林少梅 林適峰 沈云珠 黃 剛 陳婉瓊
基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的甘草酸二銨治療流感機(jī)制研究
林少梅1林適峰2沈云珠3黃 剛1陳婉瓊1
(1.泉州醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校,福建 泉州 362100;2.泉州市中醫(yī)聯(lián)合醫(yī)院,福建 泉州 362100;3.福建醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院,福建 泉州 362100)
目的:甘草酸二銨是臨床常用的甘草酸制劑,研究從網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的角度探討甘草酸二銨治療流感的潛在靶點(diǎn)和作用機(jī)制。方法:首先應(yīng)用PubChem和STRING數(shù)據(jù)庫(kù)獲取甘草酸二銨標(biāo)準(zhǔn)靶點(diǎn),接著在Genecards 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索流感靶點(diǎn)并經(jīng)Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)校正,二者通過(guò)Venny在線工具相映射獲得交集靶點(diǎn),交集靶點(diǎn)運(yùn)用STRING、Cytoscape3.7.2軟件構(gòu)建并分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù),進(jìn)一步運(yùn)用R語(yǔ)言和DAVID平臺(tái)對(duì)作用靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析。結(jié)果:獲得甘草酸二銨治療流感的靶點(diǎn)23個(gè),顯著GO生物學(xué)過(guò)程115條和KEGG信號(hào)通路56條,主要涉及炎癥、免疫和病毒細(xì)菌感染等。結(jié)論:甘草酸二銨可能通過(guò)多個(gè)通路作用于TNF、IL6等靶點(diǎn)治療流感。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué);甘草酸二銨;流感
流感是一種由流感病毒引起的急性呼吸系統(tǒng)傳染病,流感癥狀不同地區(qū)發(fā)生率不同,但主要以全身癥狀如發(fā)熱、頭痛、肌肉酸痛、乏力為主,局部癥狀較少見(jiàn),由于其具有傳染性強(qiáng)和波及人群廣的特性,一直是威脅人類(lèi)生命健康的公共衛(wèi)生問(wèn)題[1,2]。每年全球發(fā)生重癥流感病例高達(dá)300萬(wàn)例至500萬(wàn)例,在高風(fēng)險(xiǎn)人群中甚至引起死亡[3],主要防治藥物有流感疫苗[4]和奧司他韋[5]等,但流感病毒變異極快,疫苗很難覆蓋所有病毒[6]且疫苗接種率不高[7],藥物預(yù)防變得十分困難[6],常用的抗病毒藥容易引起多種不良反應(yīng)[8]和耐藥問(wèn)題,因此亟需開(kāi)發(fā)新型抗病毒藥。
作為我國(guó)得天獨(dú)厚的醫(yī)療資源,中醫(yī)藥在流感治療中發(fā)揮了重要作用[9],甘草酸是甘草主要的活性成分,其常用制劑甘草酸二銨是臨床一線抗炎保肝藥[10]。近來(lái)大量研究表明甘草酸二銨可用于包括流感病毒在內(nèi)的非肝炎病毒的治療作用[11],甚至對(duì)SARS病毒[12]和SARS-CoV-2[10]也有一定作用,低劑量甘草酸二銨即可明顯抑制流感病毒的復(fù)制,且呈劑量依賴性[13],但作用關(guān)鍵靶點(diǎn)和具體信號(hào)通路還不明確。
由于中藥組分復(fù)雜多樣、作用靶點(diǎn)眾多、信號(hào)通路錯(cuò)綜復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)研究直接確定靶點(diǎn)難度大。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)(network pharmacology)一詞自2007年被首次提出后,便被迅速應(yīng)用于眾多領(lǐng)域研究中,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中藥相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的報(bào)道逐年攀升,尤其是2010—2018年間的發(fā)文量更是2010年前總數(shù)的數(shù)倍,說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)在多組分、多靶點(diǎn)、多途徑的中藥干預(yù)疾病機(jī)制研究中得到了十分廣泛的應(yīng)用,為傳統(tǒng)中藥藥理研究提供了思路和借鑒。本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法探討甘草酸二銨治療流感的關(guān)鍵靶點(diǎn)和信號(hào)通路,為藥物開(kāi)發(fā)和臨床應(yīng)用抗流感藥提供新的思路。
將甘草酸二銨的英文通用名“Diammonium Glycyrrhizinate”輸入PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov),檢索文獻(xiàn)報(bào)道的甘草酸二銨的靶蛋白,剔除重復(fù)項(xiàng)后得到所有文獻(xiàn)報(bào)道的靶標(biāo),將初步獲得的靶蛋白名稱(chēng)輸入STRING數(shù)據(jù)庫(kù)(https://cn.string-db.org),把蛋白名轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的基因名,建立數(shù)據(jù)集。
在Genecards數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵字輸入“Influenza”檢索流感的治療靶點(diǎn),將得到的靶點(diǎn)信息剔除重復(fù)基因后輸入U(xiǎn)niprot數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.uniprot.org)使其標(biāo)準(zhǔn)化。
將疾病靶點(diǎn)與藥物預(yù)測(cè)靶點(diǎn)輸入Venny2.1在線平臺(tái)相映射并作圖,甘草酸二銨治療流感的潛在靶點(diǎn)為映射得到的交集基因。
利用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白相互作用分析和PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,在STRING數(shù)據(jù)庫(kù)輸入甘草酸二銨治療流感的潛在靶點(diǎn),物種選擇“Homo sapiens”,置信度選擇較高的0.7,得到STRING分析結(jié)果,結(jié)果通過(guò)Cytoscape3.7.2軟件分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)得到核心靶點(diǎn)并構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)圖。
在DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)(https://david.ncifcrf.gov/home.jsp)導(dǎo)入上述Cytoscape得到的核心靶點(diǎn)基因進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析,屬性設(shè)定為“Homo sapiens”,<0.05,排名前20的富集條目通過(guò)R語(yǔ)言進(jìn)行可視化處理,結(jié)果以氣泡圖呈現(xiàn)。
通過(guò)PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)搜索“Diammonium Glycyrrhizinate”得到文獻(xiàn)報(bào)道的甘草酸二銨靶點(diǎn),并經(jīng)STRING數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換共獲得68個(gè)潛在靶點(diǎn),詳細(xì)信息見(jiàn)表1。
表1 甘草酸二銨作用靶點(diǎn)
以“Influenza”為關(guān)鍵字在Genecards數(shù)據(jù)庫(kù)搜索得到流感治療靶點(diǎn),進(jìn)一步通過(guò)UniProt數(shù)據(jù)庫(kù)校正,收集到流感相關(guān)性較高的潛在靶點(diǎn)共392個(gè),部分信息見(jiàn)表2。
流感疾病靶點(diǎn)與甘草酸二銨藥物靶點(diǎn)在Venny2.1平臺(tái)取交集得到表3,共篩選出23個(gè)共同靶基因即藥物治療流感潛在靶點(diǎn),圖1韋恩圖展示靶點(diǎn)信息。
甘草酸二銨與流感映射得到的23個(gè)交集基因輸入STRING平臺(tái)進(jìn)行蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析(圖2a),接著通過(guò)Cytoscape3.7.2軟件對(duì)STRING結(jié)果進(jìn)行構(gòu)圖和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)分析,如圖2b所示共包含23個(gè)節(jié)點(diǎn)、506條邊,蛋白用節(jié)點(diǎn)表示,連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)的線條數(shù)以度值表示,線條越多則關(guān)聯(lián)度越大,顏色由紅至藍(lán)與度值呈正相關(guān),節(jié)點(diǎn)越大、顏色越深,度值越大,說(shuō)明靶點(diǎn)越重要,每條邊表示蛋白之間的相互作用關(guān)系,邊越粗則關(guān)系越密切。網(wǎng)絡(luò)中度值最高的為T(mén)NF(degree=20),其次IL6(degree=19)、IL10(degree=17),其余超過(guò)節(jié)點(diǎn)平均度值的基因依次為IFNG、STAT1、IL4、IL5、CD4、JUN、IL17A,在PPI網(wǎng)絡(luò)中具有重要聯(lián)系作用。
表2 流感潛在靶點(diǎn)部分信息
表3 藥物治療流感共同靶點(diǎn)
圖1 藥物與疾病靶點(diǎn)韋恩圖
圖2 甘草酸二銨與流感交集靶點(diǎn)的PPI網(wǎng)絡(luò)
圖4 KEGG通路富集的氣泡圖
以<0.05對(duì)核心靶點(diǎn)進(jìn)行GO富集分析,注釋結(jié)果篩選得到高顯著性條目118項(xiàng),其中BP(100項(xiàng))、CC(5項(xiàng))、MF(13項(xiàng)),如圖3a所示,靶點(diǎn)主要集中在模板DNA轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、免疫應(yīng)答、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡負(fù)調(diào)節(jié)、對(duì)藥物的反應(yīng)、脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)、對(duì)病毒的反應(yīng)和機(jī)體防御反應(yīng)等生物過(guò)程,其中在模板DNA轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、免疫應(yīng)答等方面基因數(shù)目較多。
KEGG通路分析得到56條富集結(jié)果,基因數(shù)目>8的通路共10條,分別是炎癥性腸病、利什曼病、結(jié)核病、單純皰疹感染、百日咳、弓形蟲(chóng)病、乙型肝炎、甲型流感、細(xì)胞因子受體相互作用等(見(jiàn)圖4)。
近年來(lái)我國(guó)流感疫情數(shù)呈增加態(tài)勢(shì),尤其是在2016-2018年處于高峰期,暴發(fā)疫情數(shù)南方地區(qū)多于北方地區(qū),可能與南方潮濕的氣候、人口密度高(高人口密度降低呼吸道免疫力)、流動(dòng)性強(qiáng)有關(guān)[1,14]。流感病毒是流感流行季節(jié)最主要的病原體,近幾年流感優(yōu)勢(shì)毒株為甲型H1N1、H3N2和乙型周期性更替出現(xiàn),每年優(yōu)勢(shì)毒株不一,不斷變異的抗原可能導(dǎo)致流感反復(fù)流行。
流感本身屬于自限性疾病,可防可治可控,主要防治手段為疫苗預(yù)防和抗病毒藥物治療,接種流感疫苗仍是目前唯一最有效的預(yù)防手段[4],目前我國(guó)市面上使用的疫苗均是針對(duì)甲型H1N1、H3N2和乙型Victoria系病毒的三價(jià)疫苗,即使注射疫苗也不能保證每年流行的優(yōu)勢(shì)毒株都與疫苗組分相符,為了覆蓋流感流行毒株的主要種類(lèi),我國(guó)加快推進(jìn)四價(jià)疫苗研發(fā),在原有三價(jià)疫苗組分上增加了乙型Yamagata系,并于2018年首次批準(zhǔn)生產(chǎn)。
由于疫苗覆蓋率低和研發(fā)的滯后性,想要阻斷病毒復(fù)制和流感的蔓延仍需有效的抗病毒藥。美國(guó)疾控中心推薦非妊娠期急性流感患者使用奧司他韋、扎那米韋等NA蛋白神經(jīng)氨酸酶抑制劑。其他抗病毒藥還有血凝素抑制劑、RNA依賴性RNA聚合酶抑制劑和M2離子通道蛋白抑制劑(金剛烷胺)等,臨床最常用的是神經(jīng)氨酸酶抑制劑,但多數(shù)患者在出現(xiàn)流感癥狀后才開(kāi)始使用抗病毒藥,往往已經(jīng)超過(guò)控制病毒復(fù)制的最佳時(shí)間。廣泛應(yīng)用抗病毒藥不僅治療效果不佳還會(huì)導(dǎo)致大量耐藥株的出現(xiàn),相關(guān)耐藥位點(diǎn)不斷被發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外正在尋找安全有效的抗病毒藥物[15]。
中醫(yī)藥在經(jīng)歷疫情中不斷發(fā)展突破,展現(xiàn)巨大潛力,中醫(yī)辨證治疫病積累了豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。流感在中醫(yī)學(xué)屬于外感熱病之瘟病、疫病[16],治療藥物蓮花清瘟膠囊、清肺排毒湯和疫毒閉肺證、寒濕郁肺證、濕毒郁肺證的推薦處方皆含有中藥甘草[17,18]。甘草一直是止咳祛痰、清熱解毒的傳統(tǒng)中藥,主要活性成分就是甘草酸,大量研究表明甘草酸具有明顯的抗病毒、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、減少氧化應(yīng)激等作用[19],對(duì)2型人副流感病毒[20]、甲型H1N1流感病毒、肝炎病毒、皰疹病毒、SARS-CoV等多種有效[11],其抗病毒作用可能與甘草酸誘導(dǎo)T細(xì)胞產(chǎn)生γ-干擾素有關(guān)[21]。甘草酸的臨床制劑目前有甘草酸二銨、甘草酸單銨、復(fù)方甘草酸苷等,在治療各類(lèi)肝病中已積累較多循證醫(yī)學(xué)證據(jù)[22]。其中甘草酸二銨是臨床較常用的甘草酸制劑,從中藥甘草活性成分提取,能夠?qū)挂腋尾《舅a(chǎn)生的炎癥瀑布保護(hù)肝細(xì)胞、改善肝功能[23,24],對(duì)多種原因引起的肝損傷都有防治作用,且與劑量呈正相關(guān)。對(duì)其他病毒也同樣有普適性,可能與其誘導(dǎo)干擾素和增強(qiáng)免疫功能[25-27]。
本研究在通過(guò)PPI網(wǎng)絡(luò)分析收集到甘草酸二銨治療流感的核心靶點(diǎn)包括23個(gè),主要涉及模板DNA轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、免疫應(yīng)答、對(duì)藥物的反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡負(fù)調(diào)節(jié)等生物過(guò)程,其中靶基因較多集中在模板DNA轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、免疫應(yīng)答等方面,說(shuō)明甘草酸二銨治療流感很可能與其調(diào)節(jié)免疫、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、抗炎作用有關(guān)。越來(lái)越多的研究表明甘草酸能夠抑制病毒的復(fù)制,付新亮報(bào)道了甘草酸二銨劑量相關(guān)性的降低感染H1N1的MDCK細(xì)胞內(nèi)病毒的表達(dá),盡管甘草酸二銨不能直接殺滅病毒和阻斷病毒吸附、穿入宿主細(xì)胞過(guò)程,但能夠抑制流感病毒復(fù)制后期階段,減輕炎癥反應(yīng)、降低病毒復(fù)制引起的免疫損傷[13]。
機(jī)體感染病毒后啟動(dòng)免疫應(yīng)答分泌細(xì)胞因子抗病毒,但免疫系統(tǒng)的過(guò)度激活可能會(huì)使免疫低下的患者發(fā)生急性肺損傷[28-31],嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)急性呼吸窘迫綜合征,專(zhuān)家們普遍認(rèn)為肺損傷與病毒感染所致的細(xì)胞因子風(fēng)暴密切相關(guān),炎癥風(fēng)暴主要與病毒持續(xù)復(fù)制、T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫失衡有關(guān)[32]。TNF、IL-6、IL-1等在流感病毒感染細(xì)胞的水平高于正常細(xì)胞[33],TNF是調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答、介導(dǎo)炎癥的重要免疫防御分子,其通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號(hào)通路可促進(jìn)炎癥反應(yīng),有研究表明甘草酸二銨可能通過(guò)影響細(xì)胞內(nèi)的MAPK[34]和NF-κB[35,36]信號(hào)通道發(fā)揮抗氧化應(yīng)激、改善炎癥和免疫調(diào)節(jié)作用。
氧化應(yīng)激時(shí)促炎細(xì)胞因子,如TNF-α、IL-1β及絲裂原等,通過(guò)IκB激酶(IKK)催化IκBα使其的兩個(gè)保守的絲氨酸殘基磷酸化而降解,從而活化NF-κB,活化的NF-κB轉(zhuǎn)入細(xì)胞核中,引起促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和炎癥相關(guān)蛋白誘生型一氧化氮合酶(iNOS)、環(huán)氧合酶(COX-2)等的表達(dá)增加,COX-2促進(jìn)前列腺素的生成介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。IL6是引起細(xì)胞因子風(fēng)暴的關(guān)鍵分子之一[37],而這些細(xì)胞因子也是NF-κB的誘導(dǎo)劑,二者循環(huán)相互作用,并導(dǎo)致了炎癥加劇[38]。甘草酸可減少NF-κB產(chǎn)生、抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinases,AMPK)通路和磷酸肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinases,PI3K)/蛋白激酶B (protein kinase B,PKB)信號(hào)通路的激活,抑制IL-1β、IL-6和TNF-α的表達(dá)[39];還可減少炎癥部位IL-8、iNOS的水平[40],提高抗氧化酶的活性,抑制COX-2表達(dá)降低炎癥部位前列腺素水平[41],有效抑制炎癥、發(fā)揮抗氧化和鎮(zhèn)痛作用。
流感病毒感染中IL17增加提示著CD4細(xì)胞的過(guò)度激活而引起免疫失衡。CD4細(xì)胞是人體重要的免疫細(xì)胞,在IL-6的誘導(dǎo)下分化為T(mén)h17,分泌IL-17,參與炎癥反應(yīng)和自身免疫性疾病。甘草酸通過(guò)減少I(mǎi)L-6和IL-17的生成促進(jìn)樹(shù)突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)的Th17細(xì)胞增殖和分化治療結(jié)腸炎[42]。甘草酸還通過(guò)增加抗炎因子IL-10的表達(dá),降低γ-干擾素、TNF-α等細(xì)胞因子的分泌,調(diào)節(jié)腸道菌群和免疫功能治療腸部感染[43]。本研究在進(jìn)行共同靶點(diǎn)蛋白互作分析時(shí)發(fā)現(xiàn),甘草酸二銨可作用于TNF、IL6、IL10、IL17等多種細(xì)胞因子,其中TNF、IL6是最主要的潛在靶點(diǎn),提示著甘草酸二銨在可能通過(guò)多重途徑阻止炎癥風(fēng)暴、調(diào)節(jié)免疫、抗氧化應(yīng)激,減輕流感病毒引起的炎癥損傷。同時(shí),甘草酸二銨可能通過(guò)IFNG調(diào)節(jié)信號(hào)傳導(dǎo)與STAT1抑制流感病毒。
GO富集分析顯示模板DNA轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、免疫應(yīng)答、炎癥反應(yīng)等生物過(guò)程在甘草酸二銨治療流感中起到關(guān)鍵作用,說(shuō)明甘草酸二銨對(duì)核酸轉(zhuǎn)錄調(diào)控、平衡免疫和消除炎癥有一定作用。KEGG富集結(jié)果顯示靶標(biāo)富集的疾病通路包括與感染、免疫相關(guān)的疾病如炎癥性腸病、利什曼病、結(jié)核病、弓形蟲(chóng)病,與流感感染源類(lèi)似的單純皰疹感染、乙型肝炎、甲型流感和與流感癥狀(咳嗽、肺部損傷)類(lèi)似的百日咳等,提示著甘草酸二銨對(duì)病毒感染以及肺部損傷可能有用??傊?,甘草酸二銨通過(guò)核酸轉(zhuǎn)錄正調(diào)控、增強(qiáng)免疫、IL17、細(xì)胞因子相互作用等多途徑發(fā)揮抗炎、免疫調(diào)節(jié)作用。
綜上所述,甘草酸二銨治療流感是個(gè)多靶點(diǎn)、多途徑的綜合過(guò)程,主要通過(guò)阻斷病毒復(fù)制、調(diào)控包括TNF、IL6、IL17在內(nèi)的多種炎癥因子的分泌,抑制病毒引起的細(xì)胞因子風(fēng)暴,減輕炎癥因子對(duì)肺組織的急性損傷,同時(shí)通過(guò)IFNG和STAT1調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng),多個(gè)途徑阻止病毒引起的細(xì)胞因子對(duì)組織器官的損傷,促進(jìn)機(jī)體康復(fù),對(duì)流感病毒感染有巨大的臨床應(yīng)用前景,是今后流感疫情的潛在治療藥物。
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Study on the Mechanism of Diammonium Glycyrrhizinate in the Treatment of Influenza Based on Network Pharmacology
Objective: Diammonium glycyrrhizinate is a commonly used glycyrrhizic acid preparation in clinic. In this study, the potential target and mechanism of diammonium glycyrrhizinate in the treatment of influenza were discussed from the perspective of network pharmacology. Methods: First, PubChem and STRING databases were used to obtain the standard target of diammonium glycyrrhizinate, and then the influenza target was retrieved in genecards database and calibrated by Uniprot database. The two were mapped by Venny online tools to obtain the intersection target. The intersection targets were constructed and analyzed by using STRING and Cytoscape3.7.2 software, and further analyzed by R language and DAVID platform for GO function and KEGG pathway enrichment of the target. Results: 23 targets of diammonium glycyrrhizinate for the treatment of influenza were obtained, including 115 significant GO biological processes and 56 KEGG signaling pathways, mainly involving inflammation, immunity and viral bacterial infection. Conclusion: Diammonium glycyrrhizinate may act on TNF, IL6 and other targets in the treatment of influenza through multiple pathways.
network pharmacology; diammonium glycyrrhizinate; influenza
R96
A
1008-1151(2022)08-0102-06
2022-05-21
林少梅(1990-),女,泉州醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校助教,研究方向?yàn)樗幚韺W(xué)。
林適峰(1987-),男,泉州市中醫(yī)聯(lián)合醫(yī)院主治醫(yī)師,碩士,研究方向?yàn)槟I臟病學(xué)相關(guān)。