基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與分子對接探討“仙茅-淫羊藿”藥對治療勃起功能障礙的分子機制*

張 鳳 張靜益 楊薆黎 陽 方 俞旭君,

1.成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，代謝性疾病中醫(yī)藥調(diào)控四川省重點實驗室

2.成都中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院/附屬生殖婦幼醫(yī)院

勃起功能障礙（erectile dysfunction,ED）作為男科性功能障礙疾病中的常見病之一，不僅對患者的身心健康造成極大困擾，還嚴(yán)重影響患者夫妻關(guān)系和諧及社會穩(wěn)定。ED在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中歸屬于“陽痿”范疇，病機上認(rèn)為與腎虛、肝郁、血瘀、痰濕等密切相關(guān)，故其治法也常因人而異。二仙湯組成包括仙茅、淫羊藿、當(dāng)歸、巴戟天、黃柏、知母，具有溫腎陽、補腎精、瀉腎火等功效，可用于男科因精氣虛寒、命火衰微所致陽痿等病。前期報道二仙湯可幫助改善ED患者的陰莖勃起效應(yīng)，提高性交滿足感，并能增益大鼠血清NO濃度提高[1，2]。方中仙茅、淫羊藿溫腎陽、補腎精、辛溫助命門共為主藥，為補腎壯陽常用藥對。因此本研究旨在通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)與分子對接技術(shù)探究仙茅-淫羊藿藥對治療ED的物質(zhì)基礎(chǔ)與分子機制，從而進一步證實在中醫(yī)辨證、辨病論治中中藥配伍運用的科學(xué)性、有效性，以期能夠?qū)D后續(xù)的臨床研究與治療提供一定的理論基礎(chǔ)和新的研究方向。

資料與方法

一、仙茅-淫羊藿藥對化學(xué)成分篩選

通過中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析平臺（TCMSP）檢索仙茅、淫羊藿化學(xué)組成成分，以口服生物利用度（Oral bioavailability，OB）≥30%，且類藥性（Drug-likeliss，DL）≥0.18為篩選條件篩選出藥對化學(xué)成分。

二、化學(xué)成分作用靶點預(yù)測與有效活性成分獲取

利用TCMSP和pubchem數(shù)據(jù)庫獲取各個化學(xué)成分的Canonical SMILES結(jié)構(gòu)式，導(dǎo)入Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫預(yù)測化學(xué)成分作用靶點，選擇物種為“Homo sapiens”，根據(jù)經(jīng)驗選取probability值≥0.04的靶點為化學(xué)成分作用靶點。

三、勃起功能障礙疾病靶點獲取

以“勃起功能障礙（Erectile dysfunction）”為關(guān)鍵詞，分別在Genecards、OMIM、DrugBank數(shù)據(jù)庫中挖掘調(diào)治ED的潛在靶點。在Genecards數(shù)據(jù)庫中，若靶點過多可選擇Score值＞中位數(shù)的靶點為ED的治療靶點，靶點Score值越高代表其與ED的聯(lián)系越緊密。將上述3個疾病數(shù)據(jù)庫所獲靶點合并去重后得到ED治療靶點。

四、藥對-活性成分-疾病-靶點網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建

將仙茅-淫羊藿藥對作用靶點和ED治療靶點導(dǎo)入微生信平臺（http://www.bioinformatics.com.cn）構(gòu)建成比例面積文氏圖，并獲得藥對-疾病共同靶點，此共同靶點即為仙茅-淫羊藿藥對治療ED的潛在靶點。將共同靶點與藥對化學(xué)成分進行映射后，得到藥對有效活性成分，然后利用Cytoscape3.7.2構(gòu)建藥對-活性成分-疾病-靶點網(wǎng)絡(luò)圖。

五、PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與拓?fù)浞治黾瓣P(guān)鍵靶點篩選

將篩選出的藥對-疾病共同靶點導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)，選擇物種為“Homosapiens”，其余均采用默認(rèn)設(shè)置。將所獲PPI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cytoscape3.7.2進行可視化顯示，分析網(wǎng)絡(luò)后以BetweennessCentrality、ClosenessCentrality值均大于等于中位數(shù)，且AverageShortestPathLength小于等于中位數(shù)為基礎(chǔ)篩選條件，選取degree值大于2倍中位數(shù)的靶點作為仙茅-淫羊藿治療勃起功能障礙的關(guān)鍵靶點，并對關(guān)鍵靶點單獨進行可視化顯示。

六、GO功能富集分析和KEGG通路富集分析

將仙茅-淫羊藿藥對治療ED的潛在靶點導(dǎo)入Metascape平臺，選擇物種為“H.sapiens”，分析方式為“Custom Analysis”，設(shè)置P＜0.05，進行基因的GO與KEGG通路富集分析。其中GO功能富集分析包括生物學(xué)過程 （Biological Processes，BP）、細(xì)胞組分（Cellular Components,CC）、分 子功能（Molecular Functions，MF）三部分。以P值為主要篩選條件，包含靶點數(shù)為次要篩選條件分別選取前20項作為關(guān)鍵條目導(dǎo)入微生信平臺構(gòu)建柱狀圖和氣泡圖進行可視化顯示。

七、分子對接

將關(guān)鍵靶點的“degree”值由高到低排序，選取排名前3的靶點與作用靶點個數(shù)前6的關(guān)鍵活性成分進行分子對接。①靶點蛋白結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備：AKT1（PDB ID:4GV1），TP53（PDB ID：5BUA），VEGFA（PDB ID：5DN2）靶點蛋白結(jié)構(gòu)均來自RCSB數(shù)據(jù)庫（https://www.rcsb.org/）。蛋白結(jié)構(gòu)在Maestro11.9平臺進行處理，用Schr?dinger Maestro的Protein Preparation Wizard去除蛋白結(jié)晶水，補加缺失的氫原子，并修復(fù)缺失鍵信息，修補缺失肽段，最后對蛋白進行能量最小化、以及幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[3,4]。②小分子結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備：從PubChem數(shù)據(jù)庫（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）下載關(guān)鍵活性成分MOL000006,MOL000098,MOL001792,MOL003044,MOL004380,MOL004391的3D結(jié)構(gòu)，并利用Chem3D進行格式轉(zhuǎn)化以及能量最小化，之后將所有小分子的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Schr?dinger Maestro軟件建立數(shù)據(jù)庫，進行加氫、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能量最小化，保存為分子對接的配體分子數(shù)據(jù)庫。③分子對接：采用Schr?dinger Maestro軟件中的Glide模塊進行。所有分子均按LigPrep模塊的默認(rèn)設(shè)置制備。在Glide模塊中進行篩選時，導(dǎo)入準(zhǔn)備好的受體，以在受體網(wǎng)格生成中指定合適的位置。選取蛋白的原配體以及預(yù)測活性位點作為10A盒子的質(zhì)心。最后通過SP方法進行分子對接及篩選。④對接結(jié)果篩選與分析：分析活性成分和靶點蛋白的作用模式，如產(chǎn)生的氫鍵作用、π-π相互作用、疏水相互作用等，得到活性成分與蛋白殘基作用的情況。再參考活性成分的對接打分，推測擬篩的化合物是否具有與陽性化合物相似的活性作用。

結(jié)果與分析

一、仙茅-淫羊藿藥對的有效活性成分與作用靶點

在TCMSP數(shù)據(jù)庫中檢索獲得仙茅-淫羊藿藥對化學(xué)成分共30個，其中仙茅7個、淫羊藿23個（見表1）。將仙茅、淫羊藿的各個化學(xué)成分導(dǎo)入SwissTargetPrediction平臺預(yù)測靶點，得到仙茅作用靶點47個，淫羊藿作用靶點445個，兩藥靶點合并去重后共得到445個作用靶點。

表1 仙茅-淫羊藿化學(xué)成分

二、ED治療靶點

以“Erectile dysfunction”為關(guān)鍵詞在Genecards數(shù)據(jù)庫中檢索獲得ED治療靶點共1692個，Score值最大31.52，最小0.21，中位數(shù)為1.97，篩選后得到ED治療靶點846個。OMIM和DrugBank數(shù)據(jù)庫中分別檢索獲得84個和28個靶點，將上述3個數(shù)據(jù)庫所獲靶點合并去重后獲得ED治療靶點共947個。

三、藥對-活性成分-疾病-靶點網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建

將仙茅-淫羊藿藥對作用靶點與ED治療靶點導(dǎo)入微生信平臺，構(gòu)建成比例面積文氏圖，獲得仙茅-淫羊藿藥對與ED共同靶點121個（見圖1）。將共同靶點與藥對化學(xué)成分進行映射后，得到藥對有效活性成分共計24個，其中仙茅4個，淫羊藿20個。將藥對有效活性成分、藥對疾病共同靶點、藥物名稱和疾病名稱導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2構(gòu)建藥對-活性成分-疾病-靶點網(wǎng)絡(luò)圖進行可視化顯示（見圖2）。

圖1 仙茅-淫羊藿藥對-勃起功能障礙靶點文氏圖

圖2 藥對-活性成分-ED-靶點網(wǎng)絡(luò)圖

四、PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析及關(guān)鍵靶點篩選

將仙茅-淫羊藿藥對治療ED的潛在靶點導(dǎo)入string數(shù)據(jù)庫構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)及拓?fù)浞治?，PPI網(wǎng)絡(luò)圖中共計121個節(jié)點，1313條邊，平均節(jié)點度為21.7。將上述PPI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2進行可視化顯示(見圖3)，并根據(jù)靶點連接度、中間中心性、親密中心性、平均最短路徑長度的大小篩選出絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1（Protein kinase Bα，AKT1）、血管內(nèi)皮生長因子A（Vascular endothelial growth factor-A，VEGFA）、腫瘤蛋白p53（Tumor protein p53，TP53）、表皮生長因子受體（Epidermal growth factor receptor，EGFR）等21個仙茅-淫羊藿藥對治療ED的關(guān)鍵靶點。其中靶點連接度排名前三的AKT1、VEGFA、TP53，其連接度依次為73、72、69。靶點連接度越大，表示其越有可能為仙茅-淫羊藿藥對調(diào)治ED的關(guān)鍵靶點。

圖3 仙茅-淫羊藿藥對治療ED的潛在靶點及關(guān)鍵靶點的PPI網(wǎng)絡(luò)圖

五、GO功能富集分析和KEGG通路富集分析

將仙茅-淫羊藿藥對治療ED的靶點導(dǎo)入metascape數(shù)據(jù)平臺進行GO與KEGG富集分析。分析結(jié)果顯示其潛在治療靶點主要參與以細(xì)胞對氮化合物的反應(yīng)、血液循環(huán)、蛋白磷酸化的正向調(diào)節(jié)及跨膜受體蛋白酪氨酸激酶信號通路等為主的1947個生物學(xué)過程，和以受體復(fù)合物、膜筏、膜微域、神經(jīng)元細(xì)胞體等為主的137個細(xì)胞組分，以及以蛋白激酶活性、磷酸轉(zhuǎn)移酶活性、跨膜受體蛋白激酶活性、蛋白質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸激酶活性為主的198項分子功能（見圖4）。主要通路涉及以EGFR酪氨酸激酶抑制劑耐藥性、PI3K-Akt、cAMP、5-羥色胺能突觸、MAPK等為主的161條信號通路（見圖5，表2）。

圖4 仙茅-淫羊藿藥對治療ED潛在靶點的GO富集分析

圖5 仙茅-淫羊藿藥對治療ED潛在靶點的KEGG通路富集分析

表2 仙茅-淫羊藿藥對治療ED的主要KEGG通路中的富集靶點

六、分子對接結(jié)果與分析

根據(jù)SP方法得到分子對接結(jié)果[5]（見表3）。此外，靶點蛋白與小分子的復(fù)合物采用Pymol2.1進行可視化分析（見圖6）。

圖6 仙茅-淫羊藿關(guān)鍵活性成分DFV與AKT1、VEGFA、TP53分子對接模式

表3 活性成分的靶點蛋白對接結(jié)果

分子對接結(jié)果表明，仙茅-淫羊藿藥對的6個關(guān)鍵活性成分與3個靶點蛋白均存在很好的結(jié)合作用且匹配度高（結(jié)合能均小于-6 kcal/mol）。其中，MOL001792（DFV）與AKT1，TP53，VEGFA靶點在對接打分以及結(jié)合模式方面表現(xiàn)最好。將對接后活性成分與蛋白形成的復(fù)合物利用Pymol2.1軟件進行可視化（每個靶點選取打分最好的活性成分），得到活性成分與蛋白的結(jié)合模式，根據(jù)結(jié)合模式可以很清晰的看到活性成分與蛋白口袋相結(jié)合的氨基酸殘基。DFV與AKT1蛋白的活性位點存在相互作用的氨基酸殘基有VAL-164，ALA-177，MET-227，TYR-229，THR-211，ALA-230，MET-281，GLU-234，PHE-438，GLY-157等。DFV是黃酮類化合物，含有多個活性基團，能夠與活性位點氨基酸（GLU-234，ALA-230）形成很強氫鍵相互作用，氫鍵距離短，結(jié)合力強，對錨定蛋白空腔中的穩(wěn)定殼聚糖分子有著重要作用。另外，該化合物的苯環(huán)能夠與VAL-164，VAL-177形成π-π共軛相互作用，對穩(wěn)定蛋白口袋中的小分子有著重要貢獻。DFV化合物與TP53，VEGFA兩個靶點形成很強的氫鍵相互作用以及疏水相互作用，與蛋白口袋能夠形成很好的匹配作用，與蛋白有著很好的關(guān)聯(lián)性。同時也間接驗證了化合物對AKT1，TP53，VEGFA靶點具有調(diào)節(jié)作用。

討 論

ED屬于中醫(yī)“陽痿”范疇，中醫(yī)概括其癥狀特點為“痿而不舉，舉而不堅，堅而不久”，認(rèn)為其病機以腎虛為本，肝郁氣滯、濕熱、血瘀等為標(biāo)，單獨或多種因素共同作用釀生本病[6]。臨證常選用仙茅、淫羊藿、巴戟天、肉蓯蓉等補腎壯陽類中藥治療男子因命門火衰、腎氣虛寒所致的陽痿。其中仙茅、淫羊藿（又名仙靈脾）俗稱“二仙”，是臨床常用藥對，仙茅來源于石蒜科植物仙茅屬，味辛，性熱，有毒，以其葉似茅，根狀莖久服補腎陽、益精血、強筋骨而得名?！侗静輦湟份d仙茅有“助命火、益陽道”之功。淫羊藿來源于小檗科植物淫羊藿屬全草，味辛、甘，性溫，主入肝腎，具有補腎壯陽、益精氣、強筋骨等多種功效?！度杖A子本草》言其有療“丈夫絕陽不起，女子絕陰”之效。兩藥合用，共奏益精填髓、壯陽起痿之功?，F(xiàn)代藥理學(xué)亦表明仙茅、淫羊藿能直接作用于下丘腦-垂體-性腺軸及腎上腺皮質(zhì)軸，增益細(xì)胞激素和生殖器官，且能發(fā)揮調(diào)節(jié)免疫、抗氧化、降糖、降脂、降壓等多種藥理作用[7,8]。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為陰莖海綿體平滑?。╬enis cavernosum smooth muscle，PCSM）舒張和收縮信號通路異常是誘發(fā)ED的核心機制，血管內(nèi)皮功能障礙與海綿狀血管生成受損[9]等均可致不同程度的ED。Baba[10]等人觀察到去勢術(shù)后大鼠陰莖中含有一氧化氮合酶（NOS）的神經(jīng)纖維數(shù)顯著低于接受假手術(shù)的大鼠組，且伴有勃起功能明顯下降。而去勢術(shù)后接受延遲睪酮替代治療的大鼠陰莖中含有NOS的神經(jīng)纖維數(shù)和勃起功能與假手術(shù)組大鼠無顯著差異。這表明睪酮水平可能在男性勃起功能的啟動和維持中起著重要作用，但目前睪酮對陰莖組織的影響仍存在爭議。本研究結(jié)果表明，仙茅-淫羊藿藥對治療ED主要通過化合物DFV、金圣草（黃）素、木犀草素、槲皮素等來發(fā)揮作用。金圣草黃素、木犀草素和槲皮素為天然黃酮類化合物，三者均具有較好的抗炎、抗氧化作用。同時，現(xiàn)有研究亦證實槲皮素具有較好的擴血管和保護血管內(nèi)皮功能等藥理作用[11]，其可能通過減少海綿體組織的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡、增強內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）表達(dá)及NOS的活性來改善動脈性ED大鼠的勃起功能[12]。Adefegha SA[13]等人發(fā)現(xiàn)槲皮素能顯著降低帕羅西汀誘導(dǎo)的ED大鼠陰莖組織中AChE、PDE-5、精氨酸酶、ACE等與勃起相關(guān)酶的活性，并改善抗氧化狀態(tài)。木犀草素亦能通過減少氧化應(yīng)激、提高NO含量和NOS活性來降低高糖介導(dǎo)的內(nèi)皮依賴性舒張反應(yīng)損傷[14]。金圣草（黃）素對勃起功能的調(diào)節(jié)作用尚不明確，但已有研究報道其可能通過阻斷激活蛋白1活化有效抑制脂多糖誘導(dǎo)的誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）的基因表達(dá)，使NO的釋放減少[15]。DFV由于目前缺乏文獻支持，其藥理作用及機制仍需后續(xù)實驗進一步證實。

根據(jù)本研究結(jié)果顯示，仙茅-淫羊藿藥對治療ED的靶點主要為AKTI，VEGF，TP53等，且其治療ED的潛在靶點主要富集在EGFR酪氨酸激酶抑制劑耐藥性通路、PI3K-Akt通路、cAMP通路、MAPK通路等。現(xiàn)有研究表明，NO由NOS催化L-精氨酸產(chǎn)生。AKT1作為PI3K-Akt信號通路的主要參與者，可調(diào)節(jié)NOS的表達(dá)與活性，進而影響陰莖勃起的關(guān)鍵因子-NO的生成。NO主要通過一氧化氮/環(huán)磷酸鳥苷（NO/cGMP）通路引起PCSM舒張，改善陰莖海綿體內(nèi)皮功能，從而增強勃起功能[16,17,18]。具有類似調(diào)控作用的還有cAMP通路。與之相反，蛋白激酶類則通過參與蛋白激酶C/蛋白激酶C磷酸抑制蛋白17（PKC/CPI-17）或細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（ERK1/2）通路調(diào)節(jié)PCSM的收縮功能，導(dǎo)致ED的發(fā)生[9]。ERK屬于MAPK家族，MAPK信號通路在細(xì)胞的增殖、分化和凋亡中起關(guān)鍵作用，其家族成員還包括應(yīng)激激活蛋白激酶（JNK）和p38絲裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）。通過抑制ERK、JNK、p38信號通路可降低精氨酸酶活性，增強內(nèi)皮和氮能神經(jīng)介導(dǎo)的糖尿病小鼠海綿體舒張功能，從而改善勃起功能[19]。此外，血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)也可通過促進血管增生、改善血流灌注、上調(diào)NOS表達(dá)改善陰莖勃起功能[20]。已有研究證實VEGF在海綿體平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)水平可隨著年齡的增長而逐漸下降[21]，提示ED隨著年齡增長發(fā)病率逐漸上升的特點或與此有關(guān)。郭玉剛[22]等人經(jīng)動物實驗表明高脂血癥大鼠陰莖組織中的VEGF含量的明顯降低可能是高脂血癥繼發(fā)ED的發(fā)病機制之一。楊文德[23]等人通過對雙側(cè)海綿體神經(jīng)損傷的大鼠移植VEGF和GDNF共過表達(dá)的脂肪源性干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其可促進陰莖海綿體神經(jīng)的修復(fù)、保護血管內(nèi)皮、預(yù)防纖維化，恢復(fù)神經(jīng)源性ED大鼠的勃起功能。TP53是一種廣譜腫瘤抑制基因，可抑制細(xì)胞的生長、增殖與分化，已有研究報道TP53表達(dá)降低可抑制海綿體內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，改善勃起功能[24]。但目前針對TP53在男性生殖系統(tǒng)中所起作用的相關(guān)研究較少，其在ED的發(fā)生發(fā)展過程中所起作用及機制仍有待進一步研究證實。

綜上所述，預(yù)測仙茅-淫羊藿藥對治療ED具有多成分、多靶點、多通路的特點，二者在治療靶點上既有相同點，又有不同點，可起到相互促進、相互補充、相輔相成的作用。通過本研究為今后進一步深入研究仙茅-淫羊藿藥對治療ED的作用機制奠定了一定的理論基礎(chǔ)，同時也為研發(fā)治療ED的新藥提供了新的思路。本研究不足之處在于研究結(jié)果均基于生物信息學(xué)分析所得，所獲理論結(jié)果仍需后續(xù)輔以動物實驗或臨床試驗加以證實。