莊麗 馬子風(fēng) 蔣雨薇 黃星 張惠勇 鹿振輝 吳顯偉
肺結(jié)核屬中醫(yī)學(xué)“肺癆”病癥的范疇,是因癆蟲侵襲肺臟,肺陰虧耗,肺絡(luò)損傷所致的慢性肺系疾病,中醫(yī)藥在肺結(jié)核的認(rèn)識與防治中具有獨特的見解與優(yōu)勢?!败瞬康ぁ庇牲S芩、百部、丹參組成,是上海市名老中醫(yī)邵長榮教授創(chuàng)立的結(jié)核病經(jīng)驗組方。近年來,“芩部丹”及其復(fù)方治療肺結(jié)核的臨床與基礎(chǔ)研究取得了一定進(jìn)展,芩部丹片聯(lián)合西藥基礎(chǔ)治療方案治療復(fù)治肺結(jié)核患者的病灶顯著吸收率為67.7%,空洞閉合率為25.5%,優(yōu)于單純西醫(yī)治療[1]。難治性肺結(jié)核(經(jīng)過初治、復(fù)治均未取得理想治療效果的肺結(jié)核)患者服用芩部丹片的臨床痰菌陰轉(zhuǎn)率為34.5%[2]。芩部丹復(fù)方具有改善氣陰兩虛型耐多藥肺結(jié)核患者臨床癥狀和生存質(zhì)量,促進(jìn)痰菌陰轉(zhuǎn)、空洞閉合的臨床療效[3-4]。中藥復(fù)方治療肺結(jié)核的臨床療效顯著且安全可靠,具有多靶點、多層次的干預(yù)特點,但這也對中藥復(fù)方的機制研究提出了較大的挑戰(zhàn)。本研究借助網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究理論與手段,從分子生物學(xué)角度對“芩部丹”治療肺結(jié)核的作用機制進(jìn)行初步探索,也為中藥組方“芩部丹”的臨床應(yīng)用與研發(fā)提供一定的參考。
選取《中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫與分析平臺》[5](Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,簡稱“TCMSP數(shù)據(jù)庫”;http://tcmspw.com/tcmsp.php/)對“芩部丹”中的三味中藥(黃芩、百部、丹參)所含有的化學(xué)成分進(jìn)行查詢,將口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%、類藥性(drug-likeness,DL)≥0.18作為標(biāo)準(zhǔn)對所有成分進(jìn)行篩選,以獲得在人體中藥代動力學(xué)較好的生物活性成分。進(jìn)而匯總篩選得到藥物成分,在TCMSP數(shù)據(jù)庫中搜集藥物活性成分對應(yīng)的預(yù)測蛋白靶點,將結(jié)果導(dǎo)入到Uniprot平臺(https://www.uniprot.org/)中替換成符合命名規(guī)范的基因靶點名稱,以用于后續(xù)的研究與分析。
以“pulmonary tuberculosis”(肺結(jié)核)為關(guān)鍵詞輸入GeneCards(https://www.genecards.org/)、DrugBank(https://go.drugbank.com/)、OMIM(https://www.omim.org/)和TTD(http://db.idrblab.net/ttd/)數(shù)據(jù)庫中查找肺結(jié)核的相關(guān)基因靶點。其中,對GeneCards數(shù)據(jù)庫中的得分大于中位數(shù)的靶點予以保留,最終將多個靶點數(shù)據(jù)集進(jìn)行整合,得到最終的肺結(jié)核疾病相關(guān)靶點。
將黃芩、百部、丹參活性成分的預(yù)測基因靶點進(jìn)行匯總,去除重復(fù)項。對“芩部丹”與肺結(jié)核的基因靶點取交集,提交至在線作圖平臺(http://www.bioinformatics.com.cn/login/)中繪制韋恩圖。為了更加直觀地了解“芩部丹”藥物成分對肺結(jié)核疾病靶點的作用情況,將“芩部丹”治療肺結(jié)核的基因靶點帶入Cytoscape 3.7.1軟件中完成藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)圖的構(gòu)建,根據(jù)介數(shù)中心性(betweenness centrality,BC)、緊密中心性(closeness centrality,CC)和連接度(Degree)的大小對各個節(jié)點的重要程度進(jìn)行排序與篩選分析,得到“芩部丹”治療肺結(jié)核的主要活性成分。
將“芩部丹”治療肺結(jié)核疾病的靶點輸入到STRING 11.0平臺(https://string-db.org/)建立預(yù)測靶點的蛋白互作(PPI)模型[6]。進(jìn)而下載蛋白互作關(guān)系的數(shù)據(jù)表格,以Cytoscape 3.7.1軟件為工具計算靶點的連線關(guān)系,通過計算BC、CC和Degree 值選取“芩部丹”治療肺結(jié)核的核心靶點。
運用DAVID 6.8(https://david.ncifcrf.gov/)在線數(shù)據(jù)庫平臺,獲取GO功能及KEGG通路的富集分析,保留P值小于0.05的部分作為富集分析的結(jié)果,運用bioinformatics在線網(wǎng)站對結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。對KEGG 通路分析的結(jié)果進(jìn)行文獻(xiàn)檢索與總結(jié)分析,篩選研究、報道中與肺結(jié)核相關(guān)的信號通路,對“芩部丹”在這些通路上的作用靶點以及相關(guān)聯(lián)的活性成分進(jìn)行匯總,采用Cytoscape 3.7.1 軟件形成“芩部丹”治療肺結(jié)核的靶點信號通路網(wǎng)絡(luò)。
在TCMSP數(shù)據(jù)庫中初步獲取黃芩、百部、丹參的生物化學(xué)成分。經(jīng)過對OB、DL值篩選并剔除無對應(yīng)靶標(biāo)的成分后,得到黃芩活性成分32個,百部活性成分28個,丹參活性成分59個,其中有3個中藥成分為黃芩和百部共同含有的,分別為β-谷甾醇(β-sitosterol)、谷甾醇(sitosterol)和豆甾醇(stigmasterol),共得到“芩部丹”組方的活性成分116個。進(jìn)而借助TCMSP數(shù)據(jù)庫對活性成分進(jìn)行靶點預(yù)測,其中黃芩118個,百部104個,丹參134個,將三味中藥對應(yīng)靶點匯總?cè)ブ?,并對基因名稱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到“芩部丹”組方的作用靶點共199個。
GeneCard數(shù)據(jù)庫中與肺結(jié)核相關(guān)的基因靶點共1712個,將所得靶點按得分進(jìn)行排序后發(fā)現(xiàn),最高值為79.963,最低值為0.163,保留大于2.712(中位數(shù))的部分作為肺結(jié)核潛在靶點。在查找DrugBank、OMIM、TTD 數(shù)據(jù)庫后另得到部分預(yù)測靶點,將4個數(shù)據(jù)庫中獲得的靶點去掉重復(fù)部分,共得到1409個與肺結(jié)核相關(guān)的基因靶點。
將整理得到的“芩部丹”組方與肺結(jié)核靶點取交集,從韋恩圖中可知,“芩部丹”成分與肺結(jié)核的重合靶點有82個(圖1),表明“芩部丹”組方可能通過此82個靶點發(fā)揮治療肺結(jié)核的作用。利用 Cytoscape 3.7.1軟件構(gòu)建“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)(圖2)。通過分析可以發(fā)現(xiàn),此網(wǎng)絡(luò)圖中包含188個節(jié)點與612條連線,節(jié)點中包含3個中藥名稱,103個為藥物成分,82個作用靶點。
注 左側(cè)圓形代表肺結(jié)核涉及的相關(guān)靶點數(shù)量,右側(cè)圓形代表“芩部丹”組方的預(yù)測治療靶點數(shù)量,中間重疊部分代表“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的潛在靶點數(shù)量圖1 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核的靶點韋恩圖
注 HQ為黃芩藥物及成分;BB為百部藥物及成分;DS為丹參藥物及成分;A1(β-谷甾醇)、A2(谷甾醇)、A3(豆甾醇)為黃芩與百部的共有成分,黃色部分為作用靶點圖2 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核的藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)圖
在“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的103個藥物成分中,黃芩有30個,百部有22個,丹參有54個,其中黃芪與丹參有3個共有成分(表1)。在網(wǎng)絡(luò)初步構(gòu)建完成后進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)計算,結(jié)合BC、CC、Degree 對“芩部丹”的主要有效成分進(jìn)行排序,選取三者的中位數(shù)(BC=0.0008,CC=0.3979,Degree=4)為劃分標(biāo)準(zhǔn)篩選各藥物節(jié)點,結(jié)果發(fā)現(xiàn)三者均大于中位數(shù)的成分為41個,有10個及以上作用靶點的成分為7個,分別為木犀草素(luteolin)、漢黃芩素(wogonin)、黃芩素(baicalein)、刺槐素(acacetin)、刺芒柄花素(formononetin)、β-谷甾醇(β-sitosterol)、7-甲氧基-3-甲基-2,5-二羥基-9,10-二氫菲(7-methoxy-3-methyl-2,5-dihydroxy-9,10-dihydrophenan-threne),這些成分可能是“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的主要活性成分。
表1 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核的活性成分及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識
續(xù)表1
將82個共同的靶點帶入STRING 11.0平臺中建立PPI網(wǎng)絡(luò)(圖3),并運用Cytoscape 3.7.1軟件得到此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)信息,BC、CC與Degree的中位數(shù)分別為0.0041、0.6231、32.5000,三者均大于中位數(shù)的基因靶點有32個,前20個靶點信息見表2。其中Degree值高于55的有10個靶點,可能為“芩部丹”治療肺結(jié)核的核心靶點。
表2 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核的核心靶點及參數(shù)
圖3 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核靶點的PPI網(wǎng)絡(luò)圖
基于DAVID 6.8數(shù)據(jù)庫對“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的82個相關(guān)靶點進(jìn)行GO功能與KEGG通路富集分析(P值均<0.05),并借助在線網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行可視化作圖處理。GO富集分析結(jié)果涉及到凋亡過程的負(fù)向調(diào)控(negative regulation of apoptotic process)、細(xì)胞增殖的正向調(diào)控(positive regulation of cell proliferation)、對藥物產(chǎn)生的反應(yīng)(response to drug)等373個生物學(xué)過程條目(圖4);細(xì)胞外空間(extracellular space)、細(xì)胞核(nucleus)、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(cytosol)等39個細(xì)胞組分條目(圖5);酶結(jié)合(enzyme binding)、同蛋白結(jié)合(identical protein binding)、血紅素結(jié)合(heme binding)等66個分子功能條目(圖6)。通過KEGG富集分析與文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn),“芩部丹”組方治療肺結(jié)核獲得108條信號通路,主要相關(guān)通路包含TNF信號通路(TNF signaling pathway;P<0.001)、細(xì)胞凋亡(apoptosis;P<0.001)、T細(xì)胞受體信號通路(T cell receptor signaling pathway;P<0.001)、PI3K-Akt信號通路(PI3K-Akt signaling pathway;P<0.001)、結(jié)核病(tuberculosis;P<0.001),見圖7;并構(gòu)建前20條主要信號通路的靶點通路網(wǎng)絡(luò)圖(圖8)。
圖4 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核核心靶點的前20個生物學(xué)過程條目
圖5 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核核心靶點的前20個細(xì)胞組分條目
圖6 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核核心靶點的前20個分子功能條目
圖7 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核核心靶點的前20條KEEG通路分析
中醫(yī)藥在疾病防治中具有增強臨床療效、減少不良反應(yīng)等特點,一直以來都是肺結(jié)核防治中不可或缺的重要治療手段。但中藥活性成分復(fù)雜多樣,作用途徑及靶點多種多樣,通過單一的靶點與通路對中藥復(fù)方的治療機制進(jìn)行闡釋是不夠全面的。
“芩部丹”組方的確立專為滋陰瀉火、行瘀殺蟲,主治肺結(jié)核。方中的黃芩長于清熱、燥濕,入上焦以清肺瀉火;百部為驅(qū)蟲之常用藥,擅于溫潤肺氣、降氣止咳。黃芩與百部相配伍能夠起到滋陰瀉火、潤肺止咳之功效。但肺癆日久氣血虧虛、血行不暢,導(dǎo)致瘀血內(nèi)生,加入丹參可活血補血、涼血消癰。全方清瀉祛瘀兼以補血,選藥精煉卻作用全面。現(xiàn)代藥理研究也為黃芩、百部、丹參的臨床應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。黃芩能夠解熱、抗炎、抗腫瘤、抗菌、抗病毒、調(diào)節(jié)免疫,百部可以祛痰鎮(zhèn)咳、殺蟲、抗菌、抗病毒等,兩者在肺熱咳嗽、哮喘、肺結(jié)核等呼吸系統(tǒng)病癥的治療中應(yīng)用廣泛[7-8]。丹參是臨床常用的活血化瘀中藥,具有增加冠脈流量、保護(hù)血管內(nèi)皮與腎功能、抗腫瘤、抗氧化等功效,是治療心腦血管疾病的重要藥物[9]。丹參還能夠抗炎,改善肺部缺氧,預(yù)防肺結(jié)核過程中的肺纖維化進(jìn)展,在呼吸系統(tǒng)病癥中的應(yīng)用也得到了越來越多的關(guān)注[10-11]。
注 圖中紅色部分為作用靶點;綠色部分為信號通路圖8 “芩部丹”組方治療肺結(jié)核的前20條靶點通路網(wǎng)絡(luò)圖
雖然前期藥理機制研究表明,“芩部丹”三味中藥的單體成分(黃芩苷、對葉百部堿、丹參多酚酸鹽)能夠提高巨噬細(xì)胞表面TLR2受體的表達(dá),可能通過調(diào)節(jié)機體免疫來發(fā)揮抗結(jié)核分枝桿菌的作用,且百部中的百部堿是能夠增強THP-1(單核細(xì)胞白血病)細(xì)胞吞噬結(jié)核分枝桿菌能力的有效抗結(jié)核成分[12-13]。本研究中藥物靶點網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)分析指出,黃芩苷、對葉百部堿、百部堿、丹參多酚酸鹽治療肺結(jié)核的靶點較少,雖為治療肺結(jié)核的重要明星成分,但根據(jù)本研究的結(jié)果尚不能將其列為“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的主要活性成分。本研究在構(gòu)建藥物-成分-靶點網(wǎng)絡(luò)圖后發(fā)現(xiàn),“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的主要活性成分有木犀草素、漢黃芩素、黃芩素、刺槐素、刺芒柄花素、β-谷甾醇、7-甲氧基-3-甲基-2,5-二羥基-9,10-二氫菲。
結(jié)核分枝桿菌侵襲機體后,多種免疫細(xì)胞被激活,釋放大量炎癥因子,導(dǎo)致肺部出現(xiàn)炎癥損傷甚至組織破壞、空洞形成。研究表明,木犀草素是一種天然黃酮類化合物,可通過多種途徑緩解炎癥反應(yīng),并能減少肥大細(xì)胞釋放白三烯,減輕急性肺損傷[14],說明木犀草素可能具有改善肺結(jié)核患者的肺部炎癥損傷的作用。黃芩素與漢黃芩素分別為黃芩苷和漢黃芩苷在體內(nèi)水解后發(fā)揮作用的有效成分,具有抗炎、抗菌、調(diào)節(jié)免疫等作用[15-16]。黃芩素結(jié)合葡萄糖醛酸形成黃芩苷,能夠調(diào)控巨噬細(xì)胞表面基因的表達(dá),發(fā)揮抑制結(jié)核分枝桿菌生長的作用[17]。β-谷甾醇屬于植物類固醇物質(zhì),是黃芩與百部的共有成分,能夠調(diào)節(jié)外周血淋巴細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞的增殖與活化,減輕巨噬細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),并有解熱之功效,對結(jié)核分枝桿菌活性具有一定的抑制作用,是治療肺結(jié)核以及免疫介導(dǎo)疾病的潛在有效成分[18-19]。刺槐素可以調(diào)節(jié)肺部巨噬細(xì)胞表面基因的表達(dá)水平來對抗炎癥[20]。刺芒柄花素能夠?qū)χ嗵菍?dǎo)致的小鼠急性肺損傷產(chǎn)生保護(hù)作用,改善肺部結(jié)構(gòu)的病理損傷[21]。此外,7-甲氧基-3-甲基-2,5-二羥基-9,10-二氫菲是百部的重要活性成分[22],但目前尚無有關(guān)此成分治療肺結(jié)核的報道,其治療作用有待進(jìn)一步研究與挖掘?!败瞬康ぁ苯M方的多個主要活性成分與結(jié)核病的病理發(fā)展過程密切相關(guān),也在一定程度上印證了本方治療肺結(jié)核的臨床有效性。
通過成分-靶點的PPI網(wǎng)絡(luò)圖可以得知,“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的核心靶點主要有TP53、IL6、AKT1、VEGFA、EGFR、PTGS2、JUN、CASP3、STAT3、TNF。TP53可調(diào)控細(xì)胞周期停滯和凋亡,結(jié)核分枝桿菌感染肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的實驗研究表明,p53(TP53的表達(dá)蛋白)的表達(dá)能夠抑制核因子-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)、Toll樣受體-4(Toll-like receptors-4,TLR-4)和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6)的活化,減少炎癥因子的分泌,從而抵抗結(jié)核分枝桿菌的侵襲[23]。JUN可參與細(xì)胞凋亡、炎癥、腫瘤產(chǎn)生等過程,AKT1可調(diào)控細(xì)胞的增殖生長,AKT1作為c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)的一個上游調(diào)控因子,能作用于JNK,使其進(jìn)入細(xì)胞核活化底物c-Jun,進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞凋亡,降低結(jié)核分枝桿菌的生存能力[24]。白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)是由T淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞分泌的重要促炎因子,STAT3為信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子,結(jié)核分枝桿菌產(chǎn)生的早期分泌抗原靶蛋白6(early secreted antigenic target of 6 kDa,ESAT-6)可活化巨噬細(xì)胞的STAT3,進(jìn)一步刺激產(chǎn)生IL-6,促進(jìn)炎癥反應(yīng)[25]。此外,EGFR為表皮生長因子受體,研究表明肺腺癌患者中有陳舊性肺結(jié)核者的EGFR突變率明顯升高[26]。PTGS2是誘導(dǎo)型脂類調(diào)節(jié)物,在炎癥介質(zhì)影響下能夠促進(jìn)細(xì)胞凋亡,抑制血管生成[27]。CASP3 可調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的生長與增殖[28]。TNF可介導(dǎo)細(xì)胞的死亡、凋亡、炎癥反應(yīng)等過程,并能激活其他下游炎癥因子,吸引炎癥細(xì)胞向下呼吸道聚集[29]。這些基因介導(dǎo)了機體炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡與增殖等疾病進(jìn)程,可能是“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的重要相關(guān)靶點。
本研究通過對篩選靶點的GO 富集分析發(fā)現(xiàn),“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的生物學(xué)功能條目較多,主要在凋亡過程的負(fù)向調(diào)控、對藥物的反應(yīng)、細(xì)胞增殖的正向調(diào)控等方面。KEGG 通路富集分析的結(jié)果顯示,“芩部丹”組方在肺結(jié)核的治療中主要涉及到TNF信號通路、細(xì)胞凋亡、T細(xì)胞受體信號通路、PI3K-Akt信號通路、結(jié)核病等。TNF信號通路是“芩部丹”組方與肺結(jié)核病理機制關(guān)系最為密切的通路,在調(diào)節(jié)體內(nèi)炎癥、免疫反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。TNF作為體內(nèi)的重要促炎因子主要分為兩類,TNF-α來自于活化的巨噬細(xì)胞,TNF-β來自于活化的淋巴細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞。相關(guān)研究指出,肺結(jié)核患者血清中的TNF-α與TNF-β水平顯著升高,可促進(jìn)組織損傷,但也能使巨噬細(xì)胞進(jìn)一步活化并吞噬病菌,促使肉芽腫形成,使結(jié)核分枝桿菌處于相對靜止穩(wěn)定的狀態(tài)[30]。該通路中富集的TNF、IL6、CASP3、AKT1、MAPK1、JUN、PTGS2等靶點同樣是PPI分析中Degree值較高的靶點。此外,細(xì)胞凋亡也是“芩部丹”組方治療肺結(jié)核的重要信號通路。肺部組織在受到結(jié)核分枝桿菌侵犯時,細(xì)胞啟動凋亡機制,能夠把結(jié)核分枝桿菌限制在凋亡細(xì)胞內(nèi),減少了病菌從感染的巨噬細(xì)胞向外擴(kuò)散,并且凋亡通路還能發(fā)揮減輕炎癥損傷的作用,是肺結(jié)核病變過程中機體的保護(hù)性過程[31]。該通路中富集的TP53、AKT1、TNF、CASP3、CYCS等靶點有較高的Degree值。調(diào)控TNF信號通路、細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)可能是“芩部丹”治療肺結(jié)核的重要機制,相關(guān)功能富集及信號通路的研究也為“芩部丹”組方的后續(xù)科研探索提供了一定的參考。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)以系統(tǒng)生物學(xué)為基礎(chǔ),并將藥理學(xué)、計算機科學(xué)等知識融合,可以整合TCMSP、DrugBanK等多種功能強大的化合物及疾病靶點數(shù)據(jù)庫,通過多層次的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、拓?fù)鋵W(xué)分析、通路富集,對復(fù)雜疾病的病理機制進(jìn)行科學(xué)解釋,并可對已知中藥或中藥復(fù)方治療疾病的作用機制進(jìn)行預(yù)測。本研究借助網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法對“芩部丹”組方的成分和靶點,以及肺結(jié)核相關(guān)疾病靶點進(jìn)行篩選與關(guān)聯(lián),通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、通路富集與功能挖掘,揭示了中藥組方“芩部丹”多靶點、多通路的抗肺結(jié)核作用機制,也將為“芩部丹”進(jìn)一步的臨床應(yīng)用與研發(fā)提供更加豐富的參考與借鑒。