葛韻芝,許 寅,丁 超
上海市公共衛(wèi)生臨床中心,上海 201508
結(jié)直腸癌是男性癌癥死亡的第三和女性癌癥死亡的第二大原因[1-3]。由于該病病程隱匿,在臨床上,大多數(shù)結(jié)直腸癌患者直到Ⅱ~Ⅲ期才得到確診[1],這使得結(jié)直腸癌難以在早期被干預(yù)。因此,手術(shù)與藥物化療仍然在結(jié)直腸癌治療中發(fā)揮重要作用[4]。近年來(lái),結(jié)直腸癌患者的五年生存率未見(jiàn)明顯提升[5]。目前,研究表明,中藥單用或聯(lián)合化療藥物可以改善結(jié)直腸癌患者生存與生活質(zhì)量[6]。四君子湯,見(jiàn)于宋代《太平惠民和劑局方》,用于脾胃氣虛證,近年來(lái)常被用于結(jié)直腸癌的臨床治療[7-9]。作為補(bǔ)氣健脾的經(jīng)典方,由人參、白術(shù)、茯苓、甘草組成。研究表明,其能改善結(jié)直腸癌患者血清血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、堿性成纖維生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)與酸性成纖維生長(zhǎng)因子(acid fibroblast growth factor,aFGF)水平[8];影響結(jié)腸癌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)和端粒長(zhǎng)度[10];改善結(jié)腸癌患者細(xì)胞凋亡及腸道屏障恢復(fù)情況[11]。然而,由于中藥復(fù)方成分復(fù)雜,四君子湯對(duì)結(jié)直腸癌療效的分子機(jī)制尚不清楚。
作為中醫(yī)研究的新領(lǐng)域,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可以通過(guò)使用建立中藥復(fù)方化合物靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅仁侄螐南到y(tǒng)的角度闡明中醫(yī)藥的作用機(jī)制[12-13]。在本研究中,我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、富集分析及魯棒性分析等方法?duì)四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在作用機(jī)制進(jìn)行了研究,為其臨床應(yīng)用與藥物開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。
1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(traditional Chinese medicine systems pharmacology database,TCMSP)、中醫(yī)藥資料庫(kù)(traditional Chinese medicine database,TCM database@Taiwan)、中醫(yī)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)(traditional Chinese medicine integrative database ,TCMID)、中藥潛在靶點(diǎn)預(yù)測(cè)平臺(tái)(traditional Chinese medicine potential target database,TCMPTD)與草藥成分和靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)(herbal ingredients'targets database,HIT)用于中藥復(fù)方四君子湯的化合物與靶標(biāo)收集,數(shù)據(jù)納入條件為生物利用度(oral bioavailability,OB)大于30% 及類(lèi)藥性(druglikeness,DL)大于0.18;OMIM 數(shù)據(jù)庫(kù)、DisgeneT 數(shù)據(jù)庫(kù)與GeneCard 數(shù)據(jù)庫(kù)用于結(jié)直腸癌靶標(biāo)收集,數(shù)據(jù)納入關(guān)鍵詞為結(jié)直腸癌;String數(shù)據(jù)庫(kù)用于分析蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互相作用(proteinprotein interaction,PPI),篩選分?jǐn)?shù)為0.850;Reactome 數(shù)據(jù)庫(kù)、Omicsbean數(shù)據(jù)庫(kù)和DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)用于進(jìn)行KEGG和GO(gene ontology)富集分析,納入標(biāo)準(zhǔn)為P<0.05;Cytoscape 3.2.1 軟件用于四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)分析。數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件信息見(jiàn)表1。
表1 數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件信息
1.2 四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析使用Venn 分析工具選取四君子湯與結(jié)直腸癌的共同靶標(biāo)。使用“Cytoscape 3.2.1”軟件構(gòu)建四君子湯治療結(jié)直腸癌的化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。使用“Cytoscape 3.2.1”軟件中的Network Analyzer 工具對(duì)該化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,導(dǎo)出并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)拓?fù)鋮?shù),包括:節(jié)點(diǎn)度(degree)、介數(shù)中心性(betweenness centrality)、緊密中心性(closeness centrality)以及拓?fù)湎禂?shù)(topological coefficient)。依據(jù)SHI[14]等人的方法,使用Venn 分析工具選取并保留4種參數(shù)皆在前50%的節(jié)點(diǎn)。
1.3 四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及富集分析用“Cytoscape 3.2.1”軟件將“1.2”項(xiàng)中保留的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。將化合物所關(guān)聯(lián)的靶標(biāo)進(jìn)行京都基因和基因組百科全書(shū)(kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)和基因本體(gene Ontology,GO)富集分析。
1.4 四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中化合物貢獻(xiàn)分析在四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)中將不同化合物敲除,通過(guò)“Cytoscape 3.2.1”軟件中的“Network Analyzer”工具,使用LIU[15]等的方法對(duì)化合物敲除后的四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行魯棒性R 值分析。將化合物以魯棒性R 值排序,評(píng)估化合物在網(wǎng)絡(luò)中的貢獻(xiàn)程度以選取四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在關(guān)鍵化合物并分析四君子湯的潛在作用機(jī)制。
1.5 四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在關(guān)鍵化合物分析及通路比較將“1.4”項(xiàng)中得到的關(guān)鍵化合物所關(guān)聯(lián)的靶標(biāo)進(jìn)行KEGG 和GO 富集分析。將關(guān)鍵化合物的信號(hào)通路及生物功能與四君子湯的信號(hào)通路及生物功能進(jìn)行比較,分析預(yù)測(cè)四君子湯治療結(jié)、直腸癌的潛在關(guān)鍵化合物組合及四君子湯的潛在作用機(jī)制。
2.1 化合物靶標(biāo)收集及四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索及Venn 分析工具,共搜集四君子湯中化合物217個(gè)、四君子湯化合物靶標(biāo)305個(gè)和結(jié)直腸癌靶標(biāo)1349 個(gè)。建立四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包括四君子湯化合物119個(gè)、四君子湯與結(jié)直腸癌的共同靶標(biāo)156 個(gè)。該網(wǎng)絡(luò)含275 個(gè)節(jié)點(diǎn)與1716 條邊,平均節(jié)點(diǎn)度為12.85,其中化合物平均節(jié)點(diǎn)度為15.84,靶標(biāo)平均節(jié)點(diǎn)度為10.79。見(jiàn)圖1。
圖1 四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)
2.2 四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)如圖2A所示,使用Venn 分析工具對(duì)化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度、介數(shù)中心性、緊密中心性及拓?fù)湎禂?shù)進(jìn)行分析,共保留4 種參數(shù)皆在前50% 的節(jié)點(diǎn)40 個(gè)。如圖2B 所示,建立四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包括四君子湯化合物7 個(gè)、核心靶標(biāo)33 個(gè)。該網(wǎng)絡(luò)含40 個(gè)節(jié)點(diǎn)與70 條邊,平均節(jié)點(diǎn)度為4.24,其中化合物平均節(jié)點(diǎn)度為10,靶標(biāo)平均節(jié)點(diǎn)度為2.69。七種化合物分別為高麗槐素、羅通定、山萘酚、常春藤皂苷元、β-谷甾醇、豆甾醇與人參皂苷rh2。使用Omicsbean和DAVID工具對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中的四君子湯治療結(jié)直腸癌核心靶標(biāo)進(jìn)行KEGG 及GO 的富集分析,保留排名前10 的條目,結(jié)果見(jiàn)圖3。四君子湯治療結(jié)直腸癌核心靶標(biāo)富集分析結(jié)果分為信號(hào)通路分析、生物進(jìn)程分析、分子功能分析與細(xì)胞組分分析,其中得到的主要信號(hào)通路有PI3K-Akt 信號(hào)通路、雌激素信號(hào)通路及VEGF 信號(hào)通路等;主要生物進(jìn)程有對(duì)含氧化合物的反應(yīng)、對(duì)細(xì)胞進(jìn)程的調(diào)控及對(duì)脂質(zhì)的反應(yīng)等;主要分子功能包括蛋白質(zhì)二聚化活性、酶結(jié)合與蛋白質(zhì)結(jié)合等;主要細(xì)胞組分有膜區(qū)響應(yīng)、神經(jīng)元投射及細(xì)胞投射等。
圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)分析
2.3 四君子湯治療結(jié)直腸癌核心化合物分析使用魯棒性R值評(píng)價(jià),敲除7種化合物對(duì)四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響,并進(jìn)行排序,見(jiàn)表2。選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性影響較高的4 種化合物進(jìn)入后續(xù)分析,指示其對(duì)四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大。見(jiàn)圖3。4 種化合物為高麗槐素、羅通定、山萘酚和常春藤皂苷元。4 種化合物及其靶標(biāo)分別治療結(jié)直腸的化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖4。
圖4 4種化合物治療結(jié)直腸癌的化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)
表2 7種化合物對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響
圖3 四君子湯治療結(jié)直腸癌核心靶標(biāo)富集分析結(jié)果
2.4 四君子湯治療結(jié)直腸癌的藥理機(jī)制預(yù)測(cè)4種化合物與四君子湯治療結(jié)直腸癌的共有信號(hào)通路、生物進(jìn)程、分子功能與細(xì)胞組分見(jiàn)圖5。主要共有信號(hào)通路包括PI3K-Akt 信號(hào)通路、cGMP-PKG信號(hào)通路及PPAR 信號(hào)通路;主要共有分子功能有藥物結(jié)合;主要細(xì)胞組分有質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)與神經(jīng)元影響。4 種化合物與四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在信號(hào)傳導(dǎo)途徑與藥理機(jī)制預(yù)測(cè)見(jiàn)圖6。我們預(yù)測(cè)四君子湯及其核心化合物高麗槐素、羅通定、山萘酚與常春藤皂苷元能夠通過(guò)調(diào)節(jié)PI3K-Akt 信號(hào)通路、cGMP-PKG 信號(hào)通路及PPAR 信號(hào)通路影響生物體脂代謝、細(xì)胞生存、細(xì)胞周期及細(xì)胞凋亡進(jìn)而參與結(jié)直腸癌的治療。
圖5 4種化合物與四君子湯治療結(jié)直腸癌的共同富集分析結(jié)果
圖6 4種化合物與四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在信號(hào)傳導(dǎo)途徑與藥理機(jī)制預(yù)測(cè)
由于結(jié)直腸癌病理機(jī)制復(fù)雜且治療困難,針對(duì)結(jié)直腸癌的藥物開(kāi)發(fā)目前仍然未見(jiàn)突破[5]。而傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論注重整體理論,通過(guò)對(duì)多靶點(diǎn)的干預(yù)改善疾病的進(jìn)程,因此中醫(yī)藥在治療復(fù)雜疾病方面具有一定優(yōu)勢(shì)[16-17]。在藥物開(kāi)發(fā)中,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法能夠同時(shí)基于化學(xué)與生物信息對(duì)藥物與機(jī)體的互相作用進(jìn)行探討[18]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和中醫(yī)藥理論的整體觀(guān)念具有共同點(diǎn),能夠系統(tǒng)地分析中藥復(fù)方改善復(fù)雜疾病中人體功能網(wǎng)絡(luò)失衡的作用機(jī)制[19]。近年來(lái),中藥復(fù)方已經(jīng)越來(lái)越多地參與到結(jié)直腸癌的治療中[8-11]。
在本研究中,我們基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法分析了四君子湯治療結(jié)直腸癌的藥理機(jī)制。評(píng)估節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)進(jìn)而衡量其在網(wǎng)絡(luò)中的重要性是常用的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究手段[14]。通過(guò)建立四君子湯化合物-靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)并使用拓?fù)鋮?shù)篩選方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,我們建立了四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括7個(gè)化合物以及33個(gè)靶標(biāo),7個(gè)化合物分別為高麗槐素、羅通定、山萘酚、常春藤皂苷元、β-谷甾醇、豆甾醇與人參皂苷rh2,其中山萘酚被報(bào)道能夠抑制肺癌細(xì)胞的增殖與遷移[20],常春藤皂苷元與豆甾醇能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[21-22]。使用富集分析工具發(fā)現(xiàn)四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在主要信號(hào)通路為PI3K-Akt 信號(hào)通路、雌激素信號(hào)通路、cGMP-PKG 信號(hào)通路及PPAR信號(hào)通路及VEGF信號(hào)通路等,其中PI3K-Akt信號(hào)通路與結(jié)直腸癌直接相關(guān)[23],雌激素信號(hào)通路可以通過(guò)影響G 蛋白偶聯(lián)雌激素受體增加結(jié)直腸癌的增殖[24],cGMP-PKG 信號(hào)通路與結(jié)直腸癌患者生存相關(guān)[25],PPAR 信號(hào)通路能夠靶向FABP4 促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的侵襲和遷移[26],VEGF 信號(hào)通路能夠直接影響結(jié)直腸癌的耐藥性[27]。該結(jié)果提示,在四君子湯中,7 種化合物可能通過(guò)影響以上信號(hào)通路對(duì)結(jié)直腸癌的治療產(chǎn)生影響。
魯棒性是指生物信息網(wǎng)絡(luò)在受到內(nèi)外干擾的情況下維持其網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的能力,魯棒性越高表示網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定[28]。在生物信息網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)加入或敲除靶標(biāo)引起的網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)已經(jīng)被認(rèn)為是探討靶標(biāo)重要性的關(guān)鍵。在網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中,網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性考察已經(jīng)是一種常用的研究方法[15,29]。在本研究中,我們將7 種化合物的關(guān)聯(lián)靶標(biāo)在四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分別敲除,進(jìn)而使用魯棒性評(píng)估7 種化合物對(duì)四君子湯化合物-靶標(biāo)核心網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)大小。通過(guò)篩選,我們保留了高麗槐素、羅通定、山萘酚和常春藤皂苷元4 種化合物,提示這4 種化合物可能是四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在有效化合物。通過(guò)建立4 種化合物的網(wǎng)絡(luò)并與四君子湯治療結(jié)直腸癌進(jìn)行富集分析對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)4 種化合物與四君子湯治療結(jié)直腸癌的信號(hào)通路在PI3K-Akt 信號(hào)通路、cGMP-PKG 信號(hào)通路及PPAR 信號(hào)通路上高度重合;同時(shí),藥物結(jié)合、質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)與神經(jīng)元影響等生物進(jìn)程、分子功能與細(xì)胞組分也被四君子湯和4 種化合物靶標(biāo)的共同富集,其中,藥物結(jié)合被報(bào)道與結(jié)直腸癌中藥物靶點(diǎn)直接相關(guān)[30],腸神經(jīng)元在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[31],質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)與結(jié)腸直腸腺瘤檢測(cè)有關(guān)[32]。該結(jié)果提示PI3K-Akt 信號(hào)通路、cGMP-PKG 信號(hào)通路及PPAR 信號(hào)通路可能是四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在作用機(jī)制;藥物結(jié)合、質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)與腸神經(jīng)元影響可能是四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在物質(zhì)基礎(chǔ)。
在癌癥治療中,化合物對(duì)信號(hào)通路以及物質(zhì)基礎(chǔ)的影響最終會(huì)影響生物功能及進(jìn)程[33]。在網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中,通過(guò)建立化合物-靶標(biāo)作用網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行化合物潛在作用機(jī)制的預(yù)測(cè)[34]。在本研究中,我們對(duì)四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在信號(hào)傳導(dǎo)途徑進(jìn)行了預(yù)測(cè)。PPAR 信號(hào)通路能夠影響機(jī)體的脂代謝[35]與細(xì)胞生存[36];PI3K-Akt 信號(hào)通路直接參與生物體內(nèi)的脂代謝[37]、細(xì)胞生存[38]、細(xì)胞周期[39]及細(xì)胞凋亡[40];cGMP-PKG 信號(hào)通路則與細(xì)胞的增殖以及凋亡密切相關(guān)[41];同時(shí),藥物結(jié)合能夠影響腫瘤細(xì)胞凋亡[42],質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)是細(xì)胞周期改變中的重要環(huán)節(jié)[43],腸神經(jīng)元改變通過(guò)影響細(xì)胞周期與凋亡進(jìn)程促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展[31]。本研究中,我們預(yù)測(cè)中藥復(fù)方四君子湯中的高麗槐素、羅通定、山萘酚和常春藤皂苷元可能通過(guò)調(diào)控PI3K-Akt、cGMP-PKG與PPAR信號(hào)通路以及藥物結(jié)合、質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)與神經(jīng)元影響等生物功能進(jìn)而影響機(jī)體內(nèi)的脂代謝、細(xì)胞生存、細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡進(jìn)程,從而發(fā)揮對(duì)結(jié)直腸癌的治療作用;其中,山萘酚并未影響cGMP-PKG 信號(hào)通路。該結(jié)果提示四君子湯以及其中的化合物高麗槐素、羅通定、山萘酚和常春藤皂苷元能夠多靶點(diǎn)多通路地通過(guò)協(xié)同作用影響結(jié)直腸癌治療;四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在作用機(jī)制與調(diào)控PI3KAkt、cGMP-PKG 與PPAR 信號(hào)通路并影響下游生物功能密切相關(guān)。
在本研究中,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,我們預(yù)測(cè)四君子湯治療結(jié)直腸癌的作用機(jī)制可能主要集中在7 種化合物與33 個(gè)靶標(biāo)上;高麗槐素、羅通定、山萘酚和常春藤皂苷元可能是四君子湯治療結(jié)直腸癌的關(guān)鍵化合物;四君子湯治療結(jié)直腸癌的潛在作用機(jī)制與調(diào)控PI3K-Akt、cGMP-PKG和PPAR信號(hào)通路以及藥物結(jié)合、質(zhì)膜區(qū)響應(yīng)和腸神經(jīng)元進(jìn)而影響脂代謝、細(xì)胞生存、細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡有關(guān)。該研究能夠?yàn)樗木訙纳平Y(jié)直腸癌的臨床治療及藥物開(kāi)發(fā)提供思路與物質(zhì)基礎(chǔ)。然而,四君子湯治療結(jié)直腸癌的作用機(jī)制仍未徹底明晰。在未來(lái)的研究中,我們將使用體內(nèi)外藥理學(xué)驗(yàn)證的方法,對(duì)本研究中的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并考察4 種化合物在結(jié)直腸癌治療中的協(xié)同作用。