基于网络药理学的半枝莲治疗胰腺癌的作用机制研究

徐亚晨 谢毅强 肖曼

[摘要] 目的 利用網络药理学技术与平台，挖掘半枝莲治疗胰腺癌的作用机制。 方法 基于TCMSP、NPASS、HIT、TCMID、TCM-ID及中国知网、万方数据知识服务平台、维普网、科学引文索引（SCI）、PubMed等数据库，检索半枝莲活性成分，检索时限为1971年6月—2019年10月。利用预测平台获取并筛选各组分靶基因，维恩分析筛选成分靶基因与胰腺癌特异性基因交互基因，通过成分-靶点-疾病交联确定重要成分及核心靶点，利用基因本体注释（GO）分析及京都基因与基因组百科全书（KEGG）信号通路富集分析半枝莲治疗胰腺癌的分子机制。 结果 获得半枝莲类药成分24种，提取交互基因73个，筛选出黄芩素、汉黄芩素、黄芩苷、槲皮素、豆甾醇5种重要成分及AKT1、HSP90A1、肿瘤坏死因子、ESR1、表皮生长因子受体、转录后基因沉默2、SRC、基质金属蛋白酶9、基质金属蛋白酶2、AR在内的10个核心靶点。GO功能富集于细胞凋亡、炎症与氧化应激反应的调节，参与蛋白质、ATP酶、DNA链特异性结合等。KEGG富集于癌症、胰腺癌、癌症蛋白多糖、Ras、磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶B途径信号通路等。 结论 半枝莲可能通过多类靶点，调控多条信号通路，影响多重细胞的功能，从而起到治疗胰腺癌的作用，这也为临床发掘治疗胰腺癌的替代药物提供了理论支撑。

[关键词] 网络药理学;半枝莲;胰腺癌;靶基因;富集

[中图分类号] R285          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）10（b）-0123-06

[Abstract] Objective To study the mechanism of action of Scutellariae Barbatae Herba in treating pancreatic cancer by using network pharmacology. Methods Based on TCMSP， NPASS， HIT， TCMID， TCM-ID， CNKI， WANFANG DATA， CQVIP， Science Citation Index （SCI）， PubMed databases. The active constituents of Scutellariae Barbatae Herba were searched from June 1971 to October 2019. The prediction platform was used to acquire and screen target genes. Venn analysis was used to screen interaction genes between component target genes and pancreatic cancer specific genes， then determined the key targets of the drug through drug-target-disease cross-linking. Then fully utilized gene ontology （GO） analysis and kyoto encyclopedia of genes and genomes （KEGG） signal pathway enrichment to analyze molecular mechanism of Scutellariae Barbatae Herba in treating the disease. Results A total of 24 kinds of drug-like compounds were obtained， 73 target genes were determined， five core components including baicalein， wogonin， baicalin， quercetin， stigmasterol， and ten key targets such as AKT1， HSP90A1， tumor necrosis factor， ESR1， epidermal growth factor receptor， post-transcriptional gene silencing 2， SRC， matrix metalloproteinase 9， matrix metalloproteinase 2 and AR were screened out. GO enriched in the regulation of apoptosis， inflammation and oxidative stress， and were involved in the specific binding of proteins， ATPases and DNA. KEGG enriched in cancer， pancreatic cancer， cancer proteoglycan， Ras， phosphatidylinositol-3-kinase-protein kinase B pathway. Conclusion Scutellariae Barbatae Herba may regulate multiple signaling pathways through multiple types of targets， affecting multiple function of cells， thus playing a role in the treatment of pancreatic cancer.

[Key words] Network pharmacology; Scutellariae Barbatae Herba; Pancreatic cancer; Target gene; Enrichment

胰腺癌是一种难治的恶性肿瘤，患者免疫能力低下，手術切除率低，5年生存率仅为5%，中位生存期为5～8个月，预后极差，被称为“癌中之王”[1-2]，且多数患者确诊时已失去手术机会。因此，探讨包括中药治疗在内的活性药物的早期治疗十分重要。半枝莲（barbated skullcup herb），别名水黄芩等，是马唇形科黄芩属植物。在传统医学中用于治疗各种炎症、血尿、早期癌症等。现代药理学研究表明，半枝莲具有广泛的抗癌、抗炎和抗菌生物活性[3-4]。本文利用网络药理学知识，利用生物信息学与药理学的交叉结合，预测半枝莲治疗胰腺癌的活性成分与分子机制，以探究其内在机制，也为药物研发提供指导。

1 对象与方法

1.1 半枝莲有效化合物挖掘与筛选

查询TCMSP（http：//lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php）、NPASS（http：//bidd2.nus.edu.sg/NPASS）、HIT（http：//lifecenter.biosino.org/hit/）、TCMID（http：//www.mega bio net.org/tcmid/search/）、TCM-ID（http：//bidd.nus.edu.sg/group/TCMsite/Default.aspx）中草药数据库及中国知网、万方数据知识服务平台、维普网、科学引文索引（SCI）、PubMed等文献检索数据库检索半枝莲化合物成分，检索关键词为“半枝莲”“赶山鞭”“瘦黄芩”“水黄芩”“barbated skullcup herb”等。检索时限为1971年6月—2019年10月。利用TCMSP数据库筛选符合类药属性的化合物，包括口服生物利用度（oral bioavailability，OB）≥30%，类药性（drug likeness，DL）≥0.15。

1.2 半枝莲有效化合物作用靶点预测

登陆TargetNet（http：//targetnet.scbdd.com）、Swiss target prediction（http：//swisstarget prediction.ch/）、STITCH（http：//stitch.embl.de/）在线平台，利用化合物或化学相似性，预测半枝莲经筛选后的化合物靶蛋白，筛选提取其中结合分数>0.5的蛋白质即为该化合物的有效靶点，并构建半枝莲化合物-靶蛋白交互网络。

1.3 半枝莲“化合物-靶蛋白”网络构建

登陆在线人类孟德尔遗传（OMIM）（https：//omim.org/）、GEO（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）、DisGeNET（http：//www.disgenet.org/）等数据库获取与胰腺癌疾病进展相关的基因。筛选提取结合分值高的特异性靶基因。预测靶蛋白与胰腺癌疾病高度关联的靶基因进行交叉分析，以此提取半枝莲治疗胰腺癌的潜在关键靶点，并运用Cytoscape 3.6.1绘制网络图。

1.4 半枝莲治疗胰腺癌蛋白质交互作用网络（protein-protein interaction，PPI）

维恩分析提取半枝莲治疗胰腺癌的潜在关键靶点中的核心靶蛋白。登陆Gene MANIA（http：//genemania.org/）、STRING（https：//string-db.org/）网站，录入关键靶点，提取半枝莲治疗胰腺癌的PPI，并使用Cytoscape 3.6.1作图。

1.5 半枝莲治疗胰腺癌基因本体注释（Gene ontology，GO）分析与京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）分析

登陆David（Version 6.8 https：//david. ncifcrf.gov/），GO富集结果勾选细胞组成（cellular component，CC）、生物过程（biological process，BP）和分子功能（molecular function，MF），信号通路富集选择KEGG数据库，筛选条件以P < 0.05确定显著富集结果并提取。登陆OMIC share（https：//www.omicshare.com/）绘制高级气泡图。

2 结果

2.1 半枝莲24种类药性化合物信息

进行半枝莲有效化合物挖掘与筛选，共筛选出24种类药化合物。见表1。

2.3 半枝莲“化合物-靶蛋白”网络图

筛选出重要化合物包括黄芩素（baicalein）、汉黄芩素（wogonin）、黄芩苷（baicalin）、槲皮素（quercetin）、豆甾醇（Stigmasterol）等。见图2。

2.4 半枝莲治疗胰腺癌靶点蛋白质交互作用网络

共提取出73个节点，2980个相互关系，其中AKT1、HSP90A1、肿瘤坏死因子（TNF）、ESR1、表皮生长因子受体（EGFR）、转录后基因沉默2（PTGS2）、SRC、基质金属蛋白酶9（MMP9）、基质金属蛋白酶2（MMP2）、AR等基因处于核心位置。见图3。

2.5 半枝莲治疗胰腺癌GO分析与KEGG分析

GO富集于细胞凋亡、炎症与氧化应激反应的调节，参与蛋白质结合、DNA链特异性结合、ATP酶结合等。见图4a（封四）。KEGG富集排名靠前包括癌症通路，胰腺癌疾病通路，Ras信号通路，磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶B途径（PI3K-AKT）信号通路，癌症蛋白多糖通路等。见图4b（封四）。胰腺癌疾病信号通路显示基因显著富集于PI3K/AKT/NF-κB、EGFR/PI3K/AKT/NF-κB信号通路。见图5。

3 讨论

目前临床上治疗胰腺癌的方法包括手术切除、单药及联合药物化疗、放射、分子靶向治疗等[5]，但绝大部分患者仍逃不过肿瘤恶化、转移的命运，从根本上控制胰腺癌的进程仍十分棘手。半枝莲具有成为抗胰腺癌药物的潜在价值。本研究筛选了半枝莲中5种主要化合物。研究表明[6-8]，黄芩素因其具有抗氧化、抗肿瘤的活性而受到广泛关注，其已被证实可抑制包括卵巢癌、非小细胞肺癌、前列腺癌、结肠癌在内的多种癌细胞株的生长与增殖。目前的研究进展显示汉黄芩素具有抑制多种肿瘤增殖的药理活性，包括血液系统肿瘤与消化系统肿瘤等[9-13]。进一步研究显示汉黄芩素能抑制胰腺癌细胞的增殖并促进凋亡[14]。而槲皮素、豆甾醇均具有很好的广泛抗肿瘤的效果。Mi等[15]利用毛细管胶束电动色谱二极管阵列检测器测定发现半枝莲中汉黄芩素（0.033 mg/g）和黄芩素（0.027 mg/g）的含量分列第3、4位。这些基础研究为半枝莲抗肿瘤活性和本文虚拟预测结果提供了坚实的文献支持。

本文筛选出AKT1、HSP90A1、TNF、ESR1、EGFR、PTGS2、SRC、MMP9、MMP2、AR在内的10个半枝莲治疗胰腺癌的核心基因，编码治疗疾病的核心蛋白。AKT1是AKT家族蛋白的一种，具有转导细胞凋亡信号的功能。刘俊等[16]认为其异常激活会促進胰腺癌的生长并拮抗癌细胞凋亡。ESR1属细胞核受体超家族基因，其编码的内质网核蛋白已成为早期乳腺癌靶向药物治疗的靶标[17]。EGFR是表皮受体生长因子，属络氨酸激酶跨膜受体，作为胰腺癌的分子治疗重要靶标，其研究正火热开展[18]。而SRC激酶在EGFR信号传导通路中发挥重要调节作用，并与胰腺癌的发生发展呈正相关[19]。韩贺[20]利用数据库分析发现PTGS2的表达与胰腺癌恶性进展呈正相关，且对患者预后生存不利。MMP2和MMP9是基质金属蛋白酶家族蛋白，可促进基膜及细胞外基质的分解。綦俊[21]研究发现MMP2、MMP9均参与胰腺癌的发生、发展，且在胰腺癌浸润和转移过程中起着协同作用，有利于胰腺癌细胞的侵袭和转移。李玉军等[22]通过免疫组化实验发现胰腺癌患者呈现65.5%的AR阳性率，提示其为胰腺癌恶性进展中的异常蛋白质。现有的研究进展也为虚拟预测的结果提供了理论支持。

GO注释结果显示药物参与调节细胞凋亡、炎症与氧化应激反应的调节，参与蛋白质结合、DNA链特异性结合、ATP酶结合等，从多重角度产生功能效应。KEGG主要富集的通路为癌症通路、胰腺癌疾病通路、Ras信号通路、PI3K-AKT信号通路、癌症蛋白多糖通路等，结果显示半枝莲呈现出多组分多靶点达到治疗胰腺癌的可能性。这些通路均与肿瘤发生过程及恶性进展过程密切相关，半枝莲通过作用于多条通路从而发挥协同效应，这也与中医药通过多成分、多靶点、多通路发挥效应的理念相契合。

总体而言，本文充分利用网络药理学知识与方法，对半枝莲的多成分、多靶点、多通路与胰腺癌发生、发展过程中所涉及的广泛、多元而复杂网络体系进行交叉关联分析。研究结果初步阐明了半枝莲主要有效活性化合物及对应的关键作用靶点，并阐释核心靶蛋白映射的相关功能与信号通路，为进一步深入探讨半枝莲治疗胰腺癌的分子机制提供了新的视角，后续需要进行缜密科学的基础研究和临床药物实验进一步明确药物的效果。

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（收稿日期：2020-02-21）