郭思琦,姜春燕,張百霞**
(1. 河北大學(xué)中醫(yī)學(xué)院 保定 071002;2. 中國(guó)藥科大學(xué)中藥學(xué)院 南京 211198)
類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(Rheumatoid arthritis,RA)是一種病因未明的以滑膜炎和血管翳為主、以對(duì)稱性關(guān)節(jié)炎為主要臨床表現(xiàn)的異質(zhì)性、系統(tǒng)性的慢性自身免疫功能障礙性疾病[1]。RA 在我國(guó)發(fā)病率約為0.32%-0.37%,多見于中年女性[2]。RA 不但影響身體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),還會(huì)累及心臟、腎臟、呼吸等系統(tǒng),嚴(yán)重影響人們的正常生活和工作[3]。
根據(jù)RA 的臨床表現(xiàn),中醫(yī)將其歸為“痹癥”。痹癥主要由于風(fēng)寒濕等邪毒侵入,引起經(jīng)絡(luò)阻塞,氣血不暢所致。藤類藥物有通經(jīng)入絡(luò)功效,常用于臨床治療多種風(fēng)寒濕痹。忍冬藤為忍冬科植物忍冬(Lonicera japonicaThunb.)的干燥莖枝,味甘、寒,歸肺、胃經(jīng),具有清熱解毒,疏風(fēng)通絡(luò)的功效[4]。《本草綱目》記載忍冬藤“治一切風(fēng)濕氣及諸腫痛”,《履巉巖本草》記載忍冬藤“治筋骨疼痛”?,F(xiàn)代數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和挖掘分析表明,忍冬藤為醫(yī)家治療RA 的常用藥物。如分別對(duì)國(guó)醫(yī)大師劉祖貽[5]、馬文輝[6]、王慶國(guó)教授[7]治療RA 臨床經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)三位醫(yī)家治療RA 的高頻次藥味均包含忍冬藤?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,忍冬藤被廣泛應(yīng)用于風(fēng)濕、類風(fēng)濕和痛風(fēng)等疾病的治療[8-10]。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué),是從生物網(wǎng)絡(luò)的角度研究疾病的發(fā)生發(fā)展過程、認(rèn)識(shí)藥物與機(jī)體的相互作用,并指導(dǎo)新藥發(fā)現(xiàn)的學(xué)科[11-12]。其基本思想是研究疾病狀態(tài)下的生物網(wǎng)絡(luò),而非與疾病相關(guān)的個(gè)別基因或蛋白,從而達(dá)到綜合的防治效果。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法能夠從中藥調(diào)控的整體生物網(wǎng)絡(luò)層面進(jìn)行分析,融合了海量的生物學(xué)和中醫(yī)藥領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和技術(shù),并利用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù),同時(shí)具有快速高效的特點(diǎn),因此該方法被越來越廣泛的應(yīng)用到中藥作用機(jī)理解析中[13-15]。目前,利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討RA 的發(fā)病機(jī)制已有大量研究,但忍冬藤治療RA 的作用機(jī)制還未見系統(tǒng)解析與報(bào)道。本研究基于實(shí)體語法系統(tǒng),構(gòu)建忍冬藤治療RA 的生物網(wǎng)絡(luò),以推斷化學(xué)成分作用靶點(diǎn)與RA 相關(guān)靶點(diǎn)蛋白的作用關(guān)系,從而辨識(shí)忍冬藤治療RA 的有效成分,解析忍冬藤治療RA的作用機(jī)制。
忍冬藤的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù):來源于TCMSP 數(shù)據(jù)庫(kù)和TCMD 數(shù)據(jù)庫(kù),以藥代動(dòng)力學(xué)(ADME)參數(shù)確定藥物口服生物利用度≥30%、類藥性≥0.18為篩選條件,篩選化學(xué)成分。并利用CNKI 和PubMed 中的文獻(xiàn)(1979-2019 年)進(jìn)行補(bǔ)充。利用Chemical Book、愛化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所得化學(xué)成分名稱進(jìn)行規(guī)范,共得到化學(xué)成分54個(gè)。
化學(xué)成分作用靶點(diǎn)蛋白數(shù)據(jù):來源于Stitch 5.0(http://stitch.embl.de./),以化學(xué)成分名稱為檢索條件,置信度為0.400,數(shù)據(jù)來源于文本挖掘、共表達(dá)、基因融合等8種方法。
RA 相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù):來源于GAD 數(shù)據(jù)庫(kù),共得到185個(gè)疾病靶點(diǎn)。
生物學(xué)反應(yīng)及信號(hào)通路數(shù)據(jù):來源于Reactome 數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.reactome.org)。Reactome 包含了人類的6792 個(gè)復(fù)合物、7327 個(gè)蛋白質(zhì),共1522 個(gè)生物學(xué)反應(yīng)、7075 個(gè)反應(yīng)以及各種生物分子的亞細(xì)胞定位信息。本課題組前期通過對(duì)原始下載數(shù)據(jù)的提取,得到了用于建立模型的數(shù)據(jù),包括蛋白質(zhì)、大分子復(fù)合物、小分子和生化反應(yīng)的編號(hào)和名稱。
小分子代謝數(shù)據(jù):來源于文獻(xiàn)“The Edinburgh human metabolic network reconstruction and its functional analysis”[16],該文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)收集了KEGG(http://www.genome.jp/kegg/)[17]和HumanCyc(http://www.humancyc.org/)[18]數(shù)據(jù)庫(kù)中的小分子代謝反應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。
實(shí)體語法系統(tǒng)(Entity Grammar System,EGS)是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模提出的一種形式化語法系統(tǒng),可用來描述復(fù)雜系統(tǒng)的組成單位、組織方式和變化規(guī)律[19]。EGS用五元組G=(VN,VT,F,P,S)表示,其中各項(xiàng)分別表示非末端字符集,末端字符集,操作子集,規(guī)則集,初始字符。當(dāng)不考慮或者不區(qū)分末端字符與非末端字符時(shí),用四元組G=(V,F,P,S)表示,其中V=VN∪VT。操作子集F 的每一個(gè)元素表示字符的組織方式,字符采用這種組織方式所形成的單元E(V, F)叫實(shí)體。四元組分別對(duì)應(yīng)于復(fù)雜系統(tǒng)建模的四個(gè)方面,即基本組成單位、復(fù)雜系統(tǒng)中的基本結(jié)構(gòu)、由結(jié)構(gòu)所組成的實(shí)體轉(zhuǎn)換規(guī)則以及由基本組成單位按照結(jié)構(gòu)類型組成的特定實(shí)體。實(shí)體語法系統(tǒng)可以由特定的實(shí)體出發(fā),根據(jù)特定的轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行推演得到新的實(shí)體。
本研究將實(shí)體語法系統(tǒng)用于忍冬藤化學(xué)成分靶點(diǎn),作用于RA 相關(guān)靶點(diǎn)的生物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和中藥作用效應(yīng)在背景網(wǎng)絡(luò)中的傳遞和推演,V 主要包含組成忍冬藤作用生物網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)類型,包括中藥化學(xué)成分及其作用靶點(diǎn),疾病名稱以及相關(guān)蛋白靶點(diǎn),復(fù)雜小分子和蛋白等;F 包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)關(guān)系類型以及為后續(xù)推斷過程所準(zhǔn)備的虛擬實(shí)體類型;P 所包含的規(guī)則用于忍冬藤作用靶點(diǎn)與RA疾病靶點(diǎn)關(guān)系的推斷;F包括網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)關(guān)系類型(interaction,neg,pos 等),通過以上原理來進(jìn)行忍冬藤作用機(jī)理的解析。推理規(guī)則如下:
Cytoscape 是一個(gè)基于Java 技術(shù)的開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)可視化軟件平臺(tái),主要用于復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析[20]。本研究利用Cytoscape 3.7.1 繪制生物網(wǎng)絡(luò)圖,展示forward(C,D,F,M)中的生物分子。在生物網(wǎng)絡(luò)中,“節(jié)點(diǎn)(node)”表示化學(xué)成分、靶蛋白、以及其他小分子,“邊(edge)”表示化學(xué)成分與靶點(diǎn)之間的關(guān)系。
表1 忍冬藤治療RA的有效成分
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)外觀,反映各結(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。本研究利用Cytoscape
3.7.1 軟件中CytoNCA 插件進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析,以degree 值、betweenness 值、closeness 值大于其平均值的節(jié)點(diǎn)為指標(biāo)進(jìn)行篩選,得出網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),即忍冬藤治療RA的關(guān)鍵作用靶點(diǎn)。
David是一種整合多種數(shù)據(jù)庫(kù)資源的數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用改良的Fisher精確檢驗(yàn)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)基因集的富集分析。本研究利用DAVID 6.7 Functional Annotation Clustering中Gene Ontology 的分子功能條目對(duì)關(guān)鍵蛋白的生物過程(BP)進(jìn)行KEGG 通路富集分析[21]。選擇P<0.05和FDR <0.05的條目作為顯著富集的通路,即忍冬藤治療RA的生物通路。
本研究建立了忍冬藤、RA 相互作用的生物網(wǎng)絡(luò),以忍冬藤中所有化學(xué)成分為起點(diǎn),RA 為終點(diǎn),將忍冬藤的化學(xué)成分與RA 的相關(guān)蛋白連接,深入探討忍冬藤抗類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的作用機(jī)制,忍冬藤化學(xué)成分作用于RA 相關(guān)靶點(diǎn)的生物網(wǎng)絡(luò)(見圖1),共包括2 289 個(gè)節(jié)點(diǎn)和5 278 條邊。生物網(wǎng)絡(luò)中,紅色菱形代表忍冬藤治療RA 的有效化學(xué)成分,包括:木樨草素、綠原酸、蘆丁、芳樟醇、棕櫚酸、丁香酸、槲皮素等31 個(gè)化學(xué)成分;綠色圓形代表化學(xué)成分的靶點(diǎn)蛋白;藍(lán)色正方形代表網(wǎng)絡(luò)中的小分子復(fù)合物;橙色三角形代表網(wǎng)絡(luò)中的小分子;黃色平行四邊形代表生物化學(xué)途徑。灰色的邊代表忍冬藤中某化學(xué)成分對(duì)其相關(guān)靶點(diǎn)為促進(jìn)作用,黑色的邊代表抑制作用,粉色的邊代表未知的相互作用關(guān)系。
將生物網(wǎng)絡(luò)中能通過一條或多條生物途徑作用到RA相關(guān)靶點(diǎn)的化學(xué)成分作為忍冬藤治療RA的有效成分,最終得到包括木樨草素、綠原酸、蘆丁、芳樟醇、棕櫚酸、丁香酸、槲皮素等在內(nèi)的31個(gè)有效成分(見表1)。
木樨草素[22]和咖啡酸[23]均具有抗炎、免疫調(diào)節(jié)作用,可調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答、影響炎癥反應(yīng)及調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng),在控制類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病程進(jìn)展中發(fā)揮抗炎、抗免疫作用,減輕類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎惡化;Li等[24]曾建立膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎(CIA)小鼠模型,得出芹菜素可通過抑制滑膜增生、血管生成和破骨細(xì)胞生成來抑制CIA,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RA 的保護(hù)作用;蘆丁可通過抑制NF-κB 信號(hào)通路降低氧化應(yīng)激和促炎細(xì)胞因子,從而抗RA[25]。槲皮素可減少RA 軟骨細(xì)胞基質(zhì)降解和細(xì)胞凋亡,可抗骨內(nèi)細(xì)胞衰老,從而預(yù)防和治療骨關(guān)節(jié)破壞,在多種關(guān)節(jié)疾病中均有保護(hù)和治療作用[]。丹皮酚具有明顯的抑制滑膜組織炎癥反應(yīng)和RA 進(jìn)展的作用,潛在機(jī)制可能是 通 過 衰 減TLR4-NF-κB 激 活 實(shí) 現(xiàn)[29]。Somaiya Mateen等[30]發(fā)現(xiàn)外周血單個(gè)核細(xì)胞(PBMC)培養(yǎng)中,發(fā)現(xiàn)丁香酚對(duì)RA患者的PBMC培養(yǎng)具有明顯的抗炎、抗氧化作用。由此可見,本研究得到的忍冬藤抗RA 的有效成分具有一定可靠性。
利用CytoNCA 插件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析,取Degree 值、Betweenness 值、Closeness 值大于其平均值的節(jié)點(diǎn),包括CYP17A1、CYP8B1、POMC、CYP19A1、
AKT1、 CYP1B1、 MAPK1、 AKR1B1、 JUN、 SP1、BHLHE39、CYP1A1、PPARA 共計(jì)13 個(gè),為忍冬藤治療RA的關(guān)鍵靶點(diǎn)(見表2)。
圖1 忍冬藤化學(xué)成分作用于RA相關(guān)靶點(diǎn)的生物網(wǎng)絡(luò)
經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),本研究得到的13個(gè)忍冬藤治療RA 的關(guān)鍵靶點(diǎn)蛋白均與RA 有關(guān)。例如,腦內(nèi)p-內(nèi)啡肽在中樞中分布廣泛,具有較強(qiáng)的嗎啡樣活性,對(duì)RA有較強(qiáng)的鎮(zhèn)痛作用。POMC(阿黑皮素原)為腦內(nèi)p-內(nèi)啡肽的前體物質(zhì),因此POMC 表達(dá)水平越高則鎮(zhèn)痛效果愈加顯著[31]。另外,RA 是一種自身免疫疾病[32],促腎上腺皮質(zhì)激素是一種可調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)中大多數(shù)細(xì)胞,對(duì)神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌系統(tǒng)均有調(diào)節(jié)作用的激素,POMC 是促腎上腺皮質(zhì)激素的前體物質(zhì),因此POMC表達(dá)水平越高則免疫調(diào)節(jié)能力越好。破骨細(xì)胞是導(dǎo)致RA骨破壞的主要原因之一[33],絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)信號(hào)通路活化是破骨細(xì)胞形成的關(guān)鍵通路[34],抑制p38 MAPK信號(hào)通路可減少破骨細(xì)胞分化,減輕動(dòng)物實(shí)驗(yàn)性關(guān)節(jié)炎進(jìn)程和關(guān)節(jié)損傷[35]。綜上所述,本研究得到的忍冬藤抗RA的關(guān)鍵靶點(diǎn)具有一定可靠性。
本研究對(duì)表2 中13 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行富集分析,共得到55條通路(見表3)。
表2 忍冬藤治療RA的關(guān)鍵靶點(diǎn)蛋白
富集分析所得生物通路大致可分為:激素調(diào)節(jié)、脂質(zhì)代謝調(diào)控、細(xì)胞周期及凋亡調(diào)控、促肝臟發(fā)育四方面。從動(dòng)物、人類流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),RA 發(fā)病高峰期與絕經(jīng)期相吻合,這提示雌激素缺乏可能是RA 的發(fā)病原因之一[36]。實(shí)驗(yàn)研究表明,接受卵巢切除(OVX)降低雌激素水平的小鼠,與接受雌激素治療的OVX 小鼠或者未接受OVX 的正常雌激素水平小鼠相比,關(guān)節(jié)炎發(fā)生率高且病情更嚴(yán)重[37]。早在十五年之前,便有研究發(fā)現(xiàn)激素替代療法可減少紅細(xì)胞沉降率、血清血紅蛋白水平升高、增加骨密度,使關(guān)節(jié)糜爛進(jìn)展減慢,臨床療效改善,同樣證明激素水平在RA 病程中必須給予關(guān)注[38];另有臨床研究表明,雌激素可在一定程度上抑制破骨細(xì)胞活性,促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖[39]。綜合上文可知,本研究通過富集分析所得激素的調(diào)節(jié)、代謝相關(guān)通路GO:0034754、GO:0042445、GO:0010817、GO:0009725可能是忍冬藤治療RA的生物通路。
Andonian Brian J等[40]發(fā)現(xiàn),肥胖或超重的RA患者比體重正常的RA 患者滑膜炎更嚴(yán)重;Ferguson Lyn D等[41]以腰圍為指標(biāo)評(píng)判中心性肥胖與RA的聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)中心性肥胖會(huì)增加RA 患病率。脂質(zhì)攝入過多會(huì)導(dǎo)致肥胖、脂肪酸代謝途徑、類固醇的代謝過程均會(huì)調(diào)控肥胖,從而影響RA 發(fā)病率。由此可知,類固醇代謝過程(GO:0008202)、對(duì)脂多糖的反應(yīng)(GO:0032496)、脂肪酸-氧化的調(diào)節(jié)(GO:0031998)、調(diào)節(jié)脂質(zhì)分解代謝過程(GO:0050994)、脂肪酸氧化的調(diào)節(jié)(GO:0046320)、脂類生物合成的過程(GO:0008610)、脂質(zhì)代謝過程的正向調(diào)控(GO:0045834)、脂肪酸代謝過程的調(diào)節(jié)(GO:0019217)均為忍冬藤治療RA的關(guān)鍵生物途徑。
RA 屬風(fēng)濕痹癥,系肝腎虧虛、精血不足、筋骨失養(yǎng)所致。根據(jù)中醫(yī)基礎(chǔ)藏象學(xué)說,肝主疏泄、主藏血,包括肝、膽等臟器[42]。另外,肝臟化學(xué)成分異常、肝纖維化經(jīng)常出現(xiàn)在RA 病程中。因此,肝臟發(fā)育(RAGO:0001889)是忍冬藤治療RA的一條潛在的生物途徑。
RA 為慢性疾病,發(fā)病時(shí)伴有關(guān)節(jié)損傷和骨質(zhì)破壞,在RA 的病程中,破骨細(xì)胞分化和破骨細(xì)胞相關(guān)蛋白的上調(diào)會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)被侵襲和破壞[43]??煞只癁槠乒羌?xì)胞的前體包含單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、DCs(不成熟樹突狀細(xì)胞)及MDSCs(骨髓來源的抑制性細(xì)胞),而細(xì)胞分化涉及基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯等過程,因此細(xì)胞生物合成過程的正向調(diào)控(GO:0031328)、蛋白質(zhì)運(yùn) 輸(GO:0017038)、基 因 表 達(dá) 的 正 調(diào) 控(GO:0010628)可能是忍冬藤治療RA的相關(guān)生物通路。
有研究[44]發(fā)現(xiàn),miRNA 的異常表達(dá)與滑膜細(xì)胞的增殖、凋亡、侵襲、轉(zhuǎn)移關(guān)系密切,參與RA 炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)、敏感性和骨破壞,調(diào)控細(xì)胞信號(hào)通路和細(xì)胞外基質(zhì)降解,是RA 的潛在診斷標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。因此,細(xì)胞凋亡的正向調(diào)控(GO:0043065)、細(xì)胞死亡的正調(diào)控(GO:0010942)也可能是忍冬藤治療RA 的生物通路。
綜上所述,已有相關(guān)報(bào)道的和RA 相關(guān)的生物通路共涉及四個(gè)方面,說明忍冬藤可通過48條生物通路治療RA。目前,本研究還不能確定其他7條生物通路是否是忍冬藤治療RA的生物通路。
忍冬藤是治療風(fēng)濕痹癥、抗RA 的臨床常用藥,本研究基于“實(shí)體語法系統(tǒng)”構(gòu)建忍冬藤抗類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎生物網(wǎng)絡(luò),探討忍冬藤抗RA 的有效成分和作用機(jī)制。不同于蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)[45],本研究所構(gòu)建的生物網(wǎng)絡(luò)包含蛋白、基因、小分子代謝物等人體內(nèi)所有小分子類型,使網(wǎng)絡(luò)模型具有更高的仿真能力。
本研究通過對(duì)忍冬藤抗類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎生物網(wǎng)絡(luò)的分析,辨識(shí)出忍冬藤抗RA的31個(gè)有效成分,包括木樨草素、芹菜素、蘆丁、槲皮素、丁香酸等。忍冬藤的31 個(gè) 有 效 成 分 作 用 于CYP17A1、CYP8B1、POMC、CYP19A1 和AKT1 等13 個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),通過以下五點(diǎn)發(fā)揮作用:①激素調(diào)節(jié)影響破骨細(xì)胞的活性;②脂質(zhì)、脂肪酸代謝途徑影響體脂率;③調(diào)控轉(zhuǎn)錄和翻譯過程影響細(xì)胞分化成破骨細(xì)胞;④調(diào)控RNA的表達(dá)和細(xì)胞凋亡,影響免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng);⑤調(diào)節(jié)肝臟發(fā)育,從而發(fā)揮治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的作用。
通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),大部分有效成分具有抗RA作用,大部分生物通路為忍冬藤治療RA 的生物通路,這說明基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討忍冬藤抗RA 的有效成分及作用機(jī)制具有可靠性。但是,有些化學(xué)成分的抗RA作用以及少部分生物途徑(如GO:0055114、GO:0010557)是否和RA相關(guān)還未見報(bào)道。
隨著網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展,本研究將構(gòu)建包含機(jī)體內(nèi)所有生物分子類型的動(dòng)態(tài)生物網(wǎng)絡(luò),提高生物網(wǎng)絡(luò)的仿真能力。本課題組將進(jìn)一步驗(yàn)證本次研究得到的有效成分是否為忍冬藤抗RA 的有效成分,為抗RA 的新藥研發(fā)奠定基礎(chǔ);將明確7 條生物通路是否是忍冬藤治療RA 的生物通路,為RA 發(fā)病機(jī)制研究提供依據(jù)。