徐香梅,徐文華,楊文娜,陳 旋,趙 陽,趙新望,鄭景輝
(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué) 南寧530001;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院 南寧530001)
冠心病是一種慢性血管性疾病,近年來,人們對冠心病的相關(guān)研究日益重視。根據(jù)2017年中國心血管指南數(shù)據(jù)報(bào)告推算冠心病現(xiàn)患人數(shù)1100萬,患病率持續(xù)升高,并為心血管病最大危險(xiǎn)因素之一[1]。人參湯出自張仲景的《金匱要略》,文中記載:“胸痹心中痞,留氣結(jié)在胸,胸滿,脅下逆搶心,枳實(shí)薤白桂枝湯主之,人參湯亦主之?!彪S著現(xiàn)代藥理學(xué)研究不斷發(fā)展,人參湯廣泛用于治療多種心臟疾病,并均有明顯的療效。本研究利用分子對接和系統(tǒng)藥理學(xué)方法,探究人參湯治療冠心病的作用機(jī)制,該方法有并綜合網(wǎng)絡(luò)分析“藥物-靶點(diǎn)-疾病-信號通路”方面。從而整體系統(tǒng)的來分析人參湯中復(fù)雜的網(wǎng)狀協(xié)同作用治療冠心病的原理,此方法為中藥潛在活性成分對治療疾病的作用靶點(diǎn)預(yù)測及作用機(jī)制的闡述的研究提供新思路[2]。
本研究借助中藥系統(tǒng)藥理學(xué)和分析平臺TCMSP(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php),以O(shè)B≥30%,DL≥0.18篩選人參湯中“干姜”、“白術(shù)”、“人參”、“甘草”的有效化合物活性成分。
將TCMSP中篩選出來的有效化合物通過DrugBank數(shù)據(jù)庫(https://www.drugbank.ca/)確認(rèn)出人參湯每個化合物的有效作用靶點(diǎn)。
對同一化合物預(yù)測產(chǎn)生的相同靶點(diǎn)進(jìn)行篩選剔除,錄入U(xiǎn)niProt(https://www.uniprot.org/)數(shù)據(jù)庫中檢索,選擇物種為“Homo sapiens”,剔除重復(fù)、非人源與不規(guī)范的靶點(diǎn),經(jīng)檢索和轉(zhuǎn)化操作最終得到人參湯活性成分的基因靶點(diǎn)(Gene symbol),再將將篩選出來的人參湯化合物和相關(guān)靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape3.7.0軟件中,構(gòu)建化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
利用在線文本挖掘服務(wù)器GeneCards(https://www.genecards.org/)收集與冠心病相關(guān)的靶點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫以關(guān)鍵詞“Coronary heart disease(CHD)”進(jìn)行搜索,通過Gifts算法計(jì)算靶點(diǎn)與冠心病的相關(guān)度,并按照相關(guān)度的排序選擇得分≥30的靶點(diǎn)作為冠心病靶點(diǎn)進(jìn)行研究,并摘錄相應(yīng)的靶點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)基因名。
通過利用Venn在線分析工具獲得人參湯和冠心病共同交集的靶點(diǎn)來確認(rèn)為人參湯治療冠心病的作用靶點(diǎn)。再把作用靶點(diǎn)收集在一起后上傳至在線STRING10.5(http://string-db.org)獲取基因靶點(diǎn)。再運(yùn)用Cytoscape3.7.0軟件對其構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖。
通過采用Davidv6.8.0數(shù)據(jù)庫對人參湯作用于冠心病的靶點(diǎn)蛋白進(jìn)行GO功能富集分析。包括生物過程(BP,biological process),細(xì)胞組分(CC,cellular component),分子功能(MF,molecular function)。將人參湯作用于冠心病的靶點(diǎn)GO功能富集結(jié)果進(jìn)行可視化分析。
利用DAVID平臺的KEGG富集分析功能,對人參湯作用于冠心病的靶點(diǎn)中涉及的18個蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行了研究,富集出23條信號通路,并導(dǎo)入omicshare(http://www.omicshare.com/)進(jìn)行可視化處理。
依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)參數(shù),選出人參湯關(guān)鍵的化合物和靶點(diǎn)。登陸系統(tǒng)分子對接Systems Dock Web Site(Systemsdock)數(shù)據(jù)庫,將人參湯治療冠心病的潛在18個作用靶點(diǎn)輸入PDB ID,找活性位點(diǎn),計(jì)算格點(diǎn),調(diào)整X-Y-Z坐標(biāo)來細(xì)化位置。在系統(tǒng)對接中應(yīng)用AutoDockVina進(jìn)行對接模擬,預(yù)測蛋白質(zhì)和配體結(jié)合的性能,調(diào)整X-Y-Z坐標(biāo)和網(wǎng)格大小以細(xì)化綁定的位置[3]。對接結(jié)果的分?jǐn)?shù)=的負(fù)對數(shù),Docking Scores的值通常為0至10。輸入篩選后的人參湯化合物的結(jié)構(gòu),成功后開始對接,整理對接結(jié)果中的Docking Score并分析。
通過TCMSP軟件以藥物標(biāo)準(zhǔn)OB≥30%和DL≥0.18為條件篩選出人參湯活性化合物共126個,其中干姜5個,人參22個,甘草92個,白術(shù)7個。這126個化合物包括:西拉苯嗪(Celabenzine)、甘草醇(Glycyrol)、7,2',4'-三羥基-5-甲氧基-3-芳基香豆素(7,2',4'-trihydroxy-5-methoxy-3-arylcoumarin)、苦參素(licopyranocoumarin)、利可霉素(liquiritin)、葛根素B(GlepidotinB)、甘草利酮(Licoricone)等。各個化合物的OB和DL值見表1。
為了更直觀地表示化合物分子和靶點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系,構(gòu)建了化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),共有38個化合物節(jié)點(diǎn)和94個靶點(diǎn)節(jié)點(diǎn),126個化合物中有88個未參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。取每一個化學(xué)成分的前20個蛋白,再將這些蛋白導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫中,剔除掉非人源蛋白和重復(fù)蛋白,最后整合共得到84個靶點(diǎn)。將得到的結(jié)果導(dǎo)入Cytoscape軟件中構(gòu)建“化合物成分-作用靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖(圖1)。
根據(jù)Gene-Cards數(shù)據(jù)庫(https://www.GeneCards.org/)分析按照相關(guān)度排序選擇得分≥析按收集冠心病靶點(diǎn)219個[4]。利用Venn分析工具,將人參湯化學(xué)成分靶點(diǎn)與冠心病相關(guān)發(fā)病機(jī)制靶標(biāo)進(jìn)行對比分析,得出人參湯化學(xué)成分靶點(diǎn)與冠心病相關(guān)發(fā)病機(jī)制的18個靶點(diǎn)基因,分別為SCN5A、NOS2、TNF、IL1B、NR3C2、SELE、ADRB1、MMP1、HTR2A、VCAM1、PPARG、ADRB2、F7、IFNG、HMOX1、PON1、KCNH2、ESR1。
為了更直觀地觀察人參湯對冠心病作用的潛在靶點(diǎn)之間的關(guān)系,將人參湯化學(xué)成分靶點(diǎn)與冠心病相關(guān)發(fā)病機(jī)制的18個潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape軟件中構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)(圖3)。如圖所示,人參湯對冠心病作用的潛在靶蛋白PPI網(wǎng)絡(luò)有16個節(jié)點(diǎn)(2個靶蛋白未參與蛋白的相互作用),分別為心臟鈉離子通道α亞單位(SCN5A),一氧化氮合酶(NOS2),腫瘤壞死因子(TNF),重組白細(xì)胞介素1(IL1B),選擇素E(SELE),β1腎上腺素受體(ADRB1),基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP1),重組人血管細(xì)胞粘附分子-1(VCAM1),過氧化物酶體增殖因子活化受體γ(PPARG),β2腎上腺素能受體(RB2),類黃酮7(F7),姜黃素抑制(IFNG),血紅素加氧酶1(HMOX1),對氧磷酶(PON1),離子通道基因(KCNH2),雌激素受體(ESR1)。
表1 人參湯的活性化合物基本信息
為了研究人參湯中作用靶點(diǎn)具備的基因功能,借助DAVID數(shù)據(jù)庫進(jìn)行GO功能富集分析,得出109個GO條目,其中生物過程相關(guān)的條目最多,共有85條生物過程(BP),主要包括趨化因子生物合成過程的正向調(diào)控,一氧化氮生物合成工藝的正反饋,基因表達(dá)負(fù)調(diào)控,胰島素分泌調(diào)節(jié),膜蛋白外域蛋白水解陽性調(diào)節(jié),基因表達(dá)負(fù)調(diào)控,類固醇激素介導(dǎo)的信號通路,白介素6生物合成過程的陽性調(diào)節(jié),殺傷其他生物細(xì)胞的陽性調(diào)節(jié)等方面;其中有10條細(xì)胞組分(CC),主要包括質(zhì)膜,肌纖維膜,細(xì)胞質(zhì)的核周區(qū)域,等離子體膜,細(xì)胞外空間等組成部分。并有14條分子功能(MF),主要包括腎上腺素,去甲腎上腺素,酶結(jié)合,蛋白質(zhì)同源二聚化的激活和類固醇激素受體活性等方面。將人參湯PPI網(wǎng)絡(luò)的GO功能富集蛋白通過GraphPad軟件做出BP,CC,MF柱狀圖,具體GO分析注釋見圖4。
圖1 人參湯化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
圖2 人參湯-冠心病共同靶點(diǎn)圖
圖3 人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)
為了明確人參湯作用靶點(diǎn)在信號通路中的作用,通過DAVID數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行KEGG通路富集分析功能,分析結(jié)果顯示人參湯作用于冠心病的通路有23條,其中 包 括NF-κB信 號 通 路(NF-kappa B signaling pathway),腫瘤壞死因子信號通路(TNF signaling pathway),鈣信號傳導(dǎo)途徑(Calcium signaling pathway),心肌細(xì)胞中的腎上腺素能信號傳導(dǎo)(Adrenergic signaling in cardiomyocytes),HIF-1信號通路(HIF-1 signaling pathway),非洲錐蟲?。ˋfrican trypanosomiasis),瘧疾(Malaria),阿米巴?。ˋmoebiasis),I型糖尿?。═ype I diabetes mellitus)等。將KEGG通路富集的通路有23條導(dǎo)入omicshare平臺做出高級氣泡圖,具體分析見圖5。
通路富集分析KEGG分析發(fā)現(xiàn)人參湯作用于冠心病的靶點(diǎn)的通路有23條,其中按FDR<0.05選取有19條信號通路富集最相關(guān)(表2)。點(diǎn)擊相關(guān)性較大的NF-κB信號通路Chart(圖6)。
根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)PTGS2、ESR1、AR、PTGS1、NCOA2為計(jì)算中最重要的五個靶點(diǎn),分別是MOL005384(Suchilactone蘇齊內(nèi)酯)、MOL000358(beta-sitosterol谷固醇;甾醇,植物甾醇)、MOL000422(kaempferol山柰酚;堪非醇)、MOL000787(fumarine原阿片堿;延胡索堿)、MOL000449(stigmasterol豆固醇;豆甾醇;豆甾烯醇)為計(jì)算中最重要的五個化合物分子對接結(jié)果。分子對接結(jié)果分析見表3。分子對接結(jié)果顯示人參湯多個靶點(diǎn)的Docking Score值大于8.0證明有強(qiáng)烈的結(jié)合活性(圖7)。由此表明人參湯與人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)有較好的結(jié)合活性。
圖4 人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)的GO功能富集BP、CC、MF分析柱狀圖
冠心病是一種慢性血管性疾病,其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,涉及脂質(zhì)代謝,血流動力學(xué),細(xì)胞凋亡以及一系列炎癥反應(yīng)等各個方面。常年處于較高的發(fā)病率和死亡率,探索一種安全有效的科學(xué)治療方法迫在眉睫。近年來,冠心病的診斷與治療有了長足的進(jìn)步,但其病因?qū)W與發(fā)病機(jī)理的研究仍進(jìn)展緩慢。本研究采用綜合網(wǎng)絡(luò)“藥物-靶點(diǎn)-疾病-信號通路”等分析,從整體系統(tǒng)的分析人參湯干預(yù)冠心病的潛在作用靶點(diǎn)的作用機(jī)制,為預(yù)防及治療冠心病提供科學(xué)依據(jù),對于闡述其治病的科學(xué)性具有重要意義。
本研究在檢索人參湯4味中藥的化學(xué)成分和作用靶點(diǎn)后,構(gòu)建化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的過程中發(fā)現(xiàn)人參湯中可能潛在的關(guān)鍵化合物包括PTGS2,PTGS1,ADRB2等。PTGS1和PTGS2同源于PTGS,屬于它的2種異構(gòu)酶,也是起重要作用的限速酶,PTGS廣泛參與機(jī)體的腫瘤新生、炎癥反應(yīng)、凝血平衡等病理過程[5]。由此可知,PTGS極大可能參與了機(jī)體發(fā)病機(jī)制過程。ADRB2是β1腎上腺素能受體,主要存在血管平滑肌細(xì)胞和腎臟的多種細(xì)胞中,參與交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)體的一部分。郭威早[6]等認(rèn)為β2腎上腺素能受體在心肌細(xì)胞中和糖皮質(zhì)激素受體具有明顯的關(guān)聯(lián)性,該受體可通過調(diào)節(jié)腎臟Na+、血管緊張肽原酶、腎素來調(diào)節(jié)血壓,從而影響心肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)機(jī)制。羅亨全[7]等認(rèn)為ADRB2其基因位于第5號染色體,介導(dǎo)兒茶酚胺遞質(zhì)產(chǎn)生生理學(xué)效應(yīng)。由此可推斷,ADRB2受體通過改變血管緊張性和兒茶酚胺等多種途徑參與了冠心病的發(fā)病過程。
圖5 人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)KEGG通路富集分析氣泡圖
面對冠心病的發(fā)病機(jī)制是存在復(fù)雜性,本研究在此方面進(jìn)行了更深入的研究,為了明確人參湯作用靶點(diǎn)在信號通路中的作用,結(jié)合系統(tǒng)藥理學(xué)的系統(tǒng)分子對接中找出關(guān)鍵人參湯的關(guān)鍵化合物和靶點(diǎn)。預(yù)測其蛋白質(zhì)和配體結(jié)合的性能,分子對接結(jié)果顯人參湯多個靶點(diǎn)的Docking Score值大于8.0證明有強(qiáng)烈的結(jié)合活性由此表明人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)有非常強(qiáng)的結(jié)合活性。并通過進(jìn)行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析功能,GO分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物過程相關(guān)的條目最多,有85條生物過程,主要包括趨化因子生物合成過程的正向調(diào)控,一氧化氮生物合成工藝的正反饋,基因表達(dá)負(fù)調(diào)控,胰島素分泌調(diào)節(jié),膜蛋白外域蛋白水解陽性調(diào)節(jié),類固醇激素介導(dǎo)的信號通路,白介素6生物合成過程的陽性調(diào)節(jié)等方面。其次發(fā)現(xiàn)14條分子功能主要在腎上腺素,去甲腎上腺素,酶結(jié)合,蛋白質(zhì)同源二聚化的激活和類固醇激素受體活性等方面發(fā)揮作用。另外有10條細(xì)胞組分,主要包括對質(zhì)膜,肌纖維膜,細(xì)胞質(zhì)的核周區(qū)域,等離子體膜,細(xì)胞外空間等組成部分參與了其中。由此本研究可得出,人參湯對治療冠心病的作用靶點(diǎn)與這三個方面的參與調(diào)控和改變密切相關(guān)。在進(jìn)行(KEGG)通路富集分析出來的23條信號通路中發(fā)現(xiàn)NF-κB信號通路相關(guān)性較大,NF-κB作為信號傳導(dǎo)途徑中的重要樞紐,在心血管復(fù)雜的生理病理過程中起著重大影響。闡明其病理機(jī)制和NF-κB兩者的相互關(guān)系有利于防治心血管疾病。
表2 人參湯作用于冠心病的蛋白的富集通路表
圖6 人參湯中NF-κB信號通路潛在靶基因的KEGG通路分析
表3 人參湯中主要活性成分?人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)分子對接結(jié)果
圖7 人參湯對冠心病作用靶點(diǎn)分子對接的結(jié)合活性
本研究發(fā)現(xiàn)炎癥相關(guān)的信號通路主要富集在NF-κB信號通路,通過調(diào)節(jié)NF-κB及相關(guān)因子,減少TNF-α、IL-1β、NO等炎癥因子的釋放,阻礙其致炎作用。核因子κ因作為一種起重大作用的轉(zhuǎn)錄因子,存在于血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中,參與著機(jī)體的免疫應(yīng)答,防御功能及炎癥反應(yīng)有關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控[8]。國外文獻(xiàn)有資料已證實(shí),NF-κB可調(diào)節(jié)多種參與炎癥、免疫、細(xì)胞增殖反應(yīng)的細(xì)胞因子、粘附分子、炎癥介質(zhì)、蛋白酶的基因表達(dá),從而影響生物合成[9]。最新研究發(fā)現(xiàn),核因子κ因(NF-κB)基因被克隆30多年來,人們對它的研究日趨深入,已發(fā)現(xiàn)一系列受其調(diào)控的基因,這些靶基因產(chǎn)物在大量參與了細(xì)胞生存、增值和分化、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡衰老等多個環(huán)節(jié)的心血管疾病病理過程[10]。NF-κB可通過調(diào)控促炎因子TNFα、IL-1α及COX-2和iNOS誘導(dǎo)酶等基因編碼來參與炎癥反應(yīng)[11]。潘海燕[12]等認(rèn)為NF-κB及AP-1對心肌組織中異位胰蛋白酶及促炎細(xì)胞因子的調(diào)控作用。陳濤[13]等研究表明,NF-κB調(diào)控致炎因子、粘附分子等多種細(xì)胞因子的表達(dá),這些因子促進(jìn)單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)轉(zhuǎn)錄激活,并進(jìn)一步促進(jìn)粥樣硬化病灶的形成。因此可知,動脈粥樣硬化病變主要是受趨化因子單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)的調(diào)控。NF-κB在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中起著直接間接的作用。并已有國外文獻(xiàn)研究表明,NF-κB在單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)扮演著轉(zhuǎn)錄激活的作用。肺炎鏈球菌感染刺激人內(nèi)細(xì)胞MCP-1基因表達(dá)需要NF-κB信號通路的激活[14]。由此可發(fā)現(xiàn),NF-κB參與血管炎性反應(yīng)與動脈粥樣硬化病灶發(fā)生發(fā)展密切有關(guān)。郝進(jìn)[15]等發(fā)現(xiàn)活化補(bǔ)體成分誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞生成IL-8及MCP-1由NF-κB途徑調(diào)控,進(jìn)而促進(jìn)缺血心肌的血管生成,Psel基因啟動子促進(jìn)Psel基因的表達(dá),在2 h時能檢測到這種增高。并定向歸巢于缺血心肌,其作用與NF-κB介導(dǎo)的微血管內(nèi)皮細(xì)胞引發(fā)的損傷后反饋有關(guān)。由此可見,人參湯主要通過影響血流動力學(xué)和組織代謝、細(xì)胞增殖、分裂,分化、凋亡和抵抗各種刺激的反應(yīng),如氧化應(yīng)激、炎癥、缺血等而發(fā)揮治療冠心病的作用。
AP-1是腫瘤壞死因子受體,也是參與多種信號通路的關(guān)鍵受體。潘海燕[16]等認(rèn)為AP-1參與調(diào)控多種炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子的表達(dá)。如李群益[17]等發(fā)現(xiàn)人參皂苷代謝產(chǎn)物通過抑制腫瘤壞死因子-α(TNF-α),從而誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞分泌RANTES,此誘導(dǎo)機(jī)制跟抑制AP-1對下游靶基因的調(diào)控有關(guān)。TNF作為一種能夠直接殺傷腫瘤細(xì)胞而對正常細(xì)胞無明顯毒性的細(xì)胞因子,是目前所發(fā)現(xiàn)直接殺傷腫瘤作用最強(qiáng)的生物活性因子之一??煞譃門NF-α,TNF-β兩種,TNF家族除這兩種外還發(fā)現(xiàn)約30種。在本研究中作為腫瘤壞死因子信號通路,具有明顯的生物學(xué)功能,通過引發(fā)炎癥從而致細(xì)胞生長分化和凋亡,并在血管內(nèi)皮損傷過程中發(fā)揮重要的作用。TNF-的是一個強(qiáng)有力的炎癥介質(zhì),體外循環(huán)前后出現(xiàn)不同程度的升高,可能與刺激激活了機(jī)體的炎癥反應(yīng)有關(guān)。體外循環(huán)過程中這種變化雖不是一種損害,是機(jī)體對損傷的一種生理反應(yīng)過程[18]。而這一過程間接的引發(fā)了微血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷,從而參與血管炎性反應(yīng)與動脈粥樣硬化病灶發(fā)生發(fā)展。
綜上所述,人參湯現(xiàn)今臨床上廣泛用于多種心臟疾病,如心肌梗死、心衰及心律失常尤其是冠心病心絞痛,在改善心肌供血、抑制炎性反應(yīng)、抗動脈粥樣硬化、減少心肌氧耗等均有較好的療效。本研究通過應(yīng)用分子對接和系絡(luò)藥理學(xué)等方法,從整體性,系統(tǒng)性來分析人參湯多成分、多途徑、多靶點(diǎn)協(xié)同作用在干預(yù)冠心病的作用原理,充分體現(xiàn)了中藥復(fù)方在治療疾病的整體性和綜合性特點(diǎn)。在系統(tǒng)藥理學(xué)的研究過程中,本研究結(jié)果只初步預(yù)測了人參湯相關(guān)藥理學(xué)作用和相關(guān)機(jī)制。還尚未發(fā)現(xiàn)人參湯和冠心病存在明確的靶點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系,需進(jìn)一步對其治療疾病具體作用機(jī)制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,利用高效液相和質(zhì)譜分析的手段進(jìn)一步分析其入血成分。更需要進(jìn)行更深入的研究以明確人參湯治療冠心病的間接調(diào)控作用如:腸道菌群調(diào)節(jié)、外泌體調(diào)節(jié)等,同時拓寬人參湯的用藥思路。
世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化2019年11期