蔡菲菲,李曉燕,董 姝,魏 濱,季 青,陳啟龍,蘇式兵
(上海中醫(yī)藥大學中醫(yī)復雜系統(tǒng)研究中心 上海 201203)
基于網(wǎng)絡(luò)藥理學的茵陳蒿湯“異病同治”研究*
蔡菲菲,李曉燕,董 姝,魏 濱,季 青,陳啟龍,蘇式兵**
(上海中醫(yī)藥大學中醫(yī)復雜系統(tǒng)研究中心 上海 201203)
目的:采用網(wǎng)絡(luò)藥理學的方法,預測茵陳蒿湯的藥物活性成分、效應(yīng)靶點及潛在疾病,探討該方治療不同疾病濕熱證 “異病同治”的分子機制。方法:通過TCMSP、TCM Database@Taiwan、DrugBank等多個數(shù)掘庫,查找茵陳蒿湯中藥物的成分、靶點和相關(guān)疾病信息,運用Cytoscape軟件構(gòu)建中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)模型,并分析網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),通過DAVID網(wǎng)站對茵陳蒿湯作用的生物學過程和KEGG通路進行富集分析。結(jié)果:共查找到茵陳蒿湯中大黃、梔子和茵陳三味藥的272種化學成分,口服生物利用度(OB)≥30%和類藥性指數(shù)(DL)≥0.18,并能夠找到對應(yīng)靶點的活性成分有33種,對應(yīng)216個靶點蛋白與308種疾病,大于節(jié)點平均度的有81種疾病。與茵陳蒿湯相關(guān)的前三個生物學過程為對有機物質(zhì)的反應(yīng)、對細胞增殖的調(diào)節(jié)和對細胞凋亡的調(diào)控。顯著富集的前三個KEGG通路為癌癥通路、前列腺癌及胰腺癌。結(jié)論:本文基于網(wǎng)絡(luò)藥理學分析方法對茵陳蒿湯有了整體性的認識,有助于闡明茵陳蒿湯的組效關(guān)系,揭示其對于濕熱證異病同治的作用機制,以及發(fā)現(xiàn)新的潛在臨床適應(yīng)癥。
茵陳蒿湯 濕熱證 異病同治 網(wǎng)絡(luò)藥理學 中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)
茵陳蒿湯作為清熱利濕退黃的經(jīng)典方,最早見于漢代張仲景的《傷寒論》,由茵陳蒿、梔子和大黃三味藥組成,用于治療陽明病挾濕邪,熱郁于里,濕無出路,濕熱蘊結(jié)所致的身目發(fā)黃、小便不利、苔黃膩等的濕熱證。現(xiàn)代研究認為茵陳蒿湯具有利膽退黃,抗肝損傷,抗肝纖維化,降糖降脂,抗炎,保護胰腺組織,抗腫瘤以及免疫調(diào)節(jié)等作用,但其對于濕熱證型疾病的多組分、多靶點、多途徑、多效應(yīng)的作用機制尚未十分明確。隨著生物信息學和系統(tǒng)生物學的飛速發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)藥理學的分析為揭示中藥復方復雜的作用機制提供了新的方法[1]。同時,這種可持續(xù)發(fā)展的研究方法與豐富的中醫(yī)藥經(jīng)驗相結(jié)合,可以推動單藥物單靶點向多組分網(wǎng)絡(luò)靶點的研究模式的轉(zhuǎn)變[2]。本文依據(jù)中醫(yī)整體觀,采用網(wǎng)絡(luò)藥理學方法,構(gòu)建茵陳蒿湯“中藥成分-靶點-疾病”網(wǎng)絡(luò),挖掘茵陳蒿湯的活性成分、潛在作用靶點、相關(guān)疾病以及效應(yīng)機制,以期從網(wǎng)絡(luò)藥理學角度對茵陳蒿湯“異病同治”有新的認識和發(fā)現(xiàn)。
1.1 數(shù)據(jù)來源與處理
利用中藥化學數(shù)據(jù)庫TCMSP(http://lsp.nwsuaf. edu.cn/tcmsp.php)[3]、TCM Database @ Taiwan(http://tcm.cmu.edu.tw/)[4]、TCMID(http://www. megabionet.org/tcmid/)[5]、HIT (http://lifecenter. sgst.cn/hit/)[6]查找大黃、梔子、茵陳的化學成分,在TCMSP數(shù)據(jù)庫中獲得各化學成分的口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)和類藥性指數(shù)(Drug Like index,DL),并以O(shè)B≥30%,DL≥0.18的標準篩選茵陳蒿湯的有效活性成分[7,8],再從藥物信息數(shù)據(jù)庫DrugBank(http://www.drugbank.ca/)[9]和TCMSP數(shù)據(jù)庫找到與之對應(yīng)的靶蛋白及疾病。去除無對應(yīng)靶點的化學成分,刪除重復的靶點和疾病信息,依據(jù)國際疾病分類編碼ICD-10將疾病進行歸類。
1.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
將數(shù)據(jù)導入網(wǎng)絡(luò)可視化軟件Cytoscape 3.3.0(http://www.cytoscape.org/)[10],運用Cytoscape 軟件構(gòu)建如下網(wǎng)絡(luò):①茵陳蒿湯活性成分-靶點網(wǎng)絡(luò),如果某一靶點蛋白是化合物的作用靶,則兩者在網(wǎng)絡(luò)中連接到彼此,即可通過化學成分研究茵陳蒿湯作用靶點。②中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中靶點蛋白與對應(yīng)的疾病相連接,通過靶點描述了茵陳蒿湯活性成分與疾病之間的復雜關(guān)系。中藥成分、靶點和疾病被表示為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,它們之間的相互聯(lián)系以邊表示。
1.3 數(shù)據(jù)分析
運用Cytoscape 軟件中的工具Network Analyzer來分析中介中心度(Betweenness Centrality)和節(jié)點度(Degree)這兩個重要的網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)[11],用以評價茵陳蒿湯作為濕熱證經(jīng)典方的核心化學成分、核心靶點與核心疾病。在Uniprot數(shù)據(jù)庫中(http:// www.uniprot.org/)[12]查找靶點蛋白對應(yīng)的基因名稱和編號,運用在線工具DAVID(https://david. ncifcrf.gov/)[13,14]對靶基因進行KEGG通路和GO生物學過程(Biological Processes,BP)的富集分析,Bonferroni法校正后P值小于0.01的項目被認為是顯著富集。
2.1 茵陳蒿湯中的活性化學成分
截至2016年4月為止,通過全面查找多個中藥化學數(shù)據(jù)庫,共收集到大黃的化學成分103種、梔子成分112種、茵陳64種,匯總?cè)ブ刂蠊搏@得茵陳蒿湯已知的化學成分272種,經(jīng)篩選有46種成分的OB≥30%,DL≥0.18。去除沒有對應(yīng)靶點的成分后,大黃包含11種,梔子12種,茵陳13種。其中,β-谷甾醇(beta-sitosterol)為三藥共有的化學成分,槲皮素(Quercetin)是梔子和茵陳的共有成分。最終整理得到33種茵陳蒿湯的活性成分(表1)。
2.2 成分-靶點網(wǎng)絡(luò)
將篩選出的33個茵陳蒿湯活性成分輸入Drugbank和TCMSP數(shù)據(jù)庫,找到216個對應(yīng)的靶點蛋白。把化學成分和靶點蛋白按相互作用一一對應(yīng),導入Cytoscape軟件構(gòu)建茵陳蒿湯成分-靶點網(wǎng)絡(luò)(圖1A)。該網(wǎng)絡(luò)中有639條邊,代表成分和靶點的相互作用關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)中的249個節(jié)點里有33個代表成分,成分節(jié)點平均度為19.36,所有成分中有8個成分的節(jié)點度大于19.36;代表靶蛋白的節(jié)點為216個,其節(jié)點平均度為2.96,大于平均節(jié)點度的靶蛋白有58個。根據(jù)這8個成分和58個靶蛋白的相互關(guān)系,構(gòu)建成分-靶標核心網(wǎng)絡(luò)(圖1B)。
2.3 中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)
在TCMSP數(shù)據(jù)庫中找到靶點對應(yīng)的疾病308種,根據(jù)茵陳蒿湯化學成分、靶點以及疾病的相互作用關(guān)系,在Cytoscape軟件中構(gòu)建中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)(圖2A)。網(wǎng)絡(luò)中有1 878條邊代表成分、靶點和疾病三者的相互作用關(guān)系,560個點代表靶點蛋白的節(jié)點有216個,節(jié)點平均度為8.69,大于節(jié)點平均度的靶點蛋白為62個;另有308個節(jié)點代表疾病,疾病節(jié)點平均度為3.98,有81個疾病的節(jié)點度大于3.98。據(jù)此構(gòu)建茵陳蒿湯中藥成分-靶點-疾病核心網(wǎng)絡(luò)(圖2B)。
2.4 茵陳蒿湯治療疾病的預測分析
利用Cytoscape 軟件中的Network Analyzer工具,分析茵陳蒿湯中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)中疾病節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù),根據(jù)中介中心度和節(jié)點度來度量308個疾病節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性,表2列舉了位列前15的疾病。兩個網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)分析結(jié)果顯示,癌癥是茵陳蒿湯顯著相關(guān)的疾病,有40個作用靶點,包括前列腺素G/H合酶2、DNA拓撲異構(gòu)酶II、細胞分裂蛋白激酶2和間質(zhì)膠原酶等。檢索文獻發(fā)現(xiàn),茵陳蒿湯用于治療癌癥、心血管疾病、炎癥、哮喘、非胰島素依賴型糖尿病、肥胖和胰腺癌的相關(guān)研究報道。此外,茵陳蒿湯還與阿爾茨海默氏病、乳腺癌、前列腺癌、精神分裂癥、非小細胞肺癌、焦慮癥、骨關(guān)節(jié)炎和心肌梗死等疾病顯著相關(guān),卻尚未發(fā)現(xiàn)這些方面的研究報道。
依據(jù)國際疾病分類編碼ICD-10將茵陳蒿湯潛在作用的308種疾病歸為14個類別(圖3),其中腫瘤占26.35% ,包括肝癌、結(jié)直腸癌、胃腸道腫瘤等88種疾??;循環(huán)系統(tǒng)疾病占總數(shù)的16.77%,包含心律失常、心肌梗死、冠狀動脈粥樣硬化等55種疾病;神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括阿爾茨海默氏病、精神分裂癥和焦慮癥等41種疾病,占疾病總數(shù)的12.28%;內(nèi)分泌、營養(yǎng)和代謝疾病包括糖尿病和高脂血癥等23種疾病,占6.89%;骨胳肌肉系統(tǒng)和結(jié)締組織疾病有骨關(guān)節(jié)炎和痛風等20種疾病,共占5.99%。從統(tǒng)計結(jié)果可以得出,茵陳蒿湯潛在作用的疾病類型以腫瘤為主,這與網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)分析結(jié)果相符。
2.5 生物學過程及通路
通過DAVID對茵陳蒿湯生物學過程和生物通路的展現(xiàn)及富集分析,得到茵陳蒿湯富集的275個GO生物學過程,表3列舉了顯著富集的前15個生物學過程:對有機物質(zhì)的反應(yīng)、細胞增殖調(diào)節(jié)、細胞凋亡調(diào)控、程序性細胞死亡的調(diào)節(jié)、細胞死亡調(diào)控、細胞凋亡的負調(diào)控、程序性細胞死亡的負調(diào)控、細胞死亡的負調(diào)控、對內(nèi)生刺激的反應(yīng)、對損傷的反應(yīng)、對激素刺激的反應(yīng)、多細胞生物過程的正調(diào)控、細胞內(nèi)信號級聯(lián)放大、對無機物質(zhì)的反應(yīng)、對類固醇激素刺激的反應(yīng)。茵陳蒿湯富集的KEGG通路有35條,表4列舉了顯著富集的前15條生物通路:癌癥通路、前列腺癌、胰腺癌、膀胱癌、Toll樣受體信號轉(zhuǎn)導通路、非小細胞肺癌、結(jié)直腸癌、NOD樣受體信號通路、子宮內(nèi)膜癌、膠質(zhì)瘤、小細胞肺癌、慢性粒細胞白血病、ErbB信號通路、T細胞受體信號通路、細胞凋亡。
表1 茵陳蒿湯預測的活性成分
近年來,疾病的治療已經(jīng)開始由“一種疾病,一個靶標,一個藥物(One Disease, One Target, One Drug)”和“一藥通用(One Drug Fits All)”的模式向聯(lián)合療法轉(zhuǎn)變[23]。而中藥復方一直以來運用的正是多種藥物成分協(xié)同作用的組合治療策略,從而最大限度地達到減輕毒副作用或提高治療效果的目的,但是我們對這些中藥復方確切的作用機制還知之甚少。對于茵陳蒿湯的研究,目前多采用化學指紋圖譜、藥代動力學等現(xiàn)代生化分析方法,本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學的方法,將大量茵陳蒿湯的研究結(jié)果進行整合分析。
圖1 茵陳蒿湯成分-靶點網(wǎng)絡(luò)
傳統(tǒng)中醫(yī)臨證應(yīng)用茵陳蒿湯治療身黃如橘,小便不利,腹微滿之濕熱發(fā)黃?,F(xiàn)代臨床研究表明,茵陳蒿湯能夠治療Ⅱ型糖尿病,有效控制患者空腹血糖水平[18]。用茵陳蒿湯治療小兒支氣管哮喘,可明顯減輕咳嗽、喘息、咯痰、哮鳴音等癥狀[17]。對于中老年高脂血癥患者,茵陳蒿湯可以改善血脂代謝指標、血管硬化程度以及血管內(nèi)皮功能[15]。妊娠期患肝內(nèi)膽汁淤積癥的孕婦,在聯(lián)合服用熊去氧膽酸和茵陳蒿湯后,雌二醇與雌三醇水平均低于對照組,產(chǎn)后出血、羊水污染發(fā)生率明顯降低[24]。觀察雌激素致肝內(nèi)膽汁淤積癥的大鼠,可發(fā)現(xiàn),加味茵陳蒿湯呈劑量依賴性地提高其肝臟水通道蛋白8(Aquaporin-8)mRNA和蛋白的表達水平[25]。實驗證實,加味茵陳蒿湯能調(diào)整濕熱病患者的T淋巴細胞平衡紊亂[26],而濕熱證的病理機制與α-腫瘤壞死因子、白細胞介素-1等炎癥因子關(guān)系密切[27]。探討茵陳蒿湯治療慢加急性肝衰竭的作用機制,發(fā)現(xiàn)其能上調(diào)Axl基因的表達,抑制樹突狀細胞凋亡[16]。
本研究通過構(gòu)建中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò),預測茵陳蒿湯可能治療的具有濕熱證的疾病,包括癌癥、心血管疾病、非胰島素依賴型糖尿病、哮喘和炎癥性疾病等;富集的生物學過程包含了細胞凋亡或稱程序性死亡的調(diào)控與負調(diào)控、細胞死亡的調(diào)控與負調(diào)控、對激素刺激的反應(yīng)等;富集的生物通路包括癌癥通路、細胞凋亡和T細胞受體信號通路等,與既往濕熱證及茵陳蒿湯的研究結(jié)果相一致[28]。提示茵陳蒿湯“異病同治”的機制,可能與調(diào)控細胞凋亡和T細胞受體信號通路等,影響癌癥、心血管疾病、非胰島素依賴型糖尿病、哮喘和炎癥性疾病等的過程有關(guān)。
此外,在本次研究中還發(fā)現(xiàn)茵陳蒿湯通過前列腺素G / H合酶2、熱休克蛋白90、花生四烯酸5-脂氧合酶、過氧化物酶體增殖物激活受體和β2-腎上腺素能受體等靶點作用于癌癥通路、VEGF信號通路、NOD樣受體信號通路、鈣離子信號通路,而這些靶點都與茵陳蒿湯中梔子和茵陳共有的化學成分槲皮素相聯(lián)系。此外,我們還發(fā)現(xiàn)茵陳蒿湯能夠潛在作用于阿爾茨海默氏病、乳腺癌、前列腺癌、非小細胞肺癌、骨關(guān)節(jié)炎、精神分裂癥和焦慮癥等疾病。但目前尚未檢索到茵陳蒿湯作用于上述靶點通路和疾病的相關(guān)研究文獻,故茵陳蒿湯對于這些疾病出現(xiàn)濕熱證的治療,以及茵陳蒿湯的中藥成分通過以上靶點和通路所起的效應(yīng)機制,可作為日后該方研究的一個參考。
圖1 茵陳蒿湯成分-靶點網(wǎng)絡(luò)
表2 茵陳蒿湯中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)的拓撲參數(shù)和文獻
中醫(yī)病證用藥機制具有其特殊性和復雜性,雖然通過網(wǎng)絡(luò)藥理學的分析方法可以為這方面研究提供依據(jù),但目前相關(guān)的生物學數(shù)據(jù)庫信息仍不完善,例如,茵陳蒿湯常用于治療肝膽疾病等[27],本研究預測的相關(guān)度就比較低,沒有顯示出預測結(jié)果。而且,茵陳蒿湯中的藥物劑量等的影響尚不能探討,在一定程度上局限了網(wǎng)絡(luò)預測的結(jié)果,這就需要我們結(jié)合臨床實際進一步開展相關(guān)實驗對其進行驗證。
綜上所述,通過網(wǎng)絡(luò)藥理學預測,茵陳蒿湯可利用的活性成分有33種,對應(yīng)靶點蛋白216個,相關(guān)疾病308種,其中大于節(jié)點平均度的有81種疾病,提示了茵陳蒿湯可用于多種濕熱型疾病“異病同治”的特點。經(jīng)生物信息數(shù)據(jù)庫富集分析,發(fā)現(xiàn)茵陳蒿湯影響了275個GO生物學過程和35條KEGG通路,且構(gòu)建的中藥成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)可用于識別茵陳蒿湯的中藥活性成分和潛在靶點,了解作用機制,探索新的臨床應(yīng)用,為茵陳蒿湯治療濕熱證型疾病的效應(yīng)機理的深入研究提供參考。
表3 顯著富集的生物學過程和KEGG通路
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A Study on Yinchenhao Decoction for "Different Diseases with the Same Treatment" Underlying Network Pharmacology
Cai Feifei, Li Xiaoyan, Dong Shu, Wei Bin, Ji Qing, Chen Qilong, Su Shibing
(Research Center for Traditional Chinese Medicine Complexity System, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China)
This study aimed to predict active compounds in Chinese herbal medicine (CHM), effective targets and potential diseases of Yinchenhao decoction (YCHD) by network pharmacology, and clarify the molecular mechanism behind YCHD’s effects on the different diseases with damp-heat syndrome (DHS). CHM compounds,targets and related diseases using YCHD were gleaned from several database, such as TCMSP, TCM Database@ Taiwan and DrugBank. The CHM compounds-targets-diseases network was constructed and visualized, and the network topology was analyzed by Cytoscape software. Biological processes and KEGG pathways enrichmentanalysis were performed on DAVID website. As a result, 272 chemical compounds from Radix Angelicae Sinensis, Fructus Gardeniae and Herba Artemisiae Scopariae and 33 active CHM compounds were identified with oral bioavailability (OB) ≥ 30% and drug-likeness (DL) ≥ 0.18, corresponding to 216 target proteins and 308 diseases, among which 81 disease were greater than the average node degree. The top 3 biological processes were responsible to organic substances, and the regulation of cell proliferation and apoptosis. The top 3 KEGG pathways were those in cancer, prostate cancer and pancreatic cancer. In conclusion, this article took a overall understanding of YCHD based on its network pharmacology, which was beneficial to figuring out the compositionactivity relationship, revealing the mechanism of YCHD in treating DHS for different diseases, and discovering new potential clinical indications of YCHD.
Yinchenhao decoction, damp-heat syndrome, different diseases with the same treatment, network pharmacology, Chinese herbal compounds-targets-diseases
10.11842/wst.2016.09.013
R966
A
(責任編輯:馬雅靜,責任譯審:朱黎婷)
2016-07-12
修回日期:2016-08-08
* 國家自然科學基金委重點項目(81330084):基于系統(tǒng)生物學的原發(fā)性肝癌和大腸癌“異病同證”和“異病同治”的研究,負責人:蘇式兵;上海市教委E-研究院中醫(yī)內(nèi)科建設(shè)計劃資助項目(E03008):基于系統(tǒng)生物學的證候與辨證施治研究,負責人:蘇式兵。
** 通訊作者:蘇式兵,本刊編委,研究員,博士生導師,主要研究方向:中醫(yī)藥系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡(luò)藥理學研究。