基于知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具Arrowsmith探索甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的潛在機(jī)制

湯 琳 郭永飛 于千策 曹洪欣▲

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)圖書(shū)館，上海 200433；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)征醫(yī)院骨科，上海 200003

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 專(zhuān)業(yè)分工越來(lái)越詳細(xì)，跨學(xué)科的交流越來(lái)越困難，而一個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的信息可能對(duì)另一個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域有價(jià)值，存在著一些隱秘和有價(jià)值的相關(guān)性，并且常規(guī)方式無(wú)法檢索到這種相關(guān)性。 20 世紀(jì)80年代，有研究者提出了一種基于非相關(guān)文獻(xiàn)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法，揭示了尚未在公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中識(shí)別或發(fā)現(xiàn)的知識(shí)碎片之間的邏輯聯(lián)系，并提出了知識(shí)假設(shè)， 相應(yīng)設(shè)計(jì)了知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具Arrowsmith，旨在引導(dǎo)科研人員了解和發(fā)現(xiàn)不同學(xué)科與不同研究方向之間的潛在的、有科學(xué)價(jià)值的信息，從而進(jìn)一步證實(shí)科學(xué)假設(shè)的可行性，為科研工作提供新的思路和方法。

骨關(guān)節(jié)炎是一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)退行性病變，又稱(chēng)退行性骨關(guān)節(jié)病、退行性關(guān)節(jié)炎等，美國(guó)第三次全國(guó)健康與營(yíng)養(yǎng)檢查結(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的患病率約為12.1%。在我國(guó)，大約有5.7%的男性和10.3%的女性都患有不同程度的骨關(guān)節(jié)炎。 骨關(guān)節(jié)炎好發(fā)于膝、髖等負(fù)重關(guān)節(jié)，主要臨床表現(xiàn)為緩慢發(fā)展的關(guān)節(jié)疼痛、壓痛、僵硬、關(guān)節(jié)腫脹、活動(dòng)受限和關(guān)節(jié)畸形等。 目前尚無(wú)有效的治療方法，主要采取非甾體藥物止痛等對(duì)癥處理，終末期行關(guān)節(jié)置換術(shù)，給患者及家庭、社會(huì)均帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。

甜菜堿是一種從甜菜汁中提取的生物堿，研究表明甜菜堿能降低組織中核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、基質(zhì)金屬蛋白酶（matrixmetallo proteinase-2，MMP-2）水平，具有抗炎、抗纖維化、抗腫瘤、減輕脂肪肝等多種作用，甜菜堿目前可用于治療非酒精性脂肪肝病、高半胱氨酸尿癥、肝纖維化等。若能證明其能夠抑制骨關(guān)節(jié)炎，則可以開(kāi)發(fā)甜菜堿的臨床新用途。為了探討甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的可能靶點(diǎn)和作用機(jī)制， 本文以PubMed 中的文獻(xiàn)為分析對(duì)象，利用非相關(guān)文獻(xiàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具Arrowsmith，探索甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的潛在可能性，為骨關(guān)節(jié)炎的臨床研究提供新的方向。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)入知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具Arrowsmith 網(wǎng)站http://arrowsmith.psych.uic.edu，選擇Arrowsmith 工具進(jìn)入其檢索界面，以甜菜堿（Betaine OR Lycine）作為集合A 的檢索詞，以骨關(guān)節(jié)炎（Osteoarthritis）作為集合C 的檢索詞進(jìn)行檢索。

1.2 檢索策略

登陸Arrowsmith 網(wǎng)站，點(diǎn)擊“start”進(jìn)入檢索界面。 以“Betaine OR Lycine [title/abstract]”為檢索式形成的文獻(xiàn)集作為來(lái)源文獻(xiàn)A，以“Osteoarthritis [title/abstract]”為檢索式形成的文獻(xiàn)集作為來(lái)源文獻(xiàn)C。 檢索時(shí)間范圍為2013年1月1日至2022年1月12日。

1.3 文獻(xiàn)篩選、資料提取

對(duì)A、C 兩個(gè)文獻(xiàn)集合的中間關(guān)聯(lián)詞進(jìn)行挖掘并進(jìn)行語(yǔ)義篩選，保留屬于“Chemicals＆Drugs”“Genes＆Molecular Sequences” 和“Gene＆Protein Names”語(yǔ)義類(lèi)別的關(guān)聯(lián)詞，得到篩選后的關(guān)聯(lián)詞列表B。 按照相關(guān)度的高低排列，通過(guò)匯總頻率較高的詞匯得到當(dāng)前研究熱點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)度排序前40 的詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果

檢索結(jié)果顯示集合A 包含8202 篇文獻(xiàn)，集合C包含25 000 篇文獻(xiàn)， 通過(guò)集合A 與集合C 得到與二者均有交集的關(guān)聯(lián)詞列表B。 連接兩個(gè)集合的中間詞表B 中共有11 767 個(gè)關(guān)聯(lián)詞， 經(jīng)過(guò)語(yǔ)義篩選后得到最終的關(guān)聯(lián)詞詞表B，包含2244 個(gè)關(guān)聯(lián)詞。 把關(guān)聯(lián)詞按照相關(guān)度進(jìn)行排序， 選出相關(guān)度≥0.9 的40 個(gè)關(guān)聯(lián)詞，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 關(guān)聯(lián)度≥0.9 的關(guān)聯(lián)詞

通過(guò)對(duì)以上關(guān)聯(lián)詞的分析、檢索，選取其中相關(guān)度最高的四個(gè)關(guān)鍵詞分別為“脂聯(lián)素（adiponectin，ADP）”“Toll 樣受體4/核因子-κB 信號(hào)通路（Toll-like receptor 4/nuclear factor-κB，TLR4/NF-κB）”“高同型半胱氨酸血癥（hyperhomocysteinemia，HHcy）”和“血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）”。

3 討論

3.1 甜菜堿可能通過(guò)提高血漿脂聯(lián)素水平治療骨關(guān)節(jié)炎

ADP 是脂肪組織特異性分泌的一種脂肪因子，通過(guò)與肝臟ADP 受體相互作用， 抑制肝臟三酰甘油的合成，促進(jìn)三酰甘油氧化分解。 國(guó)內(nèi)有學(xué)者認(rèn)為ADP在骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中起保護(hù)作用，檢測(cè)關(guān)節(jié)液中ADP水平高低對(duì)判斷骨關(guān)節(jié)炎病變的嚴(yán)重程度有幫助，低水平的ADP 患骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)更大，ADP 可作為一種潛在的評(píng)估骨關(guān)節(jié)炎癥狀嚴(yán)重程度的生物標(biāo)記物。

ADP 具有增加小鼠軟骨細(xì)胞增殖、蛋白多糖合成、基質(zhì)礦化，并上調(diào)Ⅱ型和Ⅹ型膠原表達(dá)的作用，在軟骨細(xì)胞中，ADP 可能通過(guò)誘導(dǎo)金屬蛋白酶組織抑制因子-1 和金屬蛋白酶組織抑制因子-2 的產(chǎn)生及抑制血清白介素-1β 所誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶-13 的產(chǎn)生，起到對(duì)抗骨關(guān)節(jié)炎的保護(hù)性作用。 國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)骨關(guān)節(jié)炎軟骨進(jìn)行生物化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)患者關(guān)節(jié)液中的ADP 呈高度表達(dá)， 而在血清中的ADP 水平與C-反應(yīng)蛋白水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系， 可見(jiàn)ADP 可抑制和減緩骨關(guān)節(jié)炎的炎癥反應(yīng)， 證實(shí)了ADP 對(duì)軟骨的保護(hù)作用。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者探討了ADP、瘦素和腫瘤壞死因子與酒精性脂肪肝嚴(yán)重程度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)甜菜堿可以使酒精性脂肪肝甘油三酯減少，血清、肝臟ADP 增高。國(guó)外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)， 在高脂飲食中添加甜菜堿可以減輕高脂肪誘導(dǎo)的脂肪組織4-羥基壬烯酸的增加并且減輕血漿ADP 的下降。 因此可以推測(cè)，甜菜堿可能通過(guò)提高血漿ADP 水平發(fā)揮對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的保護(hù)作用。

3.2 甜菜堿可能通過(guò)抑制TLR4/NF-κB 信號(hào)通路治療骨關(guān)節(jié)炎

TLR4 是一種模式識(shí)別受體，識(shí)別包括脂多糖在內(nèi)的多種配體，當(dāng)與相應(yīng)配體結(jié)合后，招募下游信號(hào)分子觸發(fā)一系列的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終活化NF-κB，從而促進(jìn)炎癥因子基因表達(dá)的激活、炎癥因子產(chǎn)生和釋放，因此，抑制TLR4/NF-κB 信號(hào)通路能降低炎癥因子的釋出，緩解骨關(guān)節(jié)炎病理癥狀。

國(guó)外有學(xué)者分別對(duì)源于類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎和健康人滑膜組織中的TLR 水平進(jìn)行免疫熒光測(cè)定， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎滑膜組織中TLR 表達(dá)水平最高，骨關(guān)節(jié)炎滑膜組織中亦有升高，但幅度小于類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎，而正常人滑膜中幾乎沒(méi)有檢測(cè)到TLR表達(dá)， 說(shuō)明TLR 存在并過(guò)度表達(dá)于骨關(guān)節(jié)炎滑膜組織。 國(guó)外另有學(xué)者分別檢測(cè)了類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎和健康人滑膜組織中成纖維細(xì)胞的TLR mRNA表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎滑膜組織中成纖維細(xì)胞的TLR3mRNA 和TLR4mRNA 表達(dá)明顯升高，結(jié)果表明骨關(guān)節(jié)炎患者廣泛表達(dá)TLR4。TLR4表達(dá)于骨關(guān)節(jié)炎組織且其表達(dá)水平較正常軟骨組織明顯提高，NF-κB 通路可通過(guò)CD14/TLR4 早期激活進(jìn)而觸發(fā)滑膜分泌炎癥因子血清白介素-1β、α 型腫瘤壞死因子、基質(zhì)金屬蛋白酶-13、血小板反應(yīng)蛋白及整合素金屬肽酶4，Ⅲ型前膠原氨基端和透明質(zhì)酸增加并介導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

甜菜堿可以顯著減少促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，增加抗炎細(xì)胞因子的釋放，通過(guò)減少誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和CD16/32 抗體的表達(dá)， 增加CD206 和精氨酸酶-1的表達(dá)， 促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞從M1 表型向M2 表型的轉(zhuǎn)化， 通過(guò)抑制TLR4-Myd88 的表達(dá)來(lái)抑制TLR4/NFκB 通路。 因此可以推測(cè)，甜菜堿可能通過(guò)抑制TLR4/NF-κB 通路，降低炎癥因子水平，發(fā)揮治療骨關(guān)節(jié)炎的功效。

3.3 甜菜堿可能通過(guò)抑制HHcy 的發(fā)生降低骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)

同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）是體內(nèi)甲硫氨酸代謝的中間產(chǎn)物。 正常情況下，Hcy 的生成和代謝保持著動(dòng)態(tài)平衡，先天或后天因素導(dǎo)致代謝途徑中的酶缺乏或失活，或輔助因子葉酸、維生素B、維生素B等缺乏可導(dǎo)致HHcy 的發(fā)生。

甜菜堿可有效地抑制由胍基乙酸添加、胱硫醚—合成酶缺乏、葉酸缺乏導(dǎo)致的HHcy 的發(fā)生。甜菜堿降低血漿中Hcy 的濃度，抑制HHcy 發(fā)生的作用機(jī)制可能是以下兩條代謝通路協(xié)同作用的結(jié)果：一是甜菜堿的添加有效地恢復(fù)了由蛋氨酸導(dǎo)致的體內(nèi)甜菜堿的過(guò)度消耗， 同時(shí)激活肝臟甜菜堿Hcy 甲基轉(zhuǎn)移酶，直接促進(jìn)了同型半胱氨酸在其催化下的再甲基化，從而降低了肝臟和血液中Hcy 的濃度；二是甜菜堿通過(guò)促進(jìn)肝臟S-腺苷甲硫氨酸濃度升高， 激活肝臟胱硫醚-β-合成酶，進(jìn)而促進(jìn)胱硫醚的合成，降低肝臟和血液中Hcy 的濃度，從而抑制HHcy。

發(fā)表在SCI 期刊《Redox Biology》的論文指出Hcy通過(guò)抑制SIRT1/AMPK 通路導(dǎo)致軟骨細(xì)胞功能障礙和氧化應(yīng)激，提示HHcy 和骨關(guān)節(jié)炎之間可能存在聯(lián)系。 Hcy 的異常表達(dá)可能會(huì)誘導(dǎo)線粒體功能障礙和骨代謝紊亂，沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silence information regulator 1，sirtuin 1，SIRT1）和AMP 激活蛋白激酶是調(diào)節(jié)線粒體生物合成的兩個(gè)關(guān)鍵傳感器，已被公認(rèn)是骨關(guān)節(jié)炎的治療靶點(diǎn)，Hcy 抑制SIRT1/AMPK/PGC-1α/PPAR-γ 通路后，NF-κB 和基質(zhì)金屬蛋白酶-13 的表達(dá)升高， 從而對(duì)軟骨細(xì)胞造成有害影響， 而Hcy SIRT1 低表達(dá)可能有助于軟骨的降解過(guò)程，這為骨關(guān)節(jié)炎的病因提供了線索。 綜上所述，可以推測(cè)甜菜堿可能通過(guò)降低血漿中Hcy 的濃度， 抑制HHcy 發(fā)生，從而降低骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 甜菜堿可能以血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子為靶點(diǎn)通過(guò)抗血管生成治療骨關(guān)節(jié)炎

VEGF 是1989年由Ferrara 等在牛垂體濾泡星形膠質(zhì)細(xì)胞體外培養(yǎng)液中分離純化出來(lái)的，是作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)因子，也是目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)烈的增加血管通透性物質(zhì)之一，其增加血管通透性是通過(guò)增加內(nèi)皮細(xì)胞的間隙實(shí)現(xiàn)的。 在整個(gè)骨關(guān)節(jié)炎的病理過(guò)程中，VEGF 起到促進(jìn)血管生成和增加血管通透性的作用， 它是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展過(guò)程中滑膜細(xì)胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎癥遞質(zhì)，在骨關(guān)節(jié)炎患者中，滑膜的增生、浸潤(rùn)以及后來(lái)出現(xiàn)的軟骨和骨破壞均依賴(lài)于滑膜內(nèi)血管的生成。 骨關(guān)節(jié)炎血管生成不僅可導(dǎo)致炎癥，更重要的是通過(guò)新生血管轉(zhuǎn)運(yùn)炎癥因子致使炎癥反應(yīng)得以持續(xù)， 在軟骨發(fā)育的過(guò)程中，VEGF 不僅在促進(jìn)新生血管形成上有重要意義，還在維持軟骨細(xì)胞的存活及加快骨轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮十分重要的作用。 關(guān)節(jié)軟骨由于能夠產(chǎn)生血管生成抑制劑， 促血管生成因子與抗血管生成因子存在動(dòng)態(tài)平衡，所以正常的關(guān)節(jié)軟骨是沒(méi)有血管分布的，骨關(guān)節(jié)炎狀態(tài)下， 骨/軟骨接合處及滑膜中血管生成明顯增多，均表明VEGF 參與了這一過(guò)程。

另有研究表明，甜菜堿可顯著抑制微血管內(nèi)皮細(xì)胞中VEGF 誘導(dǎo)Akt 和ERK 通路磷酸化。 甜菜堿通過(guò)抑制活性氧介導(dǎo)的VEGF 信號(hào)傳導(dǎo)，對(duì)新生血管形成發(fā)揮抗血管生成的作用。 甜菜堿可能是一種有效的抗血管生成藥物。 綜上可以推測(cè)，甜菜堿有抑制新生血管生成的作用， 可能以VEGF 及其受體為靶點(diǎn)，通過(guò)抗血管治療達(dá)到對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的抗炎效果。

3.5 小結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，科研人員的文獻(xiàn)獲取能力正逐步加強(qiáng)，已經(jīng)不滿足于單純的相關(guān)文獻(xiàn)分析方法。 Arrowsmith 作為一種能夠識(shí)別不同學(xué)科、不同研究領(lǐng)域之間潛在關(guān)聯(lián)的非相關(guān)文獻(xiàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具， 可以挖掘看似不相關(guān)的文獻(xiàn)之間的隱藏關(guān)聯(lián)，拓展了知識(shí)發(fā)現(xiàn)的邊界，可提高科研工作效率、縮短科研周期，對(duì)于輔助科研具有重要意義。

在PubMed 中檢索“（Betaine OR Lycine）AND Osteoarthritis”僅有5 篇文獻(xiàn)（檢索日期范圍是2013年1月1日—2022年1月12日），其中1 篇主要論述了甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制， 于2021年9月已發(fā)表于SCI 期刊《Frontiers in Pharmacology》，該論文研究發(fā)現(xiàn)，甜菜堿可通過(guò)抑制軟骨下骨破骨細(xì)胞生成和血管生成來(lái)減輕骨關(guān)節(jié)炎。 而本文應(yīng)用非相關(guān)文獻(xiàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的方法， 利用Arrowsmith 工具對(duì)PubMed 中甜菜堿和骨關(guān)節(jié)炎的英文文獻(xiàn)進(jìn)行分析，探討了甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的可能機(jī)制。甜菜堿治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制可能與血漿脂聯(lián)素水平、TLR4/NF-κB 通路、HHcy以及VEGF 相關(guān)。

然而非相關(guān)文獻(xiàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法也存在著一些不足， 此方法只是基于文獻(xiàn)挖掘所推測(cè)得出的結(jié)論，是基于文獻(xiàn)證據(jù)的假設(shè)，不能取代科研實(shí)驗(yàn)。 它實(shí)質(zhì)上可以理解為是對(duì)傳統(tǒng)檢索的一種補(bǔ)充，引導(dǎo)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)一步深入檢索相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)。 Arrowsmith 工具中的關(guān)聯(lián)詞B 集合存在著數(shù)量龐大、相關(guān)度準(zhǔn)確性不夠高的問(wèn)題，且詞與詞之間的聯(lián)系要依賴(lài)原文背景才能解讀其實(shí)際意義，因此想要深入研究非常困難。 盡管Arrowsmith 工具有不足之處，但它從某種角度上講可以直接促使新知識(shí)的產(chǎn)生， 促進(jìn)知識(shí)構(gòu)建與傳承，對(duì)科研創(chuàng)新具有重要意義，除了在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用以外，在其他學(xué)科領(lǐng)域也將會(huì)有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>