陳雪晴 劉雁錐 馮 靜 羅苑苑 李 姍
1.廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院檢驗科,廣東廣州 510040;2.廣東省遂溪縣人民醫(yī)院檢驗科,廣東遂溪 524300;3.河南大學附屬鄭州頤和醫(yī)院呼吸內(nèi)科,河南鄭州 450046;4.廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學科,廣東廣州 510040;5.河南中醫(yī)藥大學基礎(chǔ)醫(yī)學院病理學與病理生理學教研室,河南鄭州 450046
2019 年12 月以來,新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)在全球多個國家和地區(qū)肆虐,其傳播迅速、傳染性強,嚴重威脅著人們的健康,制約著社會經(jīng)濟的發(fā)展,已被世界衛(wèi)生組織列為全球性大流行病[1]。因此,尋求有效的治療藥物仍然是防疫工作的重點[2]。
炎癥反應是COVID-19 的主要病理機制之一。當機體感染病毒后,多種細胞因子激活并釋放,當細胞因子大量積聚,就會造成炎癥風暴,免疫調(diào)控失衡,患者病情惡化,出現(xiàn)呼吸窘迫綜合征、膿毒癥休克甚至器官功能衰竭[3]。炎癥風暴發(fā)病前征兆少,發(fā)病后救治難度大,雖然可以通過西藥來控制炎癥風暴,但藥物的毒副作用會使治療陷入進退兩難的境地[4]。中醫(yī)陰陽調(diào)和,辨證論治,從整體方面調(diào)控機體,已經(jīng)在COVID-19 的治療中彰顯出獨特的優(yōu)勢[5]。在我國COVID-19 確診病例中,中醫(yī)藥使用覆蓋率達91.5%,有效率達90%以上[6]。因此,對中醫(yī)藥抗COVID-19 的分子機制進行研究,有針對性地減輕炎癥風暴,對于防止病情惡化、改善疾病預后具有重要意義。
益氣化痰方由白術(shù)、黨參、茯苓、橘紅、半夏、枳實和甘草7 味中藥組成,是在四君子湯和六君子湯的基礎(chǔ)上加減變化而來。該方加重理氣化痰藥后,對于肺部疾病有很好的療效,特別是對于脾虛生濕,濕聚為痰的咳嗽、咳痰患者療效顯著。“脾為生痰之源,肺為貯痰之器”,用該方治療可一舉兩得。研究顯示,慢性阻塞性肺疾病肺脾氣虛型患者,益氣化痰方具有良好療效,但作用機制還有待于進一步研究[9]。《COVID-19診療方案(試行第八版)》[7]中提出,恢復期COVID-19存在肺脾氣虛證,其推薦處方與益氣化痰方有異曲同工之效。本研究擬通過網(wǎng)絡(luò)藥理學預測并篩選益氣化痰方的活性成分,探討其治療COVID-19 的分子機制,為該方的進一步研究和臨床應用提供藥理學依據(jù)。
利用TCMSP(http://tcmspw.com/)檢索益氣化痰方中藥成分,獲取所有中藥成分的生物化學信息,包括分子名稱、相對分子質(zhì)量、油水分配系數(shù)、類藥性質(zhì)(drug-like properties,DL)和口服生物利用度(oral bioavailability,OB)?;诮?jīng)典藥代動力學參數(shù):吸收、分布、代謝、排泄進行篩選,確定以O(shè)B≥30%,及DL≥0.18 為初步篩選條件[8]。
將在TCMSP 數(shù)據(jù)庫中獲取益氣化痰方活性成分的靶蛋白名稱輸入Uni-prot 數(shù)據(jù)庫(http://www.uniprot.org/)繪制相應的Gene Symbol。
將益氣化痰方藥物組成、對應活性成分及預測靶蛋白名導入Cytoscape 3.6.1 軟件中,構(gòu)建藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)圖[9]。
基于GeneCards(https://www.genecards.org/)數(shù)據(jù)庫,以“Corona Virus Disease 2019”為關(guān)鍵詞進行檢索,與藥物潛在靶點共同導入Venny 2.1 平臺,構(gòu)建藥物治療疾病潛在基因圖。
將益氣化痰方與COVID-19 治療相關(guān)的共同靶點通過String 數(shù)據(jù)庫和Cytoscape 3.6.1 軟件構(gòu)建靶標PPI 網(wǎng)絡(luò)圖。
將益氣化痰方治療COVID-19 的交集核心靶點導入DAVID 6.8 數(shù)據(jù)庫進行基因本體論(gene ontology,GO)分析和京都基因和基因組數(shù)據(jù)庫(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)分析。選擇物種為智人,依據(jù)通用標準,設(shè)置篩選條件為:Count≥4,P ≤0.05,錯誤發(fā)現(xiàn)率≤0.05,得到生物過程富集和通路富集[10]。
初步篩選出145 個益氣化痰方活性成分,包括白術(shù)4 個,黨參17 個,茯苓6 個,橘紅7 個,半夏12 個,枳實19 個,甘草88 個,其中共有活性成分為7 個(MOL0 04328 成分重復計算一次)。見表1。
表1 益氣化痰方藥物組成的共有活性成分
共得到藥物交互作用靶點267 個,并成功構(gòu)建藥物-活性成分-靶點蛋白網(wǎng)絡(luò)圖,得到421 個節(jié)點,2766 條邊,見圖1。圖中六邊形節(jié)點代表益氣化痰方藥物組成,倒三角形節(jié)點代表益氣化痰方主要活性成分,圓形節(jié)點代表藥物作用的潛在基因靶點。每條邊表示節(jié)點間的相互作用關(guān)系,一個節(jié)點與其他節(jié)點間的連線越多,代表其重要性越大,與其他的靶點聯(lián)系越密切。
圖1 藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)圖
共得到COVID-19 相關(guān)基因251 種。導入藥物與疾病的相關(guān)基因,取其交集,共得到56 個益氣化痰方治療COVID-19 的潛在靶點,見圖2。將56 個靶點導入String 數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡(luò)圖獲得關(guān)聯(lián)靶蛋白55個,其中超過平均度值的靶蛋白有30 個,圖中節(jié)點大小與顏色和節(jié)點度值呈正比,見圖3。拓撲分析后篩選的關(guān)鍵靶點為MAPK1、MAPK3、MAPK8、MAPK14、白細胞介素(interleukin,IL)-6、IL-10、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、TP53、CASP3、FOS,見圖4。
圖2 益氣化痰方與COVID-19 靶點Venn 圖
圖3 益氣化痰方PPI 網(wǎng)絡(luò)圖
圖4 益氣化痰方治療COVID-19 的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
GO 富集分析和KEGG 通路分析,獲得選擇72 個GO 富集條目,包含生物學過程(biological process,BP)57 個,分子功能(molecular function,MF)11 個,細胞組分(cellular component,CC)4 個,對前20 個生物學過程、分子功能和細胞組成進行可視化分析。結(jié)果顯示,益氣化痰方主要涉及藥物反應、炎癥反應、免疫應答等多個BP;主要包括蛋白質(zhì)結(jié)合、酶的結(jié)合和細胞因子活性等MF;并參與了胞質(zhì)、線粒體、細胞外空間、細胞外區(qū)域的組成,見圖5。KEGG 通路分析獲得25 條通路,主要富集于美洲錐蟲病、乙型肝炎、肺結(jié)核、百日咳、癌癥通路、TNF 信號通路、Toll 樣受體信號通路、MAPK 信號通路,見圖6。
圖5 益氣化痰方治療COVID-19 的GO 分析
在全國人民的共同努力下,我國的COVID-19 疫情已然得到很好的控制,但境外感染者的輸入和無癥狀感染者的存在,給疫情的防控帶來新的壓力和挑戰(zhàn)。中醫(yī)藥歷史悠久,傳承數(shù)載,在抗疫的關(guān)鍵時期發(fā)揮了顯著的療效。對中醫(yī)藥的進一步挖掘和開發(fā)能夠為COVID-19 的防治提供新的策略和思路。
臨床資料顯示,COVID-19 患者熱毒明顯,常見高熱持續(xù)不退、咳嗽頻作、痰多質(zhì)黏等癥狀[11]。益氣化痰方中黨參、白術(shù)補氣健脾,白術(shù)兼能燥濕,茯苓既可健脾,又能利水滲濕,三藥合用共奏健脾益肺,補益后天之功效[12];半夏辛溫,善治臟腑濕痰;甘草,味甘,性平,具有補脾益氣,祛痰止咳,調(diào)和諸藥之功效[13-14];加之橘紅、枳實理氣寬中,燥濕化痰。全方配伍嚴謹,具有健脾益氣、化痰祛濕的功效。從現(xiàn)代醫(yī)學角度,COVID-19 是由病毒感染引起的炎癥性疾病,抗炎、抗病毒是治療COVID-19 的重要措施。益氣化痰方中的7 味中藥均顯示了抗炎、抗感染或抗病毒功效[15-19]。經(jīng)活性物質(zhì)篩選發(fā)現(xiàn),該方的有效成分主要有甾醇類化合物豆甾醇、β-谷甾醇、谷甾醇等,和黃酮類化合物柚皮素、木犀草素、香蜂草苷等。文獻報道,甾醇類化合物和黃酮類化合物具有廣泛的抗炎、抗病毒作用[20]。例如,豆甾醇、β-谷甾醇均能降低炎癥模型中巨噬細胞的活力和吞噬力,減少細胞因子一氧化氮、TNF-α 的生成[21];柚皮素可改善大鼠腦出血后的炎癥損傷[22],還具有抑制登革熱病毒復制的能力[23];木犀草素可改變巨噬細胞M1/M2 的極化,通過下調(diào)p-STAT3 和上調(diào)p-STAT6 發(fā)揮抗炎作用[24],還能抑制巨細胞病毒的復制發(fā)揮抗病毒作用[25]。
炎癥風暴在COVID-19 病情的惡化中起到了重要作用,是導致重癥、危重癥患者死亡的重要原因。炎癥風暴發(fā)病機制復雜,益氣化痰方多功能、多靶點、多途徑的獨特優(yōu)勢,有助于從源頭阻斷炎癥風暴的發(fā)生。益氣化痰方主要涉及炎癥反應、免疫應答、凋亡過程及凋亡正負調(diào)控等多個生物學過程,并且主要富集于美洲錐蟲病、乙型肝炎、肺結(jié)核、百日咳等感染性疾病及TNF 信號通路、Toll 樣受體信號通路、MAPK 信號通路等多條通路。COVID-19 是感染性疾病,炎癥反應貫穿于疾病的始終,而TNF 信號通路、Toll 樣受體信號通路、MAPK 信號通路中的關(guān)鍵分子可參與調(diào)控炎癥反應和免疫應答過程[26]。既往研究通過分子對接預測甘草與TNF 和PPARD 相關(guān)靶點蛋白具有較強的結(jié)合能力。Toll 樣受體信號通路作為天然免疫的重要組成部分,而網(wǎng)絡(luò)藥理學預測甘草與免疫相關(guān)受體具有較強的結(jié)合能力,在正向調(diào)控分子功能方面可能發(fā)揮關(guān)鍵作用[27]。益氣化痰方干預COVID-19 的關(guān)鍵靶點主要為絲裂原活化蛋白激酶家族成員(MAPK1、MAPK3、MAPK8、MAPK14)和細胞因子(IL-6、IL-10、TNF),MAPK 信號通路在炎癥細胞的增殖、分化和產(chǎn)生過程中起著關(guān)鍵的作用,并參與急性肺損傷的發(fā)生[28]。IL-6、IL-10 和TNF-α 參與肺部炎癥的發(fā)生發(fā)展,其中IL-10、TNF-α在COVID-19 重癥患者血清中顯著升高,可能是病情惡化的重要指標[29],而IL-6更是誘發(fā)炎癥風暴的重要細胞因子[30]。研究表明,使用抗IL-6 受體的單抗類藥物有望緩解COVID-19 重癥患者的肺炎癥狀,降低疾病的死亡率[31]。本研究中益氣化痰方活性成分所含的柚皮素能通過抑制MAPK信號通路減少人支氣管上皮IL-6 的分泌,減輕脂多糖所誘導的支氣管上皮損傷[32];所含的木犀草素則能抑制肺組織中IL-6 的表達,使膿毒癥小鼠急性肺損傷有所減輕[33],提示益氣化痰方亦能減輕COVID所致的肺部炎癥和損傷,改善患者的臨床癥狀,防止炎癥風暴的發(fā)生。
綜上所述,本研究應用熱門的網(wǎng)絡(luò)藥理學進行預測分析,篩選出益氣化痰方的主要活性成分、潛在靶點及可能的作用機制,為該經(jīng)驗方應用于COVID-19的對癥治療提供了理論支持,也為傳統(tǒng)中醫(yī)藥的開發(fā)利用、合理配伍提供了科學參考。鑒于中藥復方起效緩慢,個體差異較大,對COVID-19 患者應盡早實施中醫(yī)藥干預治療,及時調(diào)整優(yōu)化治療方案,以期獲得最佳治療效果。本研究是對益氣化痰方用于治療COVID-19 可行性的理論數(shù)據(jù)分析,尚缺乏臨床用藥數(shù)據(jù),預測的藥物有效成分及其作用靶點仍需進一步體內(nèi)外實驗驗證。