基于知識發現工具Arrowsmith探索甜菜堿治療骨關節炎的潛在機制

湯 琳 郭永飛 于千策 曹洪欣▲

1.海軍軍醫大學圖書館，上海 200433；2.海軍軍醫大學附屬長征醫院骨科，上海 200003

隨著科學技術的快速發展， 專業分工越來越詳細，跨學科的交流越來越困難，而一個專業領域的信息可能對另一個專業領域有價值，存在著一些隱秘和有價值的相關性，并且常規方式無法檢索到這種相關性。 20 世紀80年代，有研究者提出了一種基于非相關文獻的知識發現方法，揭示了尚未在公開發表文獻中識別或發現的知識碎片之間的邏輯聯系，并提出了知識假設， 相應設計了知識發現工具Arrowsmith，旨在引導科研人員了解和發現不同學科與不同研究方向之間的潛在的、有科學價值的信息，從而進一步證實科學假設的可行性，為科研工作提供新的思路和方法。

骨關節炎是一種常見的運動系統退行性病變，又稱退行性骨關節病、退行性關節炎等，美國第三次全國健康與營養檢查結果顯示，膝關節骨關節炎的患病率約為12.1%。在我國，大約有5.7%的男性和10.3%的女性都患有不同程度的骨關節炎。 骨關節炎好發于膝、髖等負重關節，主要臨床表現為緩慢發展的關節疼痛、壓痛、僵硬、關節腫脹、活動受限和關節畸形等。 目前尚無有效的治療方法，主要采取非甾體藥物止痛等對癥處理，終末期行關節置換術，給患者及家庭、社會均帶來沉重負擔。

甜菜堿是一種從甜菜汁中提取的生物堿，研究表明甜菜堿能降低組織中核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）、轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、基質金屬蛋白酶（matrixmetallo proteinase-2，MMP-2）水平，具有抗炎、抗纖維化、抗腫瘤、減輕脂肪肝等多種作用，甜菜堿目前可用于治療非酒精性脂肪肝病、高半胱氨酸尿癥、肝纖維化等。若能證明其能夠抑制骨關節炎，則可以開發甜菜堿的臨床新用途。為了探討甜菜堿治療骨關節炎的可能靶點和作用機制， 本文以PubMed 中的文獻為分析對象，利用非相關文獻知識發現工具Arrowsmith，探索甜菜堿治療骨關節炎的潛在可能性，為骨關節炎的臨床研究提供新的方向。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標準

進入知識發現工具Arrowsmith 網站http://arrowsmith.psych.uic.edu，選擇Arrowsmith 工具進入其檢索界面，以甜菜堿（Betaine OR Lycine）作為集合A 的檢索詞，以骨關節炎（Osteoarthritis）作為集合C 的檢索詞進行檢索。

1.2 檢索策略

登陸Arrowsmith 網站，點擊“start”進入檢索界面。 以“Betaine OR Lycine [title/abstract]”為檢索式形成的文獻集作為來源文獻A，以“Osteoarthritis [title/abstract]”為檢索式形成的文獻集作為來源文獻C。 檢索時間范圍為2013年1月1日至2022年1月12日。

1.3 文獻篩選、資料提取

對A、C 兩個文獻集合的中間關聯詞進行挖掘并進行語義篩選，保留屬于“Chemicals＆Drugs”“Genes＆Molecular Sequences” 和“Gene＆Protein Names”語義類別的關聯詞，得到篩選后的關聯詞列表B。 按照相關度的高低排列，通過匯總頻率較高的詞匯得到當前研究熱點，并對相關度排序前40 的詞進行統計。

2 結果

檢索結果顯示集合A 包含8202 篇文獻，集合C包含25 000 篇文獻， 通過集合A 與集合C 得到與二者均有交集的關聯詞列表B。 連接兩個集合的中間詞表B 中共有11 767 個關聯詞， 經過語義篩選后得到最終的關聯詞詞表B，包含2244 個關聯詞。 把關聯詞按照相關度進行排序， 選出相關度≥0.9 的40 個關聯詞，結果見表1。

表1 關聯度≥0.9 的關聯詞

通過對以上關聯詞的分析、檢索，選取其中相關度最高的四個關鍵詞分別為“脂聯素（adiponectin，ADP）”“Toll 樣受體4/核因子-κB 信號通路（Toll-like receptor 4/nuclear factor-κB，TLR4/NF-κB）”“高同型半胱氨酸血癥（hyperhomocysteinemia，HHcy）”和“血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）”。

3 討論

3.1 甜菜堿可能通過提高血漿脂聯素水平治療骨關節炎

ADP 是脂肪組織特異性分泌的一種脂肪因子，通過與肝臟ADP 受體相互作用， 抑制肝臟三酰甘油的合成，促進三酰甘油氧化分解。 國內有學者認為ADP在骨關節炎的進展中起保護作用，檢測關節液中ADP水平高低對判斷骨關節炎病變的嚴重程度有幫助，低水平的ADP 患骨關節炎的風險更大，ADP 可作為一種潛在的評估骨關節炎癥狀嚴重程度的生物標記物。

ADP 具有增加小鼠軟骨細胞增殖、蛋白多糖合成、基質礦化，并上調Ⅱ型和Ⅹ型膠原表達的作用，在軟骨細胞中，ADP 可能通過誘導金屬蛋白酶組織抑制因子-1 和金屬蛋白酶組織抑制因子-2 的產生及抑制血清白介素-1β 所誘導基質金屬蛋白酶-13 的產生，起到對抗骨關節炎的保護性作用。 國外學者通過對骨關節炎軟骨進行生物化學分析，發現患者關節液中的ADP 呈高度表達， 而在血清中的ADP 水平與C-反應蛋白水平為負相關關系， 可見ADP 可抑制和減緩骨關節炎的炎癥反應， 證實了ADP 對軟骨的保護作用。

國內有學者探討了ADP、瘦素和腫瘤壞死因子與酒精性脂肪肝嚴重程度的相關性，發現甜菜堿可以使酒精性脂肪肝甘油三酯減少，血清、肝臟ADP 增高。國外有學者研究發現， 在高脂飲食中添加甜菜堿可以減輕高脂肪誘導的脂肪組織4-羥基壬烯酸的增加并且減輕血漿ADP 的下降。 因此可以推測，甜菜堿可能通過提高血漿ADP 水平發揮對骨關節炎的保護作用。

3.2 甜菜堿可能通過抑制TLR4/NF-κB 信號通路治療骨關節炎

TLR4 是一種模式識別受體，識別包括脂多糖在內的多種配體，當與相應配體結合后，招募下游信號分子觸發一系列的信號級聯反應，最終活化NF-κB，從而促進炎癥因子基因表達的激活、炎癥因子產生和釋放，因此，抑制TLR4/NF-κB 信號通路能降低炎癥因子的釋出，緩解骨關節炎病理癥狀。

國外有學者分別對源于類風濕關節炎、骨關節炎和健康人滑膜組織中的TLR 水平進行免疫熒光測定， 結果發現類風濕關節炎滑膜組織中TLR 表達水平最高，骨關節炎滑膜組織中亦有升高，但幅度小于類風濕關節炎，而正常人滑膜中幾乎沒有檢測到TLR表達， 說明TLR 存在并過度表達于骨關節炎滑膜組織。 國外另有學者分別檢測了類風濕關節炎、骨關節炎和健康人滑膜組織中成纖維細胞的TLR mRNA表達情況，發現類風濕關節炎、骨關節炎滑膜組織中成纖維細胞的TLR3mRNA 和TLR4mRNA 表達明顯升高，結果表明骨關節炎患者廣泛表達TLR4。TLR4表達于骨關節炎組織且其表達水平較正常軟骨組織明顯提高，NF-κB 通路可通過CD14/TLR4 早期激活進而觸發滑膜分泌炎癥因子血清白介素-1β、α 型腫瘤壞死因子、基質金屬蛋白酶-13、血小板反應蛋白及整合素金屬肽酶4，Ⅲ型前膠原氨基端和透明質酸增加并介導骨關節炎的發生。

甜菜堿可以顯著減少促炎細胞因子的產生，增加抗炎細胞因子的釋放，通過減少誘導型一氧化氮合酶和CD16/32 抗體的表達， 增加CD206 和精氨酸酶-1的表達， 促進小膠質細胞從M1 表型向M2 表型的轉化， 通過抑制TLR4-Myd88 的表達來抑制TLR4/NFκB 通路。 因此可以推測，甜菜堿可能通過抑制TLR4/NF-κB 通路，降低炎癥因子水平，發揮治療骨關節炎的功效。

3.3 甜菜堿可能通過抑制HHcy 的發生降低骨關節炎發病風險

同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）是體內甲硫氨酸代謝的中間產物。 正常情況下，Hcy 的生成和代謝保持著動態平衡，先天或后天因素導致代謝途徑中的酶缺乏或失活，或輔助因子葉酸、維生素B、維生素B等缺乏可導致HHcy 的發生。

甜菜堿可有效地抑制由胍基乙酸添加、胱硫醚—合成酶缺乏、葉酸缺乏導致的HHcy 的發生。甜菜堿降低血漿中Hcy 的濃度，抑制HHcy 發生的作用機制可能是以下兩條代謝通路協同作用的結果：一是甜菜堿的添加有效地恢復了由蛋氨酸導致的體內甜菜堿的過度消耗， 同時激活肝臟甜菜堿Hcy 甲基轉移酶，直接促進了同型半胱氨酸在其催化下的再甲基化，從而降低了肝臟和血液中Hcy 的濃度；二是甜菜堿通過促進肝臟S-腺苷甲硫氨酸濃度升高， 激活肝臟胱硫醚-β-合成酶，進而促進胱硫醚的合成，降低肝臟和血液中Hcy 的濃度，從而抑制HHcy。

發表在SCI 期刊《Redox Biology》的論文指出Hcy通過抑制SIRT1/AMPK 通路導致軟骨細胞功能障礙和氧化應激，提示HHcy 和骨關節炎之間可能存在聯系。 Hcy 的異常表達可能會誘導線粒體功能障礙和骨代謝紊亂，沉默信息調節因子1（silence information regulator 1，sirtuin 1，SIRT1）和AMP 激活蛋白激酶是調節線粒體生物合成的兩個關鍵傳感器，已被公認是骨關節炎的治療靶點，Hcy 抑制SIRT1/AMPK/PGC-1α/PPAR-γ 通路后，NF-κB 和基質金屬蛋白酶-13 的表達升高， 從而對軟骨細胞造成有害影響， 而Hcy SIRT1 低表達可能有助于軟骨的降解過程，這為骨關節炎的病因提供了線索。 綜上所述，可以推測甜菜堿可能通過降低血漿中Hcy 的濃度， 抑制HHcy 發生，從而降低骨關節炎的發病風險。

3.4 甜菜堿可能以血管內皮生長因子為靶點通過抗血管生成治療骨關節炎

VEGF 是1989年由Ferrara 等在牛垂體濾泡星形膠質細胞體外培養液中分離純化出來的，是作用于血管內皮細胞的生長因子，也是目前發現的最強烈的增加血管通透性物質之一，其增加血管通透性是通過增加內皮細胞的間隙實現的。 在整個骨關節炎的病理過程中，VEGF 起到促進血管生成和增加血管通透性的作用， 它是骨關節炎發展過程中滑膜細胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎癥遞質，在骨關節炎患者中，滑膜的增生、浸潤以及后來出現的軟骨和骨破壞均依賴于滑膜內血管的生成。 骨關節炎血管生成不僅可導致炎癥，更重要的是通過新生血管轉運炎癥因子致使炎癥反應得以持續， 在軟骨發育的過程中，VEGF 不僅在促進新生血管形成上有重要意義，還在維持軟骨細胞的存活及加快骨轉換等方面發揮十分重要的作用。 關節軟骨由于能夠產生血管生成抑制劑， 促血管生成因子與抗血管生成因子存在動態平衡，所以正常的關節軟骨是沒有血管分布的，骨關節炎狀態下， 骨/軟骨接合處及滑膜中血管生成明顯增多，均表明VEGF 參與了這一過程。

另有研究表明，甜菜堿可顯著抑制微血管內皮細胞中VEGF 誘導Akt 和ERK 通路磷酸化。 甜菜堿通過抑制活性氧介導的VEGF 信號傳導，對新生血管形成發揮抗血管生成的作用。 甜菜堿可能是一種有效的抗血管生成藥物。 綜上可以推測，甜菜堿有抑制新生血管生成的作用， 可能以VEGF 及其受體為靶點，通過抗血管治療達到對骨關節炎的抗炎效果。

3.5 小結

隨著互聯網和信息技術的高速發展，科研人員的文獻獲取能力正逐步加強，已經不滿足于單純的相關文獻分析方法。 Arrowsmith 作為一種能夠識別不同學科、不同研究領域之間潛在關聯的非相關文獻知識發現工具， 可以挖掘看似不相關的文獻之間的隱藏關聯，拓展了知識發現的邊界，可提高科研工作效率、縮短科研周期，對于輔助科研具有重要意義。

在PubMed 中檢索“（Betaine OR Lycine）AND Osteoarthritis”僅有5 篇文獻（檢索日期范圍是2013年1月1日—2022年1月12日），其中1 篇主要論述了甜菜堿治療骨關節炎的機制， 于2021年9月已發表于SCI 期刊《Frontiers in Pharmacology》，該論文研究發現，甜菜堿可通過抑制軟骨下骨破骨細胞生成和血管生成來減輕骨關節炎。 而本文應用非相關文獻知識發現的方法， 利用Arrowsmith 工具對PubMed 中甜菜堿和骨關節炎的英文文獻進行分析，探討了甜菜堿治療骨關節炎的可能機制。甜菜堿治療骨關節炎的機制可能與血漿脂聯素水平、TLR4/NF-κB 通路、HHcy以及VEGF 相關。

然而非相關文獻知識發現方法也存在著一些不足， 此方法只是基于文獻挖掘所推測得出的結論，是基于文獻證據的假設，不能取代科研實驗。 它實質上可以理解為是對傳統檢索的一種補充，引導專業人員進一步深入檢索相關領域的知識。 Arrowsmith 工具中的關聯詞B 集合存在著數量龐大、相關度準確性不夠高的問題，且詞與詞之間的聯系要依賴原文背景才能解讀其實際意義，因此想要深入研究非常困難。 盡管Arrowsmith 工具有不足之處，但它從某種角度上講可以直接促使新知識的產生， 促進知識構建與傳承，對科研創新具有重要意義，除了在生物醫學領域運用以外，在其他學科領域也將會有廣泛的應用價值和發展潛力。