運用復雜網絡算法分析新型冠狀病毒肺炎中藥預防方的組方規律

錢永昌 俞 芹 何建華 李月琴 王 蔚

（泰州市姜堰中醫院，江蘇泰州225500）

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱新冠肺炎）可歸屬于中醫學“疫病”范疇，中醫藥在防疫抗疫中發揮了重要作用。治未病是中醫特色，針對新冠肺炎的預防，部分地區的疫情防控指南及方案中推出了中藥預防方，中醫專家也擬定了相關處方。基于復雜網絡數據的挖掘，是以復雜的網絡體系為社團結構，研究網絡中某一節點潛在的和整個網絡其他節點的聯系和對整個網絡的動態影響[1]。近年來，有人嘗試用復雜網絡理論解決中藥方劑配伍等復雜問題，為中藥方劑研究開辟了新方法[2]。復雜網絡能夠有效地挖掘方劑數據庫的中藥配伍規律，為方劑與中藥、方劑與病證、方劑與療法之間交錯關聯的復雜關系輔以科學解釋，給中醫藥理論提供科學實證。

本研究我們收集新冠肺炎預防方，構建若干相互作用的中藥節點及其關系的復雜網絡結構，運用復雜網絡的聚類解析算法，計算各味中藥在該網絡中的權重參數，體現新冠肺炎預防處方中藥物之間的相互聯系及其規律，為進一步提煉和優化預防新冠肺炎等疫病的中藥方劑提供支持。

1 研究資料

收集2020年1月至2020年6月全國各地預防新冠肺炎的中藥處方，包括國家及地方政府、衛生行政部門發布的疫情防控指南及方案中所列預防方劑以及高等中醫藥院校、院士、國醫大師、三級中醫醫院發布的預防方共88首（見表1，按處方來源以收集時間先后為序），方劑組方思路各異，藥物組成不同，每方2～14味，共涉及109種中藥。

表1 88首新冠肺炎預防方藥物組成

2 研究方法

2.1 統計中藥出現次數及配伍次數 對109種藥物在不同預防方中出現的次數，以條形圖形式在坐標系上進行展示，橫坐標是藥材名稱，縱坐標是藥材在所有藥方中的出現次數，從左到右按降序排序。統計出現頻次較高的藥物與其他藥物的配伍數據，以條形圖形式在坐標系上展示，橫坐標是藥物名稱，縱坐標是對應藥材在所有藥方中與其他藥材搭配使用過的次數之和。

2.2 構建預防方中藥網絡 將藥方中不同藥物之間的配伍繪圖表示，構建新冠肺炎預防方中藥知識圖譜，通過網頁端圖譜界面展示，根據不同藥物之間聯系的強弱，對藥物進行分類。每一個節點代表一味中藥，每一條邊代表兩味中藥在同一藥方中出現，出現頻率不同的藥物對應的節點大小不同。對應節點越大表示該藥物出現頻率越高，與其他藥物的聯系性越強；節點越小表示該藥物與其他藥物的聯系性越弱。

2.3 復雜網絡定量參數分析 復雜網絡的中心性數值包括度、度中心性、介質中心性、接近中心性、特征向量中心性，均為衡量和評價網絡結構的定量參數。復雜網絡節點重要性綜合評價方法是將度中心性、接近中心性、介質中心性綜合考慮[3]。度中心性是衡量節點中心性最直接的度量指標，即一個節點的度中心性越大，節點在網絡中的重要性越大。介質中心性描述假設信息僅僅沿著最短路徑來傳播，越重要的節點與最短路徑聯系越緊密，經過節點的最短路徑越多。接近中心性描述的是每個節點到其他節點的最短路的平均長度，也就是說對于某個節點而言，距離其他節點越近，那么它的中心度越高。特征向量中心性即在考慮自身位置的同時加入鄰居節點對網絡貢獻程度的考量。

3 研究結果

3.1 新冠肺炎預防方中各藥物出現頻次 對109種藥物在新冠肺炎預防方中出現的頻次進行統計，其中出現頻次超過或等于4次的藥物見圖1。黃芪出現次數最多，為45次。

圖1 88首新冠肺炎預防方藥物出現頻次（出現頻次≥4次的藥物）

3.2 新冠肺炎預防方中藥物配伍頻次 見圖2。黃芪、金銀花、防風與其他藥物配伍頻次最高，均超過200次。

圖2 88首新冠肺炎預防方藥物配伍頻次

3.3 新冠肺炎預防方藥物配伍關聯 新冠肺炎預防方藥物連接關系示意圖見圖3。黃芪、金銀花、防風、甘草、貫眾等藥物出現頻率最高。根據圖譜可以清晰地觀察到藥物之間的聯系，可以迅速地找到所有與某味藥物有配伍關系的藥物。我們重點研究了與出現頻次最高的藥物黃芪相配伍的所有藥物，見圖4。與黃芪配伍頻次最多的藥物為金銀花、防風、甘草、貫眾，這組藥物是預防新冠肺炎中藥復雜網絡的社團焦點，是預防方的核心藥物。

圖3 88首新冠肺炎預防方藥物連接關系示意圖

圖4 88首新冠肺炎預防方中與黃芪配伍的藥物連接關系示意圖

3.4 新冠肺炎預防方中主要藥物網絡中心性數值 系統對新冠肺炎預防方和其中的藥物進行管理，完成對預防方的數據抽取，通過讀取EXCEL表格中新冠肺炎中藥配方的數據，對藥物的使用次數做出統計，并且計算出不同藥物的度、度中心性、中介中心性、接近中心性、特征向量中心性等，將藥物按中心性數值由高到低排序（主要按“度”排序，“度”相同時按權重較大的“介質中心性”排序），前10位的中藥見表2。

表2 88首新冠肺炎預防方按中心性數值從高到低排序前10位藥物中心性數值

4 討論

新冠肺炎病位主要在肺，涉及脾胃，基本病因為感受濕毒，病機以濕、熱、毒、虛為主[4]。新型冠狀病毒首先利用自身的Spike蛋白與ACE2蛋白發生相互作用，從而侵入人體[5]。本病主要臨床表現為發熱、咳嗽和乏力，少數患者有惡心、嘔吐、腹瀉癥狀，逐漸出現呼吸困難。目前，對于新冠肺炎的治療仍沒有特效藥，而早預防、早治療能提高治愈率，降低病死率。

本研究結果表明，收集的88首新冠肺炎預防方藥物的復雜網絡結構中節點中心性前5位的中藥分別為黃芪、金銀花、防風、甘草、貫眾。其中黃芪是最重要的藥物，其他四味藥物是與黃芪配伍頻次最高的藥物。以黃芪為主藥的扶正固本之方劑立意體現了“正氣存內，邪不可干”的中醫防疫理念，其作用也得到了相關實驗證明。

黃芪中的多種化學成分能夠增強患者的免疫功能。黃芪的多種活性單體均能夠通過作用于免疫功能相關通路（鈣離子信號通路、腫瘤因子相關作用通路、PI3K-Akt信號相關通路等）提高免疫細胞的吞噬能力和殺傷作用，增強機體對病毒的抵抗能力。研究表明，黃芪多糖能夠促進紅細胞生成，升高紅細胞比容及血紅蛋白數量，從而促進造血干細胞的分化與增殖[6]，推測其可改善新冠肺炎患者的凝血功能異常。黃芪總黃酮能夠通過增強超氧化物歧化酶（SOD）的活性，減少過氧化物對細胞膜的破壞，從而保護患者的肺組織[7]。采用GO富集分析發現，黃芪-白術的有效活性成分參與細胞因子受體結合、細胞因子活性、受體配體活性、磷酸酶結合等生物學過程，可能通過此發揮防治新冠肺炎的作用[8]。

金銀花清熱解毒，其不同部位的化學成分能夠顯著逆轉脂多糖誘導的炎癥因子釋放，產生抗炎作用，以防治新冠肺炎，且其能夠直接作用于病毒的復制過程。金銀花的主要成分綠原酸通過抑制白細胞介素（IL）-31、IL-33，減少炎癥趨化因子CCL7、CXCL8的釋放[9]。同時，綠原酸能夠直接作用于病毒RNA轉錄與翻譯等多個環節，抑制病毒復制，發揮抗病毒作用[10]。金銀花的有效成分木犀草素能夠顯著降低促炎因子IL-1、1L-6、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平，其對JNK、ERK、NF-κB等炎癥相關通路均有抑制作用[11]。此外，金銀花對免疫功能具有調節作用。金銀花多糖能夠增強NK細胞及巨噬細胞的殺傷作用和吞噬能力，促進淋巴細胞增殖，從而顯著減緩環磷酰胺導致的免疫抑制反應[12]。有研究者將金銀花有效活性成分作用靶點與新冠肺炎進行分子對接后發現，木犀草素通過作用于炎癥相關通路、絲裂原活化蛋白激酶等靶點，參與廣譜抗毒、抑菌與免疫調節作用[13]。

甘草在臨床上常作為配伍藥物，發揮調和諸藥的作用。甘草具有抗腫瘤、抗炎、抗菌、抗病毒及調節免疫的藥理作用。研究者基于網絡藥理學與分子對接分析，發現甘草作為新冠肺炎預防方中的關鍵藥物，主要發揮著調節炎癥和免疫應答的作用[14]。甘草發揮抗炎作用的途徑廣泛，其有效活性成分亞油酸、色胺、白三烯、鞘氨醇等能夠作用于花生四烯酸、脂肪酸的代謝及磷脂的合成，抑制炎癥生成的多種途徑，產生強大的抗炎作用[15-16]。研究表明甘草水提物通過作用于Toll樣受體4信號通路，顯著抑制下游NF-κB、MAPK途徑所介導的IL-12炎癥因子釋放[17]。甘草及其有效成分能夠促進巨噬細胞和樹突狀細胞增殖與成熟，提高CD4+和CD8+水平，從而發揮調節細胞免疫應答的作用[18]。

新冠肺炎患者多具有發熱癥狀，防風為傳統的辛溫解表藥。多項發熱動物模型研究均表明，防風的活性成分升麻素、升麻苷、5-O-甲基維斯阿米純苷等具有顯著的解熱作用。同時，防風還具有抗炎、調節免疫的作用，可增強患者免疫能力，抵抗病毒入侵[19]。防風的有效成分升麻苷及二氫吡喃色酮是發揮抗炎作用的主要成分，分別能夠降低環氧化酶-2（COX-2）和一氧化氮（NO）的表達[20]。研究發現防風多糖具有促進Th1/Th2淋巴細胞亞群平衡的作用，可降低IL-4、IL-5炎癥因子，調控免疫應答[21]。

貫眾為新冠肺炎預防方中的常見組成藥物，其乙醇提取物能夠通過阻斷ERK/AP-1、TBKA1/IRF3等通路發揮抗炎作用[22]。多項研究證實其對H1N1甲型流感病毒、H5N1流感病毒、AD3腺病毒、FM1流感病毒等多種病毒具有顯著的抑制作用[23]。GO和KEGG通路富集分析發現貫眾的活性單體槲皮素能夠顯著抑制新冠肺炎相關通路SAPK/JNK、p38、p44/p42，阻斷MAPK信號通路，從而降低體內炎癥因子浸潤，有效減輕炎癥程度，保護肺組織[13]。

由于中藥復方防治新冠肺炎的相關研究涉及學科多，仍需進行廣泛而深入的實驗研究和臨床試驗，進一步優化處方，明確中藥預防及治療新冠肺炎的安全性和有效性。

（志謝：感謝解放軍理工大學張宏軍教授為本文的數據挖掘提供的大力支持）