周洪立,鄭慧麗,朱悅,尚爾鑫,宿樹(shù)蘭,段然,段金廒,許惠琴*
1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 中藥資源產(chǎn)業(yè)化與方劑創(chuàng)新藥物國(guó)家地方聯(lián)合工程中心/江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省方劑高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023;
2.寧夏枸杞創(chuàng)新中心,寧夏 銀川 750000
糖尿?。╠iabetes mellitus,DM)是一種慢性進(jìn)行性疾病,發(fā)病率高且增長(zhǎng)迅速,到2030 年全球DM 患病率預(yù)計(jì)將超過(guò)10.2%[1]。DM 的主要病理特點(diǎn)是胰島素分泌缺陷或其他生物學(xué)作用障礙引起的以高血糖為特征的代謝紊亂[2]?;颊哐情L(zhǎng)期處于高水平狀態(tài),大血管、微血管受損并危及心、腦、腎、周圍神經(jīng)、眼睛、足等,引發(fā)多種并發(fā)癥及隨之而來(lái)的生活質(zhì)量下降和死亡風(fēng)險(xiǎn)增加[3]。一系列橫斷面和前瞻性分析也表明,血糖濃度升高與并發(fā)癥的發(fā)生呈正相關(guān)[4-7]。我國(guó)DM 患病人數(shù)位居世界首位,僅2015 年我國(guó)就有130 萬(wàn)人死于DM 及其并發(fā)癥,給社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的健康與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[7]?,F(xiàn)階段,DM 的主要治療措施包括口服降糖藥、注射胰島素、飲食管理、鍛煉等,這些措施在控制血糖方面表現(xiàn)出良好的效果,但無(wú)法從根本上治愈DM 及延緩其并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展。
中醫(yī)將DM 歸屬于“消渴”范疇,傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,其主要病機(jī)以陰液虧虛為本、燥熱偏勝為標(biāo)、瘀血為患貫穿始終,針對(duì)該病機(jī)特點(diǎn),以滋補(bǔ)肝腎、清熱生津、化瘀通絡(luò)為基本治法[2]。南朝齊陳延之[8]《小品方》中形成了消渴三消分治的雛形,并收載“枸杞湯”治療“內(nèi)消”,該方由枸杞枝葉、栝樓根、石膏、黃連、生甘草組成?!缎∑贩健吩瓡涊d“消渴者,原其發(fā)動(dòng),此則腎虛所致”“夫內(nèi)消之為病,皆熱中所作也,小便多于所飲,令人虛極短氣……治之枸杞湯”,是中醫(yī)治療消渴病的較早記載。該方以枸杞枝葉為君藥,符合《神農(nóng)本草經(jīng)》枸杞“主熱中消渴”[9]與《藥性論》枸杞“子、葉同說(shuō),味甘,平。補(bǔ)益精,諸不足,易顏色,變白,明目,安神,令人長(zhǎng)壽”[10]的功效認(rèn)識(shí),補(bǔ)益肝腎兼能清熱;栝樓根(即天花粉)、石膏與黃連等藥材清熱生津,生甘草補(bǔ)氣兼能清熱,符合中醫(yī)對(duì)消渴癥“肝腎虧虛,陰虛內(nèi)熱”病機(jī)的認(rèn)識(shí)。該方曾被唐代孫思邈收錄于《備急千金要方》[11],足見(jiàn)其對(duì)該方組方與療效的認(rèn)可。
基于血糖控制是臨床改善DM 進(jìn)程的根本方法及對(duì)枸杞葉“主治虛勞煩渴”傳統(tǒng)功效的認(rèn)識(shí),本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的整體性與系統(tǒng)性,對(duì)枸杞湯改善DM 的作用機(jī)制進(jìn)行初步探討,分析其可行性,為臨床DM治療方案提供參考。
通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、PubMed數(shù)據(jù)庫(kù)(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/),以“枸杞葉”“枸杞芽”“枸杞葉化合物”為關(guān)鍵詞檢索枸杞葉有效成分信息,利用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(TCMSP,https://www.tcmsp-e.com/)[12]將所得化合物以口服生物利用度(OB)≥30%和類藥性(DL)≥0.18為條件篩選,獲得枸杞葉有效成分;通過(guò)TCMSP 分別收集黃連、石膏、天花粉、甘草4 味中藥的有效成分,同上述枸杞葉篩選條件獲得有效化學(xué)成分,記錄成分的編號(hào)和名稱。通過(guò)TCMSP、PubChem 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)和ChemDraw 18.0 軟件獲得有效成分的分子結(jié)構(gòu)。
將篩選所得枸杞湯有效成分通過(guò)TCMSP、SwissTargetPrediction 平臺(tái)(http://www.swisstarget prediction.ch/)[13]預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)。以“diabetes mellitus”為疾病關(guān)鍵詞,通過(guò)OMIM(https://omim.org/)、GeneCards(https://www.genecards.org/)、TTD(http://db.idrblab.net/ttd/)和DrugBank(https://www.drugbank.ca/)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索,并與枸杞湯靶點(diǎn)取交集,獲得枸杞湯改善DM 的潛在靶點(diǎn)信息。
將藥物有效成分與疾病靶點(diǎn)取交集,并上傳至STRING 11.5 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://string-db.org)構(gòu)建交集靶點(diǎn)PPI 網(wǎng)絡(luò),生物種類設(shè)定為人類,將最小相互作用閾值設(shè)為0.9。利用Cytoscape 3.7.2 軟件中的MCODE 和Network Analyzer插件進(jìn)行聚類和拓?fù)浞治?,獲得枸杞湯調(diào)節(jié)DM的核心靶點(diǎn)。
將篩選得到的枸杞湯調(diào)節(jié)DM 的靶點(diǎn)導(dǎo)入Metascape 3.5 平臺(tái),將生物種類設(shè)定為人類,設(shè)置P<0.001,分別進(jìn)行GO 富集分析和KEGG 通路分析,并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。
將所得枸杞湯有效成分、治療DM 相關(guān)靶點(diǎn)及通路富集分析結(jié)果進(jìn)行映射,并導(dǎo)入Cytoscape3.7.2軟件以構(gòu)建藥物-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
PDB 數(shù)據(jù)庫(kù)下載對(duì)接蛋白的PDB 結(jié)構(gòu),PubChem 數(shù)據(jù)庫(kù)下載配體的SDF 結(jié)構(gòu),利用Open Babel 軟件將SDF 配體小分子轉(zhuǎn)換為PDB 格式。然后通過(guò)PubChem 數(shù)據(jù)庫(kù)和Open Babel 3.1 軟件得到化合物PDB 格式文件,利用AutoDock Vina 1.5.6軟件進(jìn)行分子對(duì)接,獲取其結(jié)合自由能信息。
通過(guò)TCMSP篩選和查閱文獻(xiàn)[14-24]得到活性化合物數(shù)目分別為枸杞葉6 個(gè)、天花粉2 個(gè)、黃連6個(gè)、甘草80 個(gè),石膏的主要成分CaSO4未檢索到相關(guān)靶點(diǎn),故不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。去除重復(fù)后,枸杞湯共有活性成分94個(gè),見(jiàn)表1。
表1 枸杞湯活性成分拓?fù)湫畔?/p>
續(xù)表1
續(xù)表1
通過(guò)TCMSP、SwissTargetPrediction 平臺(tái)預(yù)測(cè)靶點(diǎn),共獲得枸杞湯靶點(diǎn)247 個(gè)。從GeneCards、OMIM、TTD、DrugBank 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索疾病靶點(diǎn),整合并刪除重復(fù)值,經(jīng)UniPort 數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范化后得到1832 個(gè)疾病靶點(diǎn)。利用Venn 作圖取交集,如圖1 所示,得到211個(gè)枸杞湯改善DM的潛在靶點(diǎn)。
圖1 枸杞湯治療DM的藥物-疾病交集靶點(diǎn)
將從STRING 11.5 數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的靶點(diǎn)PPI 圖導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2 軟件,通過(guò)MCODE 聚類分析功能得到核心子網(wǎng)絡(luò),如圖2~3 所示,靶點(diǎn)度值越大,形狀越大,表明靶點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他靶點(diǎn)連接越緊密。熱休克蛋白90α家族成員A(HSP90AA1)、原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src(SRC)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)、絲裂原活化蛋白激酶1(MAPK1)、MAPK3、表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)等排名靠前的靶點(diǎn)為枸杞湯改善DM的核心靶點(diǎn)。
圖2 枸杞湯治療DM核心靶點(diǎn)PPI
圖3 枸杞湯治療DM核心靶點(diǎn)PPI子網(wǎng)絡(luò)
2.4.1GO 分析 利用Matescape 3.5 平臺(tái)對(duì)枸杞湯改善DM的潛在靶點(diǎn)進(jìn)行GO分析,枸杞湯主要通過(guò)參與循環(huán)系統(tǒng)過(guò)程、對(duì)細(xì)胞外刺激的反應(yīng)、蛋白質(zhì)磷酸化、分泌調(diào)節(jié)、細(xì)胞化學(xué)穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)體液水平、小分子代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)、腺體發(fā)育、離子傳輸?shù)恼{(diào)節(jié)、對(duì)細(xì)胞因子的反應(yīng)、調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)壓力的反應(yīng)、老化等1996 個(gè)生物過(guò)程發(fā)揮改善DM 的作用;細(xì)胞組分條目共131 個(gè),主要涉及膜筏、受體復(fù)合物、細(xì)胞質(zhì)核周區(qū)、神經(jīng)元細(xì)胞體、膜側(cè)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)復(fù)合物、黏著斑、轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物、轉(zhuǎn)移含磷基團(tuán)、細(xì)胞器外膜等;主要涉及蛋白絲氨酸/蘇氨酸/酪氨酸激酶活性、蛋白酪氨酸激酶活性、氧化還原酶活性、激酶結(jié)合、脂質(zhì)結(jié)合、磷酸酶結(jié)合、激素結(jié)合、胰島素受體底物結(jié)合、絲氨酸水解酶活性、氧化還原酶活性等228 個(gè)分子功能。將P<0.001 排名前10 的條目進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理,見(jiàn)圖4。
圖4 枸杞湯治療DM核心靶點(diǎn)GO分析
2.4.2KEGG 分析 利用Matescape 3.5平臺(tái)對(duì)枸杞湯調(diào)節(jié)DM 的潛在靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG 分析,枸杞湯主要通過(guò)參與調(diào)節(jié)PI3K/蛋白激酶B(PI3K-Akt)、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、RAS 相關(guān)蛋白1(RAP1)信號(hào)通路、糖尿病并發(fā)癥(diabetic complications)中的晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGE)-晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)信號(hào)通路、內(nèi)分泌抵抗(endocrine resistance)、缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)信號(hào)通路、叉形頭轉(zhuǎn)錄因子O(FoxO)信號(hào)通路、胰島素(insulin)信號(hào)通路、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)信號(hào)通路、2 型糖尿?。═2DM)等203 個(gè)通路發(fā)揮改善DM 的作用,將P<0.001 排名前20 的條目運(yùn)用R語(yǔ)言繪制氣泡圖,見(jiàn)圖5。
圖5 枸杞湯治療DM核心靶點(diǎn)KEGG通路分析
通過(guò)CytoScape 3.7.2 軟件構(gòu)建藥物-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),如圖6 所示,該網(wǎng)絡(luò)共有155 個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括4種藥材、94 個(gè)活性成分、57 個(gè)靶點(diǎn))。拓?fù)浞治鼋Y(jié)果如表2所示,鱗葉甘草素A、3′-甲氧基光甘草定、甘草查耳酮B 等節(jié)點(diǎn)度值排名靠前,可能為枸杞湯中的主要活性成分。
圖6 枸杞湯治療DM藥物-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析
分析枸杞湯的藥物-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可知,鱗葉甘草素A、3′-甲氧基光甘草定、甘草查耳酮B 等成分的節(jié)點(diǎn)度值排名靠前,可能為枸杞湯的主要活性成分。選擇核心化合物中的鱗葉甘草素A 與甘草查耳酮B對(duì)應(yīng)核心靶點(diǎn)中的細(xì)胞色素P450家族19亞家族A 肽1(CYP19A1)、雌激素受體2(ESR2)、蛋白酪氨酸性磷酸酶非受體型1(PTPN1)、EGFR 進(jìn)行分子對(duì)接,結(jié)合自由能結(jié)果見(jiàn)表2,可視化對(duì)接結(jié)果見(jiàn)圖7。結(jié)果顯示,枸杞湯中鱗葉甘草素A與甘草查耳酮B 均能與對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)自發(fā)結(jié)合,且鱗葉甘草素A 與CYP19A1、ESR2、PTPN1 之間的結(jié)合自由能較低,甘草查耳酮B 與EGFR 之間的結(jié)合自由能較低,表明鱗葉甘草素A 和甘草查耳酮B 與對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)之間有較好的結(jié)合活性,側(cè)面驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的預(yù)測(cè)結(jié)果。
圖7 枸杞湯治療DM核心成分和靶點(diǎn)分子對(duì)接模式圖
表2 枸杞湯核心成分與靶點(diǎn)蛋白分子對(duì)接結(jié)果
DM 的西醫(yī)治療以控制血糖及生活管理為主。血糖的控制包括口服降糖藥及注射胰島素,在降糖方面效果顯著,但長(zhǎng)期高血糖所伴隨的并發(fā)癥給疾病的治療帶來(lái)了諸多的挑戰(zhàn),如DM 臨床一線治療藥物二甲雙胍因其使用禁忌中明確包含了糖尿病腎病(DKD),給DKD 患者降糖藥物的選擇帶來(lái)了困擾。在糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)等并發(fā)癥的治療中,在控制血糖的基礎(chǔ)上多以對(duì)癥治療為主,以降低疾病進(jìn)一步發(fā)展所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)已發(fā)生的病理改變多采用對(duì)癥治療,如部分糖尿病性黃斑水腫(DME)患者經(jīng)抗VEGF 療法治療后微血管瘤、滲出、靜脈串珠、新生血管、出血等病變有所改善,但這并未解決其本質(zhì)問(wèn)題,即視網(wǎng)膜毛細(xì)血管周細(xì)胞凋亡、內(nèi)皮細(xì)胞增殖和繼發(fā)的毛細(xì)血管閉塞,以及缺血缺氧導(dǎo)致的VEGF 釋放與進(jìn)一步的眼底損傷。DM 的疾病機(jī)制探究和臨床治療方法開(kāi)發(fā)是亟須解決的醫(yī)學(xué)問(wèn)題[25-26]。生活管理亦是DM 患者疾病控制的重要手段,當(dāng)前對(duì)DM 患者的管理包括營(yíng)養(yǎng)治療原則,并參與規(guī)律、適量的體育鍛煉。DM 患者的自我管理早在隋唐時(shí)期就有記載,巢元方提出“消渴”患者“先行一百二十步,多者千步,然后食之”,孫思邈提出“消渴”三慎:“一飲酒,二房事,三咸食及面”[27-28]。
近年來(lái),隨著中醫(yī)藥治療DM 研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)復(fù)方及單味中藥在改善DM 及其并發(fā)癥中療效顯著,而用藥局限性及不良反應(yīng)相對(duì)較小。中藥具有多成分多靶點(diǎn)的優(yōu)勢(shì),可干預(yù)疾病的不同靶點(diǎn)與信號(hào)通路,表現(xiàn)出多種藥理學(xué)活性。枸杞湯作為中醫(yī)經(jīng)典方劑,為“治渴而利者方”,方中枸杞葉清熱止渴、祛風(fēng)明目、生津補(bǔ)肝,主治虛勞發(fā)熱、煩渴、目赤昏痛、障翳夜盲等證,為君藥;天花粉清熱瀉火、生津止渴,黃連泄火解毒,石膏清熱瀉火、除煩止渴共為臣藥;甘草為使,調(diào)和諸藥。諸藥合用共奏滋陰清熱、生津補(bǔ)虛之效。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),枸杞葉中富含多糖、酚酸、黃酮等活性成分,包括蘆丁、咖啡酸、綠原酸、新綠原酸、槲皮素-3-O-槐糖-7-O-鼠李糖苷等,且枸杞葉提取物可調(diào)節(jié)血糖和血脂水平,降低蛋白尿、轉(zhuǎn)氨酶水平和減輕胰島素抵抗,對(duì)糖尿病大鼠腎小球、腎小管和胰島細(xì)胞起到保護(hù)作用[29-31]。亦有研究表明,枸杞葉提取物通過(guò)抑制高血糖介導(dǎo)的腎臟氧化應(yīng)激和炎癥改善糖尿病腎病,治療后,糖尿病大鼠血清肌酐、尿素氮顯著降低,白蛋白水平升高,而尿蛋白水平明顯降低,肌酐清除率明顯升高[32]?!睹t(yī)別錄》記載:“黃連止消渴?!逼渌幮镔|(zhì)基礎(chǔ)為黃連素,在DM及其并發(fā)癥的治療中應(yīng)用已久[33-34]。黃連素能夠增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)的表達(dá)及活性,從而增加細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,起到降糖效應(yīng)[35],并可抑制高糖培養(yǎng)的腎小球系膜細(xì)胞α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-SMA)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)和纖維連接蛋白(FN)的表達(dá),發(fā)揮抗DKD的重要作用[36]。研究發(fā)現(xiàn),枸杞湯中的關(guān)鍵化合物光甘草定具有降糖作用,能顯著提高小鼠體質(zhì)量,糖耐量,肝、腎、胰組織中超氧化物歧化酶(SOD)活性,降低肝、腎、胰腺組織中纖維蛋白原(FBG)水平和丙二醛(MDA)含量[37]。而甘草查耳酮具有抗氧化活性,能增強(qiáng)細(xì)胞本身抗氧化能力[38]。
由成分-靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)可知,枸杞湯中94 個(gè)活性成分主要通過(guò)HSP90AA1、SRC、STAT3、MAPK1、MAPK3、EGFR、磷脂酰肌醇3-激酶調(diào)節(jié)亞基1(PIK3R1)、PIK3CA、Akt1 等靶點(diǎn),影響PI3K-Akt、cAMP、FoxO、AGE-RAGE、RAP1、HIF-1、VEGF、內(nèi)分泌抵抗、胰島素抵抗等信號(hào)通路,可能通過(guò)改善胰島素抵抗、糖異生、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、炎癥及免疫反應(yīng)來(lái)發(fā)揮改善DM 的作用。FoxO1 參與了β細(xì)胞的增殖、分化與凋亡、胰島素抵抗及肝臟葡萄糖生成,且在脂質(zhì)代謝和脂肪組織調(diào)節(jié)方面具有重要作用,未來(lái)可能成為糖脂代謝性疾病的治療靶點(diǎn)[39]。VEGFA 是視網(wǎng)膜新生血管形成過(guò)程中的關(guān)鍵物質(zhì),DM 患者視網(wǎng)膜的長(zhǎng)期缺血缺氧狀態(tài)會(huì)引發(fā)VEGF 表達(dá)上調(diào),并激活下游PI3K/Akt 信號(hào)通路,加速視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞形成新生微血管腔這一過(guò)程[40]。HIF-1α是細(xì)胞內(nèi)重要的缺氧信號(hào)蛋白,參與血管形成、糖代謝、紅細(xì)胞生成及細(xì)胞的存活和凋亡等過(guò)程,而VEGF 主要受HIF-1α的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,在高血糖和缺血缺氧狀態(tài)下會(huì)誘導(dǎo)HIF-1α的表達(dá)上調(diào),作為其下游重要的靶基因,VEGF 也隨之上調(diào)[41-42]。AGEs 在糖尿病及其并發(fā)癥中占有重要位置,陳玉萍等[43]認(rèn)為,AGEs是糖尿病“腎陰虧虛、內(nèi)熱傷陰津”的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
“陰虛為本,燥熱為標(biāo)”為消渴病的基本病機(jī),貫穿“消渴”的疾病始終。近年來(lái),通過(guò)生物信息學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因芯片等技術(shù)發(fā)現(xiàn)陰虛火旺證候主要涉及cAMP、花生四烯酸(arachidonic acid)、鞘脂(sphingolipid)等差異代謝產(chǎn)物,JAK/STAT、胰島素、MAPK、腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)、色氨酸代謝(tryptophan metabolism)、酪氨酸代謝(tyrosine metabolism)等信號(hào)通路[44-47]。cAMP 作為信號(hào)分子參與活性氧(ROS)產(chǎn)生與應(yīng)激反應(yīng),可促進(jìn)下游cAMP 依賴性蛋白激酶(PKA)和環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)蛋白磷酸化,清除ROS,降低氧化應(yīng)激水平,減輕2型糖尿病誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性[48]。而枸杞湯對(duì)上述部分信號(hào)通路及代謝產(chǎn)物具有干預(yù)作用,可能是其改善“陰虛火旺”證候的作用靶點(diǎn)。
本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法構(gòu)建了藥物-成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò),為枸杞湯治療DM 作用機(jī)制的深入研究提供了參考,同時(shí)也為DM 的中醫(yī)臨床治療提供了借鑒。