劉永盛,趙 惠,薛小燕,賈 敏,阿拉木斯,姜 超,張 溪,李明凱
1空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系藥理學(xué)教研室,陜西 西安 710032;2海軍91126部隊(duì)醫(yī)院,遼寧 大連 116041;3西安市中醫(yī)院肛腸科,陜西 西安 710016)
壞死性筋膜炎可發(fā)于全身各處,主要癥狀為皮膚潰爛,皮溫升高,患者患處劇痛,可因毒血癥出現(xiàn)譫妄、休克,最終全身多器官衰竭而死亡[1-2]。壞死性筋膜炎主要由細(xì)菌感染引起[3],中醫(yī)根據(jù)其病機(jī)將壞死性筋膜炎劃為“爛疔”范疇,因火毒熾盛使得熱毒入血,內(nèi)攻臟腑,而后寒戰(zhàn)高熱,神昏譫語[4]。1918年,第一次世界大戰(zhàn)期間就有該疾病的報(bào)道[1];近年來有因不重視軍事訓(xùn)練傷而發(fā)展成為壞死性筋膜炎的報(bào)道[5]。因此,對該疾病的預(yù)防和治療是軍事訓(xùn)練傷救治的重要組成部分。中藥復(fù)方在抗菌方面不易引起耐藥,甚至可以延緩或消除細(xì)菌耐藥性[6],且價(jià)格低廉,便于儲存和應(yīng)用,有開發(fā)成為軍隊(duì)特需藥物的潛力。
如意金黃散出自《外科正宗》,收錄于2020年版《中國藥典》[7]。孫丹等[8]認(rèn)為方中天花粉用量最大,為君藥,作用為排膿消腫;大黃活血散瘀,姜黃行氣活血止痛,白芷燥濕排膿共為臣藥;厚樸、陳皮燥濕消痰行氣,蒼術(shù)燥濕,天南星消腫止痛,共為佐藥;甘草調(diào)和諸藥,為佐使。研究發(fā)現(xiàn)如意金黃散中含有大量具有抗炎、抗菌、調(diào)節(jié)免疫功能的化學(xué)成分[9],目前臨床上多用于治療各種皮膚感染性疾病,對壞死性筋膜炎的治療未見報(bào)道。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與中藥的系統(tǒng)觀、整體觀不謀而合,旨在突破“單成分-單靶點(diǎn)”的分子生物學(xué)模式,通過“多成分-多靶點(diǎn)”聯(lián)合作用規(guī)律解釋藥物與疾病之間的作用機(jī)制[10]。本研究為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。
本文使用的數(shù)據(jù)庫及分析工具包括中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫與分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP,http://tcmspw.com/tcmsp.php);中藥分子機(jī)制的生物信息學(xué)分析工具(Bioinformatics Analysis Tool for Molecular mechANism of Traditional Chinese Medicine,BATMAN-TCM,http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/);中醫(yī)藥百科全書(The Encyclopedia of Traditional Chinese Medicine,ETCM,http://www.tcmip.cn/ETCM/index.php/Home/);在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM,https://www.
omim.org/);藥物銀行數(shù)據(jù)庫(DrugBank online,DrugBank,https://www.drugbank.ca/);藥物基因組學(xué)知識庫(The Pharmacogenomics Knowledgebase,PharmGKB,https://www.pharmgkb.org/);基因卡片數(shù)據(jù)庫(GeneCardsSuite,GeneCards,http://www.
genecards.org/);治療靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(Therapeutic Target Datebase,TTD,https://db.idrblab.net/ttd/);STRING數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/cgi/input.pl);Cytoscape軟件(版本:3.8.2);R ClusterProfiler package(版本:4.0.2);蛋白銀行數(shù)據(jù)庫(Protein Date Bank,PDB,https://www.rcsb.org/);Autodock(版本:4.2.6);Discovery Studio 2019(版本:19.1.0.18287);AutodockTools(版本:1.5.6);PyMOL(版本:2.5)。
1.2.1 如意金黃散的化學(xué)成分及作用靶點(diǎn)篩選 在TCMSP、BATMAN-TCM以及ETCM數(shù)據(jù)庫中,以如意金黃散所屬的10味中草藥為關(guān)鍵詞,檢索相關(guān)化學(xué)成分。為保證收集到的化合物能夠在體內(nèi)發(fā)揮較好的治療效果,根據(jù)類藥性(drug likeness,DL)進(jìn)行篩選,其中BATMAN-TCM與ETCM數(shù)據(jù)庫默認(rèn)選擇的化合物均具有較好的DL,而TCMSP數(shù)據(jù)庫的化學(xué)成分篩選條件為DL>0.18。根據(jù)公共數(shù)據(jù)庫中收集到的化學(xué)成分,將與之對應(yīng)的預(yù)測藥效靶點(diǎn)進(jìn)行匯總。其中TCMSP數(shù)據(jù)庫成分對應(yīng)藥效靶點(diǎn)符合率為82.83%,敏感度為81.33%,特異度為93.62%[11],為提高預(yù)測靶點(diǎn)的可信性,在BATMAN-TCM及ETCM數(shù)據(jù)庫篩選預(yù)測靶點(diǎn)的條件為預(yù)測參數(shù)>0.8。
1.2.2 如意金黃散對壞死性筋膜炎的藥效靶點(diǎn)收集 在DrugBank、GeneCards、OMIM、PharmGKB以及TTD數(shù)據(jù)庫中,以“壞死性筋膜炎”為關(guān)鍵詞檢索相關(guān)靶點(diǎn),將搜集到的靶點(diǎn)進(jìn)行合并去除重復(fù)項(xiàng)得到壞死性筋膜炎的疾病靶點(diǎn)。將如意金黃散治療靶點(diǎn)與壞死性筋膜炎作用靶點(diǎn)取交集后,得到如意金黃散治療壞死性筋膜炎的可能藥效靶點(diǎn)。
1.2.3 “草藥-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 將藥效成分根據(jù)其來源中草藥進(jìn)行分類,并整理好與之相關(guān)的作用靶點(diǎn),將成分靶點(diǎn)關(guān)系輸入Cytoscape 3.8.2軟件之中,根據(jù)其相互映射關(guān)系構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)。將藥效成分與生物分子相互作用網(wǎng)絡(luò)集成至統(tǒng)一的概念框架中,構(gòu)建藥效成分與作用靶點(diǎn)之間的相互關(guān)系。
1.2.4 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 蛋白質(zhì)之間的相互作用在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的許多過程中都是至關(guān)重要的,包括信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控、細(xì)胞遷移等。將如意金黃散治療壞死性筋膜炎的靶點(diǎn)輸入STRING數(shù)據(jù)庫中,將背景基因設(shè)定為“Homo sapiens”,其余設(shè)定按照默認(rèn),構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。
1.2.5 GO富集分析和KEGG富集分析 將如意金黃散治療壞死性筋膜炎的預(yù)測靶點(diǎn)使用R語言“ClusterProfiler package”訪問GO和KEGG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行富集分析,GO富集分析從生物過程(biological process,BP)、分子功能(molecular function,MF)和細(xì)胞成分(cellular component,CC)三個(gè)方面進(jìn)行,KEGG分析顯示出這些靶點(diǎn)富集的通路信息,將GO富集分析的每個(gè)方面選擇相關(guān)度最高的前10個(gè)以及KEGG分析相關(guān)性最強(qiáng)的前30個(gè)進(jìn)行柱狀圖和氣泡圖可視化。
1.2.6 核心治療靶點(diǎn)的分子對接驗(yàn)證 將篩選出的核心靶點(diǎn)在PDB數(shù)據(jù)庫中搜索并下載與之對應(yīng)蛋白模型,使用AutodockTools 1.5.6、Autodock 4.2.6軟件把預(yù)測與之作用的化合物對其進(jìn)行分子對接,使用Discovery Studio 2019軟件對結(jié)果進(jìn)行2D、3D展示,如果結(jié)合自由能值≤-5.0 kJ/mol,則認(rèn)為化合物與作用靶點(diǎn)之間存在較好的親和力。
按照以上方法得到TCMSP數(shù)據(jù)庫中收錄化合物238種,BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫97種,ETCM數(shù)據(jù)庫191種,將搜集到的化合物進(jìn)行匯總合并重復(fù)項(xiàng)后得到了具有良好DL的520種化合物。在TCMSP數(shù)據(jù)庫中搜集到與如意金黃散相關(guān)化合物的979個(gè)藥效靶點(diǎn),BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫中搜集到462個(gè)藥效靶點(diǎn),ETCM數(shù)據(jù)庫中搜集到599個(gè)藥效靶點(diǎn),三者匯總后共得到979個(gè)藥效靶點(diǎn)(圖1)。
A:如意金黃散中的化學(xué)成分在各數(shù)據(jù)庫的分布情況;B:如意金黃散中的化學(xué)成分相關(guān)靶點(diǎn)在各數(shù)據(jù)庫的分布情況。BATMAN-TCM:中藥分子機(jī)制的生物信息學(xué)分析工具;ETCM:中醫(yī)藥百科全書;TCMSP:中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫與分析平臺。圖1 如意金黃散化學(xué)成分及作用靶點(diǎn)在各數(shù)據(jù)庫的分布文氏圖
將“壞死性筋膜炎”作為關(guān)鍵詞,在DrugBank數(shù)據(jù)庫中搜集得到8個(gè)靶點(diǎn),GeneCards數(shù)據(jù)庫中得到162個(gè)靶點(diǎn),OMIM數(shù)據(jù)庫有62個(gè)靶點(diǎn),PharmGKB數(shù)據(jù)庫存在8個(gè)靶點(diǎn),而TTD數(shù)據(jù)庫中只有1個(gè)靶點(diǎn)。將這些靶點(diǎn)匯總?cè)〗患蟮玫?32個(gè)壞死性筋膜炎作用靶點(diǎn)。將壞死性筋膜炎的疾病作用靶點(diǎn)與如意金黃散的治療靶點(diǎn)取交集后得到44個(gè)藥效靶點(diǎn)(圖2)。
A:壞死性筋膜炎致病靶點(diǎn)在各數(shù)據(jù)庫的分布情況;B:如意金黃散治療壞死性筋膜炎的靶點(diǎn)分布。GeneCards:基因卡片數(shù)據(jù)庫;DrugBank:藥物銀行數(shù)據(jù)庫;TTD:治療靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫;PharmGKB:藥物基因組學(xué)知識庫;OMIM:在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫。圖2 如意金黃散治療壞死性筋膜炎的作用靶點(diǎn)分布文氏圖
使用Cytoscape 3.8.2構(gòu)建“草藥-靶點(diǎn)-疾病”互作網(wǎng)絡(luò)(圖3),該網(wǎng)絡(luò)共有407個(gè)節(jié)點(diǎn),655條邊,其中圓形節(jié)點(diǎn)代表如意金黃散的化學(xué)成分,不同的顏色對應(yīng)其來源的中草藥,綠色方形節(jié)點(diǎn)代表如意金黃散治療壞死性筋膜炎的44個(gè)預(yù)測靶點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的大小和與之作用的化學(xué)成分?jǐn)?shù)量正相關(guān)。由此可見如意金黃散可以通過多途徑、多靶點(diǎn)的方式治療壞死性筋膜炎。
圖3 如意金黃散治療壞死性筋膜炎的“草藥-靶點(diǎn)-疾病”網(wǎng)絡(luò)
將具有治療作用的44個(gè)藥效靶點(diǎn)輸入STRING(版本:11.0)數(shù)據(jù)庫中,以中等置信度0.400為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析,刪除與其他任何節(jié)點(diǎn)不具有相互作用的節(jié)點(diǎn)后,該網(wǎng)絡(luò)具有43個(gè)節(jié)點(diǎn),377條邊,使用CytoNCA數(shù)據(jù)包對其進(jìn)行拓?fù)浞治?,得到核心的治療靶點(diǎn)(圖4)。每個(gè)靶點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度與其直接相連靶點(diǎn)的個(gè)數(shù)即點(diǎn)度中心性以及在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間擔(dān)任最短橋梁的次數(shù)即中介中心性直接相關(guān)。將篩選條件設(shè)定為點(diǎn)度中心性及中介中心性大于2倍中位數(shù),進(jìn)行2次篩選,最后得到了6個(gè)核心靶點(diǎn),他們分別是Degree為34的ALB,Degree為33的IL-6,Degree為33的TNF,Degree為32的INS,Degree為31的STAT3,以及Degree為26的PTGS2。
圖4 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)及拓?fù)浞治鰣D
使用R語言軟件4.0.2調(diào)用Bioconductor中的“ClusterProfiler package”數(shù)據(jù)包訪問GO和KEGG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行富集分析,得出P<0.05且qvalue<0.05的所有相關(guān)分類,并展示出GO富集分析中每一項(xiàng)排名前10位的富集功能以及KEGG富集分析中排名前30位的信號通路(圖5)。GO富集分析結(jié)果顯示,如意金黃散參與調(diào)節(jié)壞死性筋膜炎的急性炎癥反應(yīng)、細(xì)胞因子正向調(diào)節(jié)以及氧化應(yīng)激、脂多糖和抗生素等方面的反應(yīng),作用的CC包括蛋白激酶復(fù)合體、RNA轉(zhuǎn)錄復(fù)合體等,MF包括細(xì)胞因子與受體結(jié)合、信號受體激活劑活性以及蛋白激酶活性等方面。KEGG富集分析結(jié)果顯示,如意金黃散治療壞死性筋膜炎的作用機(jī)制主要通過調(diào)節(jié)IL-17信號通路、腫瘤壞死因子信號通路、以及NF-κB信號通路等一系列與免疫及炎癥相關(guān)的信號通路。
A:GO富集分析柱狀圖;B:KEGG估計(jì)分析氣泡圖。圖5 如意金黃散治療壞死性筋膜炎的GO和KEGG分析圖
由GO與KEGG富集分析結(jié)果可知,在如意金黃散治療壞死性筋膜炎的機(jī)制中,NF-κB信號通路上的激酶調(diào)節(jié)作用十分關(guān)鍵。NF-κB復(fù)合物以與NF-κB抑制劑(inhibitor of NF-κB,IκB)家族成員復(fù)合的非活性狀態(tài)存在于細(xì)胞質(zhì)中。在傳統(tǒng)的激活途徑中,IκB被IκB激酶磷酸化,隨后降解產(chǎn)生活性NF-κB復(fù)合物易位至細(xì)胞核,導(dǎo)致炎癥的加劇[12]。針對IκB蛋白,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)映射分析結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)了預(yù)測與之產(chǎn)生作用的如意金黃散三種藥效成分,包括槲皮素、丁香酸和甘草酸,將這三種成分在模型標(biāo)定的活性位點(diǎn)與IκB蛋白模型(PDB ID:6Y1J)進(jìn)行分子對接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示槲皮素、丁香酸和甘草酸與IκB蛋白的對接自由能分別為-22.9、-27.5、-30.3 kJ/mol,均具有良好的親和性,可能通過與IκB產(chǎn)生相互作用抑制其降解(圖6)。
A:槲皮素與IκB蛋白分子對接圖;B:丁香酸與IκB蛋白分子對接圖;C:甘草酸與IκB蛋白分子對接圖。圖6 與IκB蛋白與槲皮素、丁香酸、甘草酸的分子對接圖
壞死性筋膜炎早期發(fā)病時(shí)表現(xiàn)為感染部位的紅腫熱痛,與普通的蜂窩組織炎類似,但前者痛感強(qiáng)烈,與臨床表現(xiàn)不符,出現(xiàn)腹瀉、低血壓癥狀且精神狀態(tài)有改變,皮膚出現(xiàn)出血大皰并局部壞死[13]。由于訓(xùn)練的嚴(yán)肅與繁忙,壞死性筋膜炎很容易被患者及醫(yī)生忽略,不予重視導(dǎo)致病情惡化,隨著病情進(jìn)展,皮膚顏色轉(zhuǎn)暗、硬化,出現(xiàn)藍(lán)紫色大皰,充滿液體,此時(shí)真皮結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞,到了后期感染已經(jīng)蔓延到深筋膜,組織灰白或者棕黃色壞死,毒力因子通過靜脈和淋巴蔓延到全身,導(dǎo)致感染性休克,全身器官衰竭,此時(shí)患者出現(xiàn)持續(xù)性高熱及譫妄,極易死亡[14]。針對壞死性筋膜炎的輔助檢查指標(biāo)包括實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評分系統(tǒng),影像學(xué)檢查以及手指實(shí)驗(yàn),其中手指實(shí)驗(yàn)法是壞死性筋膜炎診斷的最佳方法[15]。
對于壞死性筋膜炎的治療重在控制感染的蔓延,避免由炎癥反應(yīng)引起的機(jī)體過度免疫應(yīng)答導(dǎo)致全身多器官壞死[13]。應(yīng)用抗生素等殺滅致病菌理論上可以消除壞死性筋膜炎的致病因素,但抗生素的應(yīng)用導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性不斷增強(qiáng)[16]。相比傳統(tǒng)臨床抗生素療法,銀離子可以直接作用患者傷口,對細(xì)菌代謝的多個(gè)過程產(chǎn)生毒性作用,所以應(yīng)用藻酸鹽銀離子敷料可對患者傷口的感染進(jìn)行有效控制,進(jìn)而提升患者傷口愈合效率[17]。然而藻酸鹽銀離子敷料生產(chǎn)原材料價(jià)格昂貴,且制作工藝復(fù)雜。與此相比,中藥復(fù)方治療方案具有其優(yōu)勢。中藥復(fù)方具有多靶點(diǎn)的作用機(jī)制,對致病菌與宿主多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用,除了殺菌還可抗炎,且不易引起耐藥,甚至可以延緩或消除細(xì)菌的耐藥性。此外,中藥還能夠做到“祛邪扶正”,通過提高宿主免疫系統(tǒng)清除病原微生物[18]。
有研究表明,如意金黃散中的姜黃酮、沒食子酸、木犀草素、小檗堿等有效成分可通過作用于拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱα、M膽堿型乙酰膽堿受體M2、IL-6、TNF-α,調(diào)節(jié)磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B、神經(jīng)活性配體-受體相互作用等信號通路,治療糖尿病足潰瘍;該方中的黃酮類成分可通過參與動脈粥樣硬化信號通路、神經(jīng)活性配體-受體相互作用信號通路、雌激素信號通路和TNF通路等多個(gè)信號通路發(fā)揮抗炎作用[19]。在治療癤腫方面,如意金黃散可以作用于IL-17信號通路、AGE-RAGE信號通路起到治療作用[19]。本研究發(fā)現(xiàn),如意金黃散中的主要藥效成分包括槲皮素、丁香酸、甘草酸等。槲皮素存在于多種草藥的莖、葉、種子中,本方中來源于黃柏和甘草,具有顯著的抗炎作用,能夠抑制炎癥介質(zhì)分泌,降低IKKβ和IκB的磷酸化,從而誘導(dǎo)NF-κB信號通路失活[20];多種中藥之中都含有丁香酸,本方中來自中藥厚樸和黃柏,有研究表明該成分具有一定的抗菌和抗炎作用[21];甘草酸是中藥甘草中重要的藥效成分,有研究表明甘草中甘草酸含量隨生長年限的增加而逐年遞增,產(chǎn)地來自內(nèi)蒙古赤峰、寧夏鹽池、新疆阿克蘇、甘肅民勤生長周期5年的甘草中甘草酸含量可達(dá)到2.7%~4.9%[22],甘草酸也可以抑制NF-κB信號通路的激活從而抑制炎癥反應(yīng)[23]。上述藥效成分為如意金黃散治療壞死性筋膜炎奠定了藥效物質(zhì)基礎(chǔ)。
通過互作網(wǎng)絡(luò)分析,我們發(fā)現(xiàn)ALB、IL-6、TNF、INS、STAT3和PTGS2是如意金黃散發(fā)揮治療作用的核心靶點(diǎn)。其中ALB主要調(diào)節(jié)體內(nèi)的血液滲透壓,并具有抗氧化調(diào)節(jié)的活性[24],與人體免疫調(diào)節(jié)作用息息相關(guān);IL-6的產(chǎn)生有助于宿主防御感染和組織損傷,在先天免疫應(yīng)答中,由骨髓細(xì)胞在感染或組織損傷部位通過Toll樣受體識別病原體后合成,可促進(jìn)B細(xì)胞分化為免疫球蛋白分泌細(xì)胞[25]。TNF由巨噬細(xì)胞分泌,其主要作用是調(diào)節(jié)T細(xì)胞功能[26]。INS在整個(gè)代謝活動中至關(guān)重要,其發(fā)揮作用主要是通過與其受體結(jié)合,引起下游的信號通路級聯(lián)反應(yīng),最主要的就是NF-κB通路。研究表明INS可以拮抗NF-κB通路激活,抑制炎癥反應(yīng)發(fā)生[27]。STAT3介導(dǎo)細(xì)胞對白細(xì)胞介素、KTELG/SCF、LEP和其他生長因子的反應(yīng),通過調(diào)節(jié)幼稚CD4 T細(xì)胞分化為T輔助性T17或調(diào)節(jié)性T細(xì)胞作為炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑[28]。PTGS2是負(fù)責(zé)產(chǎn)生炎癥前列腺素的主要同工酶,是非甾體抗炎藥的主要作用靶點(diǎn),對其抑制可顯著減輕炎癥和疼痛癥狀[29]。GO和KEGG富集分析的結(jié)果顯示,如意金黃散通過“多靶點(diǎn)-多途徑”的方式對壞死性筋膜炎進(jìn)行治療,其中NF-κB信號通路具有非常重要的作用。抑制NF-κB信號通路可減弱機(jī)體炎癥反應(yīng),緩解免疫過表達(dá)狀態(tài),從而減輕機(jī)體損傷。NF-κB是一種幾乎存在于所有細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子,是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的終點(diǎn),由一系列外部刺激的生物過程引起,例如細(xì)胞生長、分化、腫瘤發(fā)生、免疫、炎癥和細(xì)胞凋亡[30]。
我們使用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析了如意金黃散治療壞死性筋膜炎的作用機(jī)制,并初步明確了關(guān)鍵的藥效成分及作用靶點(diǎn)。在后續(xù)的工作中,我們將對預(yù)測的藥效成分及作用機(jī)制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并將藥效成分進(jìn)行組方處理起到“增效減毒”的治療效果,為壞死性筋膜炎治療藥物的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。