運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)算法分析新型冠狀病毒肺炎中藥預(yù)防方的組方規(guī)律

錢永昌 俞 芹 何建華 李月琴 王 蔚

（泰州市姜堰中醫(yī)院，江蘇泰州225500）

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱新冠肺炎）可歸屬于中醫(yī)學(xué)“疫病”范疇，中醫(yī)藥在防疫抗疫中發(fā)揮了重要作用。治未病是中醫(yī)特色，針對新冠肺炎的預(yù)防，部分地區(qū)的疫情防控指南及方案中推出了中藥預(yù)防方，中醫(yī)專家也擬定了相關(guān)處方?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的挖掘，是以復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系為社團(tuán)結(jié)構(gòu)，研究網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點潛在的和整個網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的聯(lián)系和對整個網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)影響[1]。近年來，有人嘗試用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論解決中藥方劑配伍等復(fù)雜問題，為中藥方劑研究開辟了新方法[2]。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)能夠有效地挖掘方劑數(shù)據(jù)庫的中藥配伍規(guī)律，為方劑與中藥、方劑與病證、方劑與療法之間交錯關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)系輔以科學(xué)解釋，給中醫(yī)藥理論提供科學(xué)實證。

本研究我們收集新冠肺炎預(yù)防方，構(gòu)建若干相互作用的中藥節(jié)點及其關(guān)系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的聚類解析算法，計算各味中藥在該網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重參數(shù)，體現(xiàn)新冠肺炎預(yù)防處方中藥物之間的相互聯(lián)系及其規(guī)律，為進(jìn)一步提煉和優(yōu)化預(yù)防新冠肺炎等疫病的中藥方劑提供支持。

1 研究資料

收集2020年1月至2020年6月全國各地預(yù)防新冠肺炎的中藥處方，包括國家及地方政府、衛(wèi)生行政部門發(fā)布的疫情防控指南及方案中所列預(yù)防方劑以及高等中醫(yī)藥院校、院士、國醫(yī)大師、三級中醫(yī)醫(yī)院發(fā)布的預(yù)防方共88首（見表1，按處方來源以收集時間先后為序），方劑組方思路各異，藥物組成不同，每方2～14味，共涉及109種中藥。

表1 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物組成

2 研究方法

2.1 統(tǒng)計中藥出現(xiàn)次數(shù)及配伍次數(shù) 對109種藥物在不同預(yù)防方中出現(xiàn)的次數(shù)，以條形圖形式在坐標(biāo)系上進(jìn)行展示，橫坐標(biāo)是藥材名稱，縱坐標(biāo)是藥材在所有藥方中的出現(xiàn)次數(shù)，從左到右按降序排序。統(tǒng)計出現(xiàn)頻次較高的藥物與其他藥物的配伍數(shù)據(jù)，以條形圖形式在坐標(biāo)系上展示，橫坐標(biāo)是藥物名稱，縱坐標(biāo)是對應(yīng)藥材在所有藥方中與其他藥材搭配使用過的次數(shù)之和。

2.2 構(gòu)建預(yù)防方中藥網(wǎng)絡(luò) 將藥方中不同藥物之間的配伍繪圖表示，構(gòu)建新冠肺炎預(yù)防方中藥知識圖譜，通過網(wǎng)頁端圖譜界面展示，根據(jù)不同藥物之間聯(lián)系的強弱，對藥物進(jìn)行分類。每一個節(jié)點代表一味中藥，每一條邊代表兩味中藥在同一藥方中出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率不同的藥物對應(yīng)的節(jié)點大小不同。對應(yīng)節(jié)點越大表示該藥物出現(xiàn)頻率越高，與其他藥物的聯(lián)系性越強；節(jié)點越小表示該藥物與其他藥物的聯(lián)系性越弱。

2.3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)定量參數(shù)分析 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的中心性數(shù)值包括度、度中心性、介質(zhì)中心性、接近中心性、特征向量中心性，均為衡量和評價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的定量參數(shù)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性綜合評價方法是將度中心性、接近中心性、介質(zhì)中心性綜合考慮[3]。度中心性是衡量節(jié)點中心性最直接的度量指標(biāo)，即一個節(jié)點的度中心性越大，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大。介質(zhì)中心性描述假設(shè)信息僅僅沿著最短路徑來傳播，越重要的節(jié)點與最短路徑聯(lián)系越緊密，經(jīng)過節(jié)點的最短路徑越多。接近中心性描述的是每個節(jié)點到其他節(jié)點的最短路的平均長度，也就是說對于某個節(jié)點而言，距離其他節(jié)點越近，那么它的中心度越高。特征向量中心性即在考慮自身位置的同時加入鄰居節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)程度的考量。

3 研究結(jié)果

3.1 新冠肺炎預(yù)防方中各藥物出現(xiàn)頻次 對109種藥物在新冠肺炎預(yù)防方中出現(xiàn)的頻次進(jìn)行統(tǒng)計，其中出現(xiàn)頻次超過或等于4次的藥物見圖1。黃芪出現(xiàn)次數(shù)最多，為45次。

圖1 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物出現(xiàn)頻次（出現(xiàn)頻次≥4次的藥物）

3.2 新冠肺炎預(yù)防方中藥物配伍頻次 見圖2。黃芪、金銀花、防風(fēng)與其他藥物配伍頻次最高，均超過200次。

圖2 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物配伍頻次

3.3 新冠肺炎預(yù)防方藥物配伍關(guān)聯(lián) 新冠肺炎預(yù)防方藥物連接關(guān)系示意圖見圖3。黃芪、金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾等藥物出現(xiàn)頻率最高。根據(jù)圖譜可以清晰地觀察到藥物之間的聯(lián)系，可以迅速地找到所有與某味藥物有配伍關(guān)系的藥物。我們重點研究了與出現(xiàn)頻次最高的藥物黃芪相配伍的所有藥物，見圖4。與黃芪配伍頻次最多的藥物為金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾，這組藥物是預(yù)防新冠肺炎中藥復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)焦點，是預(yù)防方的核心藥物。

圖3 88首新冠肺炎預(yù)防方藥物連接關(guān)系示意圖

圖4 88首新冠肺炎預(yù)防方中與黃芪配伍的藥物連接關(guān)系示意圖

3.4 新冠肺炎預(yù)防方中主要藥物網(wǎng)絡(luò)中心性數(shù)值 系統(tǒng)對新冠肺炎預(yù)防方和其中的藥物進(jìn)行管理，完成對預(yù)防方的數(shù)據(jù)抽取，通過讀取EXCEL表格中新冠肺炎中藥配方的數(shù)據(jù)，對藥物的使用次數(shù)做出統(tǒng)計，并且計算出不同藥物的度、度中心性、中介中心性、接近中心性、特征向量中心性等，將藥物按中心性數(shù)值由高到低排序（主要按“度”排序，“度”相同時按權(quán)重較大的“介質(zhì)中心性”排序），前10位的中藥見表2。

表2 88首新冠肺炎預(yù)防方按中心性數(shù)值從高到低排序前10位藥物中心性數(shù)值

4 討論

新冠肺炎病位主要在肺，涉及脾胃，基本病因為感受濕毒，病機以濕、熱、毒、虛為主[4]。新型冠狀病毒首先利用自身的Spike蛋白與ACE2蛋白發(fā)生相互作用，從而侵入人體[5]。本病主要臨床表現(xiàn)為發(fā)熱、咳嗽和乏力，少數(shù)患者有惡心、嘔吐、腹瀉癥狀，逐漸出現(xiàn)呼吸困難。目前，對于新冠肺炎的治療仍沒有特效藥，而早預(yù)防、早治療能提高治愈率，降低病死率。

本研究結(jié)果表明，收集的88首新冠肺炎預(yù)防方藥物的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點中心性前5位的中藥分別為黃芪、金銀花、防風(fēng)、甘草、貫眾。其中黃芪是最重要的藥物，其他四味藥物是與黃芪配伍頻次最高的藥物。以黃芪為主藥的扶正固本之方劑立意體現(xiàn)了“正氣存內(nèi)，邪不可干”的中醫(yī)防疫理念，其作用也得到了相關(guān)實驗證明。

黃芪中的多種化學(xué)成分能夠增強患者的免疫功能。黃芪的多種活性單體均能夠通過作用于免疫功能相關(guān)通路（鈣離子信號通路、腫瘤因子相關(guān)作用通路、PI3K-Akt信號相關(guān)通路等）提高免疫細(xì)胞的吞噬能力和殺傷作用，增強機體對病毒的抵抗能力。研究表明，黃芪多糖能夠促進(jìn)紅細(xì)胞生成，升高紅細(xì)胞比容及血紅蛋白數(shù)量，從而促進(jìn)造血干細(xì)胞的分化與增殖[6]，推測其可改善新冠肺炎患者的凝血功能異常。黃芪總黃酮能夠通過增強超氧化物歧化酶（SOD）的活性，減少過氧化物對細(xì)胞膜的破壞，從而保護(hù)患者的肺組織[7]。采用GO富集分析發(fā)現(xiàn)，黃芪-白術(shù)的有效活性成分參與細(xì)胞因子受體結(jié)合、細(xì)胞因子活性、受體配體活性、磷酸酶結(jié)合等生物學(xué)過程，可能通過此發(fā)揮防治新冠肺炎的作用[8]。

金銀花清熱解毒，其不同部位的化學(xué)成分能夠顯著逆轉(zhuǎn)脂多糖誘導(dǎo)的炎癥因子釋放，產(chǎn)生抗炎作用，以防治新冠肺炎，且其能夠直接作用于病毒的復(fù)制過程。金銀花的主要成分綠原酸通過抑制白細(xì)胞介素（IL）-31、IL-33，減少炎癥趨化因子CCL7、CXCL8的釋放[9]。同時，綠原酸能夠直接作用于病毒RNA轉(zhuǎn)錄與翻譯等多個環(huán)節(jié)，抑制病毒復(fù)制，發(fā)揮抗病毒作用[10]。金銀花的有效成分木犀草素能夠顯著降低促炎因子IL-1、1L-6、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平，其對JNK、ERK、NF-κB等炎癥相關(guān)通路均有抑制作用[11]。此外，金銀花對免疫功能具有調(diào)節(jié)作用。金銀花多糖能夠增強NK細(xì)胞及巨噬細(xì)胞的殺傷作用和吞噬能力，促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖，從而顯著減緩環(huán)磷酰胺導(dǎo)致的免疫抑制反應(yīng)[12]。有研究者將金銀花有效活性成分作用靶點與新冠肺炎進(jìn)行分子對接后發(fā)現(xiàn)，木犀草素通過作用于炎癥相關(guān)通路、絲裂原活化蛋白激酶等靶點，參與廣譜抗毒、抑菌與免疫調(diào)節(jié)作用[13]。

甘草在臨床上常作為配伍藥物，發(fā)揮調(diào)和諸藥的作用。甘草具有抗腫瘤、抗炎、抗菌、抗病毒及調(diào)節(jié)免疫的藥理作用。研究者基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與分子對接分析，發(fā)現(xiàn)甘草作為新冠肺炎預(yù)防方中的關(guān)鍵藥物，主要發(fā)揮著調(diào)節(jié)炎癥和免疫應(yīng)答的作用[14]。甘草發(fā)揮抗炎作用的途徑廣泛，其有效活性成分亞油酸、色胺、白三烯、鞘氨醇等能夠作用于花生四烯酸、脂肪酸的代謝及磷脂的合成，抑制炎癥生成的多種途徑，產(chǎn)生強大的抗炎作用[15-16]。研究表明甘草水提物通過作用于Toll樣受體4信號通路，顯著抑制下游NF-κB、MAPK途徑所介導(dǎo)的IL-12炎癥因子釋放[17]。甘草及其有效成分能夠促進(jìn)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞增殖與成熟，提高CD4+和CD8+水平，從而發(fā)揮調(diào)節(jié)細(xì)胞免疫應(yīng)答的作用[18]。

新冠肺炎患者多具有發(fā)熱癥狀，防風(fēng)為傳統(tǒng)的辛溫解表藥。多項發(fā)熱動物模型研究均表明，防風(fēng)的活性成分升麻素、升麻苷、5-O-甲基維斯阿米純苷等具有顯著的解熱作用。同時，防風(fēng)還具有抗炎、調(diào)節(jié)免疫的作用，可增強患者免疫能力，抵抗病毒入侵[19]。防風(fēng)的有效成分升麻苷及二氫吡喃色酮是發(fā)揮抗炎作用的主要成分，分別能夠降低環(huán)氧化酶-2（COX-2）和一氧化氮（NO）的表達(dá)[20]。研究發(fā)現(xiàn)防風(fēng)多糖具有促進(jìn)Th1/Th2淋巴細(xì)胞亞群平衡的作用，可降低IL-4、IL-5炎癥因子，調(diào)控免疫應(yīng)答[21]。

貫眾為新冠肺炎預(yù)防方中的常見組成藥物，其乙醇提取物能夠通過阻斷ERK/AP-1、TBKA1/IRF3等通路發(fā)揮抗炎作用[22]。多項研究證實其對H1N1甲型流感病毒、H5N1流感病毒、AD3腺病毒、FM1流感病毒等多種病毒具有顯著的抑制作用[23]。GO和KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn)貫眾的活性單體槲皮素能夠顯著抑制新冠肺炎相關(guān)通路SAPK/JNK、p38、p44/p42，阻斷MAPK信號通路，從而降低體內(nèi)炎癥因子浸潤，有效減輕炎癥程度，保護(hù)肺組織[13]。

由于中藥復(fù)方防治新冠肺炎的相關(guān)研究涉及學(xué)科多，仍需進(jìn)行廣泛而深入的實驗研究和臨床試驗，進(jìn)一步優(yōu)化處方，明確中藥預(yù)防及治療新冠肺炎的安全性和有效性。

（志謝：感謝解放軍理工大學(xué)張宏軍教授為本文的數(shù)據(jù)挖掘提供的大力支持）