基于網絡藥理學探討菟絲子治療骨質疏松癥的作用機制＊

劉博男，宋 輝，薛 屹，孫向明，胡 揚，李文蘭＊＊

（1. 哈爾濱商業大學藥學院 哈爾濱 150076；2. 哈爾濱商業大學藥物工程技術研究中心 哈爾濱 150076）

骨質疏松(Osteoporosis，OP)是一種以骨密度及骨量下降、骨組織的微結構及超微結構均發生不同程度損害，造成患者骨脆性增加，易于發生骨折為特征的疾病，病癥以老年人和絕經后婦女為主要發病人群，主要表現有駝背、腰背疼痛、骨折乃至呼吸功能下降[1]。近年來，伴隨我國老齡化加劇，老齡人口數目增加，該病癥備受關注。且由于女性絕經后卵巢功能下降，體內雌激素水平顯著下降，絕經時間和體質量指數是影響骨質疏松癥的最重要的相關因素，因此絕經后婦女易發生骨質疏松[2]。目前，雌激素受體α（ERα）仍是預防絕經后女性骨質疏松的首選靶標[3-4]。因此，充分認識骨質疏松，了解其發病機制，做到有效預防、及時準確治療，對緩解骨質疏松意義重大。

菟絲子為旋花科植物南方菟絲子（CuscutaaustralisR. Br.）或菟絲子（Cuscuta chinensisLam.)的干燥成熟種子。近年藥理研究[5]發現菟絲子對生殖系統、骨代謝、免疫系統等多方面均有良好的藥理活性，且其具有清除自由基和抗氧化的作用。據文獻[6-8]報道，菟絲子在防治絕經后骨質疏松癥、老年性骨質疏松癥、原發性骨質疏松癥的臨床應用方面均有明顯療效。臨床上菟絲子也是常見的用于防治骨質疏松的中藥，在眾多防治骨質疏松的復方中均有菟絲子的應用，右歸丸中菟絲子在養肝的同時兼顧補腎，對降低原發性骨質疏松患者骨折發生率有顯著療效[9]；聯合鈣片使用后血清中骨鈣蛋白（BGP）的活性增高，且25-OHD3、IGF-I 水平得以改善[10]，因此闡明菟絲子治療骨質疏松的作用機制也可為今后合理用藥、聯合用藥提供參考依據。

中藥研究的重點和難點之一是理解中藥方劑復雜化學體系與病證生物系統間的作用關系，網絡藥理學是以多向系統藥理學與生物學為基礎提出來一種的藥物研究新方法，通過建立網絡靶標將病證、藥物映射于生物分子網絡，然后通過軟件及專業數據庫對病證與藥物的關系進行計算、分析與預測，以期發現藥效物質基礎及其作用機制[11-12]。中藥網絡藥理學可通過篩選中藥成分，預測有效成分發揮作用的靶蛋白，分析靶蛋白涉及的信號通路來探討中藥治療疾病的機制[13]。本研究用網絡藥理學方法預測菟絲子參與治療骨質疏松癥的分子機制，對菟絲子治療骨質疏松癥的有效成分及對應靶標進行歸納整理，總結出菟絲子“活性成分-靶標-通路”三者之間的聯系，為探索菟絲子可能的預防及治療骨質疏松癥的機制提供新思路。

1 資料與方法

1.1 化學成分的獲取與活性成分的篩選

從 TCMSP、TCMID、Symmap、BATMAN-TCM、ETCM 數據庫中以“菟絲子”或“cuscuta”為關鍵詞，搜索有關菟絲子所含所有化學成分的信息[14]，并綜合篩選活性成分，網址詳見表1。同時根據文獻報道對篩選后的成分進行補充，通過查閱文獻得到菟絲子與治療骨質疏松高度相關的化合物，對篩選后的成分進行補充，最終確定菟絲子發揮防治骨質疏松癥的活性成分。

1.2 菟絲子活性成分作用靶標及骨質疏松癥靶標的獲取

使用 TCMSP、TCMID、Symmap、BATMAN-TCM、ETCM 數據庫復制并下載化合物靶標信息，獲得中藥菟絲子活性成分的靶蛋白，篩選有效成分靶標。利用GeneCards、OMIM[15]數據庫，檢索關鍵詞 Osteoporosis，篩選并導出疾病相關靶標[16]，整理在數據庫中收集的與骨質疏松相關的靶標，刪除重復靶標并篩選出菟絲子活性成分與骨質疏松的共同靶標，為后期構建蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡的拓撲分析做準備。

表1 數據庫及分析平臺

1.3 “活性成分-靶標”網絡構建與分析

將“1.1”項得到的菟絲子的活性成分和“1.2”項收集的菟絲子活性成分相對應的治療骨質疏松癥的靶標導入軟件Cytoscape 3.6.0，構建菟絲子的“活性成分-靶標”網絡關系，其中構建的網絡圖中“節點”（node）表示中藥所含活性成分及作用靶標，“邊”（edge）表示活性成分與靶標間的關系。

1.4 構建PPI網絡

基因或蛋白并不是孤立地發揮作用，通常情況下是與多個基因或蛋白相互影響，這種基因或蛋白之間相互作用構成了PPI 網絡。利用String 數據庫預測蛋白質之間相互作用[17]。將“1.2”項菟絲子的蛋白靶標導入 String 數據庫，限定物種為“Homo Sapiens”即人類，設置隱藏游離靶標，設定蛋白相互作用分值為0.4，獲取相應蛋白質-蛋白質間相互作用的關系。

1.5 菟絲子作用于骨質疏松癥的GO 富集分析和KEGG通路富集分析

將藥物-疾病交集基因導入DAVID 數據庫，輸入“1.2”項中得到靶基因名稱列表，限定物種為“Homo Sapiens”，靶基因名修正為“official gene symbol”，列出得到作用靶標的GO 富集分析及KEGG 通路富集分析，篩選出與骨質疏松疾病相關的生物過程及通路進行深入分析。

2 結果

2.1 菟絲子活性成分分析

搜索 TCMSP、TCMID、Symmap、BATMAN-TCM、ETCM 數據庫，收集到菟絲子的活性成分，參考藥代動力學ADME 參數，以口服利用度（Oral bioavailability，OB）≥30%、類藥性（Drug likeness，DL）≥0.18 作為篩選條件，篩選同時符合上述條件的活性成分，從數據庫中篩選出符合條件的活性成分11 個，包括芝麻素、異鼠李素、β-谷甾醇、苦參堿、槲皮素等，此外通過查閱文獻補充得到菟絲子與治療骨質疏松高度相關的化合物3 個：芹菜素、金絲桃苷、紫云英苷[18-21]。將這14個成分確定為菟絲子發揮防治骨質疏松癥的活性成分（表2）。

表2 菟絲子主要活性成分基本信息

2.2 潛在靶標預測

在 TCMSP、TCMID、Symmap、BATMAN-TCM、ETCM 數據庫中檢索菟絲子活性成分的潛在靶標，去除重復靶標后，共得到126 個潛在靶標，GeneCards、OMIM 數據庫中找到與骨質疏松癥相關靶標共3 126個。將活性成分對應的潛在靶標與GeneCards、OMIM數據庫中與骨質疏松相關靶標的比較，篩選出菟絲子治療骨質疏松的83個潛在作用靶標（圖1）。

2.3 “活性成分-靶標”網絡構建

圖1 藥物-疾病靶標Venn分析圖

將菟絲子活性成分和靶標的相互作用關系等信息輸入Cytoscape 3.6.0 軟件中，構建菟絲子“活性成分-靶標”網絡圖，由圖2 可知，活性成分-靶標間相互作用網絡中包含活性成分節點14 個，靶標節點83 個，節點間相互作用關系的邊231條。

2.4 靶標間相互作用網絡的構建

通過String 數據庫獲取靶標之間的相互作用關系，設置中選擇隱藏游離點，選擇相關作用分數為0.4，下載TSV 格式，將數據導入Cytoscape 3.6.0 軟件中構建靶標間相互作用網絡。利用Cytoscape 3.6.0 繪制蛋白相互作用的圖形，由圖3可知，經過篩選得到靶標間相互作用的網絡共有節點81 個，邊814 條。結合現有的研究結果，推測菟絲子防治骨質疏松癥可能與白細胞介素-6（IL-6）、胰島素（INS）、血管內皮生長因子A（VEGFA）、骨分化特異性轉錄分子2（RUNX2）、雌激素受體α（ESR1）等靶標有關。

2.5 菟絲子作用于骨質疏松癥的GO 功能分析及KEGG通路富集分析

將藥物-疾病交集靶標導入DAVID 數據庫后，得到GO功能分析表明：83個藥物-疾病交集靶標影響了82 個生物學過程（P＜0.05），選取最為顯著的20 個生物學過程繪制GO 功能分析圖，見圖4；菟絲子通過改變DNA 結合轉錄激活因子活性、RNA 聚合酶II 特異性、輔因子結合、核受體活性等發揮藥效。KEGG 富集分析得到91 條通路(P＜0.05)，根據KEGG 富集分析及結合現有研究結果（圖5）：PI3K/Akt 信號通路（PI3K/Akt signaling pathway）；腫瘤壞死因子信號通路（TNF signaling pathway）；MAPK 信號通路；Wnt 信號通路；胰島素拮抗信號通路（Insulin resistance signaling pathway）等通路與菟絲子治療骨質疏松的潛在靶標密切相關，表明菟絲子可能通過多條通路作用于骨質疏松發揮其藥效。

圖2 活性成分-靶標網絡圖

圖3 菟絲子潛在靶標間相互作用網絡圖

圖4 GO功能分析

圖5 KEGG富集分析圖

3 討論

3.1 菟絲子防治骨質疏松癥的意義

伴隨我國人口老齡化加劇，骨質疏松患者人數逐年遞增。且該病常呈現漸進性、隱蔽性，患病后致殘率、致死率均較高，因此是危害中老年人健康的重大疾病[22]。古人通過長期的中藥應用實踐，總結出“腎主骨、生髓”的中醫理論，將補腎藥用于骨科疾病的治療；中醫理論認為，腎為先天之本，骨骼的生長、發育及衰弱與腎精盛衰緊密相關，骨質疏松癥在傳統中醫理論中為腎虛導致，因此中醫治療骨質疏松以補腎為主[23-24]。菟絲子作為補益肝腎的中藥對生殖內分泌系統的調節、治療絕經后骨質疏松、改善卵巢早衰、保肝明目等方面有著顯著的藥理活性[25-26]。本研究基于網絡藥理學的理論基礎，借助有關數據庫及繪圖軟件等工具對中藥菟絲子治療骨質疏松的作用機制進行探討。

3.2 主要成分分析

網絡藥理學結果表明，菟絲子防治骨質疏松的成分有：槲皮素、山奈酚、金絲桃苷、異鼠李素等14 種成分。研究[27]表明槲皮素可通過抑制細胞衰老進而減少因雌激素缺乏所導致的骨流失，成為治療絕經后骨質疏松癥的一種方法。還可以通過促進骨分化改善骨質疏松癥[28]；山奈酚的作用機制可能與抑制骨吸收有關[29]；金絲桃苷可通過 BMP 和 Wnt/β-catenin 信號通路共同促進成骨細胞的增殖及分化[19]。異鼠李素防治骨質疏松癥的作用機制則是通過調控RANKL/RANK/OPG 信號通路，同時調控成骨細胞和破骨細胞的功能，改善骨微結構上的破壞，實現防治骨質疏松癥[30]。由此可見菟絲子防治骨質疏松癥的活性成分是通過不同作用機制生效。

3.3 主要靶標分析

菟絲子和骨質疏松的交集靶基因共83個，與疾病顯著相關的靶標有IL-6、骨分化特異性轉錄分子2（Runx2）、VEGFA 等，經過GO 功能分析出菟絲子治療骨質疏松的生物學過程，發現涉及DNA 結合轉錄激活因子活性、RNA 聚合酶II 特異性、輔因子結合、核受體活性等。其中IL-6 可誘導破骨細胞活化增強破骨細胞活性[31]。Runx2 作為成骨分化過程中一個必要的轉錄因子，適量的Runx2 能提高PI3K 信號通路的活性[32]，VEGF 則可促進內皮細胞增殖及血管生成，加速骨形成及重建過程，通過增加成骨細胞的成骨活性，降低破骨細胞溶骨活性來促進骨形成及增加骨密度[33]。菟絲子活性成分通過調節這些靶標起到有效防治骨質疏松癥的作用。

3.4 主要通路分析

經KEGG 富集分析發現了91 條通路（P≤0.05），與菟絲子治療骨質疏松癥的相關通路有PI3K/Akt、MAPK、Wnt等。研究[34]表明PI3K/Akt信號通路在細胞增殖、細胞分化、黏附以及細胞凋亡過程中起重要作用；PI3K/Akt 信號通路能刺激成骨細胞的增殖和分化，也可以抑制成骨細胞凋亡[35]。激活PI3K/Akt 信號通路可使下游關鍵性控制凋亡的因子如：FoxO1、Bad、Caspase-9、和 GSK-3β 磷酸化，從而起到抗凋亡的作用[36-37]。PI3K/Akt 和 BMP 通路、Runx2、FoxO 信號通路也有著緊密聯系，骨形成蛋白(BMPS)作為重要的自分泌和旁分泌生長因子，由成骨細胞合成并釋放，在骨形成和骨骼修復過程中起著不可替代的作用[38]。MAPK信號通路在成骨細胞生長發育過程中起著重要作用，研究[39-40]證實MAPK 通過作用于成骨細胞來調節骨形成，激活p38/MAPK 可增強成骨細胞分化和增加骨量[41]。Wnt/β-catenin 信號通路在防治骨質疏松癥過程中發揮著重要的作用，軟骨細胞的增殖及分化，軟骨內骨化，骨痂的吸收、重塑和改建等過程離不開Wnt/β-catenin 信號通路的參與，這些過程可通過上調Runx2 實現[32,42]。菟絲子黃酮能調節去卵巢大鼠Wnt/β-catenin 信號通路相關因子β-catenin、OPG、RANKL、DKK1 的水平，從而增加骨密度，改善骨質疏松癥狀[43]。KEGG 結果表明治療骨質疏松的相關信號通路在一定程度上與其他信號通路間存在多種多樣的相互作用關系，提示治療骨質疏松時應在針對局部關鍵通路的基礎上，還需針對疾病產生的原因、疾病發展狀態、機體所處環境，進行多系統干預，這也體現了中醫藥治療疾病時追求的治病求本、標本兼治的特色，進一步證明中藥可對多個靶標、多項通路進行綜合干預。

綜上所述，本研究采用網絡藥理學方法預測了中藥菟絲子預防及治療骨質疏松的復雜分子網絡關系，結果表明中藥菟絲子防治骨質疏松癥的活性成分可能有槲皮素、山奈酚、金絲桃苷、異鼠李素等，這些有效成分通過調控IL-6、Runx2、VEGFA、ESR1等靶點控制PI3K/Akt、MAPK、Wnt 等信號通路發揮藥效。確定了菟絲子治療骨質疏松的直接和間接調控靶標，以“有效成分-疾病靶標”為基礎分析出其可能的作用機制。為后續機制的探討和實驗設計的優化等提供了重要的理論基礎。本文也為相關作用機制的研究提供了思路和方法，尤其是分析中藥針對某種特定疾病的作用機制，說明網絡藥理學具有科學性和指導性，為后續深入探討菟絲子治療骨質疏松癥的作用機制提供了依據。同時，網絡藥理學也存在局限性：無法解決藥物代謝動力學、時辰藥理學等過程中可能發生的動態變化，因此部分預測結果及作用機制還需通過實驗考察證實，從而完善中藥治療疾病相關機制的研究。本課題組接下來將考察菟絲子對關鍵蛋白及基因的調控，深入揭示菟絲子治療骨質疏松癥的作用機制，旨在為菟絲子防治骨質疏松類新藥的機制研究及開發利用提供參考。