基于網絡藥理學探析黃連治療糖尿病腎病的作用機制*

張志勇，唐愛華，李雙蕾，許淑華，高 美

（1.廣西中醫藥大學研究生學院，廣西 南寧 530000； 2.廣西中醫藥大學第一附屬醫院內分泌科，廣西 南寧 530000）

近年來，我國糖尿病腎病（DN）發病率呈逐年上升趨勢，其中香港DN發病率達31.6%［1］，目前尚無治愈方法，只能通過飲食控制，以及采用降糖、控制血壓、減少尿蛋白、護腎等對癥治療，療效欠佳。研究DN的新靶點和開發新藥物成為公眾關注的焦點。網絡藥理學是研究中藥活性成分控制基因靶點表達，通過信號通路治療疾病的新型方法學，是初步探討中藥治療疾病作用機制的新思路。中藥系統藥理學數據庫與分析平臺（TCMSP）包含499味草藥及每味草藥的化合物成分（超29000個），針對每個化合物成分提供了較全面的人體吸收、分布、代謝（ADME）等評價數據，同時提供了潛在活性成分的靶標及其相關疾病信息，形成了針對每味草藥的藥物－靶標－疾病網絡，為從系統水平研究中藥作用機理提供了依據［2］。此外，該平臺提供了許多中草藥的藥物代謝動力學數據，如口服生物利用度、藥物相似度、腸上皮通透性、血腦屏障、水溶性等，廣泛用于藥物成分的篩選和評估［3］。本研究中基于TCMSP數據庫，通過網絡藥理學挖掘出黃連治療DN的基因靶點和信號通路，探析其作用機制。現報道如下。

1 資料與方法

1.1 活性成分及其相關靶點

利用TCMSP數據庫搜索黃連的所有化學成分，將口服生物利用度（OB）和類藥性（DL）作為篩選參數，對藥物所有成分進行篩選。設OB＞30%，DL＞0.18［4］，篩選出候選活性成分。選擇TCMSP數據庫中Related Targets項，可得藥物名稱等相關靶點信息。

1.2 靶點基因轉換

使用Perl語言對所有DN相關的靶點基因進行名稱轉換，得到靶點基因的標準名稱。

1.3 疾病相關基因靶點預測

通過GeneCards和OMIM數據庫搜索糖尿病腎病英文名diabetic nephropathy，得到所有與DN相關的靶點基因，作為疾病的候選靶點基因。

1.4 藥物靶點基因與疾病靶點基因交集

通過R 3.6.3軟件分析出藥物和疾病的共同靶點基因，繪制venny圖［2］。

1.5 網絡構建與分析

將藥物和疾病的共同靶點基因導入文件，進行中藥網絡藥理學可視化，利用Cytoscape 3.5.0軟件構建網絡，可得到疾病－活性成分－靶點基因相互作用的網絡圖；利用String數據庫構建蛋白互作（PPI）網絡，用R軟件繪制出PPI網絡核心基因柱狀圖，對黃連治療DN潛在的靶點基因進行基因本體論（GO）功能富集分析和京都基因與基因組百科全書（KEGG）通路富集分析。

2 結果

2.1 活性成分及其相關基因靶點

通過篩選，共得到14種候選藥效成分，主要包含眾多生物堿類，詳見表1。據此得到所有藥物相關靶點信息，并通過轉換得到靶點基因的標準名稱。

表1 黃連活性成分Tab.1 The active components of Coptidis Rhizoma

2.2 疾病靶點預測

共檢索到3273個靶點基因，其中GeneCards數據庫3082個，OMIM數據庫191個。

2.3 藥物靶點基因與疾病靶點基因交集

共得到101個靶點基因。

2.4 網絡構建

疾病－活性成分－靶點基因相互作用的網絡圖中可發現6個治療DN的關鍵有效活性成分，分別為小檗堿、小檗紅堿、表小檗堿、槲皮素、黃連堿、甲基黃連堿（見圖1）。PPI網絡圖中共有101個節點，1680條作用連線，平均節點度33.3，平均局部類聚系數0.673。PPI網絡核心基因柱狀圖見圖2。

圖1 疾病－活性成分－靶點基因網絡圖Fig.1 Disease－active components－target genes network

圖2 PPI網絡核心基因柱狀圖Fig.2 PPI network histogram of core genes

2.5 GO功能富集分析和KEGG通路富集分析

GO功能富集分析圖見圖3，KEGG富集分析圖見圖4。可見，黃連治療DN涉及靶點的生物學功能及信號通路眾多，但與DN密切相關靶點的生物學功能涉及受體結合、酶的活性、氧化還原等，主要富集在細胞因子受體結合、受體配體活性、DNA結合轉錄激活劑活性和RNA聚合酶Ⅱ特異性、細胞因子活性、RNA聚合酶Ⅱ轉錄因子結合、絲氨酸水解酶活性、激酶調節活性、氧化還原酶活性，作用于成對的供體，與分子氧結合或還原等（見表2）。密切相關的信號通路主要包括AGE－RAGE信號通路、流體剪切應力和動脈粥樣硬化信號通路、缺氧誘導因子－1（HIF－1）信號通路（見表3）［3］。

圖3 GO功能富集分析圖Fig.3 GO function enrichment analysis diagram

圖4 KEGG富集分析圖Fig.4 KEGG enrichment analysis diagram

表2 黃連治療DN的靶點功能信息Tab.2 Target function information of Coptidis Rhizoma in the treatment of DN

表3 黃連治療DN的主要通路信息Tab.3 The main pathway information of Coptidis Rhizoma in the treatment of DN

3 討論

中醫稱糖尿病為消渴病，DN由消渴日久發展而來，飲食無度、胃強脾弱、脾氣虛、太陰濕阻、郁阻中焦、氣機壅滯、化為燥熱、消竭腎水、陰虛火旺、引起下焦濕熱損傷腎絡；腎虛陰陽失衡，氣化失司，水液潴留。黃連具有降血糖、消炎、抗氧化、調血脂等作用，能清邪熱，化水濕，《名醫別錄》中記載黃連“主治五藏冷熱……止消渴”，《本草綱目》中指出其主治“消渴尿多”“小便如油”［4］。有研究表明，黃連可激活蛋白激酶、抑制肝臟將非糖物質轉化為葡萄糖、促進B細胞修復、促進胰島素受體相關基因表達、提高胰高血糖素樣肽－1（GLP－1）水平等，從而發揮降血糖效果［5］。黃連所含黃連總生物堿能降低DN模型大鼠腫瘤壞死因子－α（TNF－α）和肌酐水平，改善腎組織細胞損傷［6］。長期應用黃連可逐漸緩解腎小球病理改變，延緩疾病進程，從而達到治療DN的目的［7］。黃連及其復方不僅控制血糖、血壓效果較佳，在調節脂質代謝紊亂和減少蛋白尿排泄方面也有顯著療效［8］。

小檗堿、槲皮素是黃連治療DN的主要活性成分。由疾病－活性成分－靶點基因網絡圖可見，小檗堿、槲皮素所控制的靶點基因也是DN的靶點基因，說明小檗堿、槲皮素可通過這些靶點基因改善DN癥狀。小檗堿可通過磷脂酰肌醇－3激酶／蛋白激酶（PI3K／AKT）途徑降低體內PI3K、磷酸化AKT水平，改善腎功能，抑制足細胞功能障礙，從而治療DN［9］；槲皮素是黃酮類化合物，對鏈脲佐菌素（STZ）誘導的DN大鼠有抗氧化作用［10］；表小檗堿、黃連堿可抑制醛糖還原酶活性，能預防糖尿病并發癥，但未明確指出可治療DN［11］。目前未見小檗紅堿、甲基黃連堿治療DN的文獻報道，需進一步研究。說明連治療DN具有多成分的特點。

由PPI網絡圖中可見，節點數排列前10的基因分別為蛋白激酶1（AKT1）、白細胞介素6（IL－6）、血管內皮因子A（VEGFA）、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3（CASP3）、JUN原癌基因（JUN）、前列腺素內過氧化物合酶2（PTGS2或COX－2）、表皮生長因子（EGF）、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK1）、基質金屬蛋白酶9（MMP－9）、表皮生長因子受體（EGFR）等，推測這些基因可能是黃連干預DN的主要基因靶點。余紅等［12］研究發現，減弱AKT1蛋白的表達，能部分抑制腎小管上皮細胞的轉分化過程，減少纖維連接蛋白（FN）沉積，改善DN。IL－6是趨化因子家族的一種細胞因子，在DN發病過程中扮演著重要角色。IL－6－174G／C基因多態性與DN的風險相關［13］。在高糖環境誘導下，IL－6可能通過激活Janus kinase2（JAK2）／STAT3信號通路，對足細胞肥大的形成起到重要作用，從而加速DN的發展［14］。CASP基因是半胱氨酸家族的一部分，在細胞的衰老、凋亡等生理過程中起重要作用。ELENA等［15］發現，DN的生理病理機制有著和細胞損傷、凋亡一樣特征的超微機構變化，認為DN的發生與發展可能與CASP基因相關。COX－2與DN有關，其在腎臟中的上調會導致腎小球損傷和蛋白尿的產生，選擇性抑制COX－2可延緩腎損傷的進展［16］。尿液EGF與DN進展密切，在區分早期DN和臨床DN，以及在非DN患者中區分微量蛋白尿時顯示了良好的應用價值，提示EGF可作為DN的特異性診斷標志物［17］。說明黃連治療DN具有多靶點特點。

黃連的活性成分通過AGE－RAGE、流體剪切應力和動脈粥樣硬化、HIF－1等信號通路治療DN［5］。小檗堿可中斷AGE－RAGE信號通路，降低細胞中AGEs和RAGE水平，并能抑制細胞膜增殖［18］。槲皮素可抑制AGE－RAGE信號通路，減少血管損害，降低蛋白尿水平［19］。流體剪切應力代表血流施加在血管內皮的摩擦力，低流體剪切力有助于血管動脈粥樣硬化的發展［20］。現代藥理學研究表明，小檗堿具有多種藥理活性，包括降血糖、調血脂、抗炎等活性，可發揮抗動脈粥樣硬化作用，此外，小檗堿的抗炎和抗氧化特性能抑制血管平滑肌細胞增殖和改善內皮功能障礙［21］，從而改善腎臟血流，增加流體剪切力，達到治療DN的目的。HIF－1信號通路在炎性反應中激活VEGFA的表達，以抵消缺氧，并防止腎臟組織損傷［22］。VEGFA在DN的發病機理中起重要作用，過表達將促進微血管內皮細胞的增殖，并加劇血管疾病的發生。KALLINIKOU等［23］研究表明，VEGFA可作為生物標志物識別DN的進展，并在DN患者的血漿和尿液中具有較高的表達水平。小檗堿能激活HIF－1A信號通路，抑制DN模型大鼠的腎小管上皮細胞凋亡［24］；槲皮素能通過調節HIF－1A和VEGFA水平改善腎功能，降低蛋白尿水平［25－26］。

綜上所述，本研究從分子學角度出發，運用網絡藥理學方法，分析黃連的中藥活性成分，挖掘出治療DN的靶點基因，發現黃連是通過小檗堿、槲皮素等成分，AGE－RAGE信號通路、流體剪切應力和動脈粥樣硬化信號通路、HIF－1信號通路等來治療DN。但本研究范圍僅局限于數據庫，仍需進一步進行臨床試驗驗證。