鄭文江 ,彭紫荊,嚴 倩,謝富淇,詹少鋒 ,楊柳柳,劉小虹,江 勇,莊轟發**
(1. 廣州中醫藥大學第一臨床醫學院 廣州 510405;2. 廣州中醫藥大學第一附屬醫院廣州 510405;3. 深圳市中西醫結合醫院 深圳 518104)
慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種常見慢性疾病,兩大特征是持續存在的呼吸道癥狀和氣流受限[1]。每年,COPD 導致全世界近300 萬人死亡,而在中國多達1 億人可能患有COPD[2],約占全球COPD 病例總數的25%。雖然在癥狀的治療和急性加重的預防方面取得了進展,但改善疾病進展或影響死亡率的進展很少,因此仍然需要對導致COPD 的復雜疾病機制有更好的了解[3]。在過去的10 年中,科學家們為尋找針對COPD 炎癥的新療法做了大量的工作,但效果并不明顯[4],這可能與炎癥和相關臨床表型的復雜性密切相關,僅僅針對單個炎癥途徑或機制可能不足以持續抑制所有COPD 患者的炎癥[5]。網絡藥理學和系統生物學可能有助于我們從整合信息的角度了解COPD 的臨床表現并確定新療法的分子靶標[6]。
方劑的證候效應及其多靶點作用的科學闡釋是目前方劑現代研究的關鍵問題[7]。網絡藥理學集合了高通量數據整合、數據挖掘、靶點預測、以及模擬實驗室等研究手段,從整體分析中藥復方“多成分、多靶點”的作用機制[8],也能呈現特定疾病相關的“活性成分-靶點-通路”,其系統性、整體性的特點與中醫中藥整體觀、辨證論治的原則和中藥復方治療疾病的手段等一脈相承[9]。網絡藥理學概念的提出[10]和中醫藥網絡藥理學方法為中醫從經驗醫學到循證醫學系統的轉化提供了新的研究范式[11]。
培土生金方是廣東省名中醫劉小虹教授及其團隊發明的一種治療穩定期慢性阻塞性肺疾病的中藥復方[12],由五指毛桃、茯苓、白術、太子參、紫蘇子和苦杏仁組成,已經獲得發明專利且開發為廣州中醫藥大學第一附屬醫院院內制劑,命名為肺康顆粒,該方以培土生金法為原則,宗四君之義,運用嶺南地區道地藥材,用方精簡,配伍精良,具有良好的健脾益肺、化痰平喘之功,多年來在臨床上廣泛運用于COPD 穩定期患者[13-14],取得較好療效。本文基于所在課題組已有的實驗研究和臨床研究成果,包括運用網絡藥理技術識別培土生金法對COPD 水通道蛋白的機制研究、中醫藥強省醫院中藥制劑“肺康顆粒”建設項目等,對課題組研究成果進行補充闡述,運用網絡藥理學和生物信息學的方法,嘗試從中藥復方多靶點、多通路作用的角度,探討培土生金方對COPD潛在的作用機制。
口服生物利用度(OB)和類藥性(DL)是中藥化學成分的重要參數,在TCMSP[15](http://tcmspw.com/),TCMID(http://www.megabionet.org/tcmid)[16],TCMDatabase@Taiwan[17]和文獻數據庫中,根據OB>30%、DL>0.18的標準,使用ADME參數[18]篩選出可能的藥物小分子,基于TCMSP 數據庫和Drugbank 數據庫[19](https://www.drugbank.ca/),預測化學小分子對應的靶蛋白,篩選培土生金中藥復方肺康顆粒(PTSJ)的潛在活性成分及其相應的靶點信息。
利用UniProt 數據庫[20]中UniProtKB 搜索功能將獲得的潛在活性成分對應的蛋白靶點名稱轉換為基因靶點名稱。在CTD數據庫[20]的關鍵詞搜索功能中選擇Disease 并輸入 Chronic obstructive pulmonary disease,獲得疾病相關基因名稱,與上述經Uniprot轉換的靶點基因名稱進行互相映射,得到培土生金方肺康顆粒作用于COPD的候選靶點。
將整理得的活性成分及其相應的靶點對應關系導入Cytoscape 3.7.0軟件[22]進行活性成分-靶點網絡構建,并使用工具中的NetworkAnalysis[23]進行網絡拓撲分析,將靶點的Degree 值進行排序,得到潛在核心靶點。Cytoscape 是一款功能強大的網絡圖編輯軟件,采用圖形化顯示網絡方式進行分析和編輯,主要功能包括構建網絡、設計和圖形繪制,支持TXT、SIF、GML 等多種網格描述格式,廣泛應用于生物分析領域,將映射關系及數值對比可視化。在網絡拓撲分析中,節點代表化合物或靶點,連接的線代表之間的反應,其中,節點的度(Degree)是指網絡中直接與該節點相連的邊的數目,介數中心性(Betweenness centrality)是指一個節點的介數為網絡中所有最短路徑中經過該點的數量比例,此二者皆為重要的拓撲參數,數值越大,則表示該點在網絡中地位越重要。
STRING 數據庫(http://string-db.org)[24]是基因、蛋白質相互作用關系數據庫,包括1100多個物種的5200多萬蛋白質,可進行已知蛋白質和預測蛋白質之間的相互作用,在蛋白質水平的研究上被廣泛應用。利用STRING 數據庫的Multiple proteins 功能,將獲得的蛋白互作關系保存,將候選作用靶點蛋白質-蛋白質相互作用文件中的 node1、node2、combined score 導入Cytoscape 3.7.0 軟件構建PPI 網絡,進行可視化處理,并使用工具中的NetworkAnalysis 進行網絡拓撲分析,主要根據結果中的Degree 值的大小篩選,與上一步合并,獲得核心靶點。
使用R 語言及org.Hs.eg.db 數據包轉換核心靶點的 entrezID,再使用 ClusterProfiler 包[25]對靶點其 GO 功能[25]及KEGG 通路[27]進行基因注釋的富集分析,得到核心靶點在基因功能及信號通路的注釋。
下載GEO 數據庫芯片數據,數據集的編號為GSE76925[28],該 數 據 集 151 例 樣 本 ,其 中 111 例 為COPD 患者樣本,40 例為控制對照組的樣本。下載編號為GSE76925 數據集的原始數據文件,使用R 語言軟 件 的 affy 包[29](Version 3.9)進 行 讀 取 ,以 RMA(robust multi-array average)方法進行標準化預處理,包括背景校正、標準化、歸一化等預處理,利用平臺注釋文件對探針進行注釋,剔除沒有匹配到基因的探針;對于不同探針映射到同一基因,則選取不同探針的均值作為此基因的最終表達值。將樣本分為兩組,疾病組和健康組,對COPD 患者組(COPD)和健康對照組(HC)樣本的表達,利用limma包[30](Version 3.9)計算基因表達差異的P值和表達Fold Change 值,進而選取P <0.05 且|log2FC|>1(2 倍關系)作為篩選顯著差異表達基因的閾值。
通過 TCMSP、TCMDatabase@Taiwan、TCMID 和文獻數據庫檢索,分別查找肺康顆粒的化學成分,將上述3 個數據庫查到的化學成分匯總,并刪除重復化學成分,作為潛在活性成分(其中,五指毛桃為嶺南特色道地藥材,是肺康顆粒中藥復方的君藥,因此納入已經報道的所有化學成分作為潛在活性成分),并收集所有靶點信息,共獲得83個潛在活性成分。
利用UniProt 數據庫中UniProtKB 搜索功能,限定檢索靶點范圍為“Homo sapiens(Human)”,將靶點逐個輸入,轉換為規范名字,共有1112 個靶點信息,其中,太子參82個潛在靶點,茯苓26個潛在靶點,白術17個潛在靶點,紫蘇子156 個潛在靶點,苦杏仁178 個潛在靶點,五指毛桃653個潛在靶點,靶點數量及其具體分布見表1。在CTD 數據庫中,輸入“Chronic obstructive pulmonary disease”,收集目前已知的COPD 相關靶點,并將肺康顆粒有效活性成分中的基因靶點與其進行比對匹配,篩選得出肺康顆粒有效活性成分中治療COPD的相關靶點,共獲得193個潛在候選靶點。

表1 培土生金方的潛在活性成分及其OB和DL值

續表

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圖1 活性成分-靶點網絡圖
將整理得的活性成分及其相應的靶點對應關系導入Cytoscape3.7.0 軟件進行活性成分-靶點網絡構建,并使用工具中的NetworkAnalysis 進行網絡拓撲分析,將靶點的Degree 值進行排序,篩選Degree 值≥3的作為潛在核心靶點,得到83潛在核心靶點。網絡拓撲分析(圖1)中,含灰色環的圓形節點代表化合物,橙色矩形代表靶點,連接的線代表之間的反應;同時具有兩種或兩種以上顏色的表示各中藥的共有成分;各節點的大小與度值大小呈正相關關系:靶點中圖形越小表示度值(Degree)越小,圖形越大表示度值越大,發生的反應越多。連接的線的粗細與該邊線的介數中心性(Betweenness Centrality)呈正相關關系,數值越大,邊越粗,則表示該點在網絡中地位越重要。
在STRING數據庫輸入83個潛在核心靶點的基因名稱,限定物種為“Homo sapiens”,對所有靶點進行PPI 分析,獲得初始PPI 關系,調節可信度為7.0,獲得蛋白質之間相互作用的評分及相關數據分析,最后把獲得的蛋白互作關系保存為TSV格式。
導出源文件后,將數據進行整理后導入cytoscape3.7.0 軟件中,進行進一步網絡拓撲分析,篩選Degree 值 ≥ 3 的靶點,與上一步NetworkAnalysis 網絡拓撲分析結果整合,獲得77 個核心靶點(表2),PPI可視化處理(圖2)。

表2 培土生金方的潛在核心靶點

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圖2 蛋白質-蛋白質相互作用網絡
首先,是基因功能的注釋,把培土生金方有效活性成分中治療COPD 的193 個候選靶點分別通過ClusterProfiler(pV<0.05,qV<0.05)進行 GO 富集分析。圖中,顏色從藍色到紅色表示P值從小到大,即越紅表示條目的顯著度越高。
結果顯示,對候選靶點的基因功能主要包括:對有毒物質、細菌起源分子、脂多糖、異源生物刺激、細胞對藥物、細胞外刺激、營養水平的反應和活性氧代謝等生物學過程,包括突觸后膜、突觸前膜、小窩和膜區等細胞組分,包括核受體活性、銨離子結合、蛋白質異二聚活性、腎上腺素受體活性、類固醇激素受體活性、G蛋白偶聯的胺受體活性、轉錄因子活性等分子功能(圖3)。

圖3 GO富集分析的生物過程、細胞組分和分子功能結果

圖4 KEGG富集分析的通路結果
然后,是基因通路的注釋,把培土生金方有效活性成分中治療COPD 的193 個候選靶點通過ClusterProfiler(pV<0.05,qV<0.05)進行 KEGG 通路富集分析。
結果顯示,富集的信號通路主要涉及PI3K-Akt信號通路、MAPK 信號通路、TNFα信號通路、HIF-1 信號通路、小細胞肺癌和非小細胞肺癌等,其中富集了最多的靶點是PI3K-Akt 和MAPK 信號通路,分別是31個和28個(圖4)。
接著,為了進一步探索培土生金方作用于COPD的靶點在相關通路中所發揮的作用及其間相互關系,把靶點名稱轉換成entrezID 后,通過KEGG 數據庫把靶點映射到信號通路上,其中紫色標識即為輸入靶點。利用KEGG 數據庫中KEGG Mapper 獲取相關通路,挑選出上述核心基因進行標記,梳理反應過程,同時進行文獻檢索,結合專家意見,進行科學的篩選與分析,最后進行整合得到最終通路。主要信號通路涉及PI3-AKT、NF-κB、AMPK、Th17 CELL 等,其中PI3-AKT信號通路見圖5。
根據方法學部分所述,下載GSE76925 數據集,經過篩選一共獲得差異基因771 個,其中上調基因49個,下調基因622個,差異基因的火山圖見圖6,將所獲得的差異表達基因與肺康顆粒對COPD 的潛在作用靶點互相映射,交叉驗證靶蛋白取交集獲得8 個共有靶蛋白,分別是:PPP3CA、NCOA1、IKBKB、PLA2G4A、CAT、BCHE、HSPA5,可能為培土生金方主要活性成分重要成分治療COPD 的潛在關鍵靶蛋白;另外,差異表達基因排名前六位的基因分別是:AGR3、ESM1、SLC12A2、KLF5、EMP2、SUMO1,可作為COPD 的潛在標靶。
近年來的臨床研究表明,培土生金方在COPD 患者中具有一定療效,在減輕患者臨床癥狀、改善肺功能、減輕氣道重塑有一定作用[31],改善COPD 穩定期患者咳嗽、氣促、喘息、易感冒、自汗、食欲減退等COPD患者證候,可能與通過降低外周血IL-8水平而減輕氣道炎癥反應有關[32],培土生金法聯合西醫常規方案治療COPD 穩定期肺脾氣虛證患者,在咳痰、納呆、腹脹等癥狀方面,療效優于單純西醫治療,臨床癥狀改善可能與IL-4 水平下降相關[33]。此外,循證醫學系統評價和Meta分析的結果也表明,中醫理論培土生金法指導下的COPD 患者治療中,具有一定優勢,能夠提高臨床治療COPD 總有效率[34],改善COPD 穩定期患者的肺功能,提高患者的生活質量和營養狀態[34],但此類循證醫學證據同時也指出現有研究質量偏低,需開展更高質量的RCT加以驗證。

圖5 培土生金方在PI3-AKT信號通路中預測的作用靶點

圖6 差異表達基因的火山圖
通過網絡藥理學的方法,發現培土生金方中多個活性成分可以作用于同一靶點,單個活性成分也可以作用于多個靶點,通過多條信號通路協同發揮作用。其中,五指毛桃(Ficus hirta Vahl)是嶺南地區常見的藥用植物,有較高的藥用價值,其性平味甘,具有健脾補肺、行氣利濕、舒筋活絡、止咳平喘等功效,臨床主用于治療脾虛浮腫、食少無力、肺癆咳嗽、病后體弱、風濕痹痛等病證。五指毛桃含有補骨脂素(Psoralen)、木犀草素(Luteolin)、芹菜素(Apigenin)、異補骨脂內酯(Ispsoralen)等化學成分,這些物質都具有較強的清除自由基能力,有較好的抗氧化應激活性[36],具有多種呼吸系統疾病的保護作用。補骨脂素(Psoralen)能夠抑制NF-κB 的活化,減少促炎因子及趨化因子的分泌[36],補骨脂素和異補骨脂素還能夠下調TGF-β1;佛手柑內酯(Bergapten)顯著抑制中性粒細胞和巨噬細胞向損傷部位的募集,并促進中性粒細胞和巨噬細胞從傷口部位的清除,具有潛在抗炎和促分解活性[38],其抗炎特性[38],可能是炎癥治療的潛在小分子藥物;NF-κB信號通路主要參與免疫和炎癥反應相關信號通路,傘形花內酯(Umbelliferone)抑制MAPK/NF-κB 通路分子的表達[40],減弱肺組織中炎性細胞的浸潤,并減少脂多糖(LPS)誘導的炎性細胞因子的產生,抑制TLR4/MyD88/NF-κB 途徑的激活,對 LPS 誘導的 ALI 發揮了重要的保護作用[41];柚皮素(Narigenin)減少了LPS 處理的正常人支氣管上皮中NF-κB 和MAPK 信號通路的激活,從而降低了TNF-α和IL-6的分泌以及mRNA表達,對支氣管上皮的損傷具有保護作用[42];芹菜素對百草枯誘導的急性肺損傷和免疫毒性具有保護作用[43];木犀草素通過下調miR-132 減輕LPS 誘導的NF-κB 信號通路的激活,對支氣管肺炎的炎癥性損傷具有保護作用[44]。大黃素(Emodin)通過抑制NF-κB、p38 MAPK 等通路的活性,來抑制TNF-α、IL-6、IL-1β和基質金屬蛋白酶-9的表達,從而發揮抗炎作用[45]。
太子參(Pseudostellariae Radix)的多糖成分被認為是主要的活性成分,具有免疫調節和抗疲勞作用[46];茯苓(Poria cocos)主要含有的化學成分是多糖類、三萜類、甾醇類等,具有抗腫瘤、免疫調節、抗炎、抗氧化等藥理作用[47];白術(Atractylodes macrocephala)含有揮發油、多糖和內酯類成分等活性成分,具有抗腫瘤、抗炎、調節胃腸功能等藥理作用,抑制細胞中TNF-α、IFN-γ和 IL-1β的表達,對慢性支氣管炎、過敏性鼻炎和哮喘具有免疫調節作用[48];苦杏仁(apricot kernel)的主要化學成分有苦杏仁苷、脂肪油、多種維生素及礦物質元素等,具有鎮咳平喘、抗炎止痛的藥理作用,苦杏仁苷還能通過抑制NF-κB 和NLRP3 信號通路對LPS 誘導的急性肺損傷起到保護作用[48];紫蘇子(Perilla seeds)中的β-胡蘿卜素通過抑制巨噬細胞中的 NF-κB,JAK2/STAT3 和JNK/p38 MAPK 信號通路來減輕LPS誘導的炎癥[50]。
結合圖1 和表2 可知,培土生金方潛在核心標靶排名前 10 位的是:AKT1、IL6、TP53、VEGFA、JUN、MAPK1、CASP3、TNF、ESR1、NOS3,富集的信號通路主要涉及PI3K-Ak、MAPK、TNFα、HIF-1、NF-κB 及小細胞肺癌和非小細胞肺癌等。其中,①血管生成因子可激活PI3K/AKT/mTOR 的靶標啟動血管生成過程,白細胞介素6(IL6)是間接促進血管生成的細胞因子,血管內皮生長因子(VEGF)是直接促進血管生成的細胞因子,其在缺氧條件下作為缺氧誘導因子(HIF-1α)的作用而釋放,HIF-1α還可通過激活EGFR/PI3K/AKT途徑上調炎癥因子的表達,促進COPD 的炎癥反應[51],并引起支氣管細胞的重新調節和炎癥,細胞的重新調節和炎癥導致例如COPD、哮喘、纖維化和肺癌等各種肺部疾病的發展[52],表明VEGF 的過表達與肺部疾病之間存在相關性,培土生金方可能通過減少VEGF 的過表達而對COPD 起到治療作用,抑制PI3K/AKT 的信號傳導還可能有助于COPD 肺泡損傷得以修復[53]。②氣道粘液分泌是保護宿主的重要先天免疫反應,但是主要由MUC5AC 組成的粘液分泌過多和分泌過多是COPD 的重要危險因素,通過抑制NF-κB 信號通路的轉錄活性及其上游效應子的磷酸化,還可能降低TNF-α誘導的 MUC5AC mRNA 和蛋白的表達水平[53],培土生金方的多個主要成分涉及調控NF-κB 信號通路,可能是其對COPD 作用的機理之一。③TNFα通過誘導炎性細胞積聚,刺激炎性介質的產生,引起氧化和亞硝化應激,氣道高反應性和組織重塑,在COPD 的病理過程中發揮多種作用[55],干預TNFα的靶向劑可能成為COPD 炎癥的治療標靶。④培土生金方還在癌癥方面顯示出一定的潛力,富集到肺癌相關信號通路,如五指毛桃的主要成分之一木犀草素被發現具有抗癌作用,通過抑制腫瘤細胞的增殖,免受致癌性刺激和激活細胞周期阻滯,通過不同的信號傳導途徑誘導凋亡,從而在體內外阻斷癌癥的發展[55],木犀草素和槲皮素還能促進癌細胞的轉移[57]。
為了進一步探討和驗證靶點預測的準確性,從基因表達數據庫(GEO)下載COPD 相關的基因芯片數據集,篩選COPD 患者和健康對照組之間的差異表達基因:AGR3、ESM1、SLC12A2、KLF5、EMP2、SUMO1,可作為COPD 的潛在標靶,之后與網絡藥理學研究結果比對,獲得8 個共有靶蛋白:PPP3CA、NCOA1、IKBKB、PLA2G4A、CAT、BCHE、HSPA5;其中,研究發現COPD患者的小氣道和肺血管中(Krüppel-like factor 5)KLF5的表達上調[57],并且可能參與了COPD 的組織重塑;研究發現,與健康受試者相比,診斷為COPD 患者的血漿中(丁酰膽堿酯酶)BCHE 的活性大大降低[59],BCHE 活性的改變可能與COPD 患者的氧化和炎癥過程有關,從而使這些酶成為COPD 疾病的標志物[60],這些潛在靶點可能為培土生金方主要活性成分治療COPD 的潛在關鍵靶蛋白。
動物實驗研究表明,培土生金方復方活性成分干預COPD 大鼠,在其肺泡結構方面,降低IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-17 的含量,可能通過TLR4/NF-κB 信號轉導通路干預炎癥基因的表達,減輕COPD 大鼠的炎癥反應[61];增加COPD大鼠的Treg細胞表達,降低Th17相關細胞因子IL-17、IL-23 表達,進而平衡外周血中Th17/Treg 比率,減輕COPD 大鼠炎癥反應[62]。臨床研究表明,培土生金方復方還能降低COPD 患者誘導痰中炎癥因子IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-17 的水平,一定程度改善患者肺功能、改善患者生存質量和減少急性發作次數[63]。
祖國醫學理論體系五行學說認為,五臟相生相克,脾為肺之母,肺為脾之子,培脾土以生肺金。培土生金方以肺脾相關理論為指導,充分發揮中醫藥調治慢性疾病的優勢,以中醫培土生金大法為指導,根據按照中醫君、臣、佐、使組方原理和臨床經驗方,逐漸篩選出五指毛桃、茯苓、白術、太子參、紫蘇子和苦杏仁的六味藥物組方。方中太子參補益脾胃中焦之氣,五指毛桃益氣通絡,兩者共為君藥;茯苓健脾補中,寧心安神,白術補脾益氣,燥濕固表共為臣藥;杏仁泄肺降氣,蘇子降氣平喘共為佐使之藥;諸藥合用,補益中焦脾胃,使肺脾之氣充旺,達到平喘止咳的治療目的,臨床實踐表明,該方具有多元化治療穩定期COPD 的特點,可減輕COPD 患者的癥狀,改善其活動能力,提高生存質量。
從中藥復方君臣佐使的角度分析,君臣佐使表明方中藥物在方中的位置和治療中的主次和協同拮抗關系,是藥物配伍的基本原則,君藥起主要治療作用,臣藥就是輔助君藥加強治療作用,因此,從理論上講,君藥的作用靶點最多,臣藥次之,本文依據作用靶點的多少和君臣佐使的對應關系,進一步闡釋中藥方劑的配伍作用。培土生金方中君藥五指毛桃預測出653個潛在靶點,太子參82個潛在靶點,兩者靶點總共735個,占該復方總靶點的60%以上,據此推測是對COPD起到主要作用的藥物組合;茯苓預測出26 個潛在靶點,白術預測出17 個潛在靶點,兩者靶點總共43 個,茯苓白術共為臣藥;苦杏仁潛在靶點178個,紫蘇子潛在靶點156 個,兩者靶點總共334 個,共為佐使藥,靶點占復方總靶點30%,雖名義為佐使藥,但是靶點數量仍較多,這與COPD 患者以咳嗽氣喘為主證的臨床特點相符,杏仁泄肺降氣、蘇子降氣平喘,符合COPD的診治特點,與中醫理論藥物配伍原則相一致。
本文采用網絡藥理學分析中藥復方起效的作用機制,存在以下局限性:中藥復方的作用是整體調節,本文采用單純的各個成分的分析,且未將藥物劑量考慮在內,未對復方配伍中的劑量關系層次進行探討,難以綜合評價中藥方劑的配伍作用,有待進一步深入研究。
綜上所述,培土生金方的多個潛在活性成分,可能通過AKT1、IL6、VEGFA、MAPK1、TNF 等多個核心靶點在PI3K-Akt、MAPK、TNFα、HIF-1、NF-κB 等多個信號通路,起到對COPD的治療作用。本研究結論可為下一步的實驗驗證提供線索和思路,培土生金方對COPD的作用機制還需進一步的動物和細胞實驗來證實。