張林,高錦,吳明華,王廣梅
1.210000 江蘇省南京市,南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬南京市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科
2.210000 江蘇省南京市,南京中醫(yī)藥大學(xué)
3.210000 江蘇省南京市,南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 江蘇省中醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科
4.210000 江蘇省南京市,南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬南京市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院藥劑科
腦卒中是全球最嚴(yán)重的公共健康問(wèn)題[1-2],其中70%為腦梗死。目前,腦梗死最直接和有效的治療手段是采用靜脈溶栓、動(dòng)脈溶栓、機(jī)械取栓等手段迅速開(kāi)通閉塞血管,促進(jìn)血運(yùn)重建,挽救半暗帶區(qū)瀕死的神經(jīng)元[3]。但是,血運(yùn)重建后的缺血-再灌注損傷則會(huì)加重腦損害,治療缺血-再灌注損傷的藥物有自由基清除劑、阿片受體阻斷劑、興奮性氨基酸受體阻斷劑等神經(jīng)保護(hù)劑,但還沒(méi)有足夠的臨床證據(jù)支持廣泛運(yùn)用這些藥物[4]。
通腦飲能顯著改善急性腦梗死患者的神經(jīng)功能缺損癥狀,提高日常生活自理能力,在一定程度上降低致殘率,改善急性腦梗死患者的腦血流,改善血液供應(yīng)[5-6]。此外,其可以在急性腦梗死早期更大程度上發(fā)揮與抗血小板藥物的協(xié)同作用,顯著抑制血小板聚集,并改善血小板相關(guān)參數(shù)[7]。
通腦飲包含川芎、鉤藤、天南星、紅景天、九節(jié)菖蒲、天麻、僵蠶、水蛭。多藥配伍被認(rèn)為是中醫(yī)理論的精髓,然而,由于所涉及的成分復(fù)雜和目標(biāo)眾多,使用傳統(tǒng)方法充分闡明其機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。因此,有必要從系統(tǒng)層面揭示通腦飲治療腦梗死的潛在機(jī)制?!吨嗅t(yī)藥振興發(fā)展重大工程實(shí)施方案》指出:支撐開(kāi)展中醫(yī)藥交叉學(xué)科研究,充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)說(shuō)明白中醫(yī)藥療效,講清楚中醫(yī)藥作用原理。而網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是一門(mén)基于系統(tǒng)生物學(xué)理論、生物系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析和多靶點(diǎn)藥物分子設(shè)計(jì)特定信號(hào)節(jié)點(diǎn)選擇的新學(xué)科。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)強(qiáng)調(diào)信號(hào)通路的多渠道調(diào)節(jié),提高藥物的治療效果,減少不良反應(yīng),從而提高新藥臨床試驗(yàn)的成功率,節(jié)約藥物研發(fā)成本。隨著系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)已被確認(rèn)為有效和系統(tǒng)地闡明中藥的物質(zhì)組成和分子機(jī)制的可行選擇[7-8]。此外,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法已用于研究“復(fù)合蛋白/基因疾病”途徑,該途徑能夠從網(wǎng)絡(luò)角度描述生物系統(tǒng)、藥物和疾病之間的復(fù)雜性,與中醫(yī)藥共享類似的整體哲學(xué)[9]。應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)方法研究中藥的藥理作用、作用機(jī)制和安全性,對(duì)現(xiàn)代中藥研究和發(fā)展具有重要意義。因此,一種稱為中醫(yī)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的新的跨學(xué)科方法被提出,其開(kāi)創(chuàng)了一種新的研究范式,將中醫(yī)從基于經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)檠C醫(yī)學(xué)。張伯禮院士帶頭的構(gòu)建“經(jīng)典文獻(xiàn)-組分篩選-藥理評(píng)價(jià)-臨床驗(yàn)證”技術(shù)流程將會(huì)為中醫(yī)現(xiàn)代化提供一個(gè)合適的技術(shù)平臺(tái)。此外,隨著分子生物學(xué)和基因組技術(shù)的最新進(jìn)展,越來(lái)越多的數(shù)據(jù)可用[10]。例如,TCMSP[11]、STRING[12]、OMIM[13]、DisGeNET[14-15]等。分子對(duì)接是一種通過(guò)受體的特性以及受體和藥物分子相互作用的方式設(shè)計(jì)藥物的方法,其是一種理論模擬方法,主要研究分子(如配體和受體)之間的相互作用,并預(yù)測(cè)它們的結(jié)合模式和親和力。
本研究使用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測(cè)通腦飲治療腦梗死的潛在機(jī)制。工作流程見(jiàn)圖1。
圖1 工作流程圖Figure 1 Work flow chart
選取2019年1月—2020年6月江蘇省中醫(yī)院收治的199例腦梗死患者。根據(jù)隨機(jī)數(shù)字表法,將患者分為對(duì)照組(97例)和試驗(yàn)組(102例)。本研究經(jīng)江蘇省中醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(倫理編號(hào):2017NL-012-01)。在進(jìn)入小組之前,患者及其家屬被告知所有研究?jī)?nèi)容和相關(guān)權(quán)益,并充分了解,并在自愿參與的前提下簽署知情同意書(shū)。治療期間,對(duì)照組有1例不配合治療,最終有效病例為對(duì)照組96例,試驗(yàn)組102例。
1.2.1 納入標(biāo)準(zhǔn):(1)符合《中國(guó)急性缺血性腦卒中診治指南2018》的診斷標(biāo)準(zhǔn)[16]且48 h內(nèi)通過(guò)顱腦CT和磁共振檢查,確診為腦梗死;(2)通過(guò)頸動(dòng)脈彩色多普勒檢測(cè),確定頸動(dòng)脈內(nèi)膜中層厚度(CA-IMT)至少為1.2 mm;(3)自愿參加,依從性較好,并能堅(jiān)持隨訪。
1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn):(1)頸動(dòng)脈超聲示管腔斑塊導(dǎo)致血流嚴(yán)重堵塞;(2)合并嚴(yán)重心肺功能不全、心律嚴(yán)重失常者;(3)肝腎功能嚴(yán)重失調(diào)者;(4)重癥感染者及惡性腫瘤感染者;(5)冠狀動(dòng)脈急性癥候群;(6)過(guò)敏體質(zhì)或者藥物過(guò)敏者;(7)妊娠或哺乳的婦女。
1.2.3 剔除、脫落及終止標(biāo)準(zhǔn):(1)對(duì)本研究使用的藥物有嚴(yán)重不良反應(yīng)者;(2)不遵醫(yī)囑或治療過(guò)程中因各種原因未完成療程或治療不全者;(3)治療期間發(fā)生嚴(yán)重疾病不能繼續(xù)治療者;(4)數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的患者。
入院后,兩組均接受穩(wěn)定型腦梗死的標(biāo)準(zhǔn)化治療,包括抗血小板聚集,口服拜阿司匹林片0.1 g,1次/d;氯吡格雷75 mg,1次/d,單用或兩藥聯(lián)用;抗動(dòng)脈硬化、穩(wěn)定斑塊(阿托伐他汀鈣片20 mg,1次/d或瑞舒伐他汀10 g,1次/d)、清除氧自由基等。試驗(yàn)組在對(duì)照組基礎(chǔ)上加用通腦飲治療[天南星10 g、川芎10 g、天麻10 g、鉤藤(后下)30 g、紅景天15 g、水蛭5 g、僵蠶10 g、九節(jié)菖蒲10 g],水煎服,1副/d,服用2周。
兩組均接受2周的治療,入院時(shí)和治療2周時(shí)評(píng)估美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表(NIHSS)評(píng)分和改良Rankin量表(mRS)評(píng)分。NIHSS用于評(píng)估腦卒中引起的功能損害程度,由11項(xiàng)測(cè)試組成,得分為0~42分。得分越高表示腦卒中越嚴(yán)重,與腦卒中造成的腦損傷呈正相關(guān)[17]。mRS用于測(cè)量腦卒中后患者神經(jīng)功能的恢復(fù)情況,分值為0~5分,分值越低,恢復(fù)狀態(tài)越好[18]。
1.5.1 通腦飲化學(xué)成分篩選及成分靶點(diǎn)預(yù)測(cè):從TCMSP和文獻(xiàn)中篩選通腦飲的化學(xué)成分(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)[19]。TCMSP是一個(gè)中草藥系統(tǒng)藥理平臺(tái),可以得到藥物、靶標(biāo)和疾病之間的關(guān)系。根據(jù)通腦飲中的各種化合物的藥代動(dòng)力學(xué)吸收、分布、代謝和排泄,即ADME過(guò)程,對(duì)其進(jìn)行篩選。TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)描述了每種成分的ADME參數(shù),包括口服生物利用度(OB)、藥物相似性(DL)、血-腦脊液屏障(BBB)等。OB表示藥物成分的口服可用性,DL表示成分和已知藥物之間的相似性。選擇滿足OB≥30%和DL≥0.18要求的成分來(lái)尋找該處方的有效成分。
1.5.2 預(yù)測(cè)所選化合物的靶蛋白:將所有活性成分輸入TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)以獲得其已知靶點(diǎn),并使用Cytoscape 3.8.2工具繪制化合物和靶蛋白的網(wǎng)絡(luò)圖。
1.5.3 尋找與疾病相關(guān)的目標(biāo):以“腦梗塞”為關(guān)鍵詞,OMIM(http://www.omim.prg/)和GeneCards(http://www.genecards.org/)用于搜索和篩選用于后續(xù)研究的已知疾病靶標(biāo),并丟棄搜索結(jié)果中重復(fù)的靶標(biāo)。UniProt知識(shí)庫(kù)[20-21](http://www.uniprot.org/)用于獲取標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的名稱,并將該生物體選為“智人”。
1.5.4 通腦飲和腦梗死的常見(jiàn)靶點(diǎn)和關(guān)鍵靶點(diǎn)的研究:使用在線工具繪制Venn圖,Venn圖用于展示不同群組之間的聯(lián)系,在本研究中可以獲得靶點(diǎn)藥物與疾病的共同靶點(diǎn)。將獲得的交叉靶標(biāo)用作藥物效應(yīng)靶標(biāo),并使用Cytoscape 3.8.2構(gòu)建藥物效應(yīng)靶標(biāo)組分相互作用網(wǎng)絡(luò)。分析網(wǎng)絡(luò)以獲得其Degree值,Degree值反映靶點(diǎn)的關(guān)鍵程度,Degree值越高,藥物和靶點(diǎn)越重要,最終獲得關(guān)鍵藥物效果目標(biāo)。
1.5.5 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建:使用STRING(檢索相互作用基因/蛋白質(zhì)的搜索工具)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)包含已知和預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)。通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建通腦飲在腦梗死中潛在靶基因的PPI網(wǎng)絡(luò)。
1.5.6 富集度分析:為了確定主要樞紐靶基因參與的生物過(guò)程和信號(hào)通路,使用注釋、可視化和集成發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)(David)進(jìn)行通路富集分析。將腦梗死中通腦飲的靶基因輸入到David基因本體(GO)生物過(guò)程分析和京都基因與基因組百科全書(shū)(KEGG)通路分析中。P≤0.01的GO生物過(guò)程和P≤0.01的KEGG途徑被認(rèn)為具有顯著富集性。
1.5.7 分子對(duì)接:為了確定通腦飲治療腦梗死的主要活性成分,對(duì)蛋白質(zhì)分子雄激素受體(androgen receptor,AR)的小分子進(jìn)行分子對(duì)接操作。首先從Pub Chem數(shù)據(jù)庫(kù)下載SDF格式的活性成分,然后利用Chem 3D進(jìn)行能量最小化計(jì)算將文件轉(zhuǎn)換為MOL2格式;通過(guò)RCSB PDB數(shù)據(jù)庫(kù)下載靶蛋白的PDB結(jié)構(gòu)文件,使用Auto Dock Tools軟件去除雜原子、計(jì)算電荷等;最后運(yùn)行Auto Dock Vina進(jìn)行分子對(duì)接,通過(guò)CB-Docl(http://clab.labshare.cn/cb-dock)將結(jié)果可視化。
采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。計(jì)數(shù)資料和等級(jí)資料比較采用χ2檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)。非正態(tài)分布的計(jì)量資料以M(P25,P75)表示,兩組間比較采用Mann-Whitney U檢驗(yàn),組內(nèi)治療前后比較采用配對(duì)秩和檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
治療前,兩組NIHSS和mRS評(píng)分比較,差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);治療后,試驗(yàn)組NIHSS、mRS評(píng)分均低于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);兩組治療后NIHSS、mRS評(píng)分均低于治療前,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)表1。
表1 兩組患者治療前后NIHSS、mRS評(píng)分比較[M(P25,P75),分]Table 1 Comparison of NIHSS and mRS scores before and after treatment between the two groups of patients
2.2.1 不同數(shù)據(jù)庫(kù)中通腦飲和CI的靶點(diǎn)識(shí)別:數(shù)據(jù)庫(kù)檢索篩選出通腦飲中的活性成分(表2),并使用Cytoscape 3.8.2構(gòu)建了活性成分靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)(圖2)。通過(guò)關(guān)鍵詞搜索,在Genecards數(shù)據(jù)庫(kù)和OMIM數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得腦梗死的相關(guān)靶點(diǎn)。Venn圖構(gòu)建了活性成分靶標(biāo)和疾病靶標(biāo)的交集(圖3)。共有134個(gè)交叉靶點(diǎn)用于后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析。
表2 通腦飲中的有效成分Table 2 Active ingredients in Tongnao Decoction
圖3 通腦飲治療腦梗死的靶點(diǎn)Venn圖Figure 3 Target Venn map of Tongnao Decoction in the treatment of cerebral infarction
2.2.2 尋找關(guān)鍵目標(biāo)并建立PPI網(wǎng)絡(luò):將獲得的交叉靶標(biāo)用作藥物效應(yīng)靶標(biāo),使用Cytoscape 3.8.2構(gòu)建藥物效應(yīng)靶標(biāo)組分相互作用網(wǎng)絡(luò)(圖4)。分析網(wǎng)絡(luò)以獲取其“度”值。具有Degree值的前20個(gè)藥效學(xué)靶點(diǎn)包括雌激素受體(ESR1)、AR、環(huán)氧合酶2(PTGS2)、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)等(表3)。構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)圖展示各靶點(diǎn)之間的關(guān)系(圖5)。
表3 通腦飲治療腦梗死的關(guān)鍵靶點(diǎn)Table 3 Key targets of Tongnao Decoction in the treatment of cerebral infarction
圖4 通腦飲治療腦梗死的靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Figure 4 Target network map of Tongnao Decoction in the treatment of cerebral infarction
圖5 通腦飲治療腦梗死的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)Figure 5 Protein interaction network of Tongnao Decoction in the treatment of cerebral infarction
2.2.3 GO和KEGG的富集分析:根據(jù)P值,GO分析的BP的重要項(xiàng)目是細(xì)胞對(duì)脂質(zhì)的反應(yīng)、細(xì)胞定位的調(diào)節(jié)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞對(duì)刺激的反應(yīng)、化學(xué)刺激的細(xì)胞反應(yīng)、刺激的反應(yīng),生物合成過(guò)程的正調(diào)節(jié)、信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)、血壓的調(diào)節(jié)、運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié),活性氧代謝過(guò)程的正調(diào)節(jié)等(圖6)。初步推斷通腦飲與腦梗死治療中的炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。
圖6 GO生物過(guò)程富集分析Figure 6 GO biological process enrichment analysis
根據(jù)P值,KEGG分析共篩選出20條通路,包括前列腺癌癥、神經(jīng)活性配體-受體相互作用、白介素(IL)-17信號(hào)通路、催乳素信號(hào)通路、PI3K-Akt信號(hào)通路、鈣信號(hào)通路等(圖7)。
圖7 KEGG富集分析Figure 7 KEGG enrichment analysis
2.2.4 分子對(duì)接:得到3個(gè)活性成分與AR靶點(diǎn)的對(duì)接結(jié)果,其中,AR與β谷甾醇結(jié)合最穩(wěn)定,得分為-10.1 kJ/mol,AR與山柰酚的對(duì)接組合得分為-7.5 kJ/mol,AR與胡蘿卜素的對(duì)接組合得分為-7.02 kJ/mol。對(duì)接三維視圖見(jiàn)圖8。
圖8 分子對(duì)接結(jié)果Figure 8 Molecular docking result
腦梗死主要是由向大腦供血?jiǎng)用}的動(dòng)脈粥樣硬化和血栓形成引起的,使管腔狹窄甚至閉塞,導(dǎo)致局灶性急性腦功能不全;也有異常物體(固體、液體和氣體)沿著血液循環(huán)進(jìn)入大腦動(dòng)脈或供應(yīng)大腦血液循環(huán)的頸動(dòng)脈,導(dǎo)致血流受阻或血流突然減少,導(dǎo)致相應(yīng)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的腦組織軟化和受損。在本研究中,通腦飲被用于治療腦梗死。然而,用傳統(tǒng)方法闡明通腦飲治療腦梗死的復(fù)雜機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。因此,將基于大數(shù)據(jù)生物信息學(xué)的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)整合到中醫(yī)藥治療疾病的分子機(jī)制研究中是至關(guān)重要的[22-23]。本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法探討通腦飲治療CI的物質(zhì)基礎(chǔ)和分子機(jī)制。
目前西醫(yī)治療腦梗死的藥物很多,但是存在呼吸困難、胃腸道反應(yīng)等不良反應(yīng)[24-26]。中藥具有多靶點(diǎn)、不良反應(yīng)少等特點(diǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)了121個(gè)藥物和疾病的共同靶點(diǎn),這些靶點(diǎn)可能是治療腦梗死時(shí)該處方的靶點(diǎn)?;谕?fù)浞治?,本研究進(jìn)一步從121個(gè)后續(xù)研究的共同靶點(diǎn)中找到了23個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),包括ESR1、AR、DPP-4、PTGS2、CDK2等。其中,HSP90是一種普遍存在的分子伴侶[27]。HSP90抑制劑具有顯著的抗炎作用[28-29]。本研究GO分析、臨床試驗(yàn)和其他現(xiàn)代研究的結(jié)合證實(shí)了炎癥在腦梗死中的重要作用。KEGG富集分析顯示了IL-17(腦梗死中的信號(hào)通路)的重要地位。HSP90在這些通路中起著至關(guān)重要的作用。
本研究主要關(guān)注AR基因作為子網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。分子對(duì)接是在小分子和編碼蛋白質(zhì)之間進(jìn)行的。在分子對(duì)接后,發(fā)現(xiàn)3種分子與AR直接相互作用:β谷甾醇、山柰酚和胡蘿卜素。預(yù)計(jì)進(jìn)一步的研究將評(píng)估這些分子之間的協(xié)同作用。
本研究使用NIHSS評(píng)分和mRS評(píng)分評(píng)價(jià)入院和出院時(shí)使用通腦飲和未使用通腦飲患者的狀況。結(jié)果顯示,治療后,試驗(yàn)組NIHSS評(píng)分和mRS評(píng)分均低于對(duì)照組。在一般西藥治療的基礎(chǔ)上,加上江蘇省中醫(yī)院協(xié)定方通腦飲可以顯著改善患者生活質(zhì)量。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)中確定的關(guān)鍵靶點(diǎn)和/或途徑尚未在臨床試驗(yàn)中得到驗(yàn)證,但本研究的臨床結(jié)果可以顯著比較使用通腦飲前后NHISS和mRS評(píng)分的改善,并證明通腦飲可以有效減少腦梗死的功能損害,對(duì)神經(jīng)有一定的恢復(fù)作用,并且可以有效抑制炎癥。然而,本研究尚未能夠探索具體機(jī)制,也沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,即使結(jié)合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對(duì)接的結(jié)果,仍然不能完全理解通腦飲的確切治療機(jī)制,未來(lái)將會(huì)針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
本研究結(jié)合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和臨床試驗(yàn),探討通腦飲治療腦梗死的機(jī)制。結(jié)果表明通腦飲可能通過(guò)HSP90發(fā)揮抑制炎癥反應(yīng)的作用。此外,IL-17、催乳素、PI3KAkt信號(hào)通路也可能是潛在的機(jī)制。本研究證明了在西醫(yī)標(biāo)準(zhǔn)治療的基礎(chǔ)上加上通腦飲,可以顯著改善腦梗死患者相關(guān)癥狀,通腦飲可以被認(rèn)為是腦梗死的補(bǔ)充或替代療法。此外,希望計(jì)算機(jī)生物學(xué)能夠?yàn)橹嗅t(yī)藥的現(xiàn)代研究提供一種途徑。
作者貢獻(xiàn):吳明華提出研究思路,設(shè)計(jì)研究方案,研究命題的提出、設(shè)計(jì);張林負(fù)責(zé)進(jìn)行試驗(yàn)或調(diào)查、調(diào)查對(duì)象的選取、樣本的采集、指標(biāo)化驗(yàn)與檢測(cè)等;張林、高錦負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、采集、清洗和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、繪制圖表等;高錦負(fù)責(zé)論文起草;王廣梅負(fù)責(zé)最終版本修訂,對(duì)論文負(fù)責(zé)。
本文無(wú)利益沖突。