褚怡霏 葉健飛 王振宜





摘要 目的:基于網絡藥理學方法研究濟川煎治療便秘的藥理機制及作用靶點。方法:使用中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(TCMSP)篩選濟川煎中6味中藥的化學成分及其作用靶點,通過GeneCards、OMIM、TTD、DisGeNET、Drugbank數據庫查詢便秘的疾病靶點;利用R語言篩選成分和疾病的交集靶點,利用STRING數據庫構建靶點蛋白互作網絡;運用Cytoscape(3.8.0)軟件構建中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡圖;利用R語言對靶基因進行基因本體(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。結果:篩選出槲皮素、山柰酚、漢黃芩素、β-谷甾醇、柚皮素、黃芩素6個主要化學成分,PTGS2、PTGS1、NCOA2、SCN5A、ADRB2、AR 6個關鍵靶點,GO富集分析顯示靶點相關功能主要涉及對脂多糖的反應、對細菌來源分子的反應、對氧化應激的反應等,KEGG富集分析顯示靶點相關通路主要涉及藥物代謝-細胞色素P450、細胞色素P450對異生素的代謝、視黃醇代謝等。結論:濟川煎可能通過多靶點、多通路協同作用,發揮抗炎、抗氧化等作用,從而改善便秘。
關鍵詞 濟川煎;便秘;網絡藥理學;作用機制;藥效物質;藥物靶點;槲皮素;山柰酚
Abstract Objective:To investigate the pharmacological mechanisms and action targets of Jichuan Decoction in the treatment of constipation based on a network pharmacology approach.Methods:Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform(TCMSP) were used to screen the chemical components and action targets of 6 Chinese medicinals in Jichuan Decoction.The disease targets of constipation were queried through Genecards,OMIM,TTD,DisGeNET,DRUGBANK databases.The intersection targets of ingredients and diseases were screened using the R(4.0.3).STRING database was used to construct the target protein interaction network.The network diagram of TCM chemical component and constipation disease target was constructed using Cytoscape(3.8.0) software.The GO enrichment analysis and KEGG enrichment analysis of target genes were performed using R language.Results:A total of 6 main chemical compounds include quercetin,kaempferol,wogonin,β-sitosterol,naringenin,and baicalein.A total of 6 key targets were PTGS2,PTGS1,NCOA2,SCN5A,ADRB2 and AR.GO enrichment analysis showed that the target-related functions mainly involved in response to lipopolysaccharide,response to molecule of bacterial origin,response to oxidative stress etc.And the KEGG enrichment analysis showed that the target-related pathways mainly involved in drug metabolism-cytochrome P450,metabolism of xenobiotics by cytochrome P450,Retinol metabolism,etc.Conclusion:Jichuan Decoction may relieve constipation by exerting anti-inflammatory,antioxidant,and other effects through multi-target and multi-pathway synergistic effects.
Keywords Jichuan Decoction; Constipation; Network pharmacology; Mechanism of action; Pharmacodynamic substances; Drug targets; Quercetin; Kaempferol
中圖分類號:R285文獻標識碼:A doi:10.3969/j.issn.1673-7202.2022.01.012
便秘(Constipation)是最常見的胃腸疾病之一,其特征主要為患者對排便情況不滿意,包含排便少、排便困難或二者兼有[1]。有研究估計便秘在一般人群中的患病率為12%~19%,患病率隨年齡增長而增加,在女性中更為常見[2-3]。在便秘相關的研究中,在65歲以上的人群中,有26%的女性和16%的男性認為自己患有便秘;在84歲以上的人群中,有34%的女性和26%的男性認為自己患有便秘。便秘治療方法眾多,西醫治療以瀉藥為主,有研究表明,西方社會醫生會為近85%的便秘就診患者開具瀉藥處方[4-5]。但此種方法易產生依賴性,因此中藥治療便秘具有獨特的優勢。
濟川煎出自《景岳全書》,由當歸、牛膝、肉蓯蓉、澤瀉、升麻、枳殼6味中藥組成。張景岳稱此方為“用通于補之劑”,故適宜于腎陽虛弱,精津不足便秘者,臨床上常用于治療多種因素導致的便秘。方中肉蓯蓉溫腎益精,潤腸通便,為君藥。當歸補血和血,牛膝補腎強筋,共為臣藥。枳殼行氣導滯,澤瀉利濕瀉濁,升麻升陽降濁共為佐藥。諸藥合用使腎陽得充,氣化得復,腸得濡潤而便秘漸愈[6]。
中藥復方治療便秘優勢突出,其作用機制具有靶點豐富、途徑多樣、安全有效等特征,在改善患者癥狀方面具有極大潛力。網絡藥理學是基于“疾病-基因-靶點-藥物”相互作用網絡,分析網絡中各個節點與相關藥物的關系,以探討藥物的作用機制,有助于推動中藥復方的傳承和發展[7]。
本研究基于網絡藥理學的方法,基于濟川煎的分子成分,構建“藥物成分-靶點-基因”網絡,著眼于整體分析濟川煎調治便秘的分子機制,為后續的研究提供一定的理論基礎。
1 資料與方法
1.1 軟件與數據庫
R(4.0.3)軟件、RStudio平臺及VennDiagram、ClusterProfiler[8]、ggplot2程輯包,Cytoscape 3.8.0軟件及MCODE、CytoHubba插件,中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP,https://tcmspw.com/tcmsp.php),UniProt(Universal Protein,https://www.uniprot.org),DisGeNET(http://www.disgenet.org)、GeneCards(http://www.genecards.org)、在線人類孟德爾遺傳數據庫(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM,https://omim.org)、治療靶點數據庫(Therapeutic Target Database,TTD,http://bidd.nus.edu.sg/group/cjttd)、Drugbank(https://go.drugbank.com),STRING 11.0(https://string-db.org)。
1.2 濟川煎相關靶點篩選
基于TCMSP[9],尋找當歸、牛膝、肉蓯蓉、澤瀉、升麻、枳殼6味中藥的化學成分,并結合口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)≥30%且類藥性(Drug Likeness,DL)≥0.18進行活性化合物的初步篩選,并利用TCMSP獲取與篩選得到的活性化合物相對應的靶點。為使蛋白質靶點信息標準化,將篩選后的靶點統一在UniProt蛋白質數據庫進行檢索以規范。
1.3 便秘相關靶點篩選
以“Constipation”為關鍵詞,通過GeneCards數據庫、OMIM數據庫、TTD數據庫[10]、DisGeNET數據庫挖掘便秘疾病的潛在靶點,并通過Drugbank數據庫尋找治療便秘的臨床一線西藥作用靶點進行補充[11]。合并5個疾病數據庫靶點后,刪除重復值作為便秘的預測靶點庫。
1.4 濟川煎成分-便秘靶點PPI網絡構建
為明確濟川煎藥物相關靶點與便秘疾病靶點間的相互作用,利用R語言VennDiagram包篩選二者靶點的交集并繪制韋恩圖。將所取交集靶點上傳至STRING 11.0數據庫構建蛋白質-蛋白質相互作用(Protein-protein Interaction,PPI)網絡模型,將物種設置為“Homo Sapiens”,設定最小相互作用閾值為最高置信(Highest Confidence>0.9),構建PPI網絡。并通過Cytoscape 3.8.0軟件中的MCODE插件對該結果進一步分析,得到潛在蛋白質功能模塊并對其功能進行描述。同時通過Cytoscape 3.8.0軟件中的CytoHubba插件的MCC算法篩選Hub基因。
1.5 基因本體富集功能分析和京都基因與基因組百科全書通路富集分析
為確定基因的主要功能,使用R(4.0.3)軟件ClusterProfiler程輯包對靶點進行基因本體(Gene Ontology,GO)功能富集分析和京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析,并用ggplot2程輯包繪制條形圖。
1.6 中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡圖的構建
運用Cytoscape 3.8.0軟件構建中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡圖,分析得到化學成分與對應靶點之間的連接度、介度及緊密度等,并根據其網絡拓撲結構分析得出主要化學成分及關鍵對應靶點。
2 結果
2.1 濟川煎活性成分及對應靶點的獲取
濟川煎中當歸化學成分2種,牛膝化學成分20種,肉蓯蓉化學成分6種,澤瀉化學成分10種,升麻化學成分17種,枳殼化學成分5種。見表1。當歸作用靶點69個,牛膝作用靶點444個,肉蓯蓉作用靶點223個,澤瀉作用靶點9個,升麻作用靶點83個,枳殼作用靶點123,共得到靶點255個。
2.2 便秘疾病相關靶點的獲取
從GeneCards數據庫獲取便秘靶點5 053個,根據經驗設定疾病與靶點的關聯分數(Relevance score)大于中位數的目標靶點為便秘的潛在靶點。此處通過GeneCards數據庫獲取的便秘靶點關聯分數最大值為30.61,最小值為0.2,中位數為3.39,故設定關聯分數>3.39的靶點為便秘疾病的潛在靶點。結合Drugbank數據庫、OMIM數據庫、TTD數據庫、DisGeNET數據庫最終得到2 158個便秘疾病相關靶點。
2.3 濟川煎成分-便秘靶點PPI網絡的構建
利用R(4.0.3)軟件及VennDiagram程輯包,篩選出濟川煎潛在靶點和便秘疾病相關靶點的交集靶點164個,并繪制韋恩圖。見圖1。將164個交集靶點提交至STRING 11.0平臺,得到濟川煎成分-便秘靶點PPI網絡。在此PPI網絡圖中,共有164個節點,580條邊。見圖2。
將PPI網絡信息導入Cytoscape 3.8.0軟件中,運用MCODE插件分析得到Module,并保留其中3個評分最佳的生物過程。見圖3。同時通過CytoHubba插件中的MCC算法分析濟川煎成分-便秘靶點PPI網絡中的每個節點,篩選排名前10的靶點。顏色從紅到黃代表該靶點的重要程度遞減,依次為JUN、MAPK3、TP53、FN1、MAPK1、TIMP1、ALB、ESR1、VEGFA、TGFB1。見圖4。
2.4 GO富集功能分析和KEGG通路富集分析
運用R(4.0.3)軟件及ClusterProfiler程輯包對164個交集靶點進行GO富集功能分析和KEGG通路富集分析。主要參與的生物過程(Biological Process,BP)包括對脂多糖的反應(Response to Lipopolysaccharide)、對細菌來源分子的反應(Re-sponse to Molecule of Bacterial Origin)、對氧化應激的反應(Response to Oxidative Stress)、對金屬離子的響應(Response to Metal Ion)、對營養水平的反應(Response to Nutrient Levels)、細胞對化學應激的反應(Cellular Response to Chemical Stress)。見圖5-1。所涉及的分子功能(Molecular Function,MF)主要有蛋白酶結合(Protease Binding)、血紅素結合(Heme Binding)、抗氧化活性(Antioxidant Activity)、Dna結合轉錄因子結合(Dna-Binding Transcription Factor Binding)、Rna聚合酶ii特異性dna結合轉錄因子結合(Rna Polymerase Ii-Specific Dna-Binding Transcription Factor Binding)、四吡咯結合(Tetrapyrrole Binding)。見圖5-2。所涉及的細胞組分(Cell Component,CC)主要有膜筏(Membrane Raft)、膜微區(Membrane Microdomain)、膜區域(Membrane Region)、囊泡腔(Vesicle Lumen)、Rna聚合酶ii轉錄調節復合物(Rna Polymerase Ii Transcription Regulator Complex)、分泌顆粒腔(Secretory Granule Lumen)。見圖5-3。參與的通路主要有藥物代謝-細胞色素P450(Drug Metabolism-Cytochrome P450)、細胞色素P450對異生素的代謝(Metabolism of Xenobiotics by Cytochrome P450)、視黃醇代謝(Retinol Metabolism)、酪氨酸代謝(Tyrosine Metabolism)、藥物代謝-其他酶(Drug Metabolism-Other Enzymes)、類固醇激素生物合成(Steroid Hormone Biosynthesis)。見圖5-4。
2.5 中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡圖的構建
運用Cytoscape 3.8.0軟件構建中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡。該圖中共包含267個節點,574條邊。見圖6。長方形節點代表中藥,不同顏色的圓形節點代表化學成分,菱形節點代表便秘疾病靶點。其中A1為當歸、牛膝、肉蓯蓉、枳殼共有化學成分;B1為當歸、牛膝、升麻共有化學成分;C1為牛膝、肉蓯蓉共有化學成分;D1為澤瀉、升麻共有化學成分。節點的面積代表其度數,即面積越大,說明該節點越重要。
通過Cytoscape 3.8.0軟件分析得到核心化學成分及核心疾病靶點。濟川煎化學成分連接度(Degree)中連接度最高為槲皮素(連接度:142),預測其為濟川煎治療便秘的主要成分,其次為山柰酚、漢黃芩素、β-谷甾醇、柚皮素、黃芩素。便秘靶點連接度中連接度最高為PTGS2(連接度:24),預測其為濟川煎治療便秘的主要靶點,其次為PTGS1、NCOA2、SCN5A、ADRB2、AR。
3 討論
便秘是常見的健康問題之一,它會引起患者的不適,影響患者的生命質量[12]。便秘的癥狀多樣,常隨著患者年齡的增長而增加,不僅會引起不適,還會引起焦慮、腹脹、嘔吐、腸梗阻和穿孔等并發癥,有病例報道其甚至可能導致肺栓塞[13]。
研究提示中藥復方相比于導瀉藥在便秘癥狀改善方面具有更大的潛力。顧盡暉等[14]研究發現,濟川煎可改善結腸慢傳輸性便秘模型大鼠的癥狀,其機制一方面為增加大鼠胃腸神經遞質含量、胃腸組織Cajal間質細胞數量,加快胃腸信息轉導,從而加快胃腸平滑肌蠕動,促進腸道內容物通過,縮短排便時間;另一方面濟川煎可能通過抑制腸道水分的吸收,增加糞便含水量,從而刺激胃腸蠕動,起到緩解便秘的作用。楊穎等[15]研究發現,慢傳輸性便秘模型大鼠經濟川煎治療后,其首粒黑便時間顯著減少,糞便干濕重百分比也顯著下降,P物質(SP)顯著增加,血管活性腸肽(VIP)顯著減少,并且大腸埃希菌含量顯著降低,雙歧桿菌和乳酸菌含量則顯著升高,說明濟川煎對STC大鼠具有調節腸道菌群平衡和促進排便的作用。張雙喜等[16]研究發現,對于老年慢性功能性便秘患者,服用琥珀酸普蘆卡必利片加濟川煎相較于單純服用琥珀酸普蘆卡必利片,全胃腸排出率、胃排空率、血清5-HT,SP含量均明顯升高,血清NO含量明顯降低,乳桿菌、雙歧桿菌數量均明顯升高,酵母菌、腸桿菌數量均明顯降低,腸道菌群水平趨于穩定。匡曉雯等[17]隨機將146例老年慢性功能性便秘患者分為2組,對照組服用乳果糖和普蘆卡必利,觀察組在此基礎上加服濟川煎,均持續治療1個月,觀察組排便時間評分、糞便性狀評分、排便費力評分低于對照組;觀察組模擬排便時直腸壓力較前升高且高于對照組,2組初始閾值、排便閾值及最大耐受閾值均降低,且觀察組低于對照組。
本研究對濟川煎中當歸、牛膝、肉蓯蓉、澤瀉、升麻、枳殼共6味中藥的有效成分進行分析,通過網絡藥理學方法初步篩選出濟川煎調治便秘疾病的活性成分主要為槲皮素、山柰酚、漢黃芩素、β-谷甾醇、柚皮素、黃芩素等。槲皮素能夠顯著增加結腸慢傳輸型便秘模型大鼠的排糞量,其機制與通過乙酰膽堿受體(mAChRs)調節腸胃平滑肌細胞的蠕動功能,并促進其分泌黏蛋白有關[18]。山柰酚具有抑制PGE2和NO釋放的能力,并能中和自由基,降低編碼iNOS和COX-2的mRNA的表達水平,減輕炎癥介質腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor,TNF)-α造成的細胞損傷,改善腸道穩態[19]。漢黃芩素能夠顯著下調LPS誘導的THP-1細胞中典型炎癥介質白細胞介素(Interleukin,IL)-6和IL-1β的分泌,減少周圍組織中的核因子κB的表達,改善腸道炎癥,維持腸道內穩態[20]。β-谷甾醇能夠以濃度依賴的方式降低結腸炎小鼠腸道組織中TNF-α,IL-6和IL-1β的水平,并顯著增加腸上皮細胞中抗菌肽的表達,降低腸道炎癥病原菌的存活率,減輕炎癥對腸道環境的干擾[21]。柚皮素可調節血清中胃腸代謝相關成分的產生。研究提示柚皮素緩解便秘癥狀的機制可能與上調LOP誘導便秘小鼠的Cajal間質細胞(ICC)標志物(c-Kit和SCF)和AQP3的表達增加有關[22]。黃芩素通過作用于cMAP途徑,刺激大鼠結腸黏膜的Cl(-)分泌,從而引起I(sc)響應,以激活腸道神經系統,促進平滑肌運動改善大鼠便秘癥狀[23]。
綜合中藥-化學成分-便秘疾病靶點網絡及交集靶點PPI網絡,預測濟川煎調治便秘疾病的異常靶點主要為PTGS2、PTGS1、NCOA2、SCN5A、ADRB2。環氧合酶1(COX-1/PTGS1)的表達及其主要代謝產物內源性前列腺素(PGs),通過調節黏膜完整性和消化道的各種功能改善排便情況[24]。環氧合酶2(COX-2/PTGS2)的表達及其主要代謝產物前列腺素E2(PGE2)通過調節結直腸收縮功能以助于調節排便[25]。Wnt3a是Wnt信號分子家族中的一個重要成員,已被證明能促進成肌細胞的增殖和分化[26]。Wnt3a表達下調抑制了肌源性祖細胞從增殖向肌源性分化的轉變,從而導致平滑肌細胞(Smooth Muscle Cell,SMC)成熟延遲[27]。NCOA2通過同時上調Wnt/β-catenin的抑制劑和下調刺激劑來抑制Wnt/β-catenin信號轉導,以改善SMC功能,進而調節排便[28]。SMC和Cajal間質細胞(ICC)上的電壓門控機械敏感性鈉通道由SCN5A編碼,可調控肌細胞收縮,控制腸蠕動,進而改善便秘癥狀[29]。β(2)-腎上腺素受體(ADRB2)能夠介導多巴胺誘導的大鼠結腸遠端離子遷移,引起細胞內cAMP濃度改變,促進腸蠕動及抑制胃腸道水分吸收,進而改善便秘癥狀[30]。
綜上所述,本研究基于網絡藥理學辦法,對“濟川煎-有效成分-便秘疾病靶點”進行多維度分析,初步探究了濟川煎治療便秘疾病的潛在機制過程,體現了中藥方劑多靶點聯合干預的作用特點,為進一步探究濟川煎治療便秘的機制提供了新研究方向,也為濟川煎治療便秘的臨床應用提供了理論依據。但同時因網絡藥理學方法的局限性[31],以及復方中藥用量配比及中藥煎煮后有效成分可能發生的變化,因此仍須進一步的藥理及動物實驗驗證,以明確濟川煎對于便秘疾病主要的調控靶點。
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(2021-01-11收稿 本文編輯:魏慶雙)