姜 平,何東儀*
1上海中醫(yī)藥大學(xué)光華臨床醫(yī)學(xué)院,上海 201203;2上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院風(fēng)濕免疫科,上海 200050
強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)是一種病因不明的慢性炎癥性疾病。與其他系統(tǒng)性自身免疫性疾病不同,先天免疫系統(tǒng)和免疫細(xì)胞的異?;顒?dòng)起主導(dǎo)作用[1]。在疾病發(fā)展過(guò)程中,AS易累及骶髂關(guān)節(jié)和中軸骨部位,最常見(jiàn)的癥狀是慢性背痛和脊柱僵硬,但外周和肌肉骨骼外的表現(xiàn)也很常見(jiàn)[2]。在治療上,非甾體抗炎藥(nonsteroidal anti-inflammatory drugs,NSAIDs)仍然是一線藥物治療。作為二線藥物,腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)抑制劑和白細(xì)胞介素-17(interleukin 17,IL-17)抑制劑是可用的[3]。而最近Janus激酶抑制劑也顯示出改善疾病癥狀的效果[4,5]。雖然這些生物制劑在AS治療上顯示出良好的效果,但同時(shí)也存在許多不良反應(yīng)。中醫(yī)藥傳承幾千年,有其自身獨(dú)特的治療優(yōu)勢(shì)。中醫(yī)藥專家一直致力于對(duì)AS治療的不懈追求中,中醫(yī)藥在改善AS癥狀以及提高遠(yuǎn)期療效方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院為三級(jí)甲等關(guān)節(jié)病??漆t(yī)院,年門(mén)診23萬(wàn)余人次,年出院6 800余人次,床位153張,是國(guó)內(nèi)最大的風(fēng)濕科之一,具有一定的研究?jī)?yōu)勢(shì)。由于中醫(yī)學(xué)為經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué),且流派較多,在治療AS疾病上用藥無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),中醫(yī)藥方又多為自擬方,缺乏現(xiàn)代藥理學(xué)研究。因此,筆者采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[6],探索院內(nèi)風(fēng)濕免疫科醫(yī)師運(yùn)用中藥治療AS的處方用藥規(guī)律,分析出高頻率使用的單味中藥、藥對(duì)以及高頻率藥物的四氣五味、功效分類和歸經(jīng)規(guī)律等,并挖掘出新的藥方,同時(shí)結(jié)合中藥藥理學(xué)分析,進(jìn)一步闡釋中藥治療AS的分子作用機(jī)制,從而為中醫(yī)藥治療AS疾病提供一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。
本研究所需中藥處方均來(lái)自上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院風(fēng)濕免疫科門(mén)診及住院部,患者就診時(shí)間限定為2021年4月至2022年2月。
病種為強(qiáng)直性脊柱炎,中藥處方數(shù)據(jù)完整且配伍合理。
數(shù)據(jù)錄入采用“人工雙錄入模式”,即1人錄入、另1人核對(duì),將篩選后符合條件的處方錄入Excel 2019表格中。數(shù)據(jù)錄入時(shí)以2020版《中國(guó)藥典》[7]為參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范中藥名稱,并同時(shí)錄入中藥的藥味、藥性、歸經(jīng)和功效。
用Excel 2019數(shù)據(jù)透視表統(tǒng)計(jì)中藥的藥味、藥性、歸經(jīng)和功效分類。用SPSS Modeler 18.0及SPSS Statistics 20.0軟件對(duì)高頻中藥進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則和系統(tǒng)聚類分析,得到高頻藥物組合并進(jìn)行可視化展示。
采用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù))和本草組鑒數(shù)據(jù)庫(kù)(http://herb.ac.cn/)獲取狗脊-續(xù)斷的化學(xué)成分,根據(jù)化學(xué)成分的藥動(dòng)學(xué)參數(shù)(ADME),按照口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%和類藥性(drug likeness,DL)≥0.18對(duì)其進(jìn)行活性成分篩選,然后獲取相應(yīng)的成分作用蛋白,并利用Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)獲得的基因蛋白進(jìn)行名標(biāo)準(zhǔn)化處理。
在疾病相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)(GeneCards、TTD、DrugBank、DisGeNET、OMIM)中分別以“ankylosing spondylitis”為關(guān)鍵詞檢索與AS相關(guān)的靶基因,限制靶基因物種類型為人類。然后對(duì)藥物基因與疾病基因之間進(jìn)行交集,交集基因通過(guò)String數(shù)據(jù)進(jìn)行蛋白互作分析,并將結(jié)果導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2中進(jìn)行優(yōu)化。
將交集基因進(jìn)行GO生物過(guò)程分析和KEGG通路分析,結(jié)果得到相應(yīng)的生物過(guò)程(biological processes,BP)、細(xì)胞成分(cellular components,CC)、分子功能(molecular functions,MF)條目和KEGG通路,以P≤0.05為篩選標(biāo)準(zhǔn),選出每個(gè)項(xiàng)目中符合條件的前10位。
本研究共納入符合條件的處方200個(gè),涉及中藥236味,藥物未被《中國(guó)藥典》記錄者,則不納入統(tǒng)計(jì)。本研究共統(tǒng)計(jì)中藥236味,總頻次3 232次,其中使用頻率≥1%的有狗脊、白術(shù)、獨(dú)活、當(dāng)歸、續(xù)斷等28味中藥(見(jiàn)表1)。這些中藥累計(jì)頻次1 742次,占總頻次的53.90%,屬于高頻率使用中藥。
表1 頻率≥1%的中藥統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of TCM with frequency≥1%
對(duì)236味中藥進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在藥味分析中,苦、甘、辛三味居前三位,累計(jì)頻率為85.68%;在藥性分析中,溫、平、寒三性為主,累計(jì)頻率為73.31%;在藥物歸經(jīng)分析中,主要?dú)w于肝、肺、脾、胃、腎經(jīng),累計(jì)頻率為76.91%;在藥物功效分析中,補(bǔ)虛藥、活血化瘀藥、清熱藥、解表藥和祛風(fēng)濕藥為常用藥(見(jiàn)表2、表3)。
表2 中藥藥味、藥性及歸經(jīng)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of TCM's taste,property and channel tropism
表3 中藥功效分類統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of TCM with efficacy
將使用頻率≥1%的28味中藥運(yùn)用SPSS Statistics 20.0軟件采用平均聯(lián)接(組間)和Pearson相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,生成樹(shù)狀聚類圖(見(jiàn)圖1)。在中醫(yī)理論指導(dǎo)下,以類間距為21,將藥物分為6類。Ⅰ類:蒼術(shù)、黃柏、綿萆薢、薏苡仁、丹參;Ⅱ類:狗脊、續(xù)斷、獨(dú)活、威靈仙、莪術(shù)、炙甘草;Ⅲ類:伸筋草、木瓜、槲寄生、羌活、白術(shù)、黃芪、雞血藤、延胡索;Ⅳ類:茯苓、陳皮、山藥;Ⅴ類:甘草、牛膝、白芍;Ⅵ類:當(dāng)歸、川芎、杜仲。
圖1 藥物聚類圖Fig.1 Clustering diagram of TCM
運(yùn)用SPSS Modeler 18.0軟件對(duì)高頻中藥進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析,設(shè)置“弱鏈接上限”為20,“強(qiáng)鏈接下限”為35,結(jié)果得到頻數(shù)≥40的藥物組合33個(gè)(見(jiàn)表4)。按頻數(shù)排名前10位的藥物組合(強(qiáng)鏈接組合)依次是狗脊-續(xù)斷、獨(dú)活-狗脊、白術(shù)-狗脊、獨(dú)活-續(xù)斷、白術(shù)-獨(dú)活、白術(shù)-黃芪、白術(shù)-續(xù)斷、川芎-當(dāng)歸、白術(shù)-當(dāng)歸、當(dāng)歸-狗脊。藥物間的關(guān)聯(lián)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行展示(見(jiàn)圖2)。然后利用Apriori建模進(jìn)一步挖掘藥物之間的配伍關(guān)系,設(shè)置支持度為10%,置信度為90%,調(diào)整最大前項(xiàng)數(shù)為5,分析挖掘出潛在藥物組合。按照支持度排名,結(jié)果得到10個(gè)核心藥物組合(見(jiàn)表5)。其中獨(dú)活、狗脊、續(xù)斷、白術(shù)在多個(gè)藥物組合中頻繁出現(xiàn),因此是中藥關(guān)聯(lián)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的核心藥物。
表4 頻數(shù)≥40的藥物組合Table 4 Drug combinations with count≥40
圖2 藥物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Drug association of network diagram
表5 中藥關(guān)聯(lián)規(guī)則分析Table 5 Analysis of association rules of TCM
應(yīng)用SPSS Statistics 20.0軟件對(duì)高頻中藥(使用頻率≥1%)進(jìn)行因子分析,結(jié)果顯示KMO值為0.692>0.5,Bartlett球形度檢驗(yàn)值為378,且P值<0.01,表明本數(shù)據(jù)具有較好的線性關(guān)系,可進(jìn)行因子分析。在方法中選擇最大方差法旋轉(zhuǎn)分析,結(jié)果得到8個(gè)公因子,其累積方差貢獻(xiàn)率為65.302%。由碎石圖(見(jiàn)圖3)可以看出,從第8因子之后,線條趨勢(shì)趨于平緩。經(jīng)過(guò)因子分析,形成高頻中藥的旋轉(zhuǎn)成分矩陣表(見(jiàn)表6)。之后根據(jù)旋轉(zhuǎn)成分信息表提取藥物因子分析組合(見(jiàn)表7),最后產(chǎn)生因子分析圖(見(jiàn)圖4)。
圖3 中藥因子分析碎石圖Fig.3 Lithotripsy by factor analysis of TCM
表6 高頻中藥的旋轉(zhuǎn)成分矩陣表Table 6 Rotational component matrix of high frequency TCM
表7 因子分析組合Table 7 Combination of factor analysis
圖4 中藥因子分析旋轉(zhuǎn)空間成分圖Fig.4 Rotation space component diagram of factor analysis
綜合上述研究結(jié)果,最終可以形成以“狗脊-續(xù)斷”為核心的新配伍藥物組合,包括組合1:狗脊、續(xù)斷、獨(dú)活、威靈仙、莪術(shù)、炙甘草;組合2:狗脊、續(xù)斷、白術(shù)、獨(dú)活;組合3:狗脊、獨(dú)活、續(xù)斷、槲寄生。這些新藥物組合有利于指導(dǎo)AS的臨床治療,之后的研究課題將對(duì)這些藥物組合進(jìn)行深層次的分子作用機(jī)制研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
根據(jù)第一部分?jǐn)?shù)據(jù)挖掘結(jié)果,狗脊-續(xù)斷藥物組合使用頻率最高,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法進(jìn)一步分析狗脊-續(xù)斷治療AS的具體作用機(jī)制。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)篩選,結(jié)果獲得狗脊-續(xù)斷的有效成分12個(gè)(見(jiàn)表8),獲取基因430個(gè)。
共獲得疾病基因2 465個(gè),藥物與疾病間的交集基因125個(gè)(見(jiàn)圖5),交集基因的PPI分析結(jié)果顯示TNF、EGFR、VEGFA、STAT3、HSP90AA1、PTGS2、MMP2、MMP9、IL2等為主要作用蛋白(見(jiàn)圖6)。
GO分析結(jié)果顯示BP主要包括炎癥調(diào)控反應(yīng)(inflammatory response)和藥物反應(yīng)(response to drug)等過(guò)程;CC主要包括谷氨酸能突觸(glutamatergic synapse)和內(nèi)吞溶酶體(endolysosome)等結(jié)構(gòu);MF主要包括核受體活性(nuclear receptor activity)和配體激活的轉(zhuǎn)錄因子活性(ligand-activated transcription factor activity)等功能(見(jiàn)圖7)。KEGG通路主要包括:癌癥通路(pathways in cancer)、Toll樣受體信號(hào)通路(toll-like receptor signaling pathway)、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素信號(hào)通路(neurotrophin signaling pathway)和T細(xì)胞受體信號(hào)通路(T cell receptor signaling pathway)等(見(jiàn)圖8),表明狗脊-續(xù)斷可能通過(guò)上述通路作用于AS。并將富集在通路上的基因進(jìn)行可視化分析,繪制基因-通路關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖9)。從圖9可知,一條KEGG通路可以富集到多個(gè)基因,而一個(gè)基因又可以同時(shí)出現(xiàn)在多條通路上,表明狗脊-續(xù)斷是通過(guò)多成分、多靶點(diǎn)、多通路來(lái)治療AS疾病。
表8 狗脊-續(xù)斷活性成分Table 8 Active components of RC-RD
圖5 交集基因Fig.5 Intersection genes
圖6 互作分析Fig.6 Interaction analysis
圖7 GO結(jié)果分析Fig.7 Analysis of GO results
AS的病因病機(jī)目前仍無(wú)法完全解釋?,F(xiàn)在中醫(yī)普遍認(rèn)為本病在早期是以邪實(shí)為主,日久痰瘀互結(jié),阻滯督脈,導(dǎo)致脊背僵硬不舒,后期出現(xiàn)肝腎虧虛、督脈受損,形成“早邪、中瘀、晚虛”的病理特點(diǎn)[8]。中醫(yī)藥治療AS歷史悠久,古代醫(yī)家的治療處方也是非常豐富。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù),我們可以發(fā)現(xiàn)中醫(yī)藥治療疾病的用藥規(guī)律,并總結(jié)出中藥的藥性、歸經(jīng)和功效等,從中醫(yī)角度進(jìn)一步研究疾病。
文章第一部分通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘?qū)Ρ驹褐委烝S的中藥處方進(jìn)行收集、整理。共收集處方200個(gè),統(tǒng)計(jì)中藥236味,結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代醫(yī)家在治療AS上與古代醫(yī)家用藥基本相似[9]。用藥上以補(bǔ)虛藥、活血化瘀藥、清熱藥和祛風(fēng)濕藥為主,如狗脊祛風(fēng)濕、補(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨,續(xù)斷補(bǔ)肝腎,當(dāng)歸活血化瘀,獨(dú)活祛風(fēng)除濕等。藥味以苦、甘、辛為主,藥性主要是溫、平、寒,走行于肝、肺、脾、胃、腎等經(jīng)絡(luò)。中醫(yī)理論認(rèn)為肝主筋,腎主骨藏精,脾胃主運(yùn)化,為后天之本。肝、腎、脾、胃功能正常,則精血充足,筋骨得以濡養(yǎng)后脊柱關(guān)節(jié)才能正?;顒?dòng)[10]。之后對(duì)使用頻率≥1%的高頻率使用藥物進(jìn)行了聚類分析。結(jié)果則劃分為6類,其中以祛風(fēng)濕、活血化瘀和補(bǔ)腎強(qiáng)骨藥為主。符合AS多以肝腎虧虛,督脈受損,并伴隨久痹成瘀的病理特點(diǎn)[11]。關(guān)聯(lián)規(guī)則分析結(jié)果顯示出排名較高的33對(duì)藥物組合主要是補(bǔ)虛藥、活血化瘀藥和祛風(fēng)濕藥之間相互組合。像狗脊-續(xù)斷、獨(dú)活-狗脊、川芎-當(dāng)歸等,與高頻率中藥分析結(jié)果可以相互對(duì)應(yīng),證實(shí)了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可靠性。中藥因子分析部分,則提取了8個(gè)公因子,如CF1是清熱藥、活血化瘀藥和祛風(fēng)濕藥組合,CF2是祛風(fēng)濕藥、補(bǔ)虛藥和活血化瘀藥組合,CF3是祛風(fēng)濕藥和補(bǔ)虛藥組合等??梢钥闯鲆蜃臃治鼋Y(jié)果與關(guān)聯(lián)規(guī)則分析結(jié)果基本吻合,具有較高的準(zhǔn)確性。
圖8 KEGG通路分析氣泡圖Fig.8 Bubble diagram of KEGG pathway
圖9 基因-通路關(guān)聯(lián)圖Fig.9 Gene-pathway association′s network
第二部分針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的高頻率藥物組合狗脊-續(xù)斷進(jìn)行進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析,闡述狗脊-續(xù)斷治療AS的具體分子作用機(jī)制。藥物成分分析發(fā)現(xiàn),在狗脊-續(xù)斷治療AS中發(fā)揮主要作用的活性成分為β-谷甾醇、山奈酚和柚皮素等,具有重要的藥理作用。β-谷甾醇屬于植物甾醇類成分之一,屬于四環(huán)三萜類化合物。β-谷甾醇以其特有的生物學(xué)特性和物理化學(xué)性質(zhì)被較多地應(yīng)用到醫(yī)藥行業(yè)中。研究發(fā)現(xiàn)β-谷甾醇具有重要的抗炎、抗氧化、抗腫瘤、促進(jìn)創(chuàng)傷愈合和免疫調(diào)節(jié)作用,抑制腫瘤壞死因子的聚集與釋放,主要用于心血管系統(tǒng)和腫瘤等疾病的治療[12,13]。此外,也有研究發(fā)現(xiàn),山奈酚也具有抗炎、抗細(xì)菌病毒感染和免疫調(diào)節(jié)的作用。它能夠能增強(qiáng)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的抑制功能,提高FOXP3的表達(dá)水平,并能預(yù)防和治療AS等炎癥性疾病[14]。通過(guò)藥理學(xué)分析可以發(fā)現(xiàn),在狗脊-續(xù)斷中存在多種具有抗炎、抗氧化和免疫調(diào)節(jié)作用的活性成分,這些成分是狗脊-續(xù)斷發(fā)揮治療AS作用的關(guān)鍵成分。每個(gè)藥物成分都有自己的目標(biāo)作用蛋白,為進(jìn)一步闡述兩者之間的關(guān)系,將成分與基因進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析,得到了TNF、EGFR、VEGFA、STAT3、HSP90AA1、PTGS2、MMP2、MMP9、IL2等多個(gè)主要作用蛋白。像TNF在自身免疫性疾病和炎癥性疾病中作用機(jī)制目前已經(jīng)有很多報(bào)道,相關(guān)治療藥物也已經(jīng)應(yīng)用于臨床治療,且具有較好的療效[15,16]。PTGS2是前列腺素生物合成中的關(guān)鍵酶,既是一種雙加氧酶又是一種過(guò)氧化物酶。它常常參與機(jī)體的各種炎癥反應(yīng),具有抑制炎癥因子分泌和抗炎、鎮(zhèn)痛的作用[17,18]。此外,對(duì)EGFR[19]、STAT3[20,21]等基因的研究也有很多,不再詳細(xì)闡述。綜上分析,可以發(fā)現(xiàn)TNF、EGFR、VEGFA、STAT3、HSP90AA1、PTGS2等基因是狗脊-續(xù)斷作用于AS的關(guān)鍵基因。后續(xù)的通路富集分析發(fā)現(xiàn),這些關(guān)鍵基因主要富集在Toll樣受體信號(hào)通路和T細(xì)胞受體信號(hào)通路等,并主要參與炎癥調(diào)控反應(yīng)、核受體活性和配體激活的轉(zhuǎn)錄因子活性等進(jìn)程。研究表明,Toll樣受體是免疫應(yīng)答的重要啟動(dòng)者,包括先天免疫應(yīng)答和后天免疫應(yīng)答。Toll樣受體內(nèi)的基因多態(tài)性會(huì)導(dǎo)致某些相關(guān)的關(guān)鍵信號(hào)通路功能障礙,從而增加自身免疫性疾病的風(fēng)險(xiǎn)[22],如調(diào)控AS的炎癥反應(yīng)[23]。而T細(xì)胞在免疫反應(yīng)上也發(fā)揮著重要的作用,它可以通過(guò)消除感染和腫瘤來(lái)幫助產(chǎn)生保護(hù)性免疫,或者通過(guò)破壞宿主細(xì)胞來(lái)調(diào)控免疫和炎癥反應(yīng)。通過(guò)精確定位抗原特異性T細(xì)胞受體信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)T細(xì)胞反應(yīng),有可能從根本上改變自身免疫性疾病的治療策略[24]。綜上所述,狗脊-續(xù)斷中的β-谷甾醇和山柰酚等重要活性成分通過(guò)TNF、EGFR和PTGS2等基因作用于Toll樣受體信號(hào)和T細(xì)胞受體信號(hào)等通路發(fā)揮治療AS的作用,體現(xiàn)了中醫(yī)藥治療疾病多成分、多靶點(diǎn)、多通路的特點(diǎn),并為應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果提供了更好的理論基礎(chǔ)。
文章通過(guò)應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,對(duì)上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院在中醫(yī)藥治療AS上的處方用藥規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)了狗脊-續(xù)斷等常用藥物組合。并對(duì)這一藥物組合進(jìn)行了分子作用機(jī)制的研究,直觀地驗(yàn)證了狗脊-續(xù)斷多成分、多靶點(diǎn)、多通路治療AS的特點(diǎn),體現(xiàn)了中醫(yī)藥治療疾病的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外,本研究也存在一些不足之處,部分醫(yī)生開(kāi)具中藥時(shí)會(huì)完全依照協(xié)定處方,使收集的處方數(shù)據(jù)存在一定的局限性。而網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析也只是在理論上闡述出狗脊-續(xù)斷治療AS的分子作用機(jī)制,后續(xù)還需要進(jìn)一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,從而完善研究。