代璐,范金茹,王子焱,王榮,佘瑞寧,張超
湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 湖南長(zhǎng)沙 410007
冠 心 ?。–oronary Atherosclerotic Heart Disease,CHD),指冠狀動(dòng)脈發(fā)生粥樣硬化引起管腔狹窄或閉塞,導(dǎo)致心肌缺血缺氧或壞死而引起的心臟疾病[1]。報(bào)告[2]指出,目前我國(guó)冠心病患者達(dá)1100萬(wàn)。盡管經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入術(shù)(PCI)在基層廣泛推進(jìn)和發(fā)展,但冠心病的死亡率仍居高不下。大量臨床研究表明[3-5],在西醫(yī)常規(guī)治療基礎(chǔ)上,辨證運(yùn)用中藥復(fù)方對(duì)改善冠心病患者癥狀及生存率均有較好效果。由此可知,中醫(yī)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、有機(jī)結(jié)合的確可以給患者帶來(lái)最大獲益。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是是基于網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)從系統(tǒng)水平分析藥物作用機(jī)制、發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物或新適應(yīng)癥、識(shí)別新藥靶點(diǎn)等的一種新的藥物研究策略[6],其系統(tǒng)性、整體性與中醫(yī)整體調(diào)控機(jī)體的理念相符合。因此,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究方法,從分子層面挖掘臨床驗(yàn)之有效的中藥復(fù)方治療某種疾病的作用機(jī)制是十分可行的。
范金茹教授將冠心病分為發(fā)作期和緩解期進(jìn)行論治。所制心痛方是治療發(fā)作期屬痰瘀互結(jié)氣郁證的常用方劑,以“肝心同治,間者并行,甚者獨(dú)行”為原則成方。目前,經(jīng)過(guò)臨證運(yùn)用、臨床研究[7]和實(shí)驗(yàn)室研究[8]明確心痛方治療冠心病的臨床有效性,但前階段的研究?jī)H發(fā)現(xiàn)抑制炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)這兩條作用通路。對(duì)心痛方治療冠心病的其他成分、靶點(diǎn)、通路的作用機(jī)制研究尚不系統(tǒng)和全面,故本文旨在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,通過(guò)構(gòu)建“成分-靶點(diǎn)-通路”網(wǎng)絡(luò)對(duì)心痛方治療冠心病的機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究,為進(jìn)一步揭示心痛方的藥理作用機(jī)制提供理論指導(dǎo)。
在中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)[9](TCMSP,http://tcmspw.com/tcmsp.php)中查找柴胡、瓜蔞、川芎、郁金、桃仁、蒲黃、白芥子、石菖蒲、甘草9味中藥的有效成分信息及其藥理學(xué)信息。根據(jù)藥理學(xué)特性進(jìn)行藥物代謝動(dòng)力學(xué)(ADME)篩選,設(shè)置生物利用度(OB)≥20%,類(lèi)藥性(DL)≥0.1。在TCMSP中未檢索到九香蟲(chóng)的化學(xué)成分,在“中國(guó)知網(wǎng)”(CNKI)及PubMed中以“九香蟲(chóng)化學(xué)成分”進(jìn)行檢索,獲得九香蟲(chóng)的主要化學(xué)成分及化學(xué)結(jié)構(gòu)式。
在TCMSP中找出心痛方中藥物(除九香蟲(chóng)外)有效成分對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)信息,并利用SwissTargetPrediction服 務(wù) 器[10](http://www.swisstargetprediction.ch/)進(jìn)行補(bǔ)充。在 Uniprot網(wǎng)站(https:// uniprot.org/)輸入靶點(diǎn)蛋白并限定“Review”“Human”檢索,對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并獲得官方使用標(biāo)簽(Gene Symbol)。通過(guò)ChemDraw19.0作圖軟件畫(huà)出九香蟲(chóng)各成分的化學(xué)結(jié)構(gòu),運(yùn)用SwissTargetPrediction進(jìn)行ADME篩選,最后將篩選完的成分進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè),獲取官方名稱(commom name)。
在 OMIM 數(shù) 據(jù)庫(kù)(https://omim.org/)、GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.genecards.org/)、DrugBank 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://go.drugbank.com/)中檢索冠心病疾病靶點(diǎn)。其中對(duì)DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的靶點(diǎn)進(jìn)行官方標(biāo)準(zhǔn)化命名;GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)Gifts算法[11-12],可以算出冠心病與靶點(diǎn)的相關(guān)度,根據(jù)算出的相關(guān)度,選取Relevance score≥30的靶點(diǎn)為冠心病靶點(diǎn)。對(duì)三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的靶點(diǎn)信息進(jìn)行整合、去重后,獲得冠心病相關(guān)靶點(diǎn)。
將獲得的心痛方藥物靶點(diǎn)與冠心病靶點(diǎn)導(dǎo)入VENNY2.1.0[13](https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)進(jìn)行映射,得到疾病與藥物的共同靶點(diǎn),繪制韋恩圖。用 Cytoscape3.7.2軟件[14]進(jìn)行可視化處理,構(gòu)建藥物-化合物-疾病-靶點(diǎn)相互作用網(wǎng)絡(luò)圖,根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析,獲得心痛方治療冠心病的核心有效成分。
將疾病與藥物的共同靶點(diǎn)導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫(kù)[15](https://string-db.org/),繪制心痛方治療冠心病的蛋白-蛋白互相作用網(wǎng)絡(luò)圖(PPI)。運(yùn)用Cytoscape3.7.2對(duì)蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化處理。根據(jù)節(jié)點(diǎn)自由度大于平均節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)分析,獲得心痛方治療冠心病的核心靶點(diǎn)。
為了進(jìn)一步明確靶點(diǎn)蛋白的生物學(xué)功能及參與的生物學(xué)通路,運(yùn)用 Metascape數(shù)據(jù)庫(kù)[16](https://metascape.org/)對(duì)心痛方治療冠心病的核心靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體論(Gene Ontology,GO)富集分析和京都基因與基因組百科全書(shū)(KyotoEncyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路注釋分析,其中GO富集分析主要包括細(xì)胞組分、生物進(jìn)程、分子功能三部分,并對(duì)富集分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理。
TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索結(jié)果顯示,共獲得心痛方中藥物(除九香蟲(chóng)外)的有效成分共1375個(gè)。將1375個(gè)有效成分根據(jù)OB≥20%,DL≥0.1進(jìn)行ADME篩選后,獲得有效成分417個(gè)。其中柴胡56個(gè)、瓜蔞28個(gè)、川芎44個(gè)、郁金79個(gè)、桃仁33個(gè)、蒲黃11個(gè)、白芥子9個(gè)、石菖蒲32個(gè)、甘草125個(gè)。其中有8個(gè)為柴胡、蒲黃、石菖蒲、桃仁、瓜蔞、川芎、郁金、甘草的共有成分。在中國(guó)知網(wǎng)中以“九香蟲(chóng)”檢索,查找九香蟲(chóng)成分相關(guān)文獻(xiàn)[17-18],顯示其主要成分共有75個(gè),經(jīng)ADME篩選后獲得有效成分26個(gè)。見(jiàn)表1。
表1 8味藥物共有成分
根據(jù)TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)中有效成分靶點(diǎn)信息,并結(jié)合SwissTargetPrediction網(wǎng)站在線靶標(biāo)垂釣,共獲得心痛方有效成分作用的靶點(diǎn)信息268個(gè)。將獲得靶點(diǎn)蛋白導(dǎo)入U(xiǎn)niprot進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化命名,得到其對(duì)應(yīng)的Gene Symbol。
在3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索冠心病疾病靶點(diǎn),OMIM數(shù)據(jù)庫(kù)檢索出548個(gè)、GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)453個(gè)、Drug-Bank數(shù)據(jù)庫(kù)35個(gè),進(jìn)行整合、去重后獲得冠心病靶點(diǎn)988個(gè)。與藥物靶點(diǎn)進(jìn)行映射,獲得心痛方與冠心病共同作用靶點(diǎn)91個(gè),繪制韋恩圖。見(jiàn)圖1。
圖1 心痛方靶點(diǎn)與冠心病靶點(diǎn)韋恩圖
將所篩選出的基因與其化合物相對(duì)應(yīng),并以“中藥拼音首字母+數(shù)字” 對(duì)每一味中藥的化合物進(jìn)行編號(hào)(如:柴胡MOL001645編號(hào)為CH1,藥物共有成分以“S+數(shù)字”編號(hào)),構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)文件及屬性文件,通過(guò)Cytoscape3.7.2軟件繪制藥物-成分-疾病-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖。本網(wǎng)絡(luò)由196個(gè)節(jié)點(diǎn)、621條邊構(gòu)成,其中節(jié)點(diǎn)表示冠心病、中藥復(fù)方藥物、成分、靶點(diǎn)基因,邊表示藥物、成分、疾病、靶點(diǎn)之間的相互聯(lián)系。根據(jù)“中介中心性”(Betweenness Centrality)進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)分析,大于Betweenness Centrality平均值0.00568的成分有18個(gè),在Excel中按降序排列,其中排名前十的為:S3、S6、CX2、JXC1、S2、S7、TR9、TR16、JZ1、TR12。由結(jié)果可推測(cè)花生四烯酸、山柰酚、槲皮素、β-谷甾醇、異鼠李素、柚皮苷、楊梅酮等可能是心痛方治療冠心病的主要有效成分。見(jiàn)表2,圖2。
表2 心痛方治療冠心病的核心成分
圖2 藥物-成分-疾病-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
將2.3獲得的91個(gè)心痛方與冠心病共同作用靶點(diǎn)導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建心痛方治療冠心病的蛋白-蛋白互相作用(PPI)網(wǎng)絡(luò),保存PPI網(wǎng)絡(luò)的tsv文件。在Cytoscape3.7.2軟件中,運(yùn)用NetworkAnalyzer工具計(jì)算出tsv文件所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的屬性值,根據(jù)Degree值(Degree值表示節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的邊數(shù),其數(shù)值越大,表示該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中越重要)的大小進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可視化。以節(jié)點(diǎn)自由度大于平均節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)分析,共篩選出46個(gè)核心靶點(diǎn),其中Degree最大45,最小26。排名前十的靶點(diǎn)基因?yàn)镮L6、AKT1、TNF、VEGFA、CCL2、IL1B、EGF、CXCL8、MMP9、NOS3。
將46個(gè)核心靶點(diǎn)導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)置條件minimum required interaction score:highest confidence(0.9),余保持默認(rèn)設(shè)置,構(gòu)建核心靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)圖。本網(wǎng)絡(luò)包括46個(gè)節(jié)點(diǎn)、171條邊,節(jié)點(diǎn)的平均度值:7.43,平均聚類(lèi)系數(shù):0.517。見(jiàn)圖 3、圖4。
圖3 心痛方與冠心病交集靶點(diǎn)PPI
圖4 核心靶點(diǎn)蛋白PPI網(wǎng)絡(luò)
運(yùn)用Metascape數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)置物種為H.sapiens,對(duì) 46個(gè)核心靶點(diǎn)進(jìn)行基因功能富集分析和通路注釋分析。
6.1 GO分析 根據(jù)分析結(jié)果,獲得生物過(guò)程(Biological Processes,BP)657個(gè)、細(xì) 胞 組 分(Cellular Components,CC)33個(gè)、分子功能(Molecular Functions,MF)68 個(gè)(P<0.01,F(xiàn)DR<0.01)(表 2)。運(yùn)用在線作圖工具微生信(http://www.bioinformatics.com.cn/)對(duì)部分結(jié)果進(jìn)行可視化處理。其中,生物過(guò)程涉及:白細(xì)胞的遷移、細(xì)胞黏附的調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化的負(fù)調(diào)控、炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)、對(duì)氧化應(yīng)激的反應(yīng)等;細(xì)胞組分包括:脂筏、血小板α顆粒、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)的核周區(qū)域、早期內(nèi)體、RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物、粘附連接、質(zhì)膜的外側(cè)、細(xì)胞質(zhì)囊泡膜;分子功能主要有:細(xì)胞因子受體結(jié)合、磷酸酶結(jié)合、整合素結(jié)合、一氧化氮合酶調(diào)節(jié)活性、腫瘤壞死因子受體超家族結(jié)合、羧酸結(jié)合、血紅素結(jié)合、肝素結(jié)合、金屬內(nèi)肽酶活性、跨膜受體蛋白酪氨酸激酶活性、趨化因子受體結(jié)合、激酶調(diào)節(jié)活性。根據(jù)以上三部分,可以推測(cè)心痛方具有多途徑、多功能的作用。
6.2 KEGG分析 為了進(jìn)一步探析核心靶基因的具體作用通路,將核心靶點(diǎn)輸入Metascape數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行KEGG通路注釋?zhuān)訮<0.01進(jìn)行篩選,共獲得冠心病相關(guān)通路245條。主要包括:液體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化、腫瘤壞死因子(TNF)信號(hào)通路、低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)信號(hào)通路、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶(Akt)信號(hào)通路、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路、節(jié)點(diǎn)樣受體(NOD-LIKE)信號(hào)通路、JAK-STAT信號(hào)通路、甲狀腺激素信號(hào)通路、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)信號(hào)通路、ErbB信號(hào)通路、toll樣受體信號(hào)通路等。選取其中24條與冠心病相關(guān)通路進(jìn)行可視化(圖5),其中X軸代表富集因子(Rich factor),Y軸代表通路,氣泡的面積代表富集在該通路上的基因數(shù)目,氣泡越大表示富集在該通路上的基因越多,氣泡顏色代表P值。共有41個(gè)基因富集在這24條通路上,反向查找靶基因所對(duì)應(yīng)的有效成分,通過(guò)Cytoscape3.7.2軟件進(jìn)行可視化,構(gòu)建成分-靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)圖(圖6)。可推測(cè)心痛方治療冠心病是多通路作用的結(jié)果。
圖5 GO富集分析餅狀圖
圖6 GO富集分析部分結(jié)果柱狀圖
圖7 心痛方作用靶點(diǎn)KEGG富集分析氣泡圖
圖8 成分-靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)圖
冠心病,中醫(yī)稱為“胸痹心痛”。古今醫(yī)家認(rèn)為痰濁、瘀血與胸痹的發(fā)生密切相關(guān)[19]?!堆C論》有言:“血瘀既久,亦能化為痰水”、王孟英指出“痰飲者,本水谷之悍氣……初則氣滯以停飲,繼則飲蟠而氣阻,氣既阻痹,血亦愆其行度,積以為瘀?!庇纱丝梢?jiàn),痰瘀之間又可互相轉(zhuǎn)化,互為因果,若二者共同黏附于脈道,阻礙氣血濡養(yǎng)心肌,則發(fā)為心痛之癥?!案涡耐巍痹从谌珖?guó)名中醫(yī)王行寬教授提出的“心病治肝”理論[20],《明醫(yī)雜著》提出“肝氣滯則心氣乏”、“肝氣通則心氣和”,范教授在總結(jié)王老的學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合中醫(yī)“痰瘀理論”,以“甚者獨(dú)行”為原則,立疏肝豁痰化瘀之法,研制心痛方[21]。方中柴胡行氣疏肝,郁金、川芎活血化瘀,兼能“搜肝氣”,瓜蔞清痰熱又能“疏肝郁”,配以化瘀止痛之桃仁、蒲黃,祛痰濁之石菖蒲、白芥子以增強(qiáng)除痰瘀實(shí)邪之力,佐以蟲(chóng)類(lèi)藥物九香蟲(chóng),性辛香走竄,擅通走脈絡(luò),搜絡(luò)剔邪而又不傷正氣。全方相配,肝氣既順,痰瘀則可順勢(shì)而化,實(shí)邪得除,肝氣便無(wú)郁滯之理,心肝同治,母子相安。
本研究通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,獲得心痛方治療冠心病的有效成分417個(gè)。構(gòu)建中藥調(diào)控網(wǎng)絡(luò),根據(jù)“Betweenness Centrality”進(jìn)行篩選、排序后,推測(cè)花生四烯酸、山柰酚、槲皮素、β-谷甾醇、異鼠李素、柚皮苷、楊梅酮、豆甾醇等可能為心痛方治療冠心病的主要有效化合物?;ㄉ南┧嶙鳛橐环N多不飽和脂肪酸,可以通過(guò)抑制代謝產(chǎn)物的生成途徑抑制促炎癥因子的表達(dá),起到抗炎和保護(hù)血管內(nèi)皮的作用[22]。在冠心病病程中,大量氧自由基是心肌細(xì)胞損傷的標(biāo)志,心肌細(xì)胞的損傷伴隨著細(xì)胞凋亡的發(fā)生。黃酮類(lèi)化合物山奈酚、槲皮素、楊梅酮具有抗氧化、清除氧自由基、抗心肌細(xì)胞凋亡的作用[23-24]。柚皮苷屬于二氫黃酮類(lèi)化合物,具有抗缺血、抗氧化、抗炎等作用,其含量與降低心血管病的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[25]。Huang等[26]報(bào)導(dǎo),柚皮苷還可以通過(guò)降低caspase-3和caspase-9的活性,增加抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá),從而預(yù)防心肌細(xì)胞的凋亡。研究指出[27],異鼠李素可通過(guò)抑制動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞膠原合成起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用。
通過(guò)構(gòu)建心痛方治療冠心病靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò),根據(jù)Dgree值進(jìn)行排序,排名前十的靶點(diǎn)基因?yàn)镮L6、AKT1、TNF、VEGFA、CCL2、IL1β、EGF、CXCL8、MMP9、NOS3。動(dòng)脈粥樣硬化(AS)血栓形成的過(guò)程主要涉及炎癥反應(yīng)和脂質(zhì)在血管內(nèi)壁的沉積兩方面[28]。血管內(nèi)皮損傷后,由內(nèi)皮細(xì)胞分泌的黏附因子介導(dǎo)淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞黏附,遷移至血管內(nèi)皮下變?yōu)榻M織巨噬細(xì)胞,巨噬細(xì)胞觸發(fā)IL1β、IL6、TNF等炎癥因子的表達(dá),導(dǎo)致平滑肌細(xì)胞增殖,斑塊進(jìn)展[29]。TNF中由巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α可以通過(guò)對(duì)內(nèi)皮產(chǎn)生毒副作用,引起血管內(nèi)皮損傷、促進(jìn)黏附分子的表達(dá),使巨噬細(xì)胞產(chǎn)生更多的TNF-α,增加斑塊的易損性[30]。另一方面,血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的趨化因子也是介導(dǎo)細(xì)胞黏附的重要因素之一。CCL2、CXCL8屬于CXC類(lèi)趨化因子。這類(lèi)趨化因子可以通過(guò)活化血小板,加速血小板的聚集、黏附和釋放,加劇AS進(jìn)程、血栓形成[31]。
通過(guò)KEGG富集分析推測(cè)本方治療冠心病可能是通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路、液體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化、腫瘤壞死因子(TNF)信號(hào)通路、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶(Akt)信號(hào)通路、低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)信號(hào)通路、toll樣受體信號(hào)通路、Jak-STAT信號(hào)通路、節(jié)點(diǎn)樣受體(NOD-LIKE)信號(hào)通路、細(xì)胞凋亡、甲狀腺激素信號(hào)通路發(fā)揮作用。
綜上所述,心痛方治療冠心病是多成分、多靶點(diǎn)、多途徑的,與單體藥物相比較,復(fù)方作用更為全面、療效更加穩(wěn)定。既往實(shí)驗(yàn)研究表明,心痛方主要通過(guò)抑制炎癥因子的釋放、抑制黏附分子的表達(dá)、調(diào)節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)等途徑干預(yù)冠心病粥樣硬化的發(fā)生、變化。與本研究推測(cè)的作用靶點(diǎn)、生物過(guò)程和作用通路基本相符。除此之外,本研究還推測(cè)出心痛方治療冠心病還可能與細(xì)胞凋亡、MAPK信號(hào)通路、流體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化、TNF信號(hào)通路、PI3K-Akt信號(hào)通路等相關(guān)。可以此為理論基礎(chǔ)進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)研究。