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        基于網(wǎng)絡(luò)藥理學的清肺達原顆粒治療新型冠狀病毒肺炎多組分協(xié)同作用機制研究

        2020-09-21 01:48:46居晨浩吳夏秋郭清
        浙江中醫(yī)藥大學學報 2020年9期
        關(guān)鍵詞:功能模塊數(shù)據(jù)庫分析

        居晨浩 吳夏秋 郭清

        1.浙江中醫(yī)藥大學基礎(chǔ)醫(yī)學院 杭州 310053 2.浙江中醫(yī)藥大學健康管理研究所

        新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)傳染性強,潛伏期長,對全球人類的生命健康構(gòu)成極大的威脅。截至4月30日,全球累計確診病例3 190 743例,累計死亡病例227 368例[1]。按照目前的形勢來看,全球新冠病毒感染狀況依然得不到有效控制,并且新增確診人數(shù)依然還處于上升的趨勢,形勢極其嚴峻。中醫(yī)藥千百年來一直守護著國人的健康,是疾病治療方法的寶藏[2]。縱觀古今,在同疫病抗爭中,中醫(yī)防治疫病的學術(shù)體系和臨證方法也在不斷完善。從2019年12月COVID-19疫情爆發(fā)以來,中醫(yī)藥第一時間介入治療,以其獨特的優(yōu)勢成為中國疫情防控的一大利器,起到了舉足輕重的作用,到目前為止全國應用中西醫(yī)結(jié)合療法已治愈大量患者。

        清肺達原顆粒(Qingfei Dayuan Granules,QFDYKL)原名“肺炎1號方”,是由達原飲合柴陷湯加減化裁而成,組方包括柴胡、黃芩、法半夏、黨參、全瓜蔞、檳榔、草果、厚樸、知母、芍藥、生甘草、陳皮、虎杖共13味中藥。此方由國醫(yī)大師梅國強與湖北省中醫(yī)院巴元明等專家共同擬定而成,2020年2月23日經(jīng)湖北省防控指揮部科技攻關(guān)組推薦,并由湖北省人民政府正式對外公布QFDYKL制劑成功獲批并備案[3]。研究表明,使用QFDYKL等中西醫(yī)結(jié)合治療方案在改善COVID-19患者癥狀、影像學表現(xiàn)等方面有較好的效果[4]。根據(jù)目前國家衛(wèi)生健康委員會和國家中醫(yī)藥管理局提出的觀點,COVID-19屬于“濕毒疫”范疇,“濕邪”是本病的關(guān)鍵病因[5-8]。中醫(yī)認為,QFDYKL具有“化濕解毒、和解少陽”的功效,但其活性成分、藥物靶點及其確切的分子機制尚不清楚。網(wǎng)絡(luò)藥理學是從機制層面上實現(xiàn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化的新方法,能夠為中醫(yī)藥的創(chuàng)新發(fā)展提供新的方法學依據(jù)[9]?;诖?,本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學的方法分析QFDYKL治療COVID-19的有效成分、藥物靶點和關(guān)鍵途徑。

        1 材料和方法

        1.1 QFDYKL化學成分的搜集 通過中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫與分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP)(http://tcmspw.com/tcmsp.php)[10]檢索QFDYKL的化學成分,并借助醫(yī)學文摘資料庫(Excerpt Medica Database,EMBASE)、Web of Science核心合集、 護理學數(shù)據(jù)庫(Cumulative Index of Nursing and Allied Health Literature,CINAHL)等英文數(shù)據(jù)庫和知網(wǎng)、萬方等中文數(shù)據(jù)庫收集TCMSP未收錄的中藥化學成分。

        1.2 活性成分篩選與靶點的預測 以化合物口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%和類藥性(drug likeness,DL)≥0.18作為活性化合物的篩選條件[11-12],借助TCMSP數(shù)據(jù)庫的藥物成分篩選過濾功能,篩選出QFDYKL中具有良好OB和DL的化合物,即活性成分。確定活性成分之后,再利用TCMSP數(shù)據(jù)庫中的靶點預測功能,收集QFDYKL中化學成分對應的靶點蛋白。對于TCMSP未收錄的化學成分,選擇Pubchem數(shù)據(jù)庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)獲得其簡化分子線性輸入規(guī)范(simplified molecular input line entry system,SMILES),導入到結(jié)構(gòu)相似度預測靶點數(shù)據(jù)庫Swiss TargetPrediction (http://www.swisstargetprediction.ch)和藥效團模型預測靶點數(shù)據(jù)庫Pharm Mapper (http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper)預測靶點。 最后利用Uniprot(https://www.uniprot.org)數(shù)據(jù)庫將通過以上方法得到的化學成分的相關(guān)靶點蛋白基因名稱標準化。

        1.3 基因本體(gene ontology,GO)分析和京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)富集分析 GO分析是注釋基因和分析這些基因生物學過程的主要生物信息學工具。KEGG通路數(shù)據(jù)庫是通過大型分子數(shù)據(jù)集生成的基因組測序和其他高通量實驗技術(shù)的實用程序數(shù)據(jù)庫資源來了解細胞、生物的高級功能和生物生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。本研究運用Cytoscape 3.7.0軟件中的ClueGO+Cluepedia插件進行分析,以P<0.05為統(tǒng)計指標。

        1.4 蛋白互作(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)拓撲分析 將QFDYKL的靶點導入String數(shù)據(jù)庫,將研究物種選擇為人類,設(shè)置條件score>0.9為具有統(tǒng)計學意義,將具有PPI關(guān)系的結(jié)果以制表符分隔值(tab separated values,TSV)格式導出,再導入Cytoscape 3.7.0軟件進行可視化,并采用網(wǎng)絡(luò)拓撲分析工具加以分析。

        1.5 “成分-靶點”網(wǎng)絡(luò)分析和功能模塊分析 運用Cytoscape 3.7.0軟件及其插件構(gòu)建 “成分-靶點”網(wǎng)絡(luò)。運用Cytoscape 3.7.0軟件對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中心性進行分析,將度值(Degree)作為篩選條件,Degree越高,則與該成分相關(guān)的靶點越多,從而可以得出QFDYKL的核心成分。然后使用Cytoscape 3.7.0軟件繪制PPI網(wǎng)絡(luò)展示圖,并使用分子復合物檢測(molecular complex detection,MCODE)插件確定PPI網(wǎng)絡(luò)中最重要的功能模塊,最終得到子網(wǎng)絡(luò)的核心基因(hub gene)。篩選條件設(shè)置:MCODE scores>5,Degree cut-off=2,node score cut-off=0.2,Max depth=100 and k-score=2。

        2 結(jié)果

        2.1 QFDYKL活性成分及其作用靶點信息的獲取 通過TCMSP數(shù)據(jù)獲得QFDYKL中活性成分242種,以O(shè)B≥30%且DL≥0.18為閾值篩選條件,得到活性成分共200種,其中柴胡17種、黃芩15種、黨參21種、檳榔8種、草果8種、厚樸2種、知母15種、虎杖10種、陳皮5種、甘草92種、芍藥5種、瓜蔞2種。部分中藥具有相同的活性成分,其中MOL003896為黨參和甘草共有化合物,MOL004492為知母和黨參共有化合物,MOL000073為草果和檳榔共有化合物,MOL000354為柴胡和甘草共有化合物,MOL000098為柴胡、草果、全瓜蔞、虎杖、甘草共有化合物,MOL000422為柴胡、知母、芍藥、甘草共有化合物,MOL000006為全瓜蔞、虎杖、黨參共有化合物,MOL000211為芍藥、甘草共有化合物,MOL004328、MOL000359為陳皮、甘草共有化合物,MOL000449為柴胡、知母、黨參共有化合物。刪去18種相同成分后,共獲得182種活性成分。見表1。通過Pubchem數(shù)據(jù)庫獲得其SMILES,導入到Swiss TargetPrediction和Pharm Mapper數(shù)據(jù)庫獲得靶點。隨后,通過Uniprot數(shù)據(jù)庫對這些目標進行基因標準化,整合去重后共獲得454個相關(guān)的作用靶點基因。

        2.2 成分-靶點網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析 該網(wǎng)絡(luò)包括652個節(jié)點,198種活性成分,454個蛋白質(zhì)靶點和6 588條邊。見圖1。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中成分或靶點結(jié)合度值大于平均節(jié)點Degree(10.114)的有167個,其中排名前6的成分為芍藥新苷(lactiflorin)、甘草酸(glycyrrhizic acid)、芍藥二酮(palbinone)、異甘草素(isoliquiritigenin)、槲皮素(quercetin)和山奈酚(kaempferol);排名前6的靶點為雌激素受體1(estrogen receptor 1,ESR1)、雄激素受體(androgen receptor,AR)、前列腺素內(nèi)過氧化物合 酶2 (prostaglandin-endoperoxide synthase 2,PTGS2)、過氧化物酶體增生激活受體γ(peroxisome proliferative activated receptor γ,PPARG)、 糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3B)、周期蛋白依賴性激酶2(cyclin-dependent kinases 2,CDK2),表明這些成分和靶點在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用。

        表1-1 TCMSP中的182種有效活性成分及其參數(shù)Tab.1-1 182 effectively active ingredients and their parameters in TCMSP

        表1-2 TCMSP中的182種有效活性成分及其參數(shù)Tab.1-2 182 effectively active ingredients and their parameters in TCMSP

        表1-3 TCMSP中的182種有效活性成分及其參數(shù)Tab.1-3 182 effectively active ingredients and their parameters in TCMSP

        表1-4 TCMSP中的182種有效活性成分及其參數(shù)Tab.1-4 182 effectively active ingredients and their parameters in TCMSP

        表1-5 TCMSP中的182種有效活性成分及其參數(shù)Tab.1-5 182 effectively active ingredients and their parameters in TCMSP

        圖1 “成分-靶點”網(wǎng)絡(luò)Fig.1 “Composition-target” network

        圖2 藥物靶點GO富集分析Fig.2 GO enrichment analysis of drug targets

        2.3 相關(guān)藥物靶點的GO富集分析和KEGG通路分析GO富集分析中分子功能 (molecular function,MF)主要涉及絲裂原活化蛋白激酶、活性氧反應等,細胞組成(cell composition,CC)主要涉及質(zhì)膜的組成成分、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等,生物過程(biological process,BP)主要涉及內(nèi)肽酶活性、單加氧酶活性等。見圖2。KEGG通路分析提示共36條通路,藥物靶點主要集中在絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR/ErbB)信號通路、腎素血管緊張素系統(tǒng)(renin angiotensin systems,RAS)信號通路、RAS相關(guān)蛋白1(RAS-related protein1,Rap1)信號通路、鈣信號通路、cGMP依賴蛋白激酶G (cGMP dependentprotein kinase G,cGMP-PKG)信號通路。見圖3。藥物通過網(wǎng)絡(luò)中的藥物靶點,在酶活性的調(diào)控、血管生成和發(fā)育、細胞增殖調(diào)控和T細胞免疫調(diào)控等過程中發(fā)揮治療COVID-19的作用。

        圖3 藥物靶點的KEGG代謝通路分析Fig.3 Analysis of KEGG metabolic pathways of drug targets

        2.4 PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析結(jié)果 將藥物靶點導入String數(shù)據(jù)庫,將研究物種選擇為人類,將minimum required interaction score設(shè)置為大于0.9,獲得PPI網(wǎng)絡(luò)。見圖4。將PPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)果以TSV格式導出,再將所得數(shù)據(jù)導入Cytoscape軟件進行PPI網(wǎng)絡(luò)拓撲分析,Degree越高,在QFDYKL治療過程中可能發(fā)揮的作用越重要,取Degree排名前20的靶點。見表2。主要靶點為磷酸肌醇-3-激酶催化亞基α肽(phosphoinositide-3-kinase subunit α,PIK3CA)、淀粉樣β蛋白前體(amyloid β precursor protein,APP)MAPK1、MAPK3、90kDa熱休克蛋白αA1(heat shock protein 90kDa αA1,HSP90AA1)、C-X-C趨化因子受體4型(C-X-C motif chemokine receptor type 4,CXCR4)等。

        2.5 藥物靶點的功能模塊分析 使用Cytoscape繪制PPI網(wǎng)絡(luò),使用MCODE獲得PPI網(wǎng)絡(luò)中最重要的4個功能模塊及其hub基因。見圖5。篩選條件為MCODE scores>5,Degree cut-off=2,node score cut-off=0.2,Max depth=100 and k-score=2。在PPI網(wǎng)絡(luò)中得分較高的4個功能模塊中,功能模塊1得分21分,功能模塊2得分13.429分,功能模塊3得分10分,功能模塊4得分8分。得分最高的功能模塊1包含毒蕈堿型乙酰膽堿受體2(muscarinic acetylcholine receptor M2,CHRM2)、APP、前列腺素E受體3基因(prostaglandin E receptor 3,PTGER3)等基因,涉及認知、突觸形成等方面。

        3 討論

        QFDYKL由達原飲合柴陷湯加減化裁而成。小柴胡湯出自東漢·張仲景《傷寒論》,具有和解少陽的功效。血弱氣盡腠理開,邪氣陷入少陽表里之半,少陽經(jīng)氣不利,郁而化熱,不可汗吐下,只能治以和解樞機、扶正祛邪之法。柴胡苦平為治少陽要藥,透其邪熱、疏泄氣機;黃芩清熱,柴胡配黃芩共奏升散外邪、清泄郁熱、調(diào)和表里的效果[13];生姜、半夏降逆化飲;人參、甘草、大棗和胃氣,顧護脾胃,諸藥相合,邪氣得解,上焦得通,津液得下,胃氣因和?!秱撘怼ぞ砩稀ち?jīng)正義》:“邪入少陽表里之半,宜雜用表里寒熱攻補之品,為防御解利之法?!盵14]達原飲出自吳又可[15]《溫疫論·溫疫初起》,由檳榔、厚樸、草果、知母、芍藥、黃芩、甘草7味藥組成。檳榔善消磨,能除伏邪瘴氣,為疏利氣機之藥;厚樸可破戾氣之所結(jié);草果辛溫氣烈,防伏邪蟠踞,可化太陰之濕;邪氣盤踞募原,半表半里之地,外不得出表,內(nèi)不能入里,極易化熱,熱傷津液,故加知母清熱滋陰;芍藥入血分,先安未受邪之地;黃芩清余熱;甘草調(diào)和諸藥。諸藥合力,直搗巢穴,可使邪氣潰敗而速離募原,故名達原飲。小柴胡湯去生姜、大棗兩味溫補之藥,而加瓜蔞清熱化痰,陳皮理氣燥濕,虎杖清熱化濕、止咳化痰,合達原飲而成QFDYKL。縱觀全方,集清郁熱、祛疫邪、扶正氣、化痰濕、和解少陽于一體,用于治療COVID-19少陽兼痰濕熱郁肺甚佳。

        圖4 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)Fig.4 PPI network

        表2 Degree前20的靶點在PPI網(wǎng)絡(luò)中的拓撲屬性Tab.2 Topological properties of the top 20 targets in Degree in the PPI network

        圖5 PPI功能模塊分析Fig.5 PPI functional modules analysis

        本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學的方法,揭示了QFDYKL可能的作用機制,發(fā)現(xiàn)QFDYKL治療COVID-19是多靶點、多通路協(xié)同作用的結(jié)果。藥物活性成分主要來源于柴胡、黃芩、知母、黨參、甘草等中藥。相同的化合物可以來源于不同種類的中藥,同一化合物也可以對應多個靶點,同一靶點也可以對應不同化合物,這充分體現(xiàn)了中藥多靶點、多成分的作用特點。QFDYKL中排名前6的活性成分,在治療COVID-19過程中發(fā)揮抗菌、抗病毒、抗炎、止咳平喘、增強機體免疫力等作用。甘草酸(glycyrrhizic acid)可以與血管緊張素轉(zhuǎn)化酶 2 (angiotensin converting enzyme 2,ACE2)結(jié)合,干擾新型冠狀病毒與宿主的結(jié)合,抑制病毒侵入人體[16]。有研究表明,槲皮素(quercetin)可降低α平滑肌肌動蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子-β1等的表達,能夠抑制大鼠肺泡細胞凋亡,并減輕其肺組織炎癥以及纖維化損傷[17]。還有研究表明,山奈酚可以通過下調(diào)核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)增強信號通路的表達,減輕急性肺損傷小鼠的炎癥和氧化應激損傷[18]。QFDYKL藥物活性成分則主要通過作用于ESR1、AR、PTGS2、PPARG、GSK3B和CDK2等靶點治療COVID-19。

        KEGG通路分析發(fā)現(xiàn),涉及MF的通路包括Ras信號通路、Rap1信號通路等,與化痰鎮(zhèn)咳平喘相關(guān)的通路包括cGMP-PKG信號通路等,與炎癥免疫相關(guān)的通路有花生四烯酸代謝 (arachidonic acid metabolism)等,與鎮(zhèn)靜相關(guān)的通路包括神經(jīng)活性配體-受體相互作用(neuroactive ligand-receptor interaction),與解熱鎮(zhèn)痛相關(guān)的通路有鈣信號通路、cAMP信號通路等,提示QFDYKL通過調(diào)節(jié)炎癥免疫、解熱鎮(zhèn)痛等相關(guān)通路,發(fā)揮治療COVID-19的作用。PPI網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果提示,QFDYKL治療過程中發(fā)揮重要作用的核心靶點為PIK3CA、APP、MAPK1、MAPK3、HSP90AA1 和 CXCR4等,這些靶點與細胞生長分化、凋亡、炎癥反應以及內(nèi)分泌調(diào)節(jié)相關(guān)。進一步篩選后得到的4個得分最高的功能模塊,其基因在治療COVID-19的過程中相互作用。

        中醫(yī)藥學以“整體觀念”與“辨證論治”把握生命、疾病與藥物的關(guān)系,包含著中華民族幾千年的健康養(yǎng)生理念及其實踐經(jīng)驗,是中華文明的瑰寶,凝聚著中華民族的博大智慧[19]。中藥及其方劑具有多成分、多途徑和多靶點協(xié)同作用等特點,在防治傳染病方面具有其自身的特色和優(yōu)勢。在大數(shù)據(jù)的環(huán)境下,生物信息學、藥理學等學科迅速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)藥理學也應運而生。網(wǎng)絡(luò)藥理學是研究藥物的新模式,其整體性、系統(tǒng)性的特點與中醫(yī)藥整體觀念、辨證論治的原則不謀而合,與中醫(yī)藥研究的有機結(jié)合是一個具有創(chuàng)新性的研究方向[4]。有關(guān)新型冠狀病毒的相關(guān)研究正在不斷增多,不可否認,本研究具有一定的局限性,有必要再通過相關(guān)實驗研究對QFDYKL治療COVID-19的作用機制進行驗證。

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