(jù)庫(https://www.chemicalbook.com/)下載化合物結(jié)構(gòu),使用Pymol軟件去除溶劑分子與配體,使用AutoDock軟件進(jìn)行加氫、加電子、加ROOT等操作,完成后進(jìn)行分子對接,其中蛋白結(jié)構(gòu)的設(shè)置為剛性大分子。使用算法為Local Search Parameters,得到結(jié)果(蛋白結(jié)構(gòu))中每個蛋白結(jié)合能最低的兩組,使用Pymol軟件對得到的最佳結(jié)果(蛋白結(jié)構(gòu))進(jìn)行繪圖。
確實(shí),馱子對我們村里人是大方的。一般村里人去他那兒彈棉花,算錢的時候,只要有零頭他全會抹掉,哪怕是九塊頭的。比如,五十九塊,他就會說,五十塊好了。再比如,過年過節(jié)的,馱子也會給村里人送一些小枕頭啊,小坐墊啊。盡管這些東西不是太值錢,但我們嶺北人是懂得感恩的。我們嶺北人就用語言東傳傳西傳傳,把個馱子說得跟圣人下凡似的好。
共獲得QWT中活性成分172個及主要靶標(biāo)480個,詳見表1。根據(jù)組成QWT的歸經(jīng)信息,構(gòu)建復(fù)方的中藥-歸經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及重要活性成分-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。詳見圖1和圖2。
表1 QWT中各藥材活性成分與對應(yīng)366個靶標(biāo)成分?jǐn)?shù)量(個)
圖1 QWT“中藥-歸經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)圖
圖1和圖2中每個節(jié)點(diǎn)的大小代表了其等級值(表示該節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)相連的路線條目,等級值越大代表該節(jié)點(diǎn)是連接其他節(jié)點(diǎn)的重要橋梁),顏色由冷到暖代表了中心度值(betweenness centrality),連線的粗細(xì)和顏色代表了Edge betweenness,所有的顏色和粗細(xì)都是越大越粗,越大越暖色。由圖1可見,等級值較大的依次為胃經(jīng)、肺經(jīng)、脾經(jīng),等級值分別為10,5,5,說明大多數(shù)中藥歸屬此三經(jīng)。
對QWT中172個活性成分及480個主要靶標(biāo)構(gòu)建QWT活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖,共609個節(jié)點(diǎn)、2 556條邊,篩選其中等級值≥20的活性成分有27種,詳見表3;等級值≥30的靶標(biāo)共有89個,詳見表4。繪制27種重要成分與靶點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)圖(圖2)可知,與靶標(biāo)相關(guān)的主要活性成分主要分為兩類,一類是清熱解毒藥中抗炎、抗菌、抗病毒的有效成分,另一類主要是扶正固表藥中提高免疫的氨基酸成分。
將480個作用靶標(biāo)進(jìn)行通路及基因本體的富集分析。QWT與SARS-CoV-2在GO水平上顯示出共關(guān)聯(lián)性,在前400個主要關(guān)聯(lián)的GO分類中兩者共關(guān)聯(lián)占比達(dá)73.60%。在P<0.01水平上,與兩者顯著共關(guān)聯(lián)的GO分類主要有4類作用:1)抗炎作用(積極調(diào)控發(fā)熱、干擾素γ產(chǎn)生的正向調(diào)節(jié)、IL-12產(chǎn)生的正向調(diào)節(jié)、IL-6產(chǎn)生的正向調(diào)節(jié)、細(xì)胞對腫瘤壞死因子的反應(yīng)、I-κB激酶/NF-κB信號傳導(dǎo)、NIK/NF-κB信號);2)免疫作用(α-βT細(xì)胞活化、B細(xì)胞活化參與免疫反應(yīng)、免疫球蛋白的生成、白細(xì)胞參與免疫反應(yīng)、淋巴細(xì)胞活化參與免疫反應(yīng)、單核細(xì)胞趨化、巨噬細(xì)胞趨化性的正調(diào)控、T細(xì)胞活化的正調(diào)控);3)血管生成作用(腎素-血管緊張素調(diào)節(jié)血容量、血管生成);4)鈣離子通道作用(胞漿鈣離子濃度的正調(diào)控、鈣離子穩(wěn)態(tài)、鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)的正向調(diào)節(jié)、鈣離子進(jìn)入的正調(diào)控)。其中鈣離子通道作用與血管生成作用之間互相作用,免疫調(diào)節(jié)作用與抗炎作用之間也相互關(guān)聯(lián)。
KEGG富集分析(圖3)顯示,在P<0.01水平上,QWT靶標(biāo)與132條信號通路顯著關(guān)聯(lián),與SARSCoV-2關(guān)聯(lián)為36條,與兩者均有關(guān)聯(lián)為26條。在兩者均有關(guān)聯(lián)的26條通路中,KEGG通路富集結(jié)果中限定為人類疾病部分的通路,得到14條靶標(biāo)富集的疾病通路,其中有12條通路與感染性疾病、肺部疾病及免疫疾病相關(guān),包括瘧疾、阿米巴病、軍團(tuán)菌病、單純皰疹病毒感染、乙型病毒性肝炎、丙型病毒性肝炎、百日咳、甲型流感、肺結(jié)核、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、同種異體移植排斥。其他通路主要與抗炎及免疫相關(guān),包括主要作用于腫瘤壞死因子(TNF)信號通路、白細(xì)胞介素17(IL-17)信號通路、核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)信號通路、TLR多蛋白復(fù)合體(Toll)樣受體信號通路、輔助T細(xì)胞17(Th17)細(xì)胞分化T細(xì)胞受體信號通路、趨化因子信號通路、細(xì)胞因子與細(xì)胞因子受體的相互作用、NF-κB信號通路、NLR蛋白(NOD)樣受體信號通路、T細(xì)胞受體信號通路、產(chǎn)生IgA的腸道免疫網(wǎng)絡(luò)。
表3 QWT中與靶標(biāo)最相關(guān)的重要活性成分
表4 QWT中等級值較高的靶標(biāo)
使用String在線平臺對QWT的作用靶標(biāo)進(jìn)行PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,PPI網(wǎng)絡(luò)包含419個蛋白質(zhì)節(jié)點(diǎn)、21 519條邊。根據(jù)PPI結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析和計算,選取等級值≥100的節(jié)點(diǎn),主要包括CXCL8,CXCR4,CXCL12,APP,CXCL1,AGT,CXCL10,KNG1,POMC,CCR5,CCR2,CXCL2等200個靶點(diǎn),對高等級值的靶點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行PPI分析。Stirng功能富集分析結(jié)果中,設(shè)定統(tǒng)計指標(biāo)為FDR<1×10-6,在KEGG通路富集的結(jié)果中發(fā)現(xiàn),高等級值蛋白主要影響的KEGG疾病通路與感染性疾病、肺部疾病、免疫疾病、心血管疾病相關(guān),包括肺結(jié)核、人嗜T淋巴細(xì)胞病毒-I(HTLV-I)感染、乙型病毒性肝炎、百日咳、軍團(tuán)菌病、沙門菌感染、擴(kuò)張型心肌病、動脈粥樣硬化、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、阿米巴病、甲型流感。主要影響的信號通路有NOD樣受體信號通路、Toll樣受體信號通路、IL-17信號通路、TNF信號通路、血管平滑肌收縮等。同時,對高等級值靶點(diǎn)的PPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步使用網(wǎng)絡(luò)模塊功能分析(MCODE)進(jìn)行模塊分析,共得到2個子網(wǎng)絡(luò)模塊。詳見圖4。其中模塊1的靶點(diǎn)主要與免疫系統(tǒng)(圖中所示紫色)、抗炎(TNF信號通路,圖中所示綠色;MAPK信號通路,圖中所示黃色;白細(xì)胞介素信號,圖中所示紅色)相關(guān);模塊2的靶點(diǎn)主要與細(xì)胞轉(zhuǎn)錄(圖中所示紅色)和RNA聚合酶Ⅱ特異的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合(圖中所示紫色)相關(guān)。
QWT中主要的27種活性成分與3CLpro和ACE2的對接結(jié)果見表5。其中,每個蛋白對接最好的前5位化合物的對接結(jié)果見圖5。5種化合物均能與2種蛋白形成氫鍵,其中異鼠李素均能與2種蛋白形成5個氫鍵;槲皮素能與3C類形成5個氫鍵,與ACE2結(jié)合形成2個氫鍵;芹菜素能與3C類形成4個氫鍵,與ACE2結(jié)合形成3個氫鍵;熊果酸均能與2種蛋白形成2個氫鍵;羽扇豆酚均能與2種蛋白形成1個氫鍵。
表5 QWT中活性成分的分子對接結(jié)果
本研究中對QWT的活性成分、歸經(jīng)、靶標(biāo)及生物功能均進(jìn)行了分析,并通過分子對接技術(shù)對直接作用于SARS-CoV-2的2種蛋白進(jìn)行了對接,希望為進(jìn)一步抗SARS-CoV-2治療提供支持。
新冠肺炎屬中醫(yī)“疫”范疇,病因為感受疫癘之氣,主要為“濕毒”疫氣,病位在肺,但前期的許多研究發(fā)現(xiàn)[12],多數(shù)患者有消化道癥狀。QWT主要作用于胃經(jīng)、肺經(jīng)、脾經(jīng),方中有10味中藥作用于胃經(jīng),有5味中藥作用于肺經(jīng)和脾經(jīng)。說明QWT對于改善脾胃癥狀有較好作用,同時作用于肺經(jīng),祛濕和胃,調(diào)節(jié)胃腸道功能,共同改善肺部癥狀。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),QWT中最相關(guān)的活性成分是琥珀酸、香豆素、γ-氨基丁酸、谷氨酰胺、槲皮素、山柰酚、脯氨酸、賴氨酸、木犀草素、色氨酸、L-纈氨酸、膽堿、芹菜素、β-谷固醇、苯丙氨酸、丙氨酸、水楊酸、DL-纈氨酸、羽扇豆酚、腺苷、谷氨酸、熊果酸、大黃素、異鼠李素、黃豆苷元、檸檬酸、阿魏酸。其中主要為4類成分:1)黃酮/黃酮苷元等清熱解毒中藥中常見的有效成分,槲皮素、山柰酚、異鼠李素、木犀草素、芹菜素、黃豆苷元;2)五環(huán)三萜類的抗炎有效成分,熊果酸、羽扇豆酚;3)有機(jī)酸類有效成分,阿魏酸、琥珀酸、水楊酸、檸檬酸;4)氨基酸類成分,如賴氨酸、脯氨酸、色氨酸、丙氨酸、纈氨酸、谷氨酰胺等。山柰酚、槲皮素、木犀草素、芹菜素是經(jīng)典的抗炎和抗菌有效成分,以上幾種成分目前在抗炎、抗病毒、抗腫瘤、心血管保護(hù)、免疫調(diào)節(jié)等研究中也被報道有一定作用。山柰酚和槲皮素均能降低人腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、細(xì)菌內(nèi)毒素和白細(xì)胞介素(IL)-1β的刺激等的表達(dá)[13-14]。槲皮素對皰疹病毒感染機(jī)體后的增殖具有抑制作用,也可拮抗病毒誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[15]。木犀草素[16-19]和芹菜素對抗病毒均有一定作用,芹菜素更是已有發(fā)明專利涉及其用于預(yù)防和/或治療中東呼吸道綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)感染的藥物組合物[19]。熊果酸作為經(jīng)典的保肝有效成分,除了能抑制乙型肝炎病毒轉(zhuǎn)錄用于病毒性肝炎[20]外,對皰疹病毒也有作用[21]。黃豆苷元能有效抑制老年冠心病患者血清炎性因子水平(hs-CRP,IL-6,TNF-α),對冠狀動脈粥樣硬化具有抗炎作用[22]。大黃素作為常見蒽醌類成分,體內(nèi)及體外試驗中均表現(xiàn)出了抗炎活性,與其阻滯低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)/NF-κB-COX-2信號通路相關(guān)[23]。氨基酸類的有效成分主要發(fā)揮調(diào)節(jié)免疫作用,提高患者的免疫功能。多種活性成分協(xié)同作用,對于患者的抗炎、抗病毒、保肝、增強(qiáng)免疫力等多方面提供治療支持。
圖2 QWT中重要活性成分-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖[3]
圖3 KEGG富集分析
圖4 高節(jié)點(diǎn)數(shù)PPI的MCODE模塊分析
圖5 分子對接結(jié)果[5]
QWT與SARS-CoV-2,在生物功能、KEGG通路作用中,以及PPI互作網(wǎng)絡(luò)中,最為相關(guān)的信號通路主要為:IL-6免疫反應(yīng)、IL-17信號通路、NOD樣受體信號通路、Toll樣受體信號通路等,最相關(guān)的疾病聚集主要為百日咳、甲型流感、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、瘧疾等。由于新冠肺炎目前沒有特效藥物,發(fā)病早期患者的外周血白細(xì)胞總數(shù)正?;驕p低,淋巴細(xì)胞計數(shù)減少,提示免疫功能改變,因此應(yīng)用中藥調(diào)節(jié)免疫功能顯得尤為重要。在重癥肺炎中就有報道,對炎性因子的調(diào)控與預(yù)后具有相關(guān)性[24],PCT,CRP,TNF-α,IL-6水平均能較好地預(yù)測病情進(jìn)展及急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)的發(fā)生,提示QWT可能通過相關(guān)的炎癥通路來進(jìn)一步避免炎性介質(zhì)的進(jìn)一步釋放。Toll樣受體和NOD樣受體均為與自身免疫疾病相關(guān)的受體[25],QWT通過調(diào)節(jié)兩者的信號通路,可以影響自噬和抗炎,自噬可影響感染炎性疾病的緩解和炎癥性疾病的病理過程。此外,新冠肺炎患者可能出現(xiàn)心功能損害,QWT的靶標(biāo)可能影響腎素-血管緊張素調(diào)節(jié)血容量、調(diào)節(jié)血液循環(huán)、對鈣離子通道中的胞漿鈣離子濃度起正調(diào)控等,說明QWT有潛在的心血管保護(hù)作用,可能在一定程度上減輕患者的心臟負(fù)擔(dān),改善心功能。
在分子對接結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了5種活性成分(異鼠李素、槲皮素、芹菜素、熊果酸、羽扇豆酚)均能與SARSCoV-2的S蛋白和人體內(nèi)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶Ⅱ(ACE2)蛋白結(jié)合并形成氫鍵,說明其有潛在的成藥性,可能需要進(jìn)一步的藥效學(xué)驗證?,F(xiàn)階段的研究認(rèn)為[26],使用ACEI或者ARB類藥物可能是一把“雙刃劍”,而和中藥的配合使用,可能有“減毒增效”之功用。本研究中還發(fā)現(xiàn),QWT與SARS-CoV-2最相關(guān)的5個靶標(biāo)可作用于瘧疾和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎,提示中藥制劑與氯喹的聯(lián)合使用可能進(jìn)一步改善新冠肺炎的治療。
綜上所述,本研究中采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的技術(shù)手段和分子對接技術(shù),對自擬QWT的活性成分、歸經(jīng)和靶標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,闡釋了其對SARS-CoV-2的分子水平作用機(jī)制,突出了中藥制劑多成分、多靶標(biāo)對機(jī)體整體調(diào)控的特點(diǎn),為該復(fù)方制劑治療新冠肺炎提供了理論支持。