基于中藥整合藥理學平臺探討補中益氣湯治療甲狀腺功能減退癥的作用機制研究＊

柏力萄，魏 璠，魏軍平

（中國中醫科學院廣安門醫院 北京 100053）

甲狀腺功能減退癥（hypothyroidism，簡稱甲減）是由于甲狀腺激素合成和分泌減少或組織利用不足導致的全身代謝減低綜合征[1]。歐洲甲減的患病率在0.2%至5.3%之間[2,3]。美國甲減的患病率在0.3%至3.7%左右[4]。2010年中國十城市甲狀腺疾病患病率調查顯示甲減的患病率為17.8%[5]。由于社會壓力的增大、環境污染加劇、高碘飲食的攝入等因素，甲減的發病率逐年升高，成為影響人類健康的隱患[6]。患者主要表現以代謝率減低和交感神經興奮性下降為主,臨床可出現畏寒、乏力、手足腫脹感、嗜睡、記憶力減退等癥狀[7]。近幾年中醫對本病的研究報告在不斷增加，中藥對甲減的治療取得一定的效果[8,9]。甲減與中醫學“癭勞”相類似。常由先天稟賦不足、飲食不節、藥物所傷、情志失調、勞逸過度等因素引起。病位在頸部，主要涉及肝、脾、腎三臟。脾氣虛為甲減發病的主要病機之一。脾氣虧損，則癥見畏寒肢冷，食少、腹脹、大便溏薄或下肢浮腫，或婦女帶下量多，舌淡苔白潤脈沉緩無力，臨床多以補中益氣湯加減。

補中益氣湯出自《內外傷辨惑論》（元·李東垣），由黃芪、甘草、人參、升麻、柴胡、當歸、白術、陳皮組成，具有補中益氣，升陽舉陷之功。臨床應用和實驗研究均表明，經典名方補中益氣湯具有改善甲減患者臨床癥狀、體征，減少西藥用量，提高患者生活質量等作用[10,11]。補中益氣法在甲減心肌損傷的修復中起著重要作用,其機制與其提高心肌α-MHC mRNA的表達、降低β-MHC mRNA的表達有關[12]，并能通過下調Fas、FasL及Caspase-3的表達，降低心肌細胞凋亡指數，對甲減的心肌損害有保護作用[13]。在甲減腎損害動物模型中，補中益氣湯能夠促進VEGF分泌，VEGF升高對甲減腎損害具有保護作用[14]。自身免疫甲狀腺炎是引起甲減的原因之一，補中益氣湯可能通過抑制miR-155/SOCS1/STAT3信號通路減少炎癥因子釋放，從而有效改善自身免疫甲狀腺炎免疫失常狀態，對甲狀腺組織具有保護作用[15]。但目前缺乏對補中益氣湯活性成分及其機制的研究。中藥整合藥理學計算平臺（TCMIP，www.tcmip.cn）是以中藥方劑數據庫、中藥材數據庫、中藥成分數據庫、疾病癥狀靶標數據庫為支撐，以人工智能、數據挖掘、網絡科學等為手段，從整體角度研究中藥復方與疾病間的關聯性，能有效地揭示藥效物質基礎及分子機制，目前廣泛應用于中藥質量評價、中藥臨床重定位、中醫原創思維揭示、方劑配伍的分子機制、中藥新藥研發等各個研究領域[16]。為更好地開發經典名方補中益氣湯，本研究借助TCMIP篩選其主要活性成分和作用靶點，對于闡明其治療甲減的分子機制、進一步利用補中益氣湯具有十分重要的意義。

1 材料和方法

1.1 補中益氣湯化學成分的篩選

通過整合藥理學平臺V1.0中藥材數據庫，對補中益氣湯中的柴胡、陳皮、當歸、甘草、黃芪、人參和升麻進行檢索，收集所有藥材化學成分，構建補中益氣湯化學成分庫。

1.2 補中益氣湯及甲減癥靶標預測

通過整合藥理學平臺的“中藥靶標預測”模塊，篩選補中益氣湯中化學成分相關的潛在靶點。該平臺采用二維結構相似性搜索，結合MACCS分子指紋，并通過OpenBabel軟件進行化學指紋特征的提取，基于Tanimoto系數定義的相似度計量方法，與DrugBank數據庫中的小分子化合物和FDA上市的藥物進行相似性打分，并提取作用靶標。共性靶標越多，說明中藥間協同作用可能越強。在平臺的“疾病靶標信息”設定界面，以“hypothyroidism”作為疾病或癥狀關鍵詞進行檢索，即可獲得甲減的已知治療靶點，作為候選的疾病靶標。在“中藥靶標預測”界面選擇相似性分數≥0.8的所有靶標作為補中益氣湯的潛在靶標。

1.3 網絡構建與分析

基于藥物靶標和疾病、癥狀靶標之間相互作用關系，采用整合藥理學平臺網絡分析模塊，構建補中益氣湯靶標與甲減靶標網絡圖，網絡通過hub節點連接，以“節點連接度（degree）”的2倍中位數為卡值，選取補中益氣湯候選靶標-甲減候選靶標互作網絡的核心節點（hubs）；在構建關鍵節點子網的基礎上，以“degree”、“節點緊密度（closeness）”和“節點介度（betweenness）”的中位數為卡值，選取同時滿足3個卡值的節點為補中益氣湯潛在靶標-甲減靶標相互作用網絡的關鍵節點；進而，通過對上述藥物候選靶標所參與的功能和通路進行富集分析，可進一步挖掘補中益氣湯治療甲減的關鍵網絡靶標，及其對應的活性成分和中藥，并構建“中藥方劑-中藥材-化學成分-核心靶標-關鍵通路-疾病關鍵病理環節”的多層次網絡關聯圖，明確補中益氣湯的作用機制，在整合藥理學平臺點擊網絡構建與分析可得到相應的網絡圖。

表1 “中藥-成分-靶標”基本信息

1.4 基因功能和通路富集分析

為了進一步挖掘上述網絡計算篩選獲得補中益氣湯核心靶標的功能，采用整合藥理學平臺基因本體數據庫（gene ontology，GO）和京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）數據庫，提取靶標基因或蛋白質的分子功能（molecular function）、細胞內定位（sub cellular localization）及其所參與的生物學反應（biological process）和通路（pathway），并通過富集計算，針對補中益氣湯的關鍵潛在靶標，進行GO和KEGG分析，將p-value值排名前十的展示在結果中。

2 結果

2.1 補中益氣湯所含成分及靶標預測

通過整合藥理學平臺，君藥黃芪收集化學成分29個，預測靶標為77個；臣藥人參和甘草分別收集到化學成分158個和133個，預測靶標分別為802個和18個；佐藥陳皮和當歸分別收集到化學成分46個和65個，預測靶標分別為15個和194個；使藥升麻和柴胡分別收集到化學成分為24個和62個，預測靶標分別為9個和351個，補中益氣湯中化學成分和靶標總數（表1）。預測靶標前四位的的是人參、柴胡、當歸和黃芪。此外，方中共有靶標中共有靶標排名前幾位的是人參-當歸67個，人參-黃芪57個，人參-柴胡36個，當歸-黃芪35個，當歸-柴胡24個，柴胡-黃芪23個（表2）。

表2 補中益氣湯中單味藥材共有靶標分析結果

圖1 補中益氣湯干預甲減的候選靶標網絡

2.2 補中益氣湯治療甲減的核心靶標網絡分析

通過整合藥理學平臺網絡分析模塊，基于PPI相互作用數據庫，構建補中益氣湯潛在的靶標與甲減靶標相互作用網絡，共篩選出關鍵靶標631個，根據degree值排序，顯示degree值前100個靶點（圖1）。其中包含藥物靶標71個，疾病靶標3個。從圖上可以看出，補中益氣湯中篩選的化學成分雖無直接作用的疾病靶點，但三個疾病靶點STAT5A、GATA4和NKX2-1與多個藥物靶點相關聯，推測補中益氣湯可間接作用于疾病的相關靶標來干預甲減。

2.3 關鍵靶標網絡基因GO和KEGG分析

通過GO和KEGG對篩選出的關鍵靶標進行基因功能和通路分析，結果發現基因功能涉及細胞質基質（cytosol）、線粒體（mitochondrion）、ATP結合（ATP binding）、酶結合（enzyme binding）、蛋白質結合（protein binding）等多個條目，根據P值僅顯示前10個條目（表3）。靶標通路富集結果顯示其主要幾種在嘌呤代謝（Purine metabolism）、內分泌系統（Endocrinesystem）、核苷酸代謝（Nucleotide metabolism）、雌激素信號通（Estrogen signaling pathway）、甲狀腺激素信號通路（Thyroid hormone signaling pathway）等信號通路，關鍵靶標進行基因功能和通路分析時，會富集到大量的生物學過程和相關的信號通路，而P＜0.05表明具有統計意義，由于P＜0.05的生物學過程和相關通路數量較多，因此根據P值的大小進行排序，篩選前十作為代表性生物學過程和通路參考，根據P值僅顯示前10個信號通路（表4）。其中ATP結合、酶結合、線粒體氧化應激等與甲減密切相關[17-19]。研究表明甲減期間，星形膠質細胞中的線粒體功能障礙導致從有氧呼吸到糖酵解代謝的代謝轉變，在神經元能量供應中起重要作用[20]。此外，代謝組學研究也表明甲減的生物標志物主要涉及嘌呤代謝、氨基酸代謝和能量代謝[20]。關鍵靶標分析顯示補中益氣湯治療甲減可能與能量代謝和嘌呤代謝等多種代謝相關。

表3 補中益氣湯治療甲減關鍵靶標基因功能信息

表4 補中益氣湯治療甲減關鍵靶標基因功能信息

圖2 補中益氣湯治療甲狀腺功能減退癥“中藥材-核心成分-關鍵靶標-主要通路”多層次網絡關聯圖

2.4 補中益氣湯治療甲減“關鍵成分-核心靶標-關鍵通路”分析

關鍵通路根據P-value顯示前30個通路，這些通路涉及多個方面（圖2），如嘌呤代謝、內分泌系統、甲狀腺信號通路、核苷酸代謝、碳水化合物代謝等多個通路。這些通路的核心靶標共計63個，與補中益氣湯中36個化學成分相關聯。網絡中補中益氣湯中化學成分治療甲減核心靶標主要集中于ATP家族、ADCY1、AKT1等，這些靶標與能量代謝、內分泌系統和甲狀腺激素信號通路等相關。與這些靶點相作用的化學成分有原人參三醇、人參皂苷Rs2、枸櫞酸、山奈酚等。相關研究也表明，山奈酚、甘草次酸和人參皂苷類成分可以通過與非雌激素核受體相互作用干擾內分泌系統[21]。

3 討論

補中益氣湯為中醫經典名方，臨床具有治療甲減的作用，但由于藥味組成復雜，化學成分較多，其作用機制仍未得到闡明。而整合藥理學平臺以大數據和模型計算為基礎，融合人工智能、數據挖掘、網絡科學等多學科技術和方法，形成智能化和網絡化的功能模塊，構建中藥多成分與生物活性之間的關聯，用以闡明中藥藥效物質基礎及作用機制，為補中益氣湯治療甲減提供了簡潔的思路與方法。

本文借助整合藥理學平臺，分析了補中益氣湯治療甲狀腺功能減退癥的物質基礎及其分子機制，從方中篩選出517個候選成分，預測到1466個作用靶點，其中36個化學成分與63個靶點可能參與了通過線粒體氧化應激、嘌呤代謝、雌激素信號通路、能量代謝內分泌系統等多種代謝途徑和信號通路參與了補中益氣湯治療甲減。這些分析結果為進一步研究補中益氣湯治療甲減提供了研究方向，也為臨床治療提供借鑒與參考。整合藥理學平臺顯示補中益氣湯可能通過干預STAT5A從而對甲減起到干預作用，而研究表明補中益氣湯可以通過調控JAK/STAT信號通路從而保護甲狀腺組織，與預測結果相符合[15]。這也提示了重視中藥的免疫調節作用可能是治療甲減的一種思路。

本文借助整合藥理學平臺，對補中益氣湯治療甲減的化學成分和作用機制進行了分析與預測，但對其分析僅處于計算模擬的水平，后續仍需要進行體內外實驗進行相關驗證，從而挖掘中藥治療甲減的新思路。