曹銘晨,于振英,辛兆洋,徐龍,楊智威 ,任煒,邢曉敏,荊凡波
(青島大學(xué)附屬醫(yī)院,山東 青島 266000)
中藥復(fù)方具有多成分、多靶點(diǎn)、多途徑協(xié)同作用的特點(diǎn),采用傳統(tǒng)“一個(gè)藥物,一個(gè)靶標(biāo),一種疾病”的理念模式難以全面闡述其復(fù)雜的作用機(jī)制。系統(tǒng)生物學(xué)、網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)等新技術(shù)的發(fā)展,為從系統(tǒng)水平闡明中藥及復(fù)方的作用機(jī)制、篩選活性成分、經(jīng)方優(yōu)化和新復(fù)方配伍的研究提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐[1-2]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是以系統(tǒng)生物學(xué)為基礎(chǔ),整合各種藥物、生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),利用生物信息學(xué)手段分析和構(gòu)建藥物-基因-靶點(diǎn)蛋白-疾病的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)藥物作用靶點(diǎn),并從生物網(wǎng)絡(luò)平衡的系統(tǒng)水平觀察藥物作用機(jī)制,具有整體性、系統(tǒng)性的特點(diǎn),與中醫(yī)藥整體觀、辨證論治、組方配伍的原則以及中藥多成分、多靶點(diǎn)調(diào)控機(jī)體不謀而合[3]。
五苓散出自漢代張仲景《傷寒論》,由白術(shù)、澤瀉、豬苓、茯苓、桂枝組成,方中諸藥配伍,共奏淡滲利濕、健脾助運(yùn)、溫陽(yáng)化氣、解表散邪之功,主治太陽(yáng)蓄水證(水飲內(nèi)停),由表證未解、陽(yáng)氣被遏、膀胱氣化不利、脾不輸精所致。因五苓散利水、利尿作用顯著,不少學(xué)者將其視為中醫(yī)的“利尿劑”[4]。然而,五苓散的藥理作用具有綜合性、非單一性的特點(diǎn),認(rèn)為五苓散專(zhuān)治蓄水證或用于表證的思想是片面的[5]。五苓散的臨床應(yīng)用廣泛,涉及水腫、泌尿系統(tǒng)、關(guān)節(jié)病、眩暈、頭痛、癲癇、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等[4-6]。
現(xiàn)代藥理學(xué)已在細(xì)胞層面和基因轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)五苓散開(kāi)展相關(guān)研究,但動(dòng)物實(shí)驗(yàn)篩選的周期長(zhǎng)、成本高且工作量大,其分子層面機(jī)制尚不完全明確。目前尚無(wú)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法從系統(tǒng)層面探討五苓散分子作用機(jī)制的相關(guān)文獻(xiàn),本研究系統(tǒng)納入五苓散的活性成分預(yù)測(cè)、靶點(diǎn)預(yù)測(cè)和藥物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析,從分子水平預(yù)測(cè)并探討五苓散多成分、多靶點(diǎn)的整體調(diào)控作用,為深入開(kāi)展五苓散的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究及臨床合理應(yīng)用提供參考。
基于中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(traditional chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP)[7]、DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)[8]獲取五苓散主要成分信息,基于PharmMapper數(shù)據(jù)庫(kù)[9]、全球蛋白質(zhì)資源(universal protein resource,UniProt)[10]、Pubchem數(shù)據(jù)庫(kù)[11]預(yù)測(cè)可能存在的相互關(guān)系、靶點(diǎn)和基因信息;Cytoscape 3.5.1軟件[12]構(gòu)建化合物-靶點(diǎn)相互作用網(wǎng)絡(luò);基于DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)[13]、京都基因與基因組百科全書(shū)(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)[14]、STRING數(shù)據(jù)庫(kù)[15]、R語(yǔ)言包3.5.1(R version 3.5.1)[16]進(jìn)行通路富集分析。
TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)是整合藥物化學(xué)、藥物代謝動(dòng)力學(xué)和藥物-靶點(diǎn)蛋白網(wǎng)絡(luò)-疾病網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平臺(tái),通過(guò)數(shù)學(xué)和計(jì)算模型對(duì)中藥化學(xué)成分進(jìn)行毒藥物動(dòng)力學(xué)(ADME)的預(yù)測(cè),其關(guān)鍵參數(shù)為口服生物利用度 (oral bioavailability, OB)、半衰期(half-life,HL)和藥物相似性評(píng)價(jià)(drug-likeness,DL)。一般認(rèn)為OB大的化學(xué)成分口服生物利用度好,IDL≥0.15的分子類(lèi)藥性較高。通過(guò)檢索TCMSP、Pubchem數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合文獻(xiàn)篩選五苓散中已知活性成分中滿足XOB≥20%、IDL≥0.18和THL≥4 h的化合物為候選活性成分。
PharmMapper是基于反向藥效團(tuán)匹配法的化學(xué)小分子潛在靶點(diǎn)和生物活性預(yù)測(cè)的服務(wù)器。將五苓散中篩選得到的活性成分以成分名作為關(guān)鍵詞輸入Pubchem數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索,查找并保存各活性成分的三維化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)式為.sdf格式, 提交到PharmMapper進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè), 相關(guān)參數(shù)選擇: Generate Conformers=Yes;Maximum Generated Conformations=100;Select Targets Set=Human Protein Targets Only; Number of Reserved Matched Targets=100, 預(yù)測(cè)得到與各化合物相關(guān)的target name、gene、Uniprot ID、fit score等參數(shù)。剔除相同靶點(diǎn)后將靶點(diǎn)名輸入U(xiǎn)niprot數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)一命名為基因名。
將候選活性成分、相關(guān)靶點(diǎn)信息導(dǎo)入Cytoscape軟件,構(gòu)建化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),其中節(jié)點(diǎn)(node)代表化合物、基因、蛋白質(zhì)等靶點(diǎn),節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接(edge)代表相互作用,節(jié)點(diǎn)度值(Degree)表示網(wǎng)絡(luò)中和節(jié)點(diǎn)連接的路線數(shù)。
STRING數(shù)據(jù)庫(kù)是儲(chǔ)存已知和預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)之間直接、間接相互作用信息的數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)每個(gè)蛋白相互作用程度都有一個(gè)P值,值高則蛋白相互作用的置信度高。五苓散活性成分的相關(guān)靶點(diǎn)基因上傳至在線STRING數(shù)據(jù)庫(kù),獲取蛋白相互作用信息,選取打分值大于0.9的最高置信度的數(shù)據(jù),導(dǎo)入Cytoscape軟件構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò),探索五苓散靶點(diǎn)蛋白在系統(tǒng)水平上的相互作用。
David數(shù)據(jù)庫(kù)整合多種數(shù)據(jù)庫(kù)信息,采用改進(jìn)的Fisher精確檢驗(yàn)算法對(duì)基因集進(jìn)行富集分析,采用David v6.8數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)中的蛋白進(jìn)行基因本體GO(gene ontology)富集分析,探索五苓散活性成分的靶點(diǎn)蛋白在基因功能中的作用,獲取分析結(jié)果的P值,應(yīng)用R軟件繪制GO富集分析結(jié)果的條形圖。
利用Cytoscape軟件對(duì)KEGG通路富集分析中的信號(hào)通路構(gòu)建靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用David V6.8數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)中的蛋白進(jìn)行KEGG生物通路富集分析,探索五苓散活性成分的靶點(diǎn)蛋白在信號(hào)通路中的作用。將活性成分的相關(guān)靶點(diǎn)基因列表導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù),勾選OFFICIAL_GENE_SYMBOL、Gene list、Submit list,選擇基因功能分類(lèi)工具,修改背景為人類(lèi),選擇Pathway,篩選P<0.01的通路確定為可靠通路,結(jié)合KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通路注釋和分析。利用R語(yǔ)言對(duì)主要代謝通路、生物過(guò)程進(jìn)行繪圖分析。
根據(jù)藥學(xué)參數(shù)篩選出五苓散中50種潛在的活性化合物,表1列出主要活性化合物的參數(shù)如分子量(molecular weight,M)、脂水分配系數(shù)(Lipid-water partition coefficient,ALogP)、生物利用度 (Oral bioavailability, OB)、腸上皮通透性(Caco-2)、血腦屏障(Blood brain barrier,BBB)、半衰期(Half-life,HL)和藥物相似性評(píng)價(jià)(drug-likeness,DL)。
表1 五苓散組分活性成分及其藥動(dòng)學(xué)參數(shù)
續(xù)表1
將五苓散中活性成分看作整體,構(gòu)建的化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中(圖1)共含459個(gè)節(jié)點(diǎn)( 50個(gè)化合物節(jié)點(diǎn)和409個(gè)靶點(diǎn)節(jié)點(diǎn)),該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)化合物-靶點(diǎn)的相互作用,揭示了五苓散的潛在相互作用關(guān)系。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)分析網(wǎng)絡(luò)中度值較大的潛在關(guān)鍵靶點(diǎn),五苓散化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)平均度值為5.4,每個(gè)靶點(diǎn)平均度值為3.02,其中50個(gè)靶點(diǎn)能與大于等于20個(gè)化合物發(fā)生相互作用,證明了五苓散多成分與多靶點(diǎn)共同作用的特點(diǎn)。化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中度值≥20 的關(guān)鍵靶點(diǎn)包括RNA冷休克域結(jié)合蛋白E1(CSDE1)、磷酸核糖焦磷酸合成酶1(PRPS1)、17β-雌二醇脫氫酶IV(HSD17B4)、酪蛋白水解蛋白酶P(CLPP)、含?;鵆oa結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白7(ACBD7)、鋅-α2糖蛋白(AZGP1)、鈣調(diào)蛋白依賴(lài)的蛋白激酶IV(Camk4)、Glu/Asp豐富羧基端域Cbp/p300相互作用反式激活因子2(CITED2)、G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)因子6(RGS6)、轉(zhuǎn)錄起始因子TFIID亞基13(TAF13)等。其中,度值較高的CSDE1、PRPS1和HSD17B4分別能與46、44和42個(gè)化合物發(fā)生相互作用。
圖1 五苓散化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Compound-target network of Wulingsan
基于蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系,構(gòu)建了五苓散的在靶點(diǎn)的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)(圖2) 。PPI網(wǎng)絡(luò)包含155個(gè)節(jié)點(diǎn)和527條相互作用關(guān)系(連線)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì),其中介數(shù)(betweenness centrality,BC)和度值大于均值(介數(shù)=0.0255,度值=6.8)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),包括CSDE1、CITED2、RANBP2、HSD17B4、TAF13、SOD2、ARHGAP11、ARHGEF12、CAMK4、TP53等,其中,度值最高的CSDE1能與45個(gè)蛋白發(fā)生相互作用,度值緊隨其后的CITED2和RANBP2分別能與42和39個(gè)蛋白發(fā)生相互作用。
圖2 PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Protein-protein interaction network of Wulingsan
根據(jù)調(diào)整的P值(Padjust<0.005)列出前20條GO途徑(圖3),說(shuō)明五苓散在細(xì)胞組成相關(guān)條目主要涉及細(xì)胞溶質(zhì);生物過(guò)程相關(guān)條目主要涉及細(xì)胞對(duì)有機(jī)物質(zhì)的反應(yīng)、細(xì)胞對(duì)化學(xué)刺激的反應(yīng)、上調(diào)代謝進(jìn)程、含氮物質(zhì)代謝、有機(jī)物循環(huán)代謝進(jìn)程等方面;分子功能相關(guān)條目主要涉及催化活性、蛋白結(jié)合、有機(jī)物循環(huán)結(jié)合、小分子結(jié)合、離子結(jié)合及轉(zhuǎn)運(yùn)活性等方面。
圖3 GO通路富集分析條形圖Fig.3 Bar graph of the GO pathway enrichment analysis
KEGG通道分析主要涉及膀胱癌、前列腺癌、內(nèi)分泌抵抗等途徑,通路富集基因ID見(jiàn)表2。根據(jù)調(diào)整的P值(Padjust<0.05)列出前10條通路(圖4)。
表2 KEGG通路富集分析靶點(diǎn)基因ID
圖4 KEGG通路富集分析點(diǎn)狀圖Fig.4 Dot plot of the KEGG pathway enrichment analysis
本研究應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法確證了五苓散在人體水液代謝平衡中的調(diào)節(jié)作用。五苓散的活性成分通過(guò)影響細(xì)胞溶質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)和刺激的反應(yīng)、上調(diào)代謝、小分子物質(zhì)、離子、蛋白的結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)活性等途徑,調(diào)控人體內(nèi)水液代謝及電解質(zhì)的平衡。五苓散幾乎參與了水液代謝的全過(guò)程,其主病證也大多與水液代謝障礙有關(guān),不局限在“利小便”。研究表明五苓散具有根據(jù)機(jī)體的狀態(tài)及時(shí)雙向調(diào)節(jié)水液代謝的作用,機(jī)體脫水狀態(tài)時(shí)呈抗利尿作用,而水腫狀態(tài)時(shí)則產(chǎn)生利尿作用,使水液輸布有道[17]。此外,KEGG富集分析提示膀胱癌、前列腺癌代謝通路與五苓散存在高度相關(guān)性,這兩個(gè)靶器官與人體的水液代謝密切相關(guān),從另一方面反映了五苓散作為“中醫(yī)利尿劑”的高度選擇性。目前尚未有五苓散應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)腫瘤治療的研究,已有研究表明HSD17B4在前列腺癌、膀胱癌、肝癌組織和細(xì)胞中表達(dá)明顯增加,而五苓散與HSD17B4[18]存在高度親和性,HSD17B4通過(guò)氧化較高生物活性的雌二醇為低活性的雌酮,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)雌二醇的分泌量而影響腫瘤進(jìn)展[19]。五苓散是否通過(guò)影響類(lèi)固醇激素代謝過(guò)程從而影響泌尿系統(tǒng)腫瘤的發(fā)展進(jìn)程,有待進(jìn)一步研究。
痛風(fēng)是人體嘌呤代謝紊亂和(或)血尿酸增高的疾病,其生化標(biāo)志是高尿酸血癥,主要與機(jī)體長(zhǎng)期嘌呤代謝紊亂、尿酸排泄障礙有關(guān)。中醫(yī)認(rèn)為痛風(fēng)性疾病屬“熱痹”、“痛痹”范疇,治療以“活血止痛、利水滲濕”為原則[20]。五苓散的病機(jī)為津液運(yùn)化失常、水濕停聚,從其病機(jī)出發(fā)辨證運(yùn)用治療痛風(fēng)亦有顯效。本研究發(fā)現(xiàn)五苓散的活性成分與有機(jī)物質(zhì)的代謝、循環(huán)及含氮物質(zhì)的代謝途徑密切相關(guān)。研究表明磷酸核糖焦磷酸合成酶1(PRPS1)、次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HPRT)及黃嘌呤氧化酶(XO)的基因多態(tài)性與嘌呤代謝異常密切相關(guān),已有7個(gè)超活性的PRPS1單堿基突變被證明與尿酸生成增多和遺傳性痛風(fēng)有關(guān)[21]。反向分子對(duì)接技術(shù)顯示五苓散活性成分與PRPS1存在高度親和性,提示其除通過(guò)促進(jìn)水液排泄的作用加速尿酸排出外,還可能通過(guò)影響PRPS1的活性而發(fā)揮調(diào)節(jié)嘌呤代謝的作用。目前研究藥物抑制尿酸生成機(jī)制的靶點(diǎn)主要集中在XO,五苓散是否通過(guò)PRPS1靶點(diǎn)調(diào)控嘌呤代謝值得深入地研究。
類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)是一種以慢性、對(duì)稱(chēng)性多滑膜關(guān)節(jié)炎和關(guān)節(jié)外病變?yōu)橹鞯穆宰陨砻庖咝约膊?,中醫(yī)認(rèn)為屬于“痹癥”范疇,其病因病機(jī)主要為濕濁留滯體內(nèi)不化,循經(jīng)竄絡(luò),流注關(guān)節(jié)。RA治療應(yīng)以化氣利水、健脾祛濕為原則,五苓散應(yīng)用于RA治療取得良好效果。本文推測(cè)五苓散可能通過(guò)調(diào)節(jié)骨骼間隙液的狀態(tài)來(lái)影響流體剪切力(fluid shear stress,F(xiàn)SS),從而在骨關(guān)節(jié)炎癥的治療上發(fā)揮重要作用。研究指出FSS是骨骼細(xì)胞在體內(nèi)受到的主要受力形式,骨骼的應(yīng)力通過(guò)骨骼組織間隙液流動(dòng),F(xiàn)SS作用于骨骼細(xì)胞,調(diào)控成骨細(xì)胞代謝,通過(guò)影響骨細(xì)胞的發(fā)育、增殖、分化等過(guò)程參與骨骼系統(tǒng)改建[22]。Lim等[23]研究發(fā)現(xiàn),下頜骨間充質(zhì)干細(xì)胞經(jīng)過(guò)FSS作用后,骨唾液酸蛋白、Ⅰ型膠原、堿性磷酸酶和骨橋蛋白等表達(dá)增強(qiáng),說(shuō)明FSS促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨相關(guān)基因的表達(dá)。FSS還通過(guò)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶5途徑(ERK5)誘導(dǎo)環(huán)氧合酶2(COX-2)基因的表達(dá),在骨關(guān)節(jié)炎癥進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[24]。此外,Ezrin、Radixin、Moesin蛋白影響成纖維樣滑膜細(xì)胞增殖而在RA進(jìn)程中發(fā)揮重要作用,五苓散可能通過(guò)調(diào)控此通路影響RA進(jìn)程[25]。
五苓散活性成分與心血管系統(tǒng)疾病的某些靶點(diǎn)如鋅-α2糖蛋白(Zinc-alpha-2-glycoprotein, AZGP1)、FSS等也存在高度親和性。研究表明FSS在動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展上發(fā)揮重要的作用,體外培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細(xì)胞在不同F(xiàn)SS作用下,其micro RNAs表達(dá)水平出現(xiàn)顯著差異,進(jìn)而調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)周期和凋亡以及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[26-27]。Kohlstedt等[28]發(fā)現(xiàn)FSS通過(guò)抑制內(nèi)皮細(xì)胞AMPKα2途徑,上調(diào)p53的磷酸化和miR-143/145的表達(dá),抑制內(nèi)皮血管緊張素轉(zhuǎn)換酶表達(dá);CHEN等[29]的研究表明FSS通過(guò)上調(diào)miR-101的表達(dá),抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的表達(dá)和內(nèi)皮細(xì)胞增殖。此外,慢性心力衰竭患者尿液中的AZGP1水平升高[30],五苓散是否能降低慢性心衰患者的AZGP1水平還有待研究。
此外,五苓散可能在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控方面發(fā)揮作用?!督饏T要略》指出五苓散可用于癲眩之水氣病,凡辯證屬水氣濕濁泛濫所致癲癇、頭痛、眩暈病者,用本方可獲良效,有報(bào)道指出五苓散治療偏頭痛、頑固性偏頭痛、癲癇效果良好[4-6]。反向分子對(duì)接分析提示五苓散活性成分可能與CSDE1、CAMK4、AZGP1、ACBD7存在高度親和性,這些靶點(diǎn)與神經(jīng)系統(tǒng)存在密不可分的聯(lián)系。如CSDE1可能是自閉癥的風(fēng)險(xiǎn)基因,通過(guò)影響STX1A來(lái)影響神經(jīng)系統(tǒng)功能[31];ACBD7是一種強(qiáng)效的厭食性神經(jīng)肽,通過(guò)黑皮質(zhì)素系統(tǒng)的瘦素來(lái)發(fā)揮厭食或產(chǎn)熱作用,以調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝平衡[32];CAMK4參與小鼠小腦組織的長(zhǎng)時(shí)程抑制信號(hào)途徑,其在基因和蛋白水平的表達(dá)程度將影響小鼠小腦的學(xué)習(xí)和記憶功能。還有研究發(fā)現(xiàn)AZGP1可能是治療癲癇的潛在新靶點(diǎn),通過(guò)抑制TGF-β介導(dǎo)的ERK磷酸化以及TNF-α和IL-6介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥從而抑制癲癇發(fā)作[33],臨床辨證應(yīng)用五苓散治療癲癇取得了較好效果,是否通過(guò)此靶點(diǎn)發(fā)揮抗癲癇作用尚不明確。五苓散在神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的應(yīng)用和研究并不多見(jiàn),值得深入研究。
本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法對(duì)五苓散的活性成分和作用機(jī)制進(jìn)行了探討,對(duì)可能的作用靶點(diǎn)和代謝通路展開(kāi)分析,為深入研究五苓散的分子作用機(jī)制提供了新方向。