基于網絡藥理學探討黃精主要活性成分治療2型糖尿病的作用機制研究

郝俊杰 楊興鑫 顧雯 李莉 閆鴻麗

摘要：目的 從網絡藥理學角度研究黃精的主要活性成分及其治療2型糖尿病的可能作用機制。方法 從 TCMSP 數據庫中提取黃精的化學成分，以口服生物利用度（OB）≥30%和類藥性（DL）≥0.18 篩選活性成分，通過該數據庫提取活性成分作用靶點，以DisGeNet 及OMIM在線分析平臺挖掘疾病相關靶點，最后采用Perl語言與R語言分析靶點關聯的主要生物通路，獲取黃精活性成分的多維角度抗2型糖尿病的作用機制。結果 通過篩選獲得DFV、黃芩素、3-甲氧基黃豆苷元、β-谷甾醇、甲基原薯蕷素、甘草素、薯蕷皂甙元、谷甾醇、4，5-二羥基黃酮等成分等12 個主要活性成分;這些成分可作用于靶點68個，其中核心靶點有 AKT1、JUN、FOS、VEGFA、CASP3、MMP9 等;這些成分可作用炎癥感染（乙型肝炎、人類巨細胞病毒感染）、癌癥通路、AGE-RAGE 信號通路、TNF 信號通路、脂質和動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、胰島素抵抗、雌激素信號通路、IL-17 信號通路、HIF-1 信號通路等。進一步發現抗2型糖尿病作用黃精中主要活性成分可通過“多成分-多靶點-多通路”來發揮治療糖尿病的作用。結論 從網絡藥理學預測了黃精抗2型糖尿病的主要活性成分和多維抗2型糖尿病藥理作用機制，為進一步探討其作用機制奠定了基礎。

關鍵詞：網絡藥理學;黃精;活性成分;2型糖尿病;作用機制

中圖分類號：R285.6 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2349（2022）04-0020-08

Study on the Action Mechanism of the Main Active Ingredients of Polygonatum Chinensisin the Treatment of Diabetes Patients （II） Based on Network Pharmacology

HAO Jun-jie， YANG Xing-xin， GU Wen， LI Li， YAN Hong-li

（Yunnan University of Traditional Chinese Medicine， Kunming 650500， China）

【Abstract】Objective： To study the main active ingredients of Polygonatum chinensis and its possible mechanism of action in the treatment of diabetes patients （II） from the perspective of network pharmacology. Methods： The chemical constituents of Polygonatum chinensis were extracted from the TCMSP database， and the active ingredients were screened with oral bioavailability （OB） ≥ 30% and drug-like properties （DL） ≥ 0.18. The target of active ingredients was extracted from this database， and the disease-related targets were mined by DisGeNet and OMIM online analysis platform. Finally， Perl language and R language were used to analyze the main biological pathways associated with the targets， and to obtain the multi-dimensional anti-type II diabetes mechanism of the active ingredients of Polygonatum chinensis. Results： 12 main active ingredients such DFV， baicalein， 3'-methoxydaidzein， β-sitosterol， methylprotodioscin， liquiritigenin， diosgenin， sitosterol， 4'， 5-dihydroxyflavone， etc. were obtained by screening. These ingredients could act on 68 targets， of which the core targets were AKT1， JUN， FOS， VEGFA， CASP3， MMP9， etc.. These ingredients could act on inflammatory infections （hepatitis B and human giant cells virus infection）， cancer pathway， AGE-RAGE signaling pathway， TNF signaling pathway， lipids and atherosclerosis， non-alcoholic fatty liver disease， insulin resistance， estrogen signaling pathway， IL-17 signaling pathway， HIF-1 signaling pathway. It was further found the main active ingredients of Polygonatum chinensis could play a role in the treatment of diabetes through "multi-ingredients-multi-target-multi-pathway". Conclusion： The main active ingredients of Polygonatum in anti-type II diabetes patients and the pharmacological mechanism of multi-dimensional anti-type II diabetes patients are predicted from the network pharmacology， which lays a foundation for further exploration of its mechanism of action.

【Key words】Network Pharmacology; Polygonatum; Active Ingredients; Diabetes （II）; Mechanism of Action

糖尿病是最常見疾病之一，糖尿病屬于中醫“消渴病”、“脾癉”等病 癥范疇。目前全球有4.25 億糖尿病患者，此外還有3.5億多糖尿病高危人群。預計到2045 年，將會有近7億糖尿病患者。我國 1.14 億一直位居世界首位。全球每 11 位成人中就有1位罹患糖尿病;每 2 位糖尿病患者，就有 1 位未確診[1];雖然目前治療西藥眾多，但沒有一種徹底治愈疾病，并且其不良反應及副作用多，所以糖尿病的治療一直困擾西醫的疑難問題。

黃精作為傳統中藥，也是我國重要的藥食同源藥物之一，《中國藥典》[2]2020版收載黃精為百合科黃精屬植物，包括滇黃精Polygonatum kingianum Coll.Et Hemsl.黃精Polygonatum sibiricum Red.或多花黃精Polygonatum cyrtonema Hua的干燥根莖，分別習稱“大黃精”“雞頭黃精”或“姜形黃精”。黃精多糖具有良好的調節糖、脂代謝活性并有廣泛的臨床應用[3-6]。黃精中的主要化學成分類型包括多糖、皂苷、黃酮、蒽醌、生物堿、木脂素等。這些化學成分降糖如何？目前研究的內容鮮見。

網絡藥理學是一個新興領域，它集成了系統生物學和藥理學，以推進藥物發現，開發和治療機制的理解過程。基于網絡藥理學可反映化合物與靶點之間復雜的相互作用，已成功應用于中醫藥相關研究領域，為中藥復雜作用的研究提供了新的思路和視角[7]。

因此，本研究基于網絡藥理學，對黃精的化學成分進行分析，進一步挖掘黃精抗糖尿病的活性成分和靶點通路，為其治療糖尿病提供進一步的理論參考與依據。

1 資料與方法

1.1 黃精活性成分和靶點的收集 在中醫藥數據庫與分析平臺（Traditional Chinese Medicine Database and Analysis Platform，https：//www.tcmsp-e.com/，TCMSP）中，收集整理獲得黃精有效成分;其藥物的吸收、藥物的體內分布、藥物的代謝及藥物的排泄性質進行評價，設置口服生物利用度（Oral Bioavailability，OB）≥30%，類藥性（Drug-likeness，DL）≥0.18，作為篩選條件獲得黃精的活性成分，時間截止至2021年6月20 日，運行getTargets.p腳本，得到有效成分對應的靶基因。

1.2 2型糖尿病相關靶點的獲取 通過 Genecards 數據庫（https：//www.genecards.org/）獲取疾病靶點，搜索“type 2 diabetes”關鍵詞，并以用score≥1做濾過，獲取2型糖尿病相關基因;同時通過OMIM大數據庫（https：//www.omim.org）中檢索疾病關鍵詞“type 2 diabetes”，得出與 2 型糖尿病有關聯的基因，合并二者基因數量，剔除重復部分，將剩余基因作為該病的候選靶點基因。

1.3 中藥-成分-疾病-藥效靶點的網絡構建 利用 Cytoscape 軟件，將黃精治療2型糖尿病的藥效靶點等數據導入，從而構建“黃精成分-2型糖尿病”藥效靶點網絡圖。

1.4 PPI網絡的構建及關鍵靶點篩選 將藥物-疾病交集靶點利用R語言，構建 PPI 網絡圖，進行蛋白質與蛋白質相互作用（PPI）分析，并根據 Degree 值大小篩選核心靶點。得到藥效靶點蛋白互作網絡圖，同時根據靶蛋白功能作用次數，對藥效靶點由高到低進行排序，最后繪制前 20 位核心靶點柱狀圖及PPI 網絡圖。

1.5 基因本體功能分析 基因本體（Gene Ontology，GO）功能分析借助Perl語言與R語言數據庫，對黃精治療2型糖尿病藥效靶點進行 GO 分子功能分析，根據 P value 大小進行排序，最后繪制出排序前 20 位的 GO 分子功能柱狀圖以及前20 個功能富集靶點的 GO 分析結果。

1.6 京都基因與基因組百科全書通路富集分析 京都基因與基因組百科全書通路富集分析（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）將黃精-2型糖尿病交集基因通過Perl語言與R語言數據庫，輸入靶基因名稱列表，限定物種為“Homo Sapiens”，設定閾值為P<0.05，進行KEGG通路富集分析，KEGG 分析選擇 PATHWAY 模塊。

2 結果

2.1 黃精活性成分和靶點的收集 在TCMSP數據庫檢索黃精38個有效成分，對藥物的吸收、藥物的體內分布、藥物的代謝及藥物的排泄性質進行評價，經過 OB 和 DL 參數初步篩選后共獲得12個活性成分，即DFV、黃芩素、3-甲氧基黃豆苷元、β-谷甾醇、谷甾醇、甲基原薯蕷素、甘草素、薯蕷皂甙元、4，5-二羥基黃酮、西伯利亞蓼甙A、丁香樹脂酚及zhonghualiaoine 1等成分，詳見表1及圖1。再利用TCMSP數據庫，檢索黃精成分靶點共 515 個，再運行 perl腳本，得到黃精12個化學成分與靶點對應的活性成分-靶點109 對，詳見表2。

2.2 2型糖尿病相關靶點的獲取 GeneCards大數據庫中檢索疾病關鍵詞“type 2 diabetes”，得出與 2 型糖尿病有關聯的基因13297，用score≥1做濾過，篩選出12836個相關基因;同時用OMIM大數據庫中檢索疾病關鍵詞“type 2 diabetes”，得出與 2 型糖尿病有關聯的基因1263個，剔除重復部分基因694，剩余13405個基因，這些基因將作為2型糖尿病的候選靶點基因。

2.3 中藥-成分-疾病-藥效靶點的網絡構建 利用 Cytoscape 軟件，將黃精、活性成分、2型糖尿病、藥效靶點等數據導入，從而構建藥物-成分-靶點-疾病網絡構建，將得到得出藥物-成分-靶點-疾病網絡圖（見圖2）。其中8個節點代表黃精的有效成分，68個節點代表與藥效成分效應的疾病靶點。

2.4 PPI網絡的構建及關鍵靶點篩選 將藥物-疾病交集靶點利用R語言，構建 PPI 網絡圖，得出黃精活性成分（靶點69個（刪除重復29個靶基因））與 2 型糖尿病共有 68個靶點，與2型糖尿病的疾病靶點用R 4.0.4 取交集后獲取靶點68個，即PPARG、VEGFA、PTGS2、MMP9、MTOR、PON1、AKT1、BCL2、ADRB2、IGF2、KCNH2、SOD1、ESR1、NOS2、SCN5A、CAT、CASP8、NR3C2、AR、BAX、HIF1A、CASP3、FOS、MAPK14、MPO、PTGS1、PRKCA、CDKN1A、JUN、CASP9、PLA2G4A、CYCS、ABCC2、GSK3B、ESR2、TP63、OPRM1、GABRA1、CCNA2、ALOX12、FASN、CHRNA2、SLC6A4、RELA、PGR、PRSS1、AHR、NR1I2、NCOA2、MAP2、CHRM、MAOB、NCOA1、EGLN1、CCNB1、CHEK1、FOSL2、RXRA、ADRA1B、NFATC1、ADRA1A、CHRM3、FOSL1、CHRM1、CHRM4、APOD、NOX5、TDRD7等為黃精抗2型糖尿病的作用靶點，做出韋恩圖，如圖3所示，藍色疾病靶點，黃色代表黃精的藥物作用靶點，重合部分為藥物靶點與疾病靶點的交集靶點。

將 68個共同靶點導入 STRING 數據庫，置信度設置為>0.3，并剔除游離靶點，獲得 PPI 網絡圖白互作網絡（PPI）分析數據將得到的藥物活性成分，選擇網絡節點、邊等基本屬性，得出PPI網絡圖（見圖4）。該網絡總計節點68個，邊502條，網絡平均相鄰節點 14.8。

2.5 GO 功能富集分析 通過 R 數據庫 GO 富集分析獲得黃精靶點的細胞組分、生物過程、分子功能按照顯著性程度 P<0.01 確定了103個GO條目，按照顯著性程度排列對 GO 分析結果進行展示前20個，可以得出被富集了相關性前20 個功能富集以柱狀圖形式表示（見圖5）與 靶點的 GO 分析結果（見表3），P 值代表富集顯著性。這些靶點基因在生物學層面顯示出主要參與細胞的代謝、增殖，信號轉導，氧化應激，蛋白水解，受體激活等生物過程。在細胞層面這些靶點主要與細胞核 DNA復制、RNA 轉錄等功能相關等。在分子層面這類靶點基因與蛋白質結合，蛋白激酶活性、類固醇激素受體活性等功能相關。

2.6 KEGG 通路富集分析 將黃精活性成分效應的2 型糖尿病的靶點基因進行 KEGG 通路富集分析，結果顯示該類基因總共富集在 139條信號通路，取富集集中的前 20 個以柱狀圖顯示（見圖6）。富集的通路主要與炎癥感染（乙型肝炎及炎癥因子等）、癌癥通路、PI3K-Akt 信號通路、脂質和動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、胰島素抵抗、雌激素信號通路、阿爾茨海默病等密切相關。通過R軟件分析黃精靶點涉及的信號通路，其中字體代表靶點，圓形代表通路，邊則表示靶點與通路或通路與通路間相互作用的關系，圓形的大小與 Degree 值成正比，圓形越大，顏色越紅，說明該富集越重要，見圖6。

3 討論

本研究結果顯示，黃精的活性成分包括DFV、黃芩素、3-甲氧基黃豆苷元、β-谷甾醇、谷甾醇、甲基原薯蕷素、甘草素、薯蕷皂甙元、4，5-二羥基黃酮、西伯利亞蓼甙A、丁香樹脂酚及zhonghualiaoine 1等成分。這與早年有學者研究分離提取的滇黃精化學成分得到的結果一致[8-9]。但這些化學成分目前為止，大都沒有作為黃精抗糖代謝的活性成分，目前 黃精干擾糖代謝以黃精多糖研究為主[3-6]。

黃精化學成分作為降糖的活性物質如黃芩素、甘草素、薯蕷皂苷元在降糖方面效果突出。黃芩素是黃酮類化合物之一，其治療能使糖尿病大鼠的血糖降低，并增加其胰島細胞分泌胰島素，其機制可能與黃芩素可降低胰腺氧化應激水平，抑制胰島細胞凋亡有關[10]。甘草素是一種黃酮類化合物，具有重要的抗氧化、抗炎和抗糖尿病特性。此外，甘草素全阻止高血糖魚顯示晚期糖基化終產物（AGEs）和甲狀旁腺激素水平增加代謝改變[11]。薯蕷皂苷元是一種非常具有生物活性的天然甾體皂苷元，其治療糖尿病及其并發癥的研究已被廣泛報道，最新報道發現其能夠改善 STZ 糖尿病動物的認知缺陷，并可能改善膽堿能功能以及其神經保護潛力[12]。

本研究發現黃精與2型糖尿病共同的藥效靶點基因共68個，包括 AKT1、JUN、FOS、VEGFA、CASP3、MMP9 等，這些藥效靶點基因與介導炎癥的發生、癌癥及血脂升高及糖尿病腎病發生發展等有密切相關。其中GO 分子功能分析顯示，藥效靶點基因主要涉及在分子層面這類靶點基因與蛋白質結合，蛋白激酶活性，神經遞質活性，類固醇激素受體活性等分子功能，提示黃精抗糖尿病的發生發展與這些生物學過程密切相關，是共同作用的結果。同時KEGG 通路分析也顯示黃精治療2型糖尿病通路眾多，也是包括這些病變，如炎癥感染（乙型肝炎、人類巨細胞病毒感染）、癌癥通路、AGE-RAGE 信號通路、TNF 信號通路、脂質和動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、胰島素抵抗、雌激素信號通路、IL-17 信號通路、HIF-1 信號通路等。

有研究顯示作為糖尿病腎病發生發展重要的一環，AGE-RAGE 信號通路激活可以刺激 NF-κB、VEGF、TGF-β1 的產生，從而導致細胞凋亡、炎癥、血管重建[13]。目前乙型肝炎促進T2DM發病的研究眾多，普遍認為其發病機制乙型肝炎病毒感染后，其抑制胰島素信號轉導和胰島素靶細胞葡萄糖攝取以及糖原合成，從而引起血糖升高，導致糖尿病[14]。糖尿?。―M）是眾所周知的乳腺癌（BC）發展的危險因素之一，并且還與 BC 患者的不良臨床結果相關[15]，可以說糖尿病與乳腺癌互為因果。有學者研究發現的血脂指標、炎癥狀態和微量白蛋白尿之間的關系證實了糖尿病患者中高脂血癥、炎癥和腎病的相互影響。并證明了對糖尿病患者進行早期降血脂治療以防止微血管并發癥的發生和進展[16]。

綜上所述，本文基于網絡藥理學的方法，對黃精治療2型糖尿病進行了研究，發現其具有“多成分-多靶點-多通路”的特點，同時初步闡述了黃精治療2型糖尿病的主要活性成分、潛在靶點基因、靶點之間的相互作用關系以及其所涉及的分子功能及信號通路，為臨床應用黃精治療2型糖尿病提供了參考價值。中藥網絡藥理學作為一種新方法，是對中藥化學成分藥理作用進行預測，為全面認識中藥與疾病的關系提供了思路，為中醫藥現代化作出貢獻。

參考文獻：

[1]International Diabetes Federation.Press R，elease：New IDF figures show continued increase indiabetes across the globe，reiterating the need for urgent action.14 November 2017.

[2]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典一部[M].北京：中國醫藥科技出版社，2020：235-236.

[3]汪光軍，李九九，何立峰，等.黃精多糖預防小鼠糖脂代謝紊亂的作用研究[J].食品安全質量檢測學報，2020，11（21）：7829-7836.

[4]劉智君，徐錦，梁志敏，等.滇黃精多糖對低濃度鏈脲佐菌素所致的腎病小鼠的影響[J].中醫藥導報，2021，7（1）：12-15.

[5]王秋麗，童小慧，李小東，等.多花黃精多糖對STZ誘導的Ⅰ型糖尿病小鼠影響作用研究[J].云南中醫學院學報，2019，42（1）：1-7.

[6]王藝.黃精、滇黃精多糖的結構表征與降血糖活性分析[D].西安：陜西師范大學，2019.

[7]黃秀芳，庾國楨，童晶晶.基于網絡藥理學分析陳皮的藥理作用機制[J].中成藥，2019，41（12）：3038-3045.

[8]王易芬，穆天慧，陳紀軍，等.滇黃精化學成分研究[J].中國中藥雜志，2003（6）：47-50.

[9]李曉，來國防，王易芬，等.滇黃精的化學成分研究（Ⅱ）[J].中草藥，2008（6）：825-828.

[10]魏雪芳，林紹彬，熊紅萍，等.黃芩素對糖尿病大鼠胰島功能的影響及 其機制探討[J].中西醫結合心腦血管病雜志，2019，17（19）：2933-2935.

[11]Marta Carnovali，Livio Luzi，Ileana Terruzzi，et al.Liquiritigenin Reduces Blood Glucose Level and Bone Adverse Effects in Hyperglycemic Adult Zebrafish[J].Nutrients，2019，11（5）：1042.

[12]Mahmoudi Narges，Kiasalari Zahra，Rahmani Tayebeh，et al.Diosgenin Attenuates Cognitive Impairment in Streptozotocin-Induced Diabetic Rats：Underlying Mechanisms[J].Neuropsychobiology，2020：25-35.

[13]楊超茅，楊志新，馬曉玲.AGEs-RAGE信號通路在糖尿病腎病中的作用機制及中醫藥研究進展[J].中醫學報，2019，34（9）：1864-1868.

[14]覃超梅，劉永明，蘇何玲.乙型肝炎和丙型肝炎與2型糖尿病的關系[J].臨床肝膽病雜志，2021，37（4）：921-924.

[15]Durrani Ilhaam Ayaz，Bhatti Attya，John Peter.The prognostic outcome of ‘type 2 diabetes mellitus and breast cancer association pivots on hypoxia-hyperglycemia axis[J].Cancer Cell International，2021，21（1）：351.

[16]N Musina Nadezhda，V Saprina Tatiana，S Prokhorenko Tatiana，et al.Correlations between Iron Metabolism Parameters，Inflammatory Markers and Lipid Profile Indicators in Patients with Type 1 and Type 2 Diabetes Mellitus[J].Journal of personalized medicine，2020，10（3）：70.

（收稿日期：2021-09-16）