張康,趙婷婷,張波,高夢琦,李昱熹,王邵鵬,趙文景*
IgA 腎?。╥mmunoglobulin A nephropathy,IgAN)是世界范圍常見的原發(fā)性腎小球腎炎[1],占我國原發(fā)性腎小球腎炎的52.66%[2],25%~30%的IgAN 患者在確診后20 年內(nèi)會進展至終末期腎病[3],成為家庭和國民經(jīng)濟的沉重負擔(dān)。目前尚無針對IgAN 有效且安全的治療方案。2021 年改善全球腎臟病預(yù)后組織(KDIGO)指南推薦IgAN 的治療重點是優(yōu)化支持治療,包括血壓管理、使用最大耐受劑量的腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制劑(renin-angiotensin system inhibitors,RASI)、 生活方式改變等;對于經(jīng)過了至少90 d 的優(yōu)化支持治療,仍有疾病進展風(fēng)險的IgAN 患者可以考慮為期6 個月的皮質(zhì)類固醇治療[4]。然而,糖皮質(zhì)激素的長期療效和安全性仍存在爭議,STOP-IgAN 研究顯示在高危IgAN患者中加強免疫抑制治療并不能延緩估算腎小球濾過率(eGFR)下降,且不良反應(yīng)明顯增加[5];TESTING研究顯示足量激素治療IgAN 可顯著減少蛋白尿,減少63%的腎衰竭事件,但嚴重不良事件風(fēng)險增加4.63 倍[6]。
近年來針對IgAN 治療的新藥研究進展迅速,其中靶向遲釋布地奈德膠囊是全球首個IgAN 對因治療藥物。2022 年10 月,布地奈德腸溶膠囊的Ⅲ期臨床試驗NeflgArd 公布了其研究結(jié)果,表明布地奈德腸溶膠囊在降低蛋白尿方面具有顯著優(yōu)勢,且腎功能穩(wěn)定,無嚴重不良反應(yīng)發(fā)生,但其治療IgAN 的作用機制尚未完全明確[7]。本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法探索布地奈德治療IgAN 的作用靶點,進行藥物-疾病靶點相互作用分析、基因本體(gene ontology,GO)和京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析,為布地奈德治療IgAN 的臨床實踐提供理論依據(jù)。
1.1 布地奈德基本信息的獲取 通過Chemical Book(https://www.Chemical Book.com/)獲取布地奈德的分子式和結(jié)構(gòu)式。
1.2 布地奈德作用靶點的篩選及靶點信息的規(guī)范化 布地奈德相關(guān)基因通過人類基因數(shù)據(jù)庫GeneCards(https://www.genecards.org/)輸入關(guān)鍵詞“Budesonide”獲得,數(shù)據(jù)庫更新截止時間為2023 年3 月。利用DrugBank 數(shù)據(jù)庫(https://www.drugbank.ca)與TTD 數(shù)據(jù)庫(https://db.idrblab.net/ttd/)對相關(guān)靶點進一步補充,所預(yù)測的藥物靶點信息與Uriprot 數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/)進行規(guī)范化處理后確定為布地奈德主要靶點。
1.3 獲取IgAN 相關(guān)靶基因 通過GeneCards 和CTD 數(shù)據(jù)庫(http://ctdbase.org/),輸入關(guān)鍵詞“IgA nephropathy”,獲得IgAN 相關(guān)基因。通常在GeneCards數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)靶基因數(shù)目較多時可將Score 值>中位數(shù)的靶基因作為疾病的潛在靶基因。本研究中通過GeneCards 獲得的相關(guān)靶基因數(shù)目中等,因此未進行篩選,全部納入研究。其中得到Score 最大值為73.96,最小值為0.26。利用CTD 數(shù)據(jù)庫補充相關(guān)靶點,并使用韋恩圖將兩個數(shù)據(jù)庫的結(jié)果取交集獲得IgAN 的最終靶點。
1.4 布地奈德-IgAN 交集靶點 將布地奈德相關(guān)靶點與IgAN 靶點導(dǎo)入Venny 2.1.0 網(wǎng)站(https://bioinfogpcnb.csic.es/tools/venny/Index.html),通過韋恩圖取交集獲得共同靶點。
1.5 藥物-疾病靶點的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 將布地奈德和布地奈德-IgAN 共同靶基因?qū)隒ytoscape 3.9.1 軟件,構(gòu)建藥物-疾病靶點網(wǎng)絡(luò)圖。以“節(jié)點”表示藥物成分與作用靶點,以“邊”表示節(jié)點間的相互作用。
1.6 蛋白質(zhì)- 蛋白質(zhì)相互作用(protain-protain interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 在STRING 數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/)中輸入交集靶基因構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡(luò)。將結(jié)果導(dǎo)入Cytoscape 3.9.1 軟件,利用CytoNCA 插件計算各節(jié)點的度值和介數(shù),≥度值中位數(shù)的靶點被定義為關(guān)鍵靶點。
1.7 GO 和KEGG 通路富集分析 通過Metascape 數(shù)據(jù)庫(https://metascape.org)對共同靶基因進行GO 和KEGG 富集分析。GO 富集分析包括生物過程(biological process,BP)、細胞組成(cellular component,CC)和分子功能(molecular function,MF)三部分。篩選條件Min Overlap 為3;P Value Cutoff 為0.01;Min Enrichment為1.5,并用微生信平臺(http://www.bioinformatics.com.cn/)可視化分析結(jié)果。
2.1 布地奈德及IgAN 相關(guān)靶點的篩選 藥物布地奈德的基本信息見圖1。共獲得布地奈德靶點242 個,IgAN相關(guān)基因1 443 個。通過韋恩圖取并集獲得146 個布地奈德-IgAN 共同靶基因,約占總數(shù)的9.5%,見圖2。
圖1 布地奈德基本信息Figure 1 Basic information of budesonide
圖2 布地奈德-IgAN 共同靶點韋恩圖Figure 2 Venn diagram of the intersection of budesonide and IgA nephropathy targets
2.2 布地奈德-IgAN 共同靶基因網(wǎng)絡(luò)分析 以布地奈德和146 個布地奈德-IgAN 共同靶基因構(gòu)建“藥物-疾病靶點”網(wǎng)絡(luò)圖,中心橙色節(jié)點代表布地奈德,周邊146 個綠色節(jié)點代表布地奈德治療IgAN 的潛在靶點,146 條邊代表布地奈德-IgAN 之間的相互作用,見圖3。
圖3 布地奈德-IgAN 靶基因網(wǎng)絡(luò)Figure 3 Budesonide-IgAN target genes network
2.3 PPI 網(wǎng)絡(luò)分析 于STRING 數(shù)據(jù)庫中輸入146 個布地奈德-IgAN 共同靶基因,構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡(luò),設(shè)置篩選條件后獲得143 個節(jié)點,1 022 條邊,見圖4。將結(jié)果導(dǎo)入Cytoscape 3.9.1 軟件中,利用CytoNCA 插件計算各節(jié)點的度值和介數(shù)的中位數(shù)分別為34.0、810.67,以≥度值中位數(shù)對靶點進行篩選,共獲得15 個關(guān)鍵靶基因:白介素6(IL-6)、腫瘤壞死因子(TNF)、白介素10(IL-10)、血管內(nèi)皮生長因子A(VEGFA)、表皮生長因子受體(EGFR)等,見圖5、表1。
表1 PPI 網(wǎng)絡(luò)15 個關(guān)鍵靶基因及其拓撲參數(shù)Table 1 15 core target genes of PPI network and their topological parameters
圖4 布地奈德-IgAN 交集靶點的PPI 網(wǎng)絡(luò)圖Figure 4 PPI network map of the intersection of budesonide and IgAN targets
圖5 15 個關(guān)鍵靶基因Figure 5 15 core target genes
2.4 GO 富集分析 應(yīng)用Metascape 數(shù)據(jù)庫將146 個交集靶基因進行GO 功能富集,共得到1 646 個BP,62 個CC 及127 個MF,其中BP 主要涉及炎癥反應(yīng)(inflammatory response)、磷酸化的正向調(diào)節(jié)(positive regulation of phosphorylation)、細胞運動的正向調(diào)節(jié)(positive regulation of cell motility)等;CC 主要涉及囊腔(vesicle lumen)、細胞質(zhì)囊泡腔(cytoplasmic vesicle lumen)、分泌顆粒腔(secretory granule lumen)等;MF主要涉及信號受體激活活性(signaling receptor activator activity)、 信號受體調(diào)節(jié)活性(signaling receptor regulator activity)、 受體配體活性(receptor ligand activity)等。使用微生信平臺按照P 值排序?qū)⑴琶?0 的富集分析結(jié)果繪制出氣泡圖,圖中圓點大小代表基因個數(shù),顏色對應(yīng)P 值大小,見圖6~8。
圖6 布地奈德治療IgAN 關(guān)鍵靶點的GO-BP 富集分析Figure 6 GO-BP enrichment analysis of core targets of IgAN treated with budesonide
圖7 布地奈德治療IgAN 關(guān)鍵靶點的GO-CC 富集分析Figure 7 GO-CC enrichment analysis of core targets of IgAN treated with budesonide
圖8 布地奈德治療IgAN 關(guān)鍵靶點的GO-MF 富集分析Figure 8 GO-MF enrichment analysis of core targets of IgAN treated with budesonide
2.5 KEGG 信號通路富集分析 將146 個交集靶基因通過Metascape 數(shù)據(jù)庫進行KEGG 富集分析,共獲得174條信號通路。對前20 條信號通路制作KEGG 信號通路柱狀圖(圖9),縱坐標(biāo)是信號通路的名稱,橫坐標(biāo)是富集在每條通路上基因的數(shù)目,不同的顏色代表不同的P 值,顏色越紅,P 值越小,富集越明顯,說明此通路與疾病的相關(guān)性越大。結(jié)果顯示富集基因較多且富集明顯的通路包括細胞因子-細胞因子受體相互作用(cytokine-cytokine receptor interaction)、白介素17 信號通路(IL-17 signaling pathway)、癌癥中的通路(pathways in cancer)、腫瘤壞死因子信號通路(TNF signaling pathway)等。
圖9 布地奈德治療IgAN 關(guān)鍵信號通路Figure 9 Key signaling pathways of IgAN treated with budesonide
黏膜免疫缺陷導(dǎo)致半乳糖缺陷IgA1 分子(galactose-deficient IgA1,Gd-IgA1)的產(chǎn)生在IgAN 發(fā)病機制中具有重要意義[8],因此,從病因出發(fā)尋找新型治療方案是當(dāng)前IgAN 的研究重點。
近年來,作為黏膜免疫系統(tǒng)最廣泛、最重要的部位,腸道黏膜免疫系統(tǒng)在IgAN 發(fā)生、發(fā)展中的作用越來越受到關(guān)注[9]。腸道黏膜免疫系統(tǒng)擁有全身最廣泛的黏膜相關(guān)淋巴組織——腸道相關(guān)淋巴組織(GALT),對腸道局部和全身免疫均發(fā)揮作用。其中,派爾集合淋巴結(jié)是GALT 中抗原采集和免疫誘導(dǎo)的主要部位,也是人體IgA1 分子的主要來源[10],有促進B 細胞向分泌IgA 的漿細胞分化的微環(huán)境。B 細胞分化成IgA 漿細胞后,錯位遷移至全身,導(dǎo)致循環(huán)Gd-IgA1 過多,可能是IgAN 發(fā)病的基礎(chǔ)和源頭[11]。布地奈德腸溶膠囊作為一種靶向腸道釋放的糖皮質(zhì)激素在IgAN 的治療中顯示出了獨特的優(yōu)勢,其靶向釋放于回腸末端的黏膜B 細胞,達到從上游減少誘發(fā)IgAN 的Gd-IgA1 產(chǎn)生從而治療IgAN 的作用[7]。
本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法對布地奈德治療IgAN的作用機制進行了探索。研究結(jié)果表明IL-6、TNF、IL-10、VEGFA、EGFR 等處于布地奈德治療IgAN 關(guān)鍵靶點的核心位置。IL-6、TNF-α、IL-10 均屬于炎癥細胞因子,IgAN 患者血清IL-6、TNF-α、IL-10 水平顯著升高[12-13]。作為一種促炎細胞因子,IL-6 是腎上腺TOLL 樣受體(TLR)9 激活介導(dǎo)IgA1 過度生成的主要分子之一,IL-6 不僅可以誘導(dǎo)Gd-IgA1 的過量產(chǎn)生,亦可介導(dǎo)系膜細胞增殖和基質(zhì)擴張,并促進腎臟炎性細胞浸潤,從而誘發(fā)疾病生成[14-15];此外,臨床研究顯示IgAN 患者尿液IL-6 水平異常升高,與腎臟病理損傷呈正相關(guān),提示IL-6 可作為一種無創(chuàng)性生物標(biāo)志物,反應(yīng)IgAN 的腎臟損傷情況[16]。TNF-α 可通過與IgAN 足細胞TNF-α 受體1(TNFR1)結(jié)合介導(dǎo)足細胞凋亡,從而引發(fā)蛋白尿[17-18]。IL-10 在IgAN 腎內(nèi)的表達主要發(fā)生在腎小管區(qū)域,作為一種抗炎細胞因子,IL-10 可通過減少IL-1β 的合成來抑制炎癥反應(yīng)[19],亦可下調(diào)TNF 的合成[20]。此外,一項在中國西北地區(qū)人群中展開的研究表明IL-10 是IgAN 患者的易感基因[21],IL-10 基因G-1082A 多態(tài)性與IgAN 進展相關(guān)[22]。VEGFA 是一種重要的血管內(nèi)皮生長因子,對維持腎小球內(nèi)皮細胞、系膜細胞、足細胞和壁層上皮細胞的存活、分化和結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[23],腎小管VEGFA 產(chǎn)生的增加會導(dǎo)致纖維化和腎小球病變[24]。VEGFA 在IgAN患者腎臟頂葉上皮細胞、腎小管上皮細胞、足細胞和系膜細胞中強烈表達,尿液VEGFA 水平與腎小管萎縮/間質(zhì)纖維化顯著相關(guān),是IgAN 的獨立預(yù)后因素[25]。EGFR 是一種多功能的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子,過量的EGFR 可激活PI3K/Akt 通路,增加TGF-β1 的含量,促進腎臟纖維化,并增加炎癥細胞因子的產(chǎn)生[26]。
對關(guān)鍵靶點進行GO 富集分析,其中BP 主要涉及磷酸化的正向調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)、細胞運動的正向調(diào)節(jié)等,CC 主要涉及細胞質(zhì)囊泡腔、囊腔、分泌顆粒腔等,MF 主要涉及信號受體激活活性、信號受體調(diào)節(jié)活性、受體配體活性等。KEGG 富集分析顯示,布地奈德可通過多條信號通路調(diào)控IgAN,其中細胞因子與細胞因子受體相互作用的通路在布地奈德治療IgAN 中起到了關(guān)鍵作用。細胞因子作為機體內(nèi)最具有活性的可溶性多肽,從生物酶活力、細胞膜通透性、細胞骨架蛋白功能、基因表達等多方面參與機體生理病理狀態(tài),細胞因子-細胞因子受體網(wǎng)絡(luò)是機體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要組成部分,也是藥物干預(yù)的靶點和核心環(huán)節(jié)[27]。IgAN 與黏膜感染相關(guān),常伴有細胞因子升高,IgAN 患者細胞因子-細胞因子受體相互作用通路在細菌感染宿主的炎癥過程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用。其中IL-6 作為促炎因子,在機體發(fā)生感染時可發(fā)出炎癥信號,促進免疫細胞增殖分化。在IgAN 患者中,IL-6 可通過調(diào)節(jié)ST6GALNAC2和C1GALT1 的基因表達及酶活性,上調(diào)IgA1 分子的半乳糖缺失,進而增加免疫復(fù)合物形成、促進疾病進展[28]。因而,布地奈德通過調(diào)控細胞因子-細胞因子受體相互作用通路抑制Gd-IgA1 合成在IgAN 的治療中具有重要意義。
綜上所述,本研究初步探討了布地奈德治療IgAN的藥理學(xué)機制。布地奈德可能通過IL-6、TNF、IL-10、VEGFA、EGFR 等靶點作用于細胞因子-細胞因子受體相互作用通路、白介素17 信號通路、癌癥中的通路、腫瘤壞死因子信號通路等多條信號發(fā)揮IgAN 治療作用,為布地奈德治療IgAN 進一步研究提供了理論依據(jù),后續(xù)可通過基礎(chǔ)實驗進一步驗證。
作者貢獻:張康設(shè)計文章的思路與框架,繪制圖表,撰寫論文初稿;張波、高夢琦進行文獻收集、整理和提煉;李昱熹、王邵鵬進行論文的修訂;趙婷婷、趙文景負責(zé)論文終稿的審定,文章的質(zhì)量控制及審校;張康、趙文景對文章整體負責(zé),監(jiān)督管理。
本文無利益沖突。