運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)算法分析新型冠狀病毒肺炎中藥預(yù)防方的組方規(guī)律

錢永昌 俞 芹 何建華 李月琴 王 蔚

（泰州市姜堰中醫(yī)院，江蘇泰州225500）

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱新冠肺炎）可歸屬于中醫(yī)學(xué)“疫病”范疇，中醫(yī)藥在防疫抗疫中發(fā)揮了重要作用。治未病是中醫(yī)特色，針對新冠肺炎的預(yù)防，部分地區(qū)的疫情防控指南及方案中推出了中藥預(yù)防方，中醫(yī)專家也擬定了相關(guān)處方。基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的挖掘，是以復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系為社團結(jié)構(gòu)，研究網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點潛在的和整個網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的聯(lián)系和對整個網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)影響[1]。近年來，有人嘗試用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論解決中藥方劑配伍等復(fù)雜問題，為中藥方劑研究開辟了新方法[2]。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)能夠有效地挖掘方劑數(shù)據(jù)庫的中藥配伍規(guī)律，為方劑與中藥、方劑與病證、方劑與療法之間交錯關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)系輔以科學(xué)解釋，給中醫(yī)藥理論提供科學(xué)實證。

本研究我們收集新冠肺炎預(yù)防方，構(gòu)建若干相互作用的中藥節(jié)點及其關(guān)系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的聚類解析算法，計算各味中藥在該網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重參數(shù)，體現(xiàn)新冠肺炎預(yù)防處方中藥物之間的相互聯(lián)系及其規(guī)律，為進一步提煉和優(yōu)化預(yù)防新冠肺炎等疫病的中藥方劑提供支持。

1 研究資料

收集2020年1月至2020年6月全國各地預(yù)防新冠肺炎的中藥處方，包括國家及地方政府、衛(wèi)生行政部門發(fā)布的疫情防控指南及方案中所列預(yù)防方劑以及高等中醫(yī)藥院校、院士、國醫(yī)大師、三級中醫(yī)醫(yī)院發(fā)布的預(yù)防方共88首（見表1，按處方來源以收集時間先后為序），方劑組方思路各異，藥物組成不同，每方2～14味，共涉及109種中藥。

表1 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物組成

2 研究方法

2.1 統(tǒng)計中藥出現(xiàn)次數(shù)及配伍次數(shù) 對109種藥物在不同預(yù)防方中出現(xiàn)的次數(shù)，以條形圖形式在坐標(biāo)系上進行展示，橫坐標(biāo)是藥材名稱，縱坐標(biāo)是藥材在所有藥方中的出現(xiàn)次數(shù)，從左到右按降序排序。統(tǒng)計出現(xiàn)頻次較高的藥物與其他藥物的配伍數(shù)據(jù)，以條形圖形式在坐標(biāo)系上展示，橫坐標(biāo)是藥物名稱，縱坐標(biāo)是對應(yīng)藥材在所有藥方中與其他藥材搭配使用過的次數(shù)之和。

2.2 構(gòu)建預(yù)防方中藥網(wǎng)絡(luò) 將藥方中不同藥物之間的配伍繪圖表示，構(gòu)建新冠肺炎預(yù)防方中藥知識圖譜，通過網(wǎng)頁端圖譜界面展示，根據(jù)不同藥物之間聯(lián)系的強弱，對藥物進行分類。每一個節(jié)點代表一味中藥，每一條邊代表兩味中藥在同一藥方中出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率不同的藥物對應(yīng)的節(jié)點大小不同。對應(yīng)節(jié)點越大表示該藥物出現(xiàn)頻率越高，與其他藥物的聯(lián)系性越強；節(jié)點越小表示該藥物與其他藥物的聯(lián)系性越弱。

2.3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)定量參數(shù)分析 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的中心性數(shù)值包括度、度中心性、介質(zhì)中心性、接近中心性、特征向量中心性，均為衡量和評價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性綜合評價方法是將度中心性、接近中心性、介質(zhì)中心性綜合考慮[3]。度中心性是衡量節(jié)點中心性最直接的度量指標(biāo)，即一個節(jié)點的度中心性越大，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大。介質(zhì)中心性描述假設(shè)信息僅僅沿著最短路徑來傳播，越重要的節(jié)點與最短路徑聯(lián)系越緊密，經(jīng)過節(jié)點的最短路徑越多。接近中心性描述的是每個節(jié)點到其他節(jié)點的最短路的平均長度，也就是說對于某個節(jié)點而言，距離其他節(jié)點越近，那么它的中心度越高。特征向量中心性即在考慮自身位置的同時加入鄰居節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)貢獻程度的考量。

3 研究結(jié)果

3.1 新冠肺炎預(yù)防方中各藥物出現(xiàn)頻次 對109種藥物在新冠肺炎預(yù)防方中出現(xiàn)的頻次進行統(tǒng)計，其中出現(xiàn)頻次超過或等于4次的藥物見圖1。黃芪出現(xiàn)次數(shù)最多，為45次。

圖1 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物出現(xiàn)頻次（出現(xiàn)頻次≥4次的藥物）

3.2 新冠肺炎預(yù)防方中藥物配伍頻次 見圖2。黃芪、金銀花、防風(fēng)與其他藥物配伍頻次最高，均超過200次。

圖2 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物配伍頻次

3.3 新冠肺炎預(yù)防方藥物配伍關(guān)聯(lián) 新冠肺炎預(yù)防方藥物連接關(guān)系示意圖見圖3。黃芪、金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾等藥物出現(xiàn)頻率最高。根據(jù)圖譜可以清晰地觀察到藥物之間的聯(lián)系，可以迅速地找到所有與某味藥物有配伍關(guān)系的藥物。我們重點研究了與出現(xiàn)頻次最高的藥物黃芪相配伍的所有藥物，見圖4。與黃芪配伍頻次最多的藥物為金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾，這組藥物是預(yù)防新冠肺炎中藥復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的社團焦點，是預(yù)防方的核心藥物。

圖3 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物連接關(guān)系示意圖

圖4 88首新冠肺炎預(yù)防方中與黃芪配伍的藥物連接關(guān)系示意圖

3.4 新冠肺炎預(yù)防方中主要藥物網(wǎng)絡(luò)中心性數(shù)值 系統(tǒng)對新冠肺炎預(yù)防方和其中的藥物進行管理，完成對預(yù)防方的數(shù)據(jù)抽取，通過讀取EXCEL表格中新冠肺炎中藥配方的數(shù)據(jù)，對藥物的使用次數(shù)做出統(tǒng)計，并且計算出不同藥物的度、度中心性、中介中心性、接近中心性、特征向量中心性等，將藥物按中心性數(shù)值由高到低排序（主要按“度”排序，“度”相同時按權(quán)重較大的“介質(zhì)中心性”排序），前10位的中藥見表2。

表2 88首新冠肺炎預(yù)防方按中心性數(shù)值從高到低排序前10位藥物中心性數(shù)值

4 討論

新冠肺炎病位主要在肺，涉及脾胃，基本病因為感受濕毒，病機以濕、熱、毒、虛為主[4]。新型冠狀病毒首先利用自身的Spike蛋白與ACE2蛋白發(fā)生相互作用，從而侵入人體[5]。本病主要臨床表現(xiàn)為發(fā)熱、咳嗽和乏力，少數(shù)患者有惡心、嘔吐、腹瀉癥狀，逐漸出現(xiàn)呼吸困難。目前，對于新冠肺炎的治療仍沒有特效藥，而早預(yù)防、早治療能提高治愈率，降低病死率。

本研究結(jié)果表明，收集的88首新冠肺炎預(yù)防方藥物的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點中心性前5位的中藥分別為黃芪、金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾。其中黃芪是最重要的藥物，其他四味藥物是與黃芪配伍頻次最高的藥物。以黃芪為主藥的扶正固本之方劑立意體現(xiàn)了“正氣存內(nèi)，邪不可干”的中醫(yī)防疫理念，其作用也得到了相關(guān)實驗證明。

黃芪中的多種化學(xué)成分能夠增強患者的免疫功能。黃芪的多種活性單體均能夠通過作用于免疫功能相關(guān)通路（鈣離子信號通路、腫瘤因子相關(guān)作用通路、PI3K-Akt信號相關(guān)通路等）提高免疫細胞的吞噬能力和殺傷作用，增強機體對病毒的抵抗能力。研究表明，黃芪多糖能夠促進紅細胞生成，升高紅細胞比容及血紅蛋白數(shù)量，從而促進造血干細胞的分化與增殖[6]，推測其可改善新冠肺炎患者的凝血功能異常。黃芪總黃酮能夠通過增強超氧化物歧化酶（SOD）的活性，減少過氧化物對細胞膜的破壞，從而保護患者的肺組織[7]。采用GO富集分析發(fā)現(xiàn)，黃芪-白術(shù)的有效活性成分參與細胞因子受體結(jié)合、細胞因子活性、受體配體活性、磷酸酶結(jié)合等生物學(xué)過程，可能通過此發(fā)揮防治新冠肺炎的作用[8]。

金銀花清熱解毒，其不同部位的化學(xué)成分能夠顯著逆轉(zhuǎn)脂多糖誘導(dǎo)的炎癥因子釋放，產(chǎn)生抗炎作用，以防治新冠肺炎，且其能夠直接作用于病毒的復(fù)制過程。金銀花的主要成分綠原酸通過抑制白細胞介素（IL）-31、IL-33，減少炎癥趨化因子CCL7、CXCL8的釋放[9]。同時，綠原酸能夠直接作用于病毒RNA轉(zhuǎn)錄與翻譯等多個環(huán)節(jié)，抑制病毒復(fù)制，發(fā)揮抗病毒作用[10]。金銀花的有效成分木犀草素能夠顯著降低促炎因子IL-1、1L-6、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平，其對JNK、ERK、NF-κB等炎癥相關(guān)通路均有抑制作用[11]。此外，金銀花對免疫功能具有調(diào)節(jié)作用。金銀花多糖能夠增強NK細胞及巨噬細胞的殺傷作用和吞噬能力，促進淋巴細胞增殖，從而顯著減緩環(huán)磷酰胺導(dǎo)致的免疫抑制反應(yīng)[12]。有研究者將金銀花有效活性成分作用靶點與新冠肺炎進行分子對接后發(fā)現(xiàn)，木犀草素通過作用于炎癥相關(guān)通路、絲裂原活化蛋白激酶等靶點，參與廣譜抗毒、抑菌與免疫調(diào)節(jié)作用[13]。

甘草在臨床上常作為配伍藥物，發(fā)揮調(diào)和諸藥的作用。甘草具有抗腫瘤、抗炎、抗菌、抗病毒及調(diào)節(jié)免疫的藥理作用。研究者基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與分子對接分析，發(fā)現(xiàn)甘草作為新冠肺炎預(yù)防方中的關(guān)鍵藥物，主要發(fā)揮著調(diào)節(jié)炎癥和免疫應(yīng)答的作用[14]。甘草發(fā)揮抗炎作用的途徑廣泛，其有效活性成分亞油酸、色胺、白三烯、鞘氨醇等能夠作用于花生四烯酸、脂肪酸的代謝及磷脂的合成，抑制炎癥生成的多種途徑，產(chǎn)生強大的抗炎作用[15-16]。研究表明甘草水提物通過作用于Toll樣受體4信號通路，顯著抑制下游NF-κB、MAPK途徑所介導(dǎo)的IL-12炎癥因子釋放[17]。甘草及其有效成分能夠促進巨噬細胞和樹突狀細胞增殖與成熟，提高CD4+和CD8+水平，從而發(fā)揮調(diào)節(jié)細胞免疫應(yīng)答的作用[18]。

新冠肺炎患者多具有發(fā)熱癥狀，防風(fēng)為傳統(tǒng)的辛溫解表藥。多項發(fā)熱動物模型研究均表明，防風(fēng)的活性成分升麻素、升麻苷、5-O-甲基維斯阿米純苷等具有顯著的解熱作用。同時，防風(fēng)還具有抗炎、調(diào)節(jié)免疫的作用，可增強患者免疫能力，抵抗病毒入侵[19]。防風(fēng)的有效成分升麻苷及二氫吡喃色酮是發(fā)揮抗炎作用的主要成分，分別能夠降低環(huán)氧化酶-2（COX-2）和一氧化氮（NO）的表達[20]。研究發(fā)現(xiàn)防風(fēng)多糖具有促進Th1/Th2淋巴細胞亞群平衡的作用，可降低IL-4、IL-5炎癥因子，調(diào)控免疫應(yīng)答[21]。

貫眾為新冠肺炎預(yù)防方中的常見組成藥物，其乙醇提取物能夠通過阻斷ERK/AP-1、TBKA1/IRF3等通路發(fā)揮抗炎作用[22]。多項研究證實其對H1N1甲型流感病毒、H5N1流感病毒、AD3腺病毒、FM1流感病毒等多種病毒具有顯著的抑制作用[23]。GO和KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn)貫眾的活性單體槲皮素能夠顯著抑制新冠肺炎相關(guān)通路SAPK/JNK、p38、p44/p42，阻斷MAPK信號通路，從而降低體內(nèi)炎癥因子浸潤，有效減輕炎癥程度，保護肺組織[13]。

由于中藥復(fù)方防治新冠肺炎的相關(guān)研究涉及學(xué)科多，仍需進行廣泛而深入的實驗研究和臨床試驗，進一步優(yōu)化處方，明確中藥預(yù)防及治療新冠肺炎的安全性和有效性。

（志謝：感謝解放軍理工大學(xué)張宏軍教授為本文的數(shù)據(jù)挖掘提供的大力支持）