劉哲延,祁愛蓉
1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院,廣東 深圳 518000;2.深圳市中醫(yī)院,廣東 深圳 518033
糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)是臨床常見的糖尿病并發(fā)癥,主要表現(xiàn)為白蛋白尿排泄率持續(xù)增加和/或腎小球?yàn)V過率進(jìn)行性下降,是引起終末期腎病的主要原因。目前臨床治療主要以腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)抑制劑、利尿劑、控制血壓、控制血糖及生活方式干預(yù)等為主,若進(jìn)展至終末期腎病,則需通過血液透析,甚至腎移植來維持生命[1]。
研究表明,中醫(yī)藥治療DN可有效降低患者尿蛋白水平,改善腎功能,延緩病情進(jìn)展,提高患者的生活質(zhì)量[2]。健脾益腎方是廣東省名中醫(yī)李順民教授根據(jù)五臟相關(guān)理論歸納演繹出“脾腎相關(guān)理論”而創(chuàng)建的經(jīng)驗(yàn)方,由白術(shù)15 g、大黃15 g、丹參30 g、豆蔻10 g、甘草10 g、黃芪30 g、肉蓯蓉10 g、山藥15 g組成,臨床用于治療DN療效顯著,可改善DN患者水腫、降低水鈉潴留[3-5]。但其作用靶點(diǎn)及機(jī)制還有待進(jìn)一步挖掘。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)綜合醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物信息學(xué)等多學(xué)科,是一種基于疾病、藥物、化合物、基因靶點(diǎn)、蛋白相互作用的系統(tǒng)分析方法,可對(duì)中藥治療疾病的多成分、多靶點(diǎn)、多通路作用機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)、深入、整體分析[6]。本研究采用中藥復(fù)方網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法挖掘健脾益腎方活性成分、作用靶點(diǎn)及信號(hào)通路,探究其治療DN的作用機(jī)制,為健脾益腎方的臨床運(yùn)用及進(jìn)一步研究提供思路。
檢索TCMSP(https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)[7]中健脾益腎方組方藥物白術(shù)、大黃、丹參、豆蔻、甘草、黃芪、肉蓯蓉、山藥的化學(xué)成分,以口服生物利用度(OB)≥30%、類藥性(DL)≥0.18為條件[8],篩選健脾益腎方組方藥物活性成分。運(yùn)用TCMSP預(yù)測活性成分的對(duì)應(yīng)靶點(diǎn),并以現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)未預(yù)測的藥物活性成分和已驗(yàn)證的靶點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充。使用UniProt數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/)將所得靶點(diǎn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的基因名稱。
以“diabetic nephropathy”為檢索詞,檢索GeneCards數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org)、OMIM數(shù)據(jù)庫(http://omim.org)、DrugBank數(shù)據(jù)庫(https://go.drugbank.com/)、TTD數(shù)據(jù)庫(http://db.idrblab.net/ttd/)及DisGeNET數(shù)據(jù)庫(https://www.disgenet.org),獲得DN相關(guān)靶點(diǎn)。其中GeneCards數(shù)據(jù)庫設(shè)定Score大于中位數(shù)的靶點(diǎn)為DN潛在靶點(diǎn)[9]。合并目標(biāo)靶點(diǎn)并刪除重復(fù)值,得到DN相關(guān)靶點(diǎn),并利用UniProt數(shù)據(jù)庫將所得靶點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范化處理。
利用Venny2.1.0在線工具(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html),將活性成分靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)取交集,即為健脾益腎方治療DN的潛在靶點(diǎn)。
將藥物活性成分靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape3.9.1軟件,采用Bisogenet插件構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò),分別生成健脾益腎方活性成分靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)與DN靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò),并通過Merge功能提取2個(gè)PPI網(wǎng)絡(luò)的交集網(wǎng)絡(luò),利用Network Analyzer[10]及CytoNCA[11]插件計(jì)算交集PPI網(wǎng)絡(luò)的連接度(D)、介度(B)、緊密度(C)、網(wǎng)絡(luò)中心性(NC)、局部邊連通性(LAC)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)特征屬性值。以度值>2倍中位數(shù),D、B、C、NC、LAC>中位數(shù)的節(jié)點(diǎn)為核心靶點(diǎn)。
將交集靶點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Metascape數(shù)據(jù)庫(http://metascape.org/gp/index.html),以P<0.05且-log10Pvalue>0.2為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析,其中,GO功能富集分析包括生物過程(BP)、細(xì)胞組分(CC)、分子功能(MF)。采用微生信平臺(tái)(http://www.bioinformatics.com.cn/),對(duì)BP、CC、MF富集基因數(shù)排名前10位的條目和富集基因數(shù)前20位的KEGG通路進(jìn)行可視化展示。
運(yùn)用Cytoscape3.9.1構(gòu)建健脾益腎方治療DN“活性成分-靶點(diǎn)-信號(hào)通路”網(wǎng)絡(luò),并運(yùn)用Network Analyzer及CytoNCA插件計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)特征屬性值,篩選核心靶點(diǎn)和主要活性成分。
分別取“1.4”網(wǎng)絡(luò)及“1.6”網(wǎng)絡(luò)中度值排名前5位的靶點(diǎn)作為受體蛋白(共10個(gè)),以及“1.6”網(wǎng)絡(luò)中度值排名前5位的活性成分作為配體分子。從PubChem數(shù)據(jù)庫(http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)下載配體分子2D結(jié)構(gòu)信息,再利用Chem3D軟件將2D結(jié)構(gòu)保存為“pdb”格式,并進(jìn)行MM2能量最小化修飾。利用PDB數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/pdb)下載受體蛋白的3D晶體結(jié)構(gòu),并以PDB格式進(jìn)行保存。利用PyMOL4.6.0軟件對(duì)活性成分進(jìn)行加氫(加電荷)、定義原子類型等處理后,保存為“pdbqt”格式;對(duì)核心靶點(diǎn)進(jìn)行去水、加氫、定義原子類型,存為“pdbqt”格式。利用AutoDock Vina[12]進(jìn)行分子對(duì)接。預(yù)測配體小分子與蛋白結(jié)合能,選擇最低結(jié)合能為最優(yōu)構(gòu)象,利用PyMOL4.6.0軟件將對(duì)接結(jié)果進(jìn)行可視化展示。
檢索TCMSP,獲得健脾益腎方組方藥物活性成分188個(gè),其中白術(shù)4個(gè)、大黃7個(gè)、丹參59個(gè)、豆蔻12個(gè)、甘草88個(gè)、黃芪16個(gè)、肉蓯蓉3個(gè)、山藥11個(gè)。同時(shí)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),白術(shù)內(nèi)酯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為白術(shù)主要活性成分,具有抗炎性反應(yīng)、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、降血糖、調(diào)節(jié)免疫代謝等作用[13];黃芪中甜菜堿、黃芪多糖、黃芪甲苷具有抗炎、抗氧化、改善胰島素抵抗、抗應(yīng)激等多種活性作用[14-15],對(duì)DN的治療也起一定作用,故將以上成分補(bǔ)充納入。匯總后共獲得197個(gè)活性成分,其中10個(gè)成分為共有成分,見表1。獲得健脾益腎方活性成分作用靶點(diǎn)分別為:白術(shù)64個(gè)、大黃64個(gè)、丹參134個(gè)、豆蔻185個(gè)、甘草226個(gè)、黃芪276個(gè)、肉蓯蓉37個(gè)、山藥68個(gè),將靶點(diǎn)合并去重后,共獲得363個(gè)靶點(diǎn)。

表1 健脾益腎方組方藥物共有活性成分
檢索GeneCards數(shù)據(jù)庫、OMIM數(shù)據(jù)庫、DrugBank數(shù)據(jù)庫、TTD數(shù)據(jù)庫、DisGeNET數(shù)據(jù)庫分別獲得DN相關(guān)靶點(diǎn)3 397、256、42、22、567個(gè)。其中GeneCards數(shù)據(jù)庫將靶點(diǎn)Score值以中位數(shù)進(jìn)行2次篩選,得到靶點(diǎn)828個(gè)。經(jīng)合并去重后獲得DN靶點(diǎn)1 347個(gè)。
利用Venny2.1在線工具將健脾益腎方藥物活性成分靶點(diǎn)與DN相關(guān)靶點(diǎn)取交集,獲得157個(gè)交集靶點(diǎn)。
利用Cytoscape3.9.1的BisoGenet插件分別構(gòu)建健脾益腎方與DN的PPI網(wǎng)絡(luò),利用Merge功能提取兩者交集網(wǎng)絡(luò),得到交集靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò),共7 754個(gè)節(jié)點(diǎn)、186 599條邊。計(jì)算交集靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)特征屬性值,通過3次篩選,獲得核心靶點(diǎn)53個(gè),其中度值排名前5位的靶點(diǎn)分別為:TUBB、HNRNPK、NCL、PABPC1、DHX9,即為健脾益腎方治療DN的核心靶點(diǎn)。篩選策略見圖1,核心靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖1 健脾益腎方治療DN核心靶點(diǎn)篩選策略

圖2 健脾益腎方治療DN核心靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)
利用Metascape數(shù)據(jù)庫對(duì)157個(gè)交集靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能富集分析,得到BP條目2 094個(gè)、CC條目94個(gè)、MF條目167個(gè)。BP主要涉及對(duì)激素的反應(yīng)、細(xì)胞遷移的正調(diào)控、對(duì)無機(jī)物的反應(yīng)、對(duì)脂多糖的反應(yīng)、對(duì)細(xì)胞外刺激的反應(yīng)等;CC主要影響膜筏、囊泡腔、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、細(xì)胞外基質(zhì)、質(zhì)膜外側(cè)面;MF包括蛋白激酶結(jié)合、RNA聚合酶Ⅱ特異性DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、信號(hào)受體激活劑活性、heme血紅素結(jié)合、脂質(zhì)結(jié)合等多種蛋白、酶、脂結(jié)合。根據(jù)富集基因數(shù)篩選BP、CC和MF排名前10位的條目繪制條形圖,見圖3。

圖3 健脾益腎方治療DN靶點(diǎn)GO富集分析條形圖
KEGG通路富集分析獲得211條通路,主要涉及癌癥通路、糖尿病并發(fā)癥中的AGE-RAGE信號(hào)通路、癌癥中的蛋白聚糖、活性氧化物通路和HIF-1信號(hào)通路等。篩選富集基因數(shù)前20位通路繪制氣泡圖,見圖4。

圖4 健脾益腎方治療DN靶點(diǎn)KEGG通路富集分析氣泡圖
運(yùn)用Cytoscape3.9.1構(gòu)建健脾益腎方治療DN“活性成分-靶點(diǎn)-信號(hào)通路”網(wǎng)絡(luò),見圖5。計(jì)算相關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)特征屬性值。結(jié)果顯示,槲皮素、木犀草素、山柰酚、柚皮素、刺芒柄花素為健脾益腎方治療DN的主要活性成分,見表2。預(yù)測AR、PTGS2、ESR1、PTGS1、PPARG是健脾益腎方治療DN的核心靶點(diǎn)。

圖5 健脾益腎方治療DN“活性成分-靶點(diǎn)-信號(hào)通路”網(wǎng)絡(luò)

表2 健脾益腎方主要活性成分
將主要活性成分槲皮素、木犀草素、山柰酚、柚皮素、刺芒柄花素與核心靶點(diǎn)[TUBB(PDB ID:3S84)、HNRNPK(PDB ID:1J5K)、NCL(PDB ID:2FC8)、PABPC1(PDB ID:3KUJ)、DHX9(PDB ID:1UIL)、AR(PDB ID:1B0S)、PTGS2(PDB ID:1PXX)、ESR1(PDB ID:1A52)、PTGS1(PDB ID:1CQE)、PPARG(PDB ID:6FZY)]進(jìn)行分子對(duì)接,對(duì)接結(jié)果見圖6。

圖6 健脾益腎方治療DN主要活性成分與核心靶點(diǎn)分子對(duì)接熱圖
一般而言,配體與受體結(jié)合能與結(jié)合親和力成反比。在AutoDock環(huán)境下,結(jié)合能<-5 kcal/mol表明配體與受體結(jié)合活性較佳[16]。結(jié)果顯示,在50組對(duì)接中,最低結(jié)合能<-5 kcal/mol的有48組,提示靶點(diǎn)與活性成分間有較好的結(jié)合活性。分子對(duì)接構(gòu)象圖見圖7。

圖7 健脾益腎方治療DN主要活性成分與核心靶點(diǎn)分子對(duì)接構(gòu)象圖
DN屬中醫(yī)學(xué)“下消”“腎消”等范疇,由于長期消渴,致使臟腑功能紊亂,陰陽氣血虛衰所致。病變部位以肝、脾、腎三臟為主,痰、瘀、濕為病理因素。健脾益腎方由白術(shù)、黃芪、大黃、丹參、甘草、豆蔻、肉蓯蓉、山藥組成,有補(bǔ)脾益腎、化瘀祛濁之功。黃芪有補(bǔ)氣升陽、利水消腫作用,可有效改善DN患者腎功能,減少尿液微量白蛋白水平[17]。大黃有瀉下積食、逐瘀痛經(jīng)、利濕退黃之功,其活性成分大黃素可降糖、改善微循環(huán)、抗炎、調(diào)節(jié)免疫及降低尿蛋白水平[18]。山藥平補(bǔ)脾、肺、腎三臟,具有增加胰島素分泌、提高胰島β細(xì)胞機(jī)能、降低腎臟纖維化的作用[19]。丹參可活血調(diào)經(jīng)、涼血消癰、清心除煩,其有效成分丹參素可降低DN大鼠血糖,改善腎臟纖維化,保護(hù)腎臟[20]。白術(shù)健脾益氣、利水燥濕,可改善胰島素抵抗,提高胰島素敏感性,改善糖脂代謝[21]。豆蔻溫中行氣、化濕,可抑制腎組織細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[22]。
本研究得到健脾益腎方治療DN的主要活性成分為槲皮素、木犀草素、山柰酚、柚皮素、刺芒柄花素,均為黃酮類化合物,具有抗炎、抗氧化等功能。槲皮素可降低糖尿病模型大鼠血糖濃度[23],改善胰島素抵抗[24]。一項(xiàng)橫斷面研究發(fā)現(xiàn),中國人群中膳食槲皮素?cái)z入量與2型糖尿病患病率呈顯著負(fù)相關(guān)[25],其可通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化改善腎損傷,緩解腎纖維化,保護(hù)腎功能[23]。木犀草素可激活A(yù)MPK/SIRT-1/PGC1-α蛋白表達(dá),抑制高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞過度增生,促進(jìn)其凋亡,對(duì)DN腎損傷具有保護(hù)作用[26-28]。山柰酚可激活A(yù)MPK通路,減輕高糖條件下腎小球內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激及凋亡,對(duì)腎功能有保護(hù)作用[29]。柚皮素可通過改善氧化應(yīng)激、抑制細(xì)胞凋亡、減輕炎癥反應(yīng)等途徑,保護(hù)腎功能,減緩DN進(jìn)展[30]。芒柄花素可有效降低DN大鼠血糖和血脂,提高腎組織抗氧化能力,減輕DN氧化應(yīng)激引起的腎損傷[31]。
目前DN發(fā)病機(jī)制尚不明確,研究普遍認(rèn)為與分子遺傳學(xué)、代謝紊亂、血流動(dòng)力學(xué)異常、炎癥反應(yīng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激、自噬、外泌體等相關(guān)。根據(jù)靶點(diǎn)及通路特點(diǎn),本研究發(fā)現(xiàn),上述10個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)及關(guān)鍵通路的作用機(jī)制包括抑制炎癥、氧化應(yīng)激,調(diào)節(jié)代謝紊亂,調(diào)控細(xì)胞凋亡及自噬,推測健脾益腎方通過上述3條途徑發(fā)揮抗DN作用。
3.2.1 抑制炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng)
PTGS1、PTGS2是編碼相似酶的2個(gè)基因,可催化花生四烯酸轉(zhuǎn)化為前列腺素,是前列腺素生物合成中的關(guān)鍵酶,與炎癥反應(yīng)相關(guān)。ESR1是雌激素受體的主要類型,可上調(diào)內(nèi)皮型一氧化氮合酶mRNA水平,抑制炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng),從而改善腎臟損傷[32-33]。
HIF-1在機(jī)體抗缺氧防御系統(tǒng)中占據(jù)核心地位[34],在DN的過程中起重要作用。同時(shí)DN狀態(tài)下腎局部組織微循環(huán)障礙,導(dǎo)致體內(nèi)活性氧(ROS)產(chǎn)生過多,生成大量氧化的中間產(chǎn)物,通過ROS一系列的信號(hào)傳導(dǎo)途徑,導(dǎo)致腎足細(xì)胞損傷。
3.2.2 調(diào)節(jié)代謝紊亂
晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)是高糖狀態(tài)下,蛋白質(zhì)與葡萄糖等小分子發(fā)生非酶催化的糖基化反應(yīng)形成的產(chǎn)物,糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)是一種跨膜受體,能與AGEs特異性結(jié)合。AGEs可直接作用于腎臟,其在腎臟的積累是進(jìn)行性腎損害的主要原因[35],也能通過AGEs-RAGEs信號(hào)通路及下游信號(hào)通路,如p38、NF-κB、TGF-β1、VEGF等表達(dá),介導(dǎo)DN的發(fā)生[36-38]。
醛糖還原酶(AR)作為多元醇通路的限速酶,對(duì)通路的激活和DN的發(fā)展起重要作用。高糖狀態(tài)下AR活性增加,使多元醇代謝通路產(chǎn)生的山梨醇增加,并大量蓄積,造成細(xì)胞內(nèi)滲透壓增高、細(xì)胞破裂,從而誘發(fā)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,激活炎癥反應(yīng),損傷腎小球細(xì)胞[39]。
3.2.3 調(diào)控細(xì)胞凋亡及自噬
近年研究發(fā)現(xiàn),足細(xì)胞損傷是DN發(fā)生發(fā)展與轉(zhuǎn)歸的重要環(huán)節(jié),其中足細(xì)胞的自噬缺陷起關(guān)鍵作用[40]。在腎小球過濾的最后一道屏障中,足細(xì)胞與足突之間的裂孔隔膜是主要組成部分,足細(xì)胞增殖和凋亡對(duì)維持腎小球?yàn)V過屏障的完整性至關(guān)重要[41]。糖尿病患者體內(nèi)營養(yǎng)和能量過量會(huì)抑制自噬,并使足細(xì)胞出現(xiàn)功能障礙和細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致大量蛋白尿的發(fā)生和腎小球纖維化[42]。
TUBB是人類基因組中存在的β-微管蛋白編碼基因之一,參與細(xì)胞形態(tài)的維持及細(xì)胞有絲分裂等過程,與糖尿病發(fā)生發(fā)展相關(guān)[43]。TUBB還與脂代謝相關(guān)[44],DN患者長期血糖偏高,代謝障礙,血流動(dòng)力學(xué)改變,往往伴隨高脂血癥,加重腎損傷。NCL在纖維化、自噬、細(xì)胞凋亡等方面發(fā)揮作用,并且NCL參與肝臟糖代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控,改善胰島素抵抗、促進(jìn)肝臟糖原合成,改善高脂飲食誘導(dǎo)的糖代謝紊亂[45]。PABPC1是RNA結(jié)合蛋白,調(diào)控RNA與mRNA代謝,與細(xì)胞生長發(fā)育相關(guān),通過mTOR和AKT/MAPK信號(hào)通路調(diào)控細(xì)胞凋亡與自噬[46]。DHX9能通過多種癌癥途徑,如mTOR信號(hào)通路、p53通路等,參與調(diào)控細(xì)胞生命活動(dòng)。同時(shí)KEGG富集分析顯示,癌癥途徑是健脾益腎方治療DN的關(guān)鍵通路之一。此外,癌癥中蛋白聚糖通路也是重要通路。多項(xiàng)研究結(jié)果提示,糖尿病與多種腫瘤存在相關(guān)性,與本研究預(yù)測結(jié)果相符。高血糖環(huán)境下代謝障礙、ROS及AGEs產(chǎn)生增加,可能是導(dǎo)致糖尿病并發(fā)癥和腫瘤的相關(guān)機(jī)制[47-48]。
此外,本研究對(duì)關(guān)鍵活性成分與靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接,結(jié)果顯示,TUBB、HNRNPK、NCL、PABPC1、DHX9、AR、PTGS2、ESR1、PTGS1、PPARG關(guān)鍵靶點(diǎn)與槲皮素、木犀草素、山柰酚、柚皮素、刺芒柄花素分子對(duì)接較好。分子對(duì)接結(jié)果進(jìn)一步表明,健脾益腎方可通過多成分、多靶點(diǎn)對(duì)DN起到治療效果,并且通過分子對(duì)接驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測結(jié)果的可靠性。
綜上所述,健脾益腎方通過多成分、多靶點(diǎn)、多途徑發(fā)揮治療DN作用。本研究探究了健脾益腎方治療DN的作用機(jī)制,為臨床應(yīng)用及進(jìn)一步研究提供了思路。但本研究也存在一定局限性:①未考慮藥物在體內(nèi)代謝情況、藥物煎煮后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及藥物間的相互作用,因此無法全面獲得復(fù)方實(shí)際的有效成分。②受限于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫,后續(xù)還需進(jìn)一步更新及研究驗(yàn)證。