基于R語言數(shù)據(jù)挖掘中藥治療糖尿病足潰瘍的用藥規(guī)律探析

周丁鵬 何於成 李開燕 曾昭洋

甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000

糖尿病足潰瘍(diabetic foot ulcer，DFU)是糖尿病最嚴重的并發(fā)癥之一。發(fā)病機理主要是神經和血管病變導致下肢感染和潰瘍形成，造成深層組織破壞和肌腱變性壞死，致殘和致死率高[1]。西醫(yī)學治療DFU主要在控制血糖的基礎上以“創(chuàng)面床準備工作”：清創(chuàng)、負壓治療為主，局部容易產生抗藥性，并不能完全消除創(chuàng)面，保濕不理想[2]。DFU屬于中醫(yī)“脫疽”“筋疽”等概念的范疇。臨床研究[3]表明，糖尿病足潰瘍初期大多以濕熱毒盛證為主，中期以氣血虧虛為主，后期多為氣陰兩虛，中醫(yī)辨證論治通過整體性、多靶點施治同時配合中藥外用制劑對于糖尿病足取得了一定臨床療效[4]，豐富了治療DFU的臨床手段。中藥內服可提高人體正氣并有效減輕DFU創(chuàng)面感染導致的內外毒素，發(fā)揮“減毒增效”作用進而有效促進DFU創(chuàng)面的愈合。但目前各醫(yī)家治療DFU方藥多樣化，并未有統(tǒng)一的標準模式，進行數(shù)據(jù)挖掘歸納分析具有重要意義。本次研究通過國內外常用文獻數(shù)據(jù)庫篩選出治療DFU的方劑，借助R語言軟件進行數(shù)據(jù)挖掘分析用藥規(guī)律，為DFU臨床治療和新藥的研發(fā)提供新的思路。

1 資料和方法

1.1 文獻來源 檢索知網，中國生物醫(yī)學、維普、萬方、PubMed共5個數(shù)據(jù)庫收集中藥或中成藥治療DFU的文獻，通過主題詞和自由詞組合的方式，限定中文檢索關鍵詞為“糖尿病足潰瘍”“糖尿病足”“糖尿病腳”“中藥” “草藥” “中成藥”“湯” “散”“丸”；英文檢索詞為“Traditional Chinese Medicine” “Herbal Medicine” “diabetic foot ulcer” “diabetic foot” “diabetic feet”。檢索年限限定為建庫至2022年12月。

1.2 選擇文獻標準

1.2.1 文獻納入標準 ①研究類型：關于治療DFU的臨床試驗和臨床經驗總結的文獻；②研究對象：臨床上明確診斷為DFU的患者；③干預措施：文獻中明確以中藥、草藥、中成藥、湯、散、丸為主要治療手段的文獻。④同一種方藥信息不同文獻，選取時間最近的文獻選入；⑤文獻中多種證型，按照證型分類記錄。

1.2.2 文獻排除標準 ①實驗研究，綜述，指南等文獻；②合并其他類型并發(fā)癥的文獻；③文獻中沒有具體藥物及藥物不全面的文獻。

1.3 藥物名稱規(guī)范 參照《中華人民共和國藥典》[5](2020年版)和2007年版《中藥學》[6]的中藥名稱對所有的藥物名稱進行規(guī)范處理，如“生黃芪”統(tǒng)一規(guī)范為“黃芪”，“當歸尾”和“當歸身”統(tǒng)一規(guī)范為當歸；“元參”統(tǒng)一規(guī)范為“玄參”，對于因炮制方法不同而藥效有差異的藥物予以保留，如“地黃”與“熟地黃”等。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 本研究運用 R 語言(v3.6.1)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。運用ggplot 2函數(shù)對數(shù)據(jù)進行頻次分析，運用corrplot函數(shù)對數(shù)據(jù)進行相關分析，運用GMM算法對數(shù)據(jù)進行聚類分析，選取最佳聚類數(shù)目，直觀歸納總結組方規(guī)律。

2 結果

2.1 納入文獻情況 初步檢索獲得8710篇文獻，其中有中文文獻8539篇，英文文獻297篇。初步篩選先刪除重復文獻后剩余2574篇。然后閱讀題目和摘要再次刪除不相關文獻2218篇。進一步閱讀全文進行篩選，刪除不符合納入標準的文獻33篇文獻，最終獲得了323首方藥信息。

2.2 用藥頻次統(tǒng)計 對323首方藥進行分析，共涉及藥物為71味，用藥頻次≥20的共有44味。詳見表1。

表1 藥物頻次統(tǒng)計表

2.3 用藥四氣五味歸經統(tǒng)計 對所使用的71味中藥進行四氣五味歸經分析，其中四氣中使用頻率最高的以溫(1423次，45%)，寒(1093次，35%)為主；五味中使用頻率最高的以甘(1569次，34%)，辛(1258次，27%)，苦(1090次，24%)為主。歸經中使用頻率最高的以肝(1706次，%)，脾(1265次，17%)，心(1235次，16%)，肺(1044次，14%)為主。如圖1、圖2所示。

圖1 處方中藥四氣、五味所占比重圖

圖2 處方中藥歸經統(tǒng)計圖

2.4 藥物功效分析 用藥頻次≥20的44味中藥進行藥物功效分析，其中使用頻率最高以補虛藥(791次，30.3%)、活血化瘀藥(781次，29.9%)和清熱藥(630次，24.2%)為主。主要藥物功效類別見表2。

2.5 關聯(lián)分析 對323首方劑進行組方規(guī)律分析，對使用頻次≥20次的44味藥物進行關聯(lián)規(guī)則分析，設置參數(shù)標準是置信度為0.9，支持度為0.2，提取排名前20條關聯(lián)規(guī)則，最小提升度為1.030，各項提升度均>1，提示均為有效關聯(lián)規(guī)則，詳見表3。用 R包“arules”“arulesViz”對關聯(lián)規(guī)則進行可視化，繪制網狀圖與分組矩圖并予以展示。網狀圖反映藥物提升度、置信度之間的關系；以橫坐標為藥物組合，置信度為縱坐標進行關聯(lián)分析可得到散點圖。如圖3、圖4所示。

表2 44味中藥功效類別統(tǒng)計表

表3 20項有效關聯(lián)規(guī)則表

表3(續(xù))

圖3 分組矩圖

圖4 網狀圖

2.6 聚類分析 本研究對使用頻次>20次的44味中藥進行聚類分析，運用GMM 算法來確定最佳聚類數(shù)目，GMM算法不僅對數(shù)據(jù)進行了簇集分類，同時可計算數(shù)據(jù)歸于某一簇集的概率，GMM假設的模型分布與數(shù)據(jù)的真實分布一致性更強(基于集成GMM聚類的少標記樣本圖像分類)運用mclust 函數(shù)對高頻中藥進行聚類數(shù)目測試，結果提示共得到6種模型1～9組的分析結果，當聚類數(shù)目為 3 時聚類結果最佳。如圖5所示。并運用pheatmap 函數(shù)通過樹狀圖層次結構將結果進行展示，如圖6所示。根據(jù) GMM 算法將樹狀圖分為藥物特征相近的3類，第一類有5味中藥，分別是當歸、黃芪、丹參、牛膝、赤芍；第二類有53味中藥，分別是白芷、皂角刺、柴胡、大棗、生姜、半夏、枳殼、黃精、五味子、虎杖、車前子、梔子、人參、干姜、白芥子、麻黃、土茯苓、黃芩、茵陳、大黃、延胡索、石斛、附子、細辛、山茱萸、牡丹皮、知母、全蝎、肉桂、薏苡仁、陳皮、澤瀉、蜈蚣、忍冬藤、穿山甲、三七、太子參、連翹、蒲公英、紫花地丁、沒藥、乳香、天花粉、黃連、山藥、葛根、麥冬、蒼術、黃柏、白術、黨參、茯苓、熟地黃；第三類有12味中藥，包括川芎、桃仁、紅花、白芍、桂枝、金銀花、地黃、水蛭、雞血藤、地龍、甘草、玄參。

圖5 最佳聚類數(shù)目圖

圖6 聚類分析樹狀圖

3 討論

數(shù)據(jù)挖掘技術可以通過歸納總結當代醫(yī)家的用藥習慣，從而發(fā)現(xiàn)其中用藥規(guī)律，為治療糖尿病足提供思路。R語言主要應用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖領域[7]，相較于中醫(yī)藥數(shù)據(jù)挖掘領域常使用的中醫(yī)傳承輔助平臺，R語言通過借助強大的可視化技術，可直觀反映中藥之間潛在的聯(lián)系[8-9]。本次研究利用R語言數(shù)據(jù)挖掘平臺對數(shù)據(jù)庫搜集到323首方藥信息進行數(shù)據(jù)分析，探討中藥治療DFU的用藥規(guī)律和其核心組方。以期發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律并從中獲得研究價值，為糖尿病足潰瘍的診療提供新的思路。

對藥物使用頻次≥20的中藥進行頻次分析。結果顯示用藥頻次最高的藥物依次為當歸、黃芪、牛膝、丹參、赤芍、川芎、紅花、玄參、甘草、金銀花10味藥。當歸、黃芪二者性味均甘、辛、溫。其中當歸活血補血，黃芪補氣生血。現(xiàn)代藥理研究表明，黃芪注射液可抑制NDC1/p53通路，可提高細胞活力的同時進一步增強細胞的抗氧化能力[10]，當歸的有效成分阿魏酸和當歸多糖等具有抗氧化的作用，與黃芪有效成分協(xié)同可調節(jié)免疫力、改善血液循環(huán)等。對于糖尿病及并發(fā)癥病變有良好的作用[11]。牛膝性平，苦、甘、酸，逐瘀通經，具有抗炎鎮(zhèn)痛和調節(jié)免疫的作用[12]。適用于DFU筋絡不通，血瘀脈絡之象。赤芍為苦寒之藥，清熱活血。有研究[13]表明，赤芍具有抑制炎性水腫、炎性滲出和抑制血小板聚集作用。丹參、川芎、紅花同屬活血調經類藥物，歸心、肝經，皆行氣活血，散瘀止痛，配伍共奏活血化瘀之功。其中丹參主要成分丹參酮類和丹酚酸類可發(fā)揮抗炎、抗氧化及促進纖維蛋白降解和抑制膠原纖維產生等多方面作用[14]。玄參苦寒之品，具有抗炎、免疫增強等作用，玄參中的成分玄參多糖可明顯降糖、成分桃葉珊瑚苷能夠提高CAT、GSH-Px及SOD的活性，對SZT誘導的大鼠具有抗糖尿病作用[15-16]。金銀花性甘、寒，清熱解毒，現(xiàn)代藥理學研究[17]表明，金銀花可發(fā)揮抗炎、抗氧化及降血脂、降血糖等作用。甘草甘、平，益氣健脾，甘草中的黃酮類化合物可抗炎，降血糖、調血脂[18]，與其他中藥一起配伍有調和諸藥之功，被廣泛應用于治療DFU的方劑之中。

對藥物使用頻次頻次≥20的中藥進行功效分析。糖尿病足潰瘍主要使用補虛藥、清熱藥及活血化瘀藥物。補虛藥中主要以補血、氣藥為主。清熱藥以清熱解毒藥物及清熱涼血藥物為主。研究表明，黃芪-當歸具有抗炎及促進免疫增強的作用[19]。清熱類藥物可清除代謝廢物，保護血液循環(huán)維持內環(huán)境平衡，有助于DFU患者的預后[20]?；钛鲱愃幬镏骰钛?，疏通經絡瘀血。現(xiàn)代研究[21-23]表明，瘀血阻絡是導致糖尿病血管神經并發(fā)癥產生和加重的根本原因，使用活血化瘀通絡治療方法在防治糖尿病及并發(fā)癥具有重要意義。以上藥物配伍符合中藥內服治療糖尿病足潰瘍多為溫補同時配合清熱解毒、活血化瘀的治則[24]。所使用藥物功效以滋補氣血、活血化瘀、清熱解毒為主，與臨床上“虛、瘀”致毒理論具有一致性[25]。

對藥物使用頻次≥20的中藥進行性味歸經分析。所使用藥物的藥性主要是溫、平和寒，藥味主要包括甘、辛、苦。DFU病機以“本虛”為主，因此，使用藥物藥性多為溫、平。辛能行能散，苦能收斂，所以治療藥物主要以辛溫發(fā)散的辛溫藥和苦寒藥最為多見。符合DFU病機中以血瘀、燥熱等“標實”。DFU歸經主要是肝、脾、肺為主，印證了中醫(yī)治療DFU從肺、脾論治的理論[26]。

對藥物關聯(lián)規(guī)則進行分析。結果顯示{地黃，牛膝}=>{當歸}，{地黃，牛膝}=>{黃芪}，{當歸，黨參}=>{黃芪}是支持度最高的組合。這些組合中，以黃芪、當歸為主藥。當歸、黃芪補氣生血，凸顯在藥物使用和搭配中的重要性。和當歸、黃芪搭配使用的藥物多為補虛藥及清熱藥。在中藥配伍方面，當歸、黃芪、黨參、地黃、牛膝是重要的配伍。它們之間具有強關聯(lián)性。地黃-牛膝-當歸，地黃-牛膝-黃芪兩組藥對在補氣活血的同時，兼補益肝腎，清熱解毒涼血。牛膝引血下行；地黃歸心、肝、腎經，主清熱涼血解毒。黨參性平、甘，歸脾、肺經，補中益氣，健脾益肺。黨參和黃芪配伍使補氣之力更強。上述藥物共同配伍，主要針對DFU瘡瘍日久，肝腎虧虛為本、燥熱、血瘀，毒凝為標的基本病機，通過補氣生血健脾以扶正，清熱解毒活血以祛邪從而發(fā)揮作用。

對藥物使用頻次頻次≥20的中藥進行層次聚類分析，層次聚類結果為三類。聚一類為5味中藥。其中黃芪味甘、性平，當歸味甘、辛，性溫，二者合用，補氣生血、補血活血，是當歸補血湯的組成成分。此方源于《內外傷辨惑論》。中醫(yī)學認為瘡瘍潰后，久不愈合，亦為氣血不足。用本方補氣生血，托瘡生肌，瘡自收口愈合[27]。DFU發(fā)病是因為臟腑及氣血陰陽的病變，導致氣血虧虛及經絡氣血運行不暢，未能濡養(yǎng)肢體遠端從而發(fā)生壞死。臨床研究發(fā)現(xiàn)，DFU患者潰瘍面大多合并感染，創(chuàng)面潰瘍流膿，預后不佳。甘肅地區(qū)地道藥材中隴西黃芪，岷縣當歸品質上乘，在DFU的治療中二者配伍可發(fā)揮“減毒增效”的作用。現(xiàn)代研究[28]也表明，當歸補血湯不僅可以增加外周血流量、改善微循環(huán)，還可通過抑制iNOS mRNA表達，延緩高糖狀態(tài)下的足部病變，促進潰瘍面的修復。聚二類共有53味中藥，考慮該類53味中藥與DFU的臨床治療有較小的關聯(lián)性，暫不納入的核心中藥處方。聚三類為12味中藥。其中川芎、紅花、桃仁等活血化瘀藥物多歸于肝經，臨床中多見DFU患者患肢脈絡血瘀，血液循環(huán)受阻，加重了潰瘍感染及肢端壞死。臨床用方中應用活血化瘀類藥物可明顯改善患者的預后[29]。其中水蛭、地龍等蟲類藥物為血肉之品，喜攻逐走竄、破血通絡，根松透邪，追拔沉混氣血之邪[30]。消渴病病程較長，久病入絡，絡脈易瘀，故瘀血阻滯絡脈是其病機的又一重點，因此蟲類藥物被臨床廣泛用于治療糖尿病周圍血管病變。同時有研究表明，李顯筑等[31]研究顯示予九蟲丹(水蛭、地龍、桂枝、玄胡等)給糖尿病周圍神經病變模型大鼠灌胃8周，大鼠血清T-SOD活性提高，MDA含量降低，可以明顯改善糖尿病周圍神經癥狀。其中甘草、金銀花、玄參可與當歸共同組成四妙勇安湯。該方來源于《驗方新編》卷二，方中四藥合用，具有清熱解毒和活血通脈之功效，使毒去膿消，并收斂破潰口。中醫(yī)理論認為糖尿病壞疽的病因病機多為氣陰虧虛，外感邪毒，治療當以標本兼治，化瘀通脈和去腐生肌為主，辨證分型以濕熱毒盛證最為多見。四妙勇安湯是治療熱毒熾盛之脫疽的經典名方，歷代醫(yī)家應用于治療脫疽屢見奇效[32]。

綜上所述，本研究通過應用R語言挖掘分析DFU證治規(guī)律，DFU的病機主要為本虛標實，本虛是氣血虧虛，標實多為燥熱、血瘀等為主。證型以氣血虧虛最為多見，方劑多為自擬方。主要治則是補益氣血的同時兼活血化瘀、清熱解毒涼血，常常使用的藥物以補虛藥、清熱藥、活血化瘀藥為主，通過關聯(lián)和聚類分析得到了2個新的處方，可以為中醫(yī)藥治療DFU提供新的思路和參考依據(jù)。