郭 琴,王 穎,王歡歡,柏 冬*
1.中國中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)基礎(chǔ)理論研究所,北京 1007001
2.陜西中醫(yī)藥大學(xué),陜西 咸陽 712046
新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)爆發(fā)以來,引起了全球各界的關(guān)注。2020年2月11日國際病毒分類委員會(ICTV)宣布,將新型冠狀病毒正式命名為嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)。在治療COVID-19 的過程中,中醫(yī)藥的參與度極高,且獲得了確切的療效,COVID-19 在中醫(yī)上屬于“疫”的范疇,病位在肺,中醫(yī)認為 COVID-19 患者主要由外邪入侵(SARS-CoV-2 感染)和正氣不足(人體免疫力下降)引發(fā),后期由于機體和臟腑功能失調(diào)使得疾病進一步加重[1]。中醫(yī)強調(diào)“扶正”和“祛邪”,注重整體觀和三因制宜,在疫情的防控中發(fā)揮著積極的作用。COVID-19 的病情變化具有明顯的階段性,且病情輕重在臨床診療中易于識別,因此分期論治具有合理性和必要性[2]。在國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》第7 版[3]中,中醫(yī)采取了分期治療的方式,將疾病的臨床治療期分為輕型、普通型、重型、危重型和恢復(fù)期5 個階段。
中醫(yī)以整體觀念和辨證論治為治療原則,其中“證”是中醫(yī)特有的概念和核心內(nèi)容,能夠反映疾病發(fā)生過程中某一階段病理變化的本質(zhì),患者感染SARS-CoV-2 后會因為自身體質(zhì)、地區(qū)和疾病階段而表現(xiàn)為不同的證型,因此利用現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等技術(shù)和方法,從新的視角深入闡釋中醫(yī)證候的形成原因?qū)χ嗅t(yī)藥現(xiàn)代化具有重要意義[4]。張伯禮院士團隊[5]結(jié)合全國各地病例和治療方案,發(fā)現(xiàn)COVID-19的病因多歸為“濕或濕熱之邪”,認為此病當為“濕毒疫”,并將核心病機歸納為“寒、濕、熱、毒、瘀、閉、虛”。基于此,本研究選擇了《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》第7 版[3]中的濕熱蘊肺證(輕型)、濕毒郁肺證(普通型)、氣營兩燔證(重型)、內(nèi)閉外脫證(危重型)和氣陰兩虛證(恢復(fù)期)5 個證型及其對應(yīng)復(fù)方為研究對象,使用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法,對5 個證型的證候表現(xiàn)及其所用復(fù)方的靶點和通路進行預(yù)測和挖掘,以期闡明各證型的分子作用機制。
以濕熱蘊肺證(輕型)、濕毒郁肺證(普通型)、氣營兩燔證(重型)、內(nèi)閉外脫證(危重型)和氣陰兩虛證(恢復(fù)期)5 個證型所用復(fù)方的中藥為研究對象,使用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析平臺(TCMSP,http://tcmspw.com/tcmsp.php)、中藥綜合數(shù)據(jù)庫(TCMID,http://119.3.41.228:8000/tcmid/)和檢索文獻獲得各中藥的主要活性成分,其中TCMSP 數(shù)據(jù)庫的篩選參數(shù)為口服利用度(oral bioavailability,OB)≥30%、類藥性(drug like index,DL)≥0.18。利用TCMSP 數(shù)據(jù)庫、Swiss Target Prediction 數(shù)據(jù)庫(http://www.swisstargetprediction.ch/)和Pharmmapper數(shù)據(jù)庫(http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)獲得各中藥主要活性成分的作用靶點。
對濕熱蘊肺證(輕型)、濕毒郁肺證(普通型)、氣營兩燔證(重型)、內(nèi)閉外脫證(危重型)和氣陰兩虛證(恢復(fù)期)的臨床表現(xiàn)進行整理,使用Geen Card 數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org/)、TTD 數(shù)據(jù)庫(http://db.idrblab.net/ttd/)和 OMIM 數(shù)據(jù)庫(https://www.omim.org/)檢索各證型臨床表現(xiàn)的靶點。
對各復(fù)方活性成分的靶點和各證型臨床表現(xiàn)的靶點取交集,將各證型的交集靶點上傳至STRING 數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/),設(shè)置生物物種為人,置信度≥0.400,將構(gòu)建的PPI 網(wǎng)絡(luò)信息導(dǎo)入Cytoscape3.8.0 軟件,計算度(degree)值,基于cytoHubba 插件的拓撲算法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中重要的蛋白節(jié)點和子網(wǎng),并進行可視化處理。
血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)是SARS-CoV-2 S 蛋白的受體,介導(dǎo)病毒進入靶細胞。在小鼠急性肺損傷模型中,與野生型小鼠相比,ACE2 基因敲除小鼠的肺功能顯著惡化,而注射外源性重組人ACE2 可減輕肺損傷程度[6],說明在SARS-CoV-2的致病過程中,ACE2不僅是病毒進入細胞的受體,也是病毒引發(fā)肺損傷的靶分子[7]。因此,將ACE2 蛋白與各復(fù)方篩選得到的關(guān)鍵蛋白共同導(dǎo)入STRING 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡(luò),查看復(fù)方的關(guān)鍵蛋白與ACE2 蛋白的相互作用。
將交集靶點導(dǎo)入DAVID 數(shù)據(jù)庫(https://david.ncifcrf.gov/),選擇生物物種為人,設(shè)定閾值為P≤0.05,將富集結(jié)果的前20 條通路進行可視化處理。
以O(shè)B≥30%、DL≥0.18 為篩選參數(shù),檢索TCMSP 數(shù)據(jù)庫中COVID-19 的5 個證型復(fù)方的主要活性成分和靶點。對于TCMSP 數(shù)據(jù)庫中不包含的中藥生石膏、水牛角、安宮牛黃丸、麥冬和生地通過TCMID 數(shù)據(jù)庫檢索其主要活性成分,竹葉(淡竹葉)[8-10]、化橘紅[11-12]、地龍[13]和焦三仙(焦山楂[14-15]、焦神曲[16-19])通過檢索文獻獲得主要活性成分,并使用Swiss Target Prediction 數(shù)據(jù)庫獲得其靶點蛋白。生石膏所含成分使用Pharmmapper 數(shù)據(jù)庫獲得其作用靶點。
忽略炮制方式,5 個證型復(fù)方所含中藥的主要活性成分及其作用靶點見表1。其中,濕熱蘊肺證(輕型)復(fù)方包含12 種中藥,檢索到188 個活性成分及260 個靶點;濕毒郁肺證(普通型)復(fù)方包含13 種中藥,檢索到162 個活性成分及340 個靶點;氣營兩燔證(重型)復(fù)方包含12 種中藥,檢索到194 個活性成分及437 個靶點;內(nèi)閉外脫證(危重型)復(fù)方包含4 種中藥,檢索到46 個活性成分及163 個靶點;氣陰兩虛證(恢復(fù)期)復(fù)方包含10 種中藥,檢索到253 個活性成分及431 個靶點。
表1 COVID-19 的5 個中醫(yī)證型復(fù)方所含中藥的活性成分和靶點數(shù)Table 1 Number of active ingredients and targets of TCM contained in five syndromes related compounds of COVID-19
將COVID-19 的5 個證型的臨床表現(xiàn)及其對應(yīng)檢索詞進行整合,利用Geen Card、TTD 和OMIM數(shù)據(jù)庫檢索各證型臨床表現(xiàn)的靶點,見表2。
對COVID-19 的5 個證型的臨床表現(xiàn)及其復(fù)方的靶點取交集,如圖1所示,5 個證型及其對應(yīng)復(fù)方的交集靶點數(shù)目分別是252、322、402、140、399,結(jié)果表明5 個證型復(fù)方對COVID-19 相關(guān)證型具有調(diào)控作用。
將交集靶點上傳至SRTRING 數(shù)據(jù)庫得到的PPI 網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Cytoscape 3.8.0 軟件,通過CytoHubba插件以度為條件進行拓撲分析,分別篩選出排名前10 的關(guān)鍵蛋白,獲得的關(guān)鍵蛋白如圖2所示,顏色由紅至黃代表度值從大到小。其中,5 個證型復(fù)方的關(guān)鍵蛋白都包括血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)、胱天蛋白酶3(caspase-3,CASP3)、蛋白激酶B1(proteinkinase B1,PKB1 或AKT1),說明這4 個靶點在治療COVID-19 的過程中具有重要作用。將5個證型復(fù)方的關(guān)鍵蛋白與ACE2 蛋白共同導(dǎo)入STRING 數(shù)據(jù)庫后得到的PPI 網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,表明5個證型復(fù)方的關(guān)鍵蛋白與ACE2蛋白關(guān)系密切,其中絲裂原激活蛋白激酶 8(mitogen-activated protein kinase 8,MAPK8)、白細胞介素-6(IL-6)和血清白蛋白(albumin,ALB)對ACE2 蛋白有直接作用。
表2 COVID-19 的5 個中醫(yī)證型的臨床表現(xiàn)及其靶點數(shù)Table 2 Clinical manifestations of five syndromes of COVID-19 and their target number
圖1 COVID-19 的5 個證型及其對應(yīng)復(fù)方的靶點Wenn 圖Fig.1 Target Wenn diagram of five syndromes of COVID-19 and their corresponding compounds
圖2 COVID-19 的5 個證型相關(guān)復(fù)方的PPI 網(wǎng)絡(luò)-通路圖和關(guān)鍵蛋白Fig.2 PPI network-pathway diagrams and key proteins of five syndromes related compounds of COVID-19
基于DAVID 數(shù)據(jù)庫分別對5個證型復(fù)方的交集靶點進行KEGG 富集分析,通過Cytoscape 3.8.0 軟件將P(≤0.05)值排名前20的通路與復(fù)方的PPI網(wǎng)絡(luò)整合,得到5 個復(fù)方的PPI 網(wǎng)絡(luò)-通路圖,如圖2所示,其中紫色矩形代表交集靶點,紅色矩形代表通路。
圖3 COVID-19 的5 個證型復(fù)方的關(guān)鍵蛋白與ACE2 蛋白的PPI 網(wǎng)絡(luò)Fig.3 PPI network of key proteins of five syndromes related compounds of COVID-19 and ACE2 protein
圖4 COVID-19 的5 個證型復(fù)方的通路熱圖Fig.4 Pathways heat map of five syndromes related compounds of COVID-19
分別將COVID-19 的5 個證型復(fù)方排名靠前的通路及其P值以熱圖的形式進行整合,見圖4。其中P值由小到大對應(yīng)顏色由紅色過渡至綠色,可以看出5 個證型復(fù)方干預(yù)的通路類型大體相似,但各復(fù)方干預(yù)通路的側(cè)重點不同,除內(nèi)閉外脫證型復(fù)方外,其他4 個證型復(fù)方都對乙型肝炎(hepatitis B)、腫瘤壞死因子信號通路(tumor necrosis factor signaling pathway)、缺氧誘導(dǎo)因子-1 信號通路(hypoxia inducible factor-l signaling pathway)、恰加斯病(Chagas disease,American trypanosomiasis)、非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer)和NOD樣受體信號通路(NOD-like receptor signaling pathway)等通路干預(yù)性較強。
中醫(yī)藥從證候到復(fù)方都是在“辨證論治”和“整體觀念”的指導(dǎo)下對疾病進行干預(yù),中藥及其復(fù)方具有多成分、多靶點和多途徑的特點,這些特點為中醫(yī)藥研究者帶來了挑戰(zhàn),而網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的出現(xiàn)為中醫(yī)藥研究提供了新的思路。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)基于藥物和疾病間的相互作用,在體外通過計算機虛擬技術(shù)構(gòu)建了“藥物-成分-靶點-通路-疾病”的多層次網(wǎng)絡(luò),具有整體性和系統(tǒng)性的特點[20],與中醫(yī)藥的指導(dǎo)思想趨于一致,眾多研究者將網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)應(yīng)用于中醫(yī)藥,以解釋中醫(yī)藥復(fù)雜的作用機制。在治療COVID-19 方面,中醫(yī)藥工作者從證型出發(fā),根據(jù)患者的不同癥候給予不同的治療方案,而應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可實現(xiàn)對疾病、證候、中藥及其復(fù)方作用機制的挖掘,為COVID-19 的治療提供借鑒和參考。許海玉課題組[21]以“癥狀”為切入點,通過中藥整合藥理學(xué)網(wǎng)絡(luò)計算平臺2.0,對COVID-19 中4 個時期的代表證候方劑構(gòu)建了分子網(wǎng)絡(luò),探討了4 個時期COVID-19 的生物學(xué)基礎(chǔ)及推薦方劑對證治療的分子機制,對于揭示推薦方劑的作用原理和科學(xué)內(nèi)涵具有重要意義。本研究基于中醫(yī)“方證對應(yīng)”的特點,運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)對COVID-19 發(fā)展過程中5 個證型的證候表現(xiàn)及其所用復(fù)方的靶點和通路進行預(yù)測和挖掘,以期闡述中醫(yī)“對證”和“對癥”治療的優(yōu)勢和特色,解釋中醫(yī)分期治療的合理性。
本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)對《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》第7 版的5 個證型及其對應(yīng)復(fù)方進行分析探討,使用數(shù)據(jù)庫分別篩選出5 個證型臨床表現(xiàn)的靶點及其所用復(fù)方主要活性成分的靶點,通過5 個證型的交集靶點構(gòu)建PPI 互作網(wǎng)絡(luò)并獲得關(guān)鍵蛋白,其中5 個證型相關(guān)復(fù)方的關(guān)鍵蛋白都包括VEGFA、EGFR、CASP3、AKT1。其中VEGFA是刺激血管生長的主要因子之一,在激活信號通路和誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞增殖和遷移等方面具有重要作用[22],藥效學(xué)實驗表明VEGFA 水平的升高很有可能與肺部炎癥消退有關(guān)[23]。EGFR 是非小細胞肺癌中最常見的驅(qū)動因子之一,EGFR 酪氨酸激酶抑制劑是非小細胞肺癌的重要治療手段之一[24],并且非小細胞肺癌通路也出現(xiàn)在通路富集結(jié)果中,說明EGFR 靶點和非小細胞肺癌通路與COVID-19 具有相關(guān)性。CASP3 是一種蛋白酶,與細胞凋亡等生理過程中具有重要意義,楊波等[25]研究發(fā)現(xiàn)在小鼠感染SARSCoV 導(dǎo)致的心臟損傷和肝臟損傷過程中,CASP3具有顯著調(diào)節(jié)相關(guān)信號通路的作用。AKT1 可通過通路傳導(dǎo)調(diào)節(jié)細胞代謝、促進細胞生長和增殖等,同時還具有抑制細胞凋亡作用[26],梁木林等[27]發(fā)現(xiàn)p-AKT1 參與了高氧肺損傷的發(fā)生發(fā)展,其調(diào)控機制可能與抑制mTOR 信號通路的活化有關(guān)。目前大部分研究表明,ACE2 蛋白是SARS-CoV-2 作用于人體的關(guān)鍵蛋白,也是治療COVID-19 的核心靶點[7,28],本研究將5 個證型相關(guān)復(fù)方的關(guān)鍵蛋白與ACE2 蛋白作PPI 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn),MAPK3、IL6 和ALB 對ACE2蛋白有直接的相互作用,其余關(guān)鍵蛋白也可間接作用于ACE2 蛋白,說明5 個證型相關(guān)復(fù)方可作用于SARS-CoV-2 S 的關(guān)鍵蛋白受體(ACE2),從而發(fā)揮抗病毒作用。
取交集靶點進行KEGG 通路富集分析,得到每個證型所用復(fù)方的基因信號通路,并將排名靠前的通路及其P值以熱圖的形式進行整合,發(fā)現(xiàn)除內(nèi)閉外脫方外,其余4 個復(fù)方主要通過干預(yù)乙型肝炎、TNF 信號通路、HIF-1 信號通路、恰加斯病、非小細胞肺癌和小細胞肺癌通路等來治療COVID-19,說明4 個證型相關(guān)復(fù)方在治療其對應(yīng)證型時具有相同的生理病理基礎(chǔ),分別是①抗病毒作用:4 個復(fù)方主要干預(yù)卡波西氏肉瘤相關(guān)皰疹病毒感染、乙型肝炎、人巨細胞病毒感染、丙型肝炎和恰加斯病等與病毒相關(guān)的通路。②抑制炎癥反應(yīng),增強免疫應(yīng)答:TNF 可促進T 細胞產(chǎn)生各種炎癥因子,誘導(dǎo)多種細胞內(nèi)信號通路,包括細胞凋亡和細胞存活以及炎癥和免疫力[29];HIF-1 是由α 亞基和β 亞基構(gòu)成的異源二聚體,為細胞適應(yīng)缺氧的主要轉(zhuǎn)錄因子和核心調(diào)控器,是缺氧應(yīng)急的關(guān)鍵因子,調(diào)控細胞的多種缺氧反應(yīng),參與多種疾病的生理病理反應(yīng),包括癌癥、炎癥和免疫等[30];③4 個證型相關(guān)復(fù)方還主要干預(yù)非小細胞肺癌和小細胞肺癌2 個與肺部有關(guān)的通路,說明其對靶器官(肺)的保護作用。
濕熱蘊肺證(輕型)和濕毒郁肺證(普通型)為COVID-19 的初期,在這個過程中,病毒開始侵入機體,并伴隨發(fā)熱、咳嗽、胸悶等癥狀,張鵬葛等[31]總結(jié)中醫(yī)治療COVID-19 的處方用藥規(guī)律發(fā)現(xiàn),初期以化痰止咳平喘、清熱瀉火、發(fā)汗解表為主,中藥在這一階段發(fā)揮了較大作用,熱圖結(jié)果也顯示,這2 個證型相關(guān)復(fù)方顯著干預(yù)的通路較多,廣泛作用于甲型流感和小細胞肺癌等與病毒、流感相關(guān)的信號通路,且二者還顯著作用于磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatidylinositol-3-hydroxykinase,PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信號通路和叉頭轉(zhuǎn)錄因子(forkheadboxclass O,F(xiàn)oxO)信號通路等,PI3K-Akt-FoxO 信號通路是調(diào)節(jié)細胞凋亡的重要途徑。PI3K 催化第2 信使磷脂酰肌醇(3,4,5) 三磷酸等的生成,從而激活磷脂酰肌醇依賴性激酶,后者可使Akt 磷酸化而激活。而FoxO 轉(zhuǎn)錄因子是PI3K-Akt 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的下游因子之一,當PI3K-Akt 途徑被激活,活化的Akt 會催化FoxO多個位點的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化修飾,從而抑制FoxO 活性,引發(fā)PI3K-Akt-FoxO 信號通路的生物學(xué)效應(yīng)[32],調(diào)控機體內(nèi)的細胞增殖和凋亡過程。
氣營兩燔證和內(nèi)閉外脫證為COVID-19 的重癥期,此時患者表現(xiàn)為高熱、煩渴、呼吸困難,甚者出現(xiàn)呼吸衰竭、休克、神昏譫語等癥狀,嚴重者器官衰竭,此時中藥復(fù)方需和中藥注射劑如血必凈注射液、生脈注射液聯(lián)合使用,重癥期患者胸部CT主要表現(xiàn)為雙肺彌漫性實變,其內(nèi)可見支氣管擴張或空氣支氣管征,雙肺大部分受累時呈“白肺”表現(xiàn)[33],因此這一階段必要時還需進行呼吸支持和挽救治療,王利等[34]認為COVID-19 患者后期病情加重與細胞因子風(fēng)暴有關(guān),西醫(yī)學(xué)對重癥患者的治療雖靶點明確,但作用單一,而中醫(yī)藥多靶點、多途徑、多層次,作用廣泛,整體治療優(yōu)勢突出,在面對細胞因子風(fēng)暴等復(fù)雜疾病的防治中體現(xiàn)出了較高的價值[35]。KEGG 富集結(jié)果顯示氣營兩燔證和內(nèi)閉外脫證相關(guān)復(fù)方顯著干預(yù)的通路雖不及其他3 個證型的復(fù)方范圍廣,但二者對神經(jīng)活性配體-受體相互作用通路的干預(yù)較為顯著,說明二者著重緩解神經(jīng)系統(tǒng)的異常,以恢復(fù)機體神志。
氣陰兩虛證是COVID-19 的恢復(fù)期,此時患者余邪未盡,但高熱已退,神志恢復(fù),氣陰兩虛證相關(guān)復(fù)方顯著干預(yù)PI3K-Akt 信號通路,該通路有多種下游信號蛋白,可憑借繁多的下游信號蛋白來調(diào)節(jié)基本的細胞功能,如轉(zhuǎn)錄、翻譯、增殖、生長、存活和凋亡[36];該復(fù)方還顯著干預(yù)類固醇激素的合成、鞘脂信號通路和氮代謝等信號通路。An 等[37]發(fā)現(xiàn)與非治療組相比,恢復(fù)期服用中藥復(fù)方的COVID-19 患者免疫反應(yīng)(白細胞、淋巴細胞和單核細胞數(shù)目顯著減少)、肝功能(γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶明顯降低、前白蛋白明顯改善)和造血凝血功能(血小板、紅細胞和血紅蛋白明顯增加)均有所改善。這說明恢復(fù)期中藥復(fù)方主要參與細胞生長過程,調(diào)控機體的能量代謝和營養(yǎng)物質(zhì)吸收過程,以增強機體免疫和扶助機體正氣。
綜上所述,5 個COVID-19 的中醫(yī)證型相關(guān)復(fù)方的作用通路具有一定相似性,主要通過抗病毒、抑制炎癥反應(yīng)、增強免疫應(yīng)答和保護主要靶器官來治療COVID-19,但各有特點,濕熱蘊肺證和濕毒郁肺證相關(guān)復(fù)方側(cè)重于干擾病毒并增強機體的免疫應(yīng)答;氣營兩燔證和內(nèi)閉外脫證相關(guān)復(fù)方著重緩解神經(jīng)系統(tǒng)的異常,以恢復(fù)機體神志;氣陰兩虛證相關(guān)復(fù)方進一步參與細胞生長過程和調(diào)節(jié)機體的能量代謝和吸收過程,以增強機體免疫和扶助正氣,說明了中醫(yī)辨證論治和方證對應(yīng)的治療特點,解釋了中醫(yī)分期治療COVID-19 的合理性和科學(xué)性。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突