劉 敏,邱現(xiàn)良,陳 秋
(成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,四川成都 610075)
糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一組以持續(xù)高血糖為特征的慢性代謝性疾病,可導(dǎo)致腎臟、眼底、心血管及神經(jīng)等多個(gè)器官和組織的慢性損害及功能障礙。國(guó)際糖尿病聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)顯示,糖尿病已成為繼心血管疾病和癌癥之后威脅人類健康的第三大殺手[1]。據(jù)WHO 最新統(tǒng)計(jì),2012 年DM直接造成150 萬(wàn)人死亡,2014 年全球約有4.22 億(每11 人中就有1 人)糖尿病患者,是1980 年的14 倍,預(yù)計(jì)到2030 年糖尿病患者將達(dá)到6 億[2]??固悄虿∷幬锶珉p胍類、磺酰脲類等在臨床被廣泛應(yīng)用,但由于“一個(gè)靶點(diǎn),一種藥物”的作用機(jī)制,它們可能具有相似的副作用,如體重增加、心血管疾病、低血糖和胃腸道反應(yīng)等[3]。與合成藥物相比,中藥具有多成分、多靶點(diǎn)聯(lián)合或協(xié)同作用的特點(diǎn),在DM 治療中發(fā)揮了重要作用[4]。
隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展,整合網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)和藥理學(xué)的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)被認(rèn)為是一種有前景的更具成本效益的藥物開發(fā)方法[5]。與傳統(tǒng)的“一基因、一藥、一病”模式相比,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)注重對(duì)疾病的“多靶點(diǎn)、多成分”治療。它可以揭示多組分和多靶標(biāo)之間潛在的復(fù)雜關(guān)系,并提供了系統(tǒng)水平的方法來(lái)理解疾病的發(fā)病機(jī)制[6],而通過(guò)高通量篩選和生物信息學(xué)技術(shù),還可建立可行的“藥物-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)模型[7],其研究方法的整體性、系統(tǒng)性特點(diǎn)與中醫(yī)理論中的整體觀和辨證原則不謀而合。據(jù)報(bào)道網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)有多種應(yīng)用,如中藥成分靶標(biāo)/疾病基因預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)平衡調(diào)控、協(xié)同成分對(duì)和活性成分組的解析[8-10]。因此,包括網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和網(wǎng)絡(luò)醫(yī)學(xué)在內(nèi)的基于網(wǎng)絡(luò)的方法得到了越來(lái)越多的發(fā)展和應(yīng)用。
本研究主要基于數(shù)據(jù)挖掘分析國(guó)醫(yī)大師張發(fā)榮教授的用藥經(jīng)驗(yàn),張老在臨證治療2 型糖尿病時(shí)常于辨治方中加用中藥鬼箭羽,每每取得良好的臨床療效。鬼箭羽始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,列為中品,其干有直羽如持箭予自衛(wèi)之狀,故又名衛(wèi)矛。鬼箭羽味苦,性寒,入足厥陰經(jīng),具破血通經(jīng)、散瘀止痛、解毒殺蟲之功,主治經(jīng)閉、癥瘕、產(chǎn)后瘀滯腹痛、蟲積腹痛等癥[11]?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明其具有降血糖、調(diào)血脂、抗動(dòng)脈粥樣硬化、調(diào)節(jié)免疫等作用,近年來(lái)臨床多用于治療糖尿病、高脂血癥、動(dòng)脈硬化及腎臟疾病等[12-15],效果顯著。因此,本研究應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究方法,對(duì)鬼箭羽活性成分及作用靶點(diǎn)進(jìn)行篩選,研究其多成分-多靶點(diǎn)-多通路作用模式,以探索鬼箭羽治療2 型糖尿病的潛在分子機(jī)制。
通過(guò)檢索相關(guān)文獻(xiàn)和中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(TCMSP)獲得鬼箭羽主要活性成分,根據(jù)外源化學(xué)物在人體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,設(shè)置口服生物利用度(OB)≥30%、類藥性(DL)≥0.18 及小腸上皮細(xì)胞滲透率(Caco-2)≥-0.04 為篩選閾值。同時(shí)在TCMSP 數(shù)據(jù)庫(kù)提取鬼箭羽所有活性成分的潛在靶點(diǎn)數(shù)據(jù),應(yīng)用Perl(version 5.28.1)篩選出鬼箭羽主要活性成分的對(duì)應(yīng)靶點(diǎn),為方便后續(xù)分析,通過(guò)UniProt 數(shù)據(jù)庫(kù)在靶點(diǎn)全稱后注釋其基因名(Gene Symbol)。
以“Diabetes Mellitus,Type 2”為關(guān)鍵詞分別檢索人類基因數(shù)據(jù)庫(kù)(GeneCards)和在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫(kù)(OMIM),建立與2 型糖尿病相關(guān)的靶點(diǎn)數(shù)據(jù)集。運(yùn)用R(version 3.6.3)軟件中“VennDiagram”包,對(duì)鬼箭羽主要活性成分對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)和2 型糖尿病的靶點(diǎn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行匹配重合,整合得到藥物和疾病的共同作用靶點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)分析。
應(yīng)用Perl project 將獲取的鬼箭羽主要活性成分的作用靶點(diǎn)和“藥物-疾病”的共同作用靶點(diǎn)進(jìn)行相互映射,可獲得網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性(type.txt),節(jié)點(diǎn)之間的連線關(guān)系(network.txt)以及藥物活性成分列表(molLists.txt)。將以上文件輸入Cytoscape(version 3.7.2),以 構(gòu) 建“藥 物-成 分-靶 點(diǎn)-疾病”關(guān)系的可視化網(wǎng)絡(luò)圖,其中節(jié)點(diǎn)的屬性包括藥物、活性成分、共同作用靶點(diǎn)和疾病,若經(jīng)預(yù)測(cè)成分與靶點(diǎn)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,則在網(wǎng)絡(luò)中以邊連接。
將鬼箭羽和T2DM 的靶點(diǎn)基因交集上傳至STRING 數(shù)據(jù)庫(kù)(version 11.0),限定物種為人(Homo sapiens),設(shè)置最低要求的相互作用評(píng)分為highest confidence(0.900),隱去離散的節(jié)點(diǎn),以獲得鬼箭羽治療T2DM 的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖(Protein-Protein Interaction,PPI),并 導(dǎo) 出string-interaction.tsv,基于PPI 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)基因連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)目(count 值)篩選出鬼箭羽治療T2DM 的關(guān)鍵靶點(diǎn)。
應(yīng)用R 中“org.Hs.eg.db(version 3.10.0)”包,將鬼箭羽與T2DM 共同作用靶點(diǎn)的基因Symbol 轉(zhuǎn)換為基因ID,再安裝“Bioconductor(version 3.10)”包對(duì)其進(jìn)行GO(Gene Ontology)生物學(xué)過(guò)程富集分析和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)信號(hào)通路分析,顯著性閾值設(shè)為P<0.05,得到鬼箭羽治療T2DM 靶點(diǎn)的主要生物過(guò)程和信號(hào)通路。GO 富集分析的結(jié)果將以柱狀圖和氣泡圖的形式展示,并提供KEGG 通路富集分析的柱狀圖及信號(hào)通路圖結(jié)果。
根據(jù)方法部分所述,以“鬼箭羽”為關(guān)鍵詞檢索相關(guān)文獻(xiàn)及TCMSP 數(shù)據(jù)庫(kù),共獲得8 種滿足篩選條件的鬼箭羽活性成分和284 個(gè)作用靶點(diǎn),其中作用靶點(diǎn)數(shù)目較多的活性成分為槲皮素(154 個(gè))、山奈酚(63 個(gè))和β-谷甾醇(38 個(gè)),見(jiàn)表1。以“Diabetes Mellitus,Type 2”分別檢索GeneCards 數(shù)據(jù)庫(kù)和OMIM 數(shù)據(jù)庫(kù),共獲得與T2DM 相關(guān)的疾病靶點(diǎn)信息11 750 個(gè),將上述鬼箭羽主要活性成分的作用靶點(diǎn)與T2DM 的疾病靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)取交集,最終得到154 個(gè)共同作用靶點(diǎn)。
表1 鬼箭羽主要活性成分?jǐn)?shù)據(jù)信息Tab 1 Data information of main active ingredients of Euonymus alatus
基于方法部分所述,通過(guò)Cytoscape 軟件對(duì)“藥物-成分-靶點(diǎn)-疾病”關(guān)系進(jìn)行可視化,可直觀得出鬼箭羽主要成分、T2DM 和作用靶點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。其中紅色和藍(lán)色多邊形分別代表疾病和藥物名稱,紫色三角形代表鬼箭羽的主要活性成分,綠色圓形代表鬼箭羽和T2DM 的共同作用靶點(diǎn),連線代表藥物、藥物活性成分、疾病及作用靶點(diǎn)之間的相互關(guān)系,見(jiàn)圖1。結(jié)果顯示,鬼箭羽的同一活性成分可調(diào)控多個(gè)靶點(diǎn),同一靶點(diǎn)與多個(gè)活性成分相作用,充分體現(xiàn)了鬼箭羽在治療T2DM 多成分、多靶點(diǎn)的作用特點(diǎn)。
圖1 鬼箭羽的“藥物-成分-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)Fig 1 Drug-ingredient-target-disease network of Euonymus alatus
將鬼箭羽主要活性成分和T2DM 的交集靶點(diǎn)上傳至STRING 數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建蛋白與蛋白相互作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖(PPI),見(jiàn)圖2。經(jīng)計(jì)算,PPI 網(wǎng)絡(luò)中有154 個(gè)作用節(jié)點(diǎn),490 條相互作用連線,圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)(Nodes)代表由單個(gè)蛋白編碼基因位點(diǎn)產(chǎn)生的多個(gè)蛋白,節(jié)點(diǎn)之間的連線(Edges)代表蛋白互作關(guān)系,連線的不同顏色則表示不同的互作證據(jù)。圖3為基于count 值選取排名Top30 的蛋白質(zhì)節(jié)點(diǎn),主要包括Jun 原癌基因(JUN)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK1、MAPK8)、絲 氨 酸/蘇 氨 酸 蛋 白 激 酶(AKT1)、V-Rel 網(wǎng)狀內(nèi)皮增生病毒癌基因同源物A(RELA)、白細(xì)胞介素(IL6、CXCL8)、表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)、雌激素受體1(ESR1)等。蛋白連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)目越多代表其在整個(gè)PPI 網(wǎng)絡(luò)中互作關(guān)系越頻繁,提示該蛋白可能是鬼箭羽治療T2DM 的核心調(diào)控靶點(diǎn)。
圖2 “鬼箭羽-疾病”靶點(diǎn)相互作用網(wǎng)絡(luò)Fig 2 Target interaction network of“Euonymus alatus-disease”
圖3 鬼箭羽治療T2DM 的核心調(diào)控靶點(diǎn)Fig 3 Key regulatory targets of Euonymus alatus in treating T2DM
對(duì)藥物-疾病的共同作用靶點(diǎn)進(jìn)行GO 功能富集分析,共富集到153 條生物過(guò)程(P<0.05)。根據(jù)差異基因在GO term 富集的顯著性程度(P值),篩選得到前20 條主要生物過(guò)程,如圖4,其中顏色越紅表示富集的顯著性越高(P值越?。_@些生物過(guò)程主要包括核受體活性、轉(zhuǎn)錄因子活性直接配體調(diào)節(jié)序列特異性DNA 結(jié)合、類固醇激素受體活性、細(xì)胞因子受體結(jié)合、細(xì)胞因子活性、DNA 結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活子活性、RNA 聚合酶Ⅱ特異性、血紅素結(jié)合等。圖5 所示氣泡圖可顯示富集基因數(shù)占上傳基因總數(shù)的比例(Gene Ratio),圓點(diǎn)越大表示占比越大,P值越小則顏色越紅,其中比例較大的為DNA 結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活子活性、RNA 聚合酶Ⅱ特異性、細(xì)胞因子受體結(jié)合、受體配體活性。表明鬼箭羽治療T2DM 可能是通過(guò)參與以上的生物學(xué)調(diào)控過(guò)程發(fā)揮作用。
圖4 潛在靶點(diǎn)生物學(xué)過(guò)程的GO 分析Fig 4 GO analysis of potential targets in biological processes
圖5 GO 生物功能富集分析的氣泡圖Fig 5 Bubble plot for GO biofunctional enrichment analysis
通過(guò)R 中“clusterProfiler”包對(duì)藥物-疾病交集靶點(diǎn)進(jìn)行通路富集分析,共富集到156 條顯著通路(P<0.05),將P值由小到大排列篩選出前20 條主要信號(hào)通路,如圖6。通路主要富集在糖尿病并發(fā)癥中的AGE-RAGE 信號(hào)通路、流體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化、乙型肝炎、前列腺癌、卡波西肉瘤相關(guān)皰疹病毒感染、膀胱癌、TNF 信號(hào)通路、胰腺癌、IL-17 信號(hào)通路、丙型肝炎、人巨細(xì)胞病毒感染、肺癌、HIF-1 信號(hào)通路、甲型流感病毒、內(nèi)分泌抵抗等,并與PI3K-Akt 信號(hào)通路、NF-κB 信號(hào)通路、胰島素抵抗、AMPK 信號(hào)通路、Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病、胰島素信號(hào)通路、脂肪細(xì)胞中脂肪分解的調(diào)節(jié)等有相關(guān)性,表明鬼箭羽活性成分可作用于不同的信號(hào)通路綜合發(fā)揮治療T2DM 的作用。圖7 標(biāo)注了鬼箭羽主要活性成分在AGE-RAGE 信號(hào)通路中的作用靶點(diǎn)。
圖6 潛在靶點(diǎn)的KEGG 信號(hào)通路富集分析Fig 6 KEGG signaling pathway enrichment analysis of potential targets
圖7 鬼箭羽在AGE-RAGE 信號(hào)通路中的作用靶點(diǎn)Fig 7 Targets of Euonymus alatus in AGE-RAGE signaling pathway
糖尿病可歸屬于中醫(yī)“消渴”或“消癉”范疇?!鹅`樞·五變》曰“怒則氣上逆,胸中蓄積,血?dú)饽媪?,髖皮充肌,血脈不行,轉(zhuǎn)而為熱,熱則消肌膚,故為消癉”,明確指出了消渴與瘀血之間的關(guān)系。《本草備要》載鬼箭羽“苦寒,破陳血,通經(jīng)”,清楊時(shí)泰在《本草述鉤元》中謂本品“大抵其功精專于血分”。國(guó)醫(yī)大師張發(fā)榮教授認(rèn)為消渴病“陰虛為本,燥熱為標(biāo),瘀血為患”,而鬼箭羽味苦善于堅(jiān)陰,性寒能入血,又長(zhǎng)于清解陰分之燥熱,對(duì)消渴病之陰虛燥熱者,每于辨治方中配伍本品15~30 g,能清熱止渴,降低血糖和尿糖,屢獲良效。且鬼箭羽具破血散瘀之功,對(duì)糖尿病并發(fā)心腦血管和腎臟、視網(wǎng)膜及神經(jīng)系統(tǒng)等病變,可改善血液循環(huán),促進(jìn)新陳代謝,正所謂“通經(jīng)隧、行瘀血、布津氣”,亦可使方中補(bǔ)益藥活潑暢榮而不壅膩,實(shí)為治療消渴病之上選藥品。
本研究中發(fā)現(xiàn)鬼箭羽作用于T2DM 的主要活性成分有8 個(gè),其中作用靶點(diǎn)數(shù)目較多的成分為槲皮素、山奈酚和β-谷甾醇。在對(duì)糖尿病大鼠的試驗(yàn)中顯示,研究劑量的槲皮素可顯著逆轉(zhuǎn)高血糖,降低糖化血紅蛋白和肝糖原水平,改善胰腺抗氧化狀態(tài),還能預(yù)防和治療慢性高血糖時(shí)血紅蛋白糖基化相關(guān)的繼發(fā)性并發(fā)癥[16],槲皮素還可通過(guò)減少iNOS 表達(dá)、降低NO 水平及NF-κB 易位抑制等起到保護(hù) 胰 島β 細(xì) 胞 的 作 用[17-19]。山 奈 酚 可 激 活cAMP/PKA 通路介導(dǎo)產(chǎn)生促胰島素分泌作用,還可上調(diào)Akt、Bcl-2 蛋 白 的 表 達(dá) 和 降 低caspase-3 活 性,保 護(hù)胰島β 細(xì)胞不受高血糖誘導(dǎo)的凋亡和功能障礙的影響[20]。β-谷甾醇可增強(qiáng)糖酵解活性,刺激殘余β 細(xì)胞的胰島素分泌,增加糖尿病大鼠的肝葡萄糖利用,從而發(fā)揮降血糖作用[21]。此外,基于PPI 網(wǎng)絡(luò)分析得出鬼箭羽主要活性成分有JUN、MAPK1、AKT1、RELA、IL6、MAPK8、EGFR、ESR1、FOS、CXCL8 等多個(gè)作用靶點(diǎn),表明鬼箭羽治療T2DM具有多成分、多靶點(diǎn)的特點(diǎn)。
GO 富集分析得到153 條生物過(guò)程,其中富集結(jié)果最顯著的是核受體活性(nuclear receptor activity)。核受體在包括發(fā)育和代謝穩(wěn)態(tài)在內(nèi)的關(guān)鍵過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用,也被稱為代謝性核受體。PPARs(亞 型α、β 和γ)是Ⅱ型 核 受 體,在 脂 質(zhì) 代謝[22]和脂肪細(xì)胞分化[23]以及胰島素反應(yīng)[24]中發(fā)揮重要作用,其中PPARα 活化可導(dǎo)致肝臟和肌肉中脂肪酸氧化增加[25,26],而PPARγ 活化主要在脂肪組織中增加胰島素敏感性[27],這兩種途徑使PPARs 在血脂異常和糖尿病的治療中成為重要靶點(diǎn)。研究最多的PPARs 合成配體是噻唑烷二酮類藥物(TZD),這類藥物甚至在了解其作用機(jī)制之前就用于增加胰島素敏感性,研究發(fā)現(xiàn)TZD 可通過(guò)活化PPARγ 降低胰島素抵抗、改變脂肪細(xì)胞分化并誘導(dǎo)脂蛋白脂酶(LPL)合成[28-30],十多年來(lái)被有效地用于2 型糖尿病的治療。貝特類藥物通過(guò)肝臟中PPARα 介 導(dǎo) 的LPL 活 化 增 加 甘 油 三 酯 脂 解[31],PPARα 的活化還可通過(guò)參與脂蛋白代謝中靶基因的轉(zhuǎn)錄變化增加高密度脂蛋白(HDL)水平[32],這些作用共同改善了致動(dòng)脈粥樣硬化脂蛋白平衡,降低了心血管疾病的發(fā)病率。
KEGG 信號(hào)通路分析中富集結(jié)果最顯著的是AGE-RAGE 信號(hào)通路。研究表明,晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)與其受體(RAGE)結(jié)合后可啟動(dòng)一系列受體后信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,從多個(gè)途徑參與糖尿病慢性并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[33]。腎臟在持續(xù)高血糖環(huán) 境 中 產(chǎn) 生 大 量AGEs 上 調(diào)RAGE 表 達(dá),RAGE 的過(guò)表達(dá)可導(dǎo)致活性氧(ROS)的產(chǎn)生并使炎癥加劇,從而促進(jìn)腎臟慢性炎癥狀態(tài)的建立,最終導(dǎo)致腎臟結(jié)構(gòu)和功能逐漸喪失[34]。Burke 等[35]對(duì)猝死于心血管并發(fā)癥的糖尿病患者的研究中發(fā)現(xiàn),其冠狀動(dòng)脈斑塊中RAGE 和EN-RAGE 的表達(dá)明顯高于非糖尿病患者,RAGE/EN-RAGE 的表達(dá)可能進(jìn)一步損害細(xì)胞存活并促進(jìn)斑塊的不穩(wěn)定。AGEs-RAGE 相互作用還可引起外周神經(jīng)中致炎基因的轉(zhuǎn)錄和氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生,激活NF-κB,進(jìn)而促使糖尿病周圍神經(jīng)病變的發(fā)生[36],更有研究顯示,在糖耐量減低階段AGE/RAGE/NF-κB 即已活化[37]。因此,AGE-RAGE 通路可能是鬼箭羽治療2 型糖尿病及預(yù)防相關(guān)并發(fā)癥的重要機(jī)制之一。其次根據(jù)KEGG 富集分析結(jié)果,推測(cè)鬼箭羽還具有良好的抗病毒、抗腫瘤及免疫調(diào)節(jié)等作用,可進(jìn)一步拓展其臨床應(yīng)用及相關(guān)分子機(jī)制研究。
綜上所述,本研究首次應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法對(duì)鬼箭羽治療T2DM 的潛在分子機(jī)制進(jìn)行了探索,篩選出鬼箭羽8 種主要活性成分及154 個(gè)藥物-疾病共同作用靶點(diǎn),并構(gòu)建了“藥物-成分-靶點(diǎn)-疾病”交互網(wǎng)絡(luò)圖,通過(guò)富集分析,發(fā)現(xiàn)了153 個(gè)生物過(guò)程和156 條信號(hào)通路直接或間接參與治療T2DM 及相關(guān)并發(fā)癥,體現(xiàn)了中藥多成分、多靶點(diǎn)、多途徑協(xié)同作用的特點(diǎn)。本研究的局限性在于,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是基于大量數(shù)據(jù)庫(kù)所做的預(yù)測(cè),數(shù)據(jù)搜集的全面性及活性成分篩選標(biāo)準(zhǔn)的差異會(huì)對(duì)研究結(jié)果有一定影響,因此后續(xù)還需進(jìn)一步過(guò)濾藥物活性成分,開展體內(nèi)或體外實(shí)驗(yàn),并完善中藥復(fù)方成分的質(zhì)量評(píng)價(jià),為鬼箭羽的臨床應(yīng)用提供科學(xué)實(shí)用的證據(jù)支持,本研究可為后續(xù)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。
海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)2021年21期