網絡藥理學與生物信息學聯合分析煙酸在骨性關節炎中的潛在治療基因靶點

摘要：目的 "利用GEO數據庫聯合網絡藥理學討論煙酸治療骨性關節炎的可能作用機制。方法 "使用Swiss Target Prodiction等數據庫中獲取煙酸的藥效團靶點，再從GEO數據庫下載骨性關節炎相關數據集，采用仙桃在線數據分析網站進行差異基因分析，并與煙酸藥效團靶點相映射，從String網站中構建PPI互作網絡，采用Cytoscape V3.10.1獲取Hub gene。結果 "找到12 548個骨性關節炎相關性基因，其中上調6655個，下調5893個；煙酸與骨性關節炎交集基因是8個，富集的生物學功能包括氧化、過氧化、抗氧化和還原功能，富集通路結果包括脂肪細胞中脂肪分解的調節、花生四烯酸代謝、NF-κB信號通路、含血清素的神經突觸。結論 "煙酸治療骨性關節炎的相關分子功能和藥理靶點具有靶點、多通路特點。

關鍵詞：骨性關節炎；煙酸；網絡藥理學；GEO數據庫

中圖分類號：R684.3 " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " "DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2025.02.002

文章編號：1006-1959（2025）02-0014-05

Potential Therapeutic Gene Targets of Niacin in Osteoarthritis Based on

Network Pharmacology and Bioinformatics

LI Chengwei1， LING Peng1， HE Zunian1， TANG Yanggang1， QIN Zhou1， LU Dinggui1，2

（1.Youjiang Medical University for Nationalities Graduate School， Baise 533000， Guangxi， China;

2.Department of Traumatic Orthopedics， Affiliated Hospital of Youjiang Medical University

for Nationalities， Baise 533000， Guangxi， China）

Abstract： Objective "To discuss the possible mechanism of niacin in the treatment of osteoarthritis by using GEO database combined with network pharmacology. Methods "Swiss Target Prodiction and other databases were used to obtain the pharmacophore targets of niacin， and then the osteoarthritis-related data sets were downloaded from the GEO database. The online data analysis website of Xiantao was used for differential gene analysis， and mapped with the pharmacophore targets of niacin. The PPI interaction network was constructed from the String website， and the Hub gene was obtained by Cytoscape V3.10.1. Results "A total of 12 548 osteoarthritis-related genes were found， of which 6655 were up-regulated and 5893 were down-regulated. There were 8 genes in the intersection of niacin and osteoarthritis. The enriched biological functions included oxidation， peroxidation， antioxidant and reducing functions. The enriched pathway results included the regulation of lipolysis in adipocytes， arachidonic acid metabolism， NF-κB signaling pathway， and serotonin-containing synapses. Conclusion "The related molecular functions and pharmacological targets of niacin in the treatment of osteoarthritis have the characteristics of targets and multiple pathways.

Key words： Osteoarthritis; Niacin; Network pharmacology; The GEO database

煙酸（niacin），即維生素B3，是一種重要的營養素，廣泛存在于動植物中。在生物體內，煙酸轉化為NAD和NADP，這兩種物質在很多種類的細胞功能中發揮著關鍵作用[1]。研究顯示[2， 3]，煙酸在預防及治療癌癥、衰老、代謝性疾病、炎癥、抑郁癥和精神分裂癥等方面具有潛在益處。通過補充煙酸，可以改善由煙酸缺乏引起的代謝性疾病。因此，煙酸展現出從維生素向治療藥物轉變的潛力。骨性關節炎（osteoarthritis）是一種具有退行性和致殘性特點的慢性關節炎，屬于最常見的關節炎類型之一[4， 5]。目前，盡管煙酸在多種疾病治療過程中展現出了一定的潛力，但關于其在改善骨性關節炎慢性炎癥方面的具體應用和治療效果的研究仍然相對較少。這種研究不足的現狀限制了對煙酸在骨性關節炎治療中作用機制的理解，也阻礙了其臨床應用。因此，深入研究煙酸對骨性關節炎的藥理作用靶點和具體作用機制至關重要。本研究旨在運用生物信息學和網絡藥理學的方法，系統地探討煙酸在治療骨性關節炎中的潛在作用機制，現報道如下。

1資料與方法

1.1骨性關節炎相關性基因數據集的收集及整理 "從GEO數據庫網站下載GSE55235和GSE55457兩個數據集的serise文件和芯片平臺文件，并對數據集文件進行基因ID轉換，剔除非健康組及骨性關節炎組的相關數據。

1.2獲取煙酸藥理靶點 "從PubChem Compounds數據庫下載煙酸的二級結構及三級結構，并上傳至Swiss Target Prodiction和Pharmmapper在線預測網站進行預測，將預測結果根據Uniprot數據庫中進行基因的校正及缺失值的剔除，獲取煙酸相關性基因 。

1.3獲取煙酸相關性骨性關節炎基因 "將GSE55235和GSE55457整理后的數據文件按照仙桃數據庫中差異分析的示例數據格式整理后，對數據集中基因表達譜數據進行差異分析，該分析是在配置R（4.2.1）語言環境中進行，利用limma包進行兩組差異進行分析，其結果用火山圖進行可視化，同時對顯著表達的分子用熱圖形式進行可視化。將分析數據進行篩選，篩選閾值為“adjusted P-value＜0.05， |log（fold change）|＞1”，獲取兩個數據集中的差異表達基因（differentially expressed genes， DEGs），繪制韋恩圖，并對骨性關節炎的差異基因與煙酸藥效團基因取交集，獲取重疊基因。

1.4富集分析及結果可視化 "使用仙桃學術在線繪圖工具，將DEGs及煙酸相關性骨性關節炎基因按照示例數據格式標準化，驗證成功后進行基因本體（gene ontology， GO）和京都基因與基因組百科全書（Kyoto encyclopedia of genes and genome， KEGG）富集分析。

1.5獲取煙酸相關性骨性關節炎基因的hub基因 "將骨性關節炎相關的差異表達基因與煙酸藥效團基因取交集，得到重疊的基因列表。這些交集基因隨后被提交至String數據庫（12.0版）（http：//string-db.org/）進行深入的相互作用分析。在此過程中，研究物種特定為“智人（Homo sapiens）”，同時設定相互作用閾值以確保分析結果的可靠性。為避免數據冗余和分散，離散的靶點被隱藏，其余參數則保持默認設置。經String數據庫處理，獲取描述煙酸與骨性關節炎相關性基因之間蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）的網絡關系圖，以及相關的tsv格式數據文件。為深入挖掘這一網絡關系中的關鍵信息，采用Cytoscape軟件（版本號v3.10.1）進行后續處理。在Cytoscape中，利用MCODE和CytoHubba這兩款插件對網絡進行深度分析，并識別網絡中的核心基因，即hub基因。

2結果

2.1骨性關節炎基因差異性分析結果 "從GSE55235和GSE55457這兩個數據集整理出骨性關節炎的相關基因，共包含20個骨性關節炎樣本（骨性關節炎組）和20個對照樣本（對照組），且這兩個數據集的芯片監測平臺相同，為GPL570，見表1。從仙桃學術在線分析歷史中下載差異分析結果，對兩個數據集的樣本進行了批次校正后發現對照組與骨性關節炎組未見明顯離群值，提示數據集分群良好，見圖1A；經Limma分析篩選發現，數據集GSE55235和GSE55457差異表達基因共12 548個，其中上調6655個，下調5893個，差異基因表達熱圖見圖1B。

2.2富集分析 "共得到141個煙酸相關性基因，將煙酸相關性基因及骨性關節炎基因差異按照仙桃學術分析網站的示例要求整理數據，繪制韋恩圖，見圖2A；取兩者之間的交集基因8個，基因富集分析發現主要涉及脂肪細胞中脂肪分解的調節、花生四烯酸代謝、NF-кB信號通路、含血清素的神經突觸（見圖2B）。

2.3煙酸相關性骨性關節炎基因的 hub基因結果 "經過String數據庫對交集基因進行深入分析，成功構建了包含8個基因的蛋白-蛋白互作網絡圖，該基因分別為前列腺素G/H合成酶1（PTGS1）、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶pim-1（PIM1）、前列腺素G/H合成酶2（PTGS2）、組織α-l-聚焦酶（FUCA1）、肥大細胞羧肽酶A（CPA3）、運動蛋白樣蛋白11（KIF11）、DNA拓撲異構酶2（TOP2A）及酪氨酸蛋白激酶（LCK），見圖3A。該網絡由8個節點和11條邊構成，運用Cytoscape軟件對PPI網絡進行了進一步的分析結果見圖3B。

3討論

OA是一種世界范圍內高度流行的慢性關節疾病，會導致疼痛、殘疾和功能喪失[6]。美國的一項針對斯科納省大于45歲居民的大型隊列研究發現[7]，預計到2032年，骨性關節炎的患者將從2012年的26.6%增加到29.5%。全球趨勢顯示[8]，從1990年到2019年，由于OA導致的殘疾生存年數增加了114.5%。然而，目前臨床上治療骨性關節炎的措施主要為糖皮質激素[9]、非甾體類抗炎藥、玻璃酸鈉、中醫治療及手術治療。而多項研究表明[8，10，11]，糖皮質激素、非甾體類抗炎藥將會增加患者糖尿病、潰瘍出血、心肌梗死甚至心血管原因死亡風險。因此，目前尚未有非手術干預措施可以有效地預防、阻止或甚至顯著延緩骨性關節炎的進展。這意味著除了手術治療之外，目前尚缺乏能夠控制骨性關節炎病程惡化的非侵入性方法。因此，深入研究骨性關節炎發病機制及開發新治療策略具有重要臨床意義。

煙酸，一種重要的維生素B族成員，以煙酰胺（吡啶-3-羧酸酰胺，NAM）和煙酸（吡啶-3-羧酸，NA）的形式在體內代謝中起著至關重要的作用。它是構成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）的關鍵前體，這兩種化合物在細胞生命活動中扮演著核心角色。在體內代謝過程中，煙酸被轉化為NAD和NADP，進而參與到多種細胞的能量代謝、氧化還原反應[12]以及細胞死亡[13]等復雜而精細的生理過程中。近年來，越來越多的研究開始關注煙酸在人體健康中的作用。有研究表明[14]，煙酸的缺乏可能會導致神經退行性變、免疫紊亂以及炎癥應激的風險顯著增加。此外，煙酸還被發現能夠通過抑制NF-κB通路來發揮其抗炎作用[15]。這一發現為煙酸在炎癥相關疾病的治療中提供了新的可能性。因此，深入了解煙酸在體內的代謝過程及其生理功能，對于維護人體健康具有重要意義。

Godin AM等[16]實驗中選用了小鼠和大鼠作為實驗對象，構建了傷害性疼痛和炎癥性疼痛模型，分別予以250、500 mg和1000 g/kg煙酸，并用福爾馬林和卡拉膠對其進行處理，結果發現不同劑量的煙酸均可緩解由福爾馬林和卡拉膠作用產生的疼痛感，并減輕其炎癥引起的水腫現象。這一發現為煙酸在疼痛管理和抗炎治療方面的應用提供了有力的實驗證據。且該研究進一步指出，煙酸展現出的抗氧化、抗炎和鎮痛活性可能為其在臨床醫學中開辟新的治療途徑。此外，還有一項臨床試驗的結果[17]與這一發現相呼應，該試驗證實煙酸能夠有效緩解偏頭痛引起的疼痛癥狀，為受偏頭痛困擾的患者帶來了新的希望。本研究通過運用計算機分析技術以及網絡藥理學的方法，從候選基因中篩選出了與煙酸相關性骨性關節炎密切相關的8個關鍵基因。尤其值得關注的是，PTGS1、PTGS2、LCK、CPA3等基因在網絡中呈現出顯著的hub特性，這意味著它們在煙酸參與抑制骨性關節炎炎癥反應的過程中可能發揮著至關重要的作用。為了進一步揭示這些基因的功能和作用機制，本研究對其進行了GO富集分析，結果顯示煙酸在抑制骨性關節炎的炎癥進展中展現出了多方面的作用機制。首先，篩選出的8個關鍵基因參與血壓調節、產熱和發熱，以及腎素-血管緊張素的精細調節等生物學功能，這些功能與炎癥反應的發生和發展密切相關。煙酸可能通過調控這些基因的表達，進而影響相關生物功能的正常運作，從而抑制骨性關節炎的炎癥反應。

在緩解疼痛方面，有研究表明[18]，煙酸可以通過抑制前列腺素合成酶（如PTGS1和PTGS2）的活性，減少炎癥介質前列腺素的合成，從而減輕關節疼痛和腫脹。前列腺素是一類具有促炎作用的化合物，在骨性關節炎的疾病進程中起著關鍵作用。通過抑制前列腺素的合成，煙酸能夠有效地緩解疼痛和炎癥反應。此外，煙酸還可能通過調節細胞膜上的氧化還原平衡來抑制骨性關節炎的炎癥進展[19]。本研究結果顯示，這些關鍵基因涉及的分子過程主要集中在氧化還原、過氧化及抗氧化等方面。煙酸作為一種具有抗氧化特性的化合物，可以清除自由基、減少氧化應激反應，并保護細胞膜免受損傷。這種抗氧化作用有助于減輕關節炎引起的水腫和炎癥，從而改善關節功能。值得注意的是，多項研究指出[20， 21]，煙酸能夠顯著降低關節炎患者的疼痛和炎性標志物水平。該物質能夠借助引發全身及局部的炎癥反應，以及細胞因子、活性氧（ROS）和脂質因子的作用，加速關節軟骨的老化過程，進而推動關節發生退行性變化[22]。這一過程中，炎癥反應起到了關鍵作用，它與細胞因子、活性氧及脂質因子共同作用，形成了一種復雜的機制，導致關節軟骨逐漸失去彈性和功能，最終引發關節退行性疾病的發生。這種作用機制對于理解和防治關節疾病具有重要意義。

綜上所述，煙酸能夠調控與炎癥反應緊密相關的基因表達，這些基因在骨性關節炎的發病和進展中具有關鍵作用。

參考文獻：

[1]Tosti G，Pepe F，Gnagnarella P，et al.The Role of Nicotinamide as Chemo-Preventive Agent in NMSCs： A Systematic Review and Meta-Analysis[J].Nutrients，2023，16（1）：100.

[2]Ilesanmi-Oyelere BL，Kruger MC.B vitamins and homocysteine as determinants of bone health： A literature review of human studies[J].J Hum Nutr Diet，2023，36（3）：1031-1044.

[3]Choi HJ，Jang SY，Hwang ES.High-Dose Nicotinamide Suppresses ROS Generation and Augments Population Expansion during CD8（+） T Cell Activation[J].Mol Cells，2015，38（10）：918-924.

[4]Yunus MHM，Nordin A，Kamal H.Pathophysiological Perspective of Osteoarthritis[J].Medicina （Kaunas），2020，56（11）：614.

[5]Emami A，Namdari H，Parvizpour F，et al.Challenges in osteoarthritis treatment[J].Tissue Cell，2023，80：101992.

[6]Kolasinski SL，Neogi T，Hochberg MC，et al.2019 American College of Rheumatology/Arthritis Foundation Guideline for the Management of Osteoarthritis of the Hand，Hip，and Knee[J].Arthritis Rheumatol，2020，72（2）：220-233.

[7]Turkiewicz A，Petersson IF，Bj？觟rk J，et al.Current and future impact of osteoarthritis on health care：a population-based study with projections to year 2032[J].Osteoarthritis Cartilage，2014，22（11）：1826-1832.

[8]GBD 2019 Diseases and Injuries Collaborators.Global burden of 369 diseases and injuries in 204 countries and territories， 1990-2019： a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019[J].Lancet，2020，396（10258）：1204-1222.

[9]Li JX，Cummins CL.Fresh insights into glucocorticoid-induced diabetes mellitus and new therapeutic directions[J].Nat Rev Endocrinol，2022，18（9）：540-557.

[10]Rayar AM，Lagarde N，Ferroud C，et al.Update on COX-2 Selective Inhibitors：Chemical Classification，Side Effects and their Use in Cancers and Neuronal Diseases[J].Curr Top Med Chem，2017，17（26）：2935-2956.

[11]夏成凱，吳曉陽.非甾體抗炎藥相關胃潰瘍的預防及治療[J].生命的化學，2023，43（8）：1202-1207.

[12]Mackay D，Hathcock J，Guarneri E.Niacin：chemical forms，bioavailability，and health effects[J].Nutr Rev，2012，70（6）：357-366.

[13]Gasperi V，Sibilano M，Savini I，et al.Niacin in the Central Nervous System：An Update of Biological Aspects and Clinical Applications[J].Int J Mol Sci，2019，20（4）：974.

[14]Wuerch E，Urgoiti GR，Yong VW.The Promise of Niacin in Neurology[J].Neurotherapeutics，2023，20（4）：1037-1054.

[15]Jeong KY，Suh GJ，Kwon WY，et al.The therapeutic effect and mechanism of niacin on acute lung injury in a rat model of hemorrhagic shock：Down-regulation of the reactive oxygen species-dependent nuclear factor κB pathway[J].J Trauma Acute Care Surg，2015，79（2）：247-255.

[16]Godin AM，Ferreira WC，Rocha LT，et al.Nicotinic acid induces antinociceptive and anti-inflammatory effects in different experimental models[J].Pharmacol Biochem Behav，2012，101（3）：493-498.

[17]Taechameekietichai T，Chansangpetch S，Peerawaranun P，et al.Association between Daily Niacin Intake and Glaucoma：National Health and Nutrition Examination Survey[J].Nutrients，2021，13（12）：4263.

[18]Jia D，Bai P，Wan N，et al.Niacin Attenuates Pulmonary Hypertension Through H-PGDS in Macrophages[J].Circ Res，2020，127（10）：1323-1336.

[19]Wu NC，Wang JJ.Niacin Pretreatment Attenuates Lung Ischemia and Reperfusion-Induced Pulmonary Barrier Function Impairment by Reducing Oxidative Stress and Activating SIRT1 in an Isolated-Perfused Rat Lung Model[J].Transplant Proc，2018，50（9）：2834-2838.

[20]Zheng Z，Luo H，Xue Q.Association between niacin intake and knee osteoarthritis pain and function：a longitudinal cohort study[J].Clin Rheumatol，2024.43（2）：753-764.

[21]Ilesanmi-Oyelere BL，Kruger MC.Associations between dietary patterns and an array of inflammation biomarkers and plasma lipid profile in postmenopausal women[J].BMC Womens Health，2023，23（1）：256.

[22]Motta F，Barone E，Sica A，et al.Inflammaging and Osteoarthritis[J].Clin Rev Allergy Immunol，2023，64（2）：222-238.

收稿日期：2024-04-01；修回日期：2024-04-28

編輯/杜帆