基于网络药理学探讨北沙参的抗炎机制

杨晓君，何洋,，沈秦可，周静,，韩胜强,，高繁，胡卫成,，张迹

（1.新疆农业大学食品科学与药学学院，新疆乌鲁木齐 830052）（2.淮阴师范学院江苏省高校区域现代农业与环境保护协同创新中心，江苏淮安 223300)

炎症是机体在各种致炎因子作用下，具有血管系统的组织对损伤因子所产生的，由单核巨噬细胞、中性粒细胞及嗜酸性细胞等吞噬细胞参与的复杂的防御反应[1,2]。适度的炎症有利于激活免疫系统清除病原体，同时促进组织愈合，比如吞噬搬运坏死组织，消除致病因子等。如果细胞因子、趋化因子等炎症介质产生过量，产生级联放大效应，将导致更严重的炎症损伤，从而增加多种疾病的发病率和死亡率[3,4]。引起炎症的因素很多，主要有细菌、病毒、支原体等病原微生物感染，此外还包括物理、化学、机械性刺激等[5]。细菌内毒素性致病是一个发病环节十分复杂的病理过程，致病作用非常广泛。内毒素休克是临床常见的危重病症，常并发于感染、创伤、烧伤、放射损伤及失血性休克等，死亡率高达30%～60%[6]。

北沙参（Radix Glehniae）是伞形目伞形科植物珊瑚菜（Glehnia littoralisFr.Schmidt exMiq.）的干燥根，为药食两用植物，具有滋阴清肺，祛痰止咳，生津养胃的功效，中医临床常用滋阴药，用于治疗肺燥干咳、热病伤津、口渴等症状[7]。咳与痰均与炎症密切相关。现代药理研究表明，北沙参具有调节机体免疫功能、抗炎、抗氧化等多方面活性[8]。北沙参的化学成分复杂，主要为香豆素类、木脂素类、苯丙素类、黄酮类、挥发油以及多糖等[9-11]。近年来，针对北沙参抗炎的研究不断深入，但利用大数据系统深度挖掘和揭示北沙参抗炎作用机制的研究甚少。网络药理学通过构建药物、靶点、疾病网络，可以将植物多成分、多靶点的复杂药理学作用机制转化成直观的图像模型。网络药理学所具有的整体性、系统性及强调疾病发展的长期性与复杂性，注重药物、靶点、疾病三者之间互相协同、互相作用的特点。本文采用网络药理学分析方法对北沙参成分进行研究，分析其抗炎活性作用的主要通路，为科学研究活性成分、开发标准化功能性食品提供参考依据。

表1 本文所用数据库网址Table 1 Database URL used in this article

1 资料与方法

1.1 资料数据

网络药理学研究以借助网络数据库平台为主，本文所用数据库网址见表1。

1.2 方法

1.2.1 北沙参中目标化合物筛选

借助中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP）检索北沙参所含有的化学成分，再以化合物的药动力学参数中口服药物利用度（OB）≥30，类药性（DL）≥0.18为限制条件，筛选出北沙参中主要的有效活性成分。将活性成分输入PubChem搜索平台，检索并分析其对应信息。

1.2.2 北沙参活性成分作用靶点收集

通过TCMSP内置的成分信息，检索获得北沙参活性成分对应的蛋白靶点。将每种成分对应的蛋白靶点以表格形式保存至EXCEL中，并对数据进行一定的处理，让数据更有条理性，以便下一步的操作。

1.2.3 北沙参活性成分作用靶点对应基因收集

利用UniProt知识库，搜索获得北沙参活性成分的蛋白靶点对应的基因，选择分类为Human/Homo（人类）的基因，保存至相应蛋白靶点之后。若有部分搜索不到或数据过于繁冗的成分，则可在PubChem平台搜索该成分对应的SMILES，将对应SMILES复制至Similarity ensemble approach（SEA），以获得该蛋白靶点对应的基因。

1.2.4 人体抗炎相关基因检索

通过GeneCards数据库（一个可搜索的包括基因组学，转录组学，蛋白质组学等综合数据库）搜索关键词抗炎（Anti-inflammatory）。下载搜索结果并保存为EXCEL格式，即完成人体所有的抗炎相关基因数据收集。

1.2.5 北沙参抗炎作用的基因靶点筛选

将北沙参活性成分作用靶点对应的基因集复制粘贴至新的EXCEL中，剔除重复项。然后通过查重公式将处理后的靶点基因集与人体抗炎相关基因集进行对比，筛选出北沙参抗炎作用的基因靶点。最后通过活性成分-基因靶点的对比，列出基因靶点对应的活性成分。

1.2.6 北沙参抗炎作用对应基因靶点关系分析

通过String数据库（一个搜索已知蛋白质之间和预测蛋白质之间相互作用的数据库），选择 “ Multiple Proteins ” 选项，输入北沙参抗炎作用的基因靶点， “ Organism ” 选项选择 “Homo Sapiens” ，获得基因对应的蛋白质之间相互作用关系图。如果一个靶点与其他靶点之间的连线越多，就说明这个靶点越重要，是关键节点。保存String数据库中的关系图。将获得的靶点及其对应成分导入Cytoscape version 3.7.0专业绘图软件，绘制活性成分-作用靶点网络结构图。

1.2.7 北沙参抗炎作用靶点基因GO和KEGG通路富集分析

借助Omicshare云平台 “ 动态GO富集分析 ” 和 “ 动态KEGG富集分析 ” 在线工具对北沙参抗炎作用对应的靶点基因集进行GO和KEGG富集分析。将靶点基因集分别导入 “ 动态GO富集分析 ” 和 “ 动态KEGG富集分析 ” 在线工具进行富集分析，并设置Pvalue＜0.01，绘制GO和KEGG富集数量统计图。选取前20条通路绘制KEGG通路富集显著性气泡图。

2 结果与讨论

2.1 北沙参中含有的目标化合物

依据北沙参中目标化合物的筛选条件，从中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP）中筛选到8种有效化合物，具体信息见表2。其中槲皮素和异欧前胡素具有较高的口服利用度，β-谷甾醇和豆甾醇具有较高的类药性。

表2 北沙参中含有的活性药物成分Table 2 Active pharmaceutical ingredients in Radix glehniae

表3 北沙参活性成分对应的抗炎靶点Table 3 Anti-inflammatory targets corresponding to active components of Radix glehniae

2.2 北沙参抗炎靶点

从TCMSP数据库中共获得274个北沙参活性成分作用靶点，删除重复项后，将其与人体抗炎相关基因集进行交叉比对，获得交叉重复靶点共92个（表3）。如表3所示，其中槲皮素对应的抗炎靶点有50个，占总靶点数量的18.25%；β-谷甾醇对应的抗炎靶点有28个，占总靶点数量的10.22%；豆甾醇对应的抗炎靶点有22个，占总靶点数量的8.03%；别异欧前胡素对应的抗炎靶点有7个，占总靶点数量的2.55%；欧前胡素对应的抗炎靶点有6个，占总靶点数量的2.19%；异欧前胡素对应的抗炎靶点有1个，占总靶点数量的0.36%；佛手柑素对应的抗炎靶点有5个，占总靶点数量的1.83%；异珊瑚菜素对应的抗炎靶点有10个，占总靶点数量的3.65%。

2.3 北沙参活性成分-抗炎靶点网络

沙参富含多种具有药理活性的化学成分，是其发挥药效的重要物质基础。于亮[12]等人归纳发现北沙参抗炎活性突出。运用Cytoscape version 3.7.0软件将北沙参8个化合物和92个靶点进行映射，构建北沙参抗炎作用中活性成分-作用靶点网络结构图（图1）。基于活性成分-作用靶点网络结构图，可以进行网络拓扑分析，其Degree值越大的化合物，在生理生化作用中越重要，即越可能是北沙参抗炎作用的主要作用成分。如图1所示，其中槲皮素的Degree值远超其他7种活性化合物。抗炎是槲皮素的核心药理作用之一[13]，槲皮素可以通过调控IL-6、IL-10、IKK、STAT3等炎症因子的表达来发挥抗炎作用[14,15]，可以通过PI3K/AKT/NF-κB等信号通路[16]以及AMPK/Sirt1通路[17]发挥抗炎作用。β-谷甾醇[18]和豆甾醇[19]是常见的植物甾醇，具有优良的抗炎、抗氧化等药理活性。冯思敏等[20]研究发现豆甾醇和β-谷甾醇可抑制炎症因子和相关酶的过表达，对小鼠结肠炎均有显著的治疗作用。欧前胡素、异欧前胡素、别异欧前胡素、异珊瑚菜素、佛手柑素等活性物质均为北沙参中富含的香豆素类化合物[12]，香豆素类化合物是一大类重要的天然化合物，具有显著的抗炎、抗菌等多方面药理活性[21,22]。基于此，我们预测北沙参可以通过这8种活性物质及其对应的抗炎靶点起到抗炎作用。

图1 北沙参抗炎作用中活性成分-作用靶点网络结构图Fig.1 Structure diagram of active ingredient-target network in anti-inflammatory effect of Radix glehniae

2.4 北沙参抗炎靶点蛋白间的相互作用（PPI）

为进一步研究北沙参通过相应靶点抗炎的作用机制，将北沙参抗炎靶点导入String数据库获得其蛋白间的相互作用关系（PPI）。如图2所示，北沙参92个抗炎靶点蛋白之间具有复杂的相互作用关系，其中绝大多数靶点蛋白之间皆有一至多条互作关系。同一蛋白上的连线越多，则这一靶点蛋白等级越高。靶点蛋白之间的连线越多，则说明靶点蛋白之间的结合度越高。将String关系图简化之后，更能直观的体现这种关系，等级越高的靶点蛋白图示颜色越深。结合度较高的蛋白有：JUN、CASP3、EGFR、AKT1、HSP90AA1、TGFB1、PGR、MET、PLAU、PIM1、PIK3R1等共11个，推测这11个蛋白是北沙参活性成分抗炎作用的主要靶点蛋白，在抗炎作用中起重要作用。

2.5 北沙参抗炎靶点GO功能分析

借助Omicshare云平台在线工具对北沙参抗炎靶点进行GO功能富集，获得了北沙参抗炎靶点的GO功能注释。如图3所示，北沙参抗炎靶点被功能注释到生物过程GO-BP（Biological Process），分子功能GO-MF（Molecular Function）和细胞组成GO-CC（Cellular Component）等三个方面。其中在GO-BP中，北沙参抗炎靶点主要被富集注释于细胞过程（cellular process），应激反应（response to stimulus），生物调控（biological regulation），生物过程调控（regulation of biological process），代谢过程（metabolic process），定位（localization），信号传导（signaling），生物过程正向调控（positive regulation of biological process）等26个生物过程；在GO-MF中，北沙参抗炎靶点基因主要富集在结合（binding），催化（catalytic activity），分子转导（molecular transducer activity），分子功能调控（molecular function regulator），转运（transporter activity），转录调节（transcription regulator activity），分子操纵功能（hijacked molecular function），抗氧化（antioxidant activity）和结构分子（structural molecule activity）等9个分子功能。GO-CC的富集注释结果包括细胞组分（cell part），细胞（cell），细胞器（organelle），细胞膜（membrane），细胞器组分（organelle part），细胞膜组分（membrane part），膜封闭腔（membraneenclosed lumen），蛋白复合物（protein-containing complex），胞外区（extracellular region），胞外区组分（extracellular region part），神经突触（synapse），神经突触组分（synapse part），细胞连接（cell junction），超分子复合物（supramolecular complex）等。

图2 北沙参抗炎靶点蛋白间相互作用网络图（PPI）Fig.2 Protein-protein interaction network diagram of Radix glehniae anti-inflammatory target (PPI)

图3 北沙参抗炎靶点GO功能富集图Fig.3 The enrichment map of GO function of anti-inflammatory target of Radix glehniae

图4 北沙参抗炎靶点基因KEGG通路富集Fig.4 Enrichment of the anti-inflammatory target gene KEGG pathway of Radix glehniae

2.6 KEGG通路富集分析

利用Omicshare在线云平台动态KEGG富集分析工具对北沙参抗炎靶点基因进行KEGG通路富集分析。如图4a所示，北沙参抗炎靶点基因富集于人类疾病（Human Diseases），生物体系统（Organismal Systems），新陈代谢（Metabolism），环境信息处理（Environmental Information Processing），细胞过程（Cellular Processes），遗传信息处理（Genetic Information Processing）等6大类信号通路。选取KEGG富集显著性统计前20条通路绘制气泡图（图4b）。KEGG通路富集分析显示北沙参抗炎靶点涉及多条与炎症密切相关的信号通路，如雌激素信号通路，IL-17信号通路，EGFR酪氨酸激酶抑制剂耐药通路，AGE-RAGE信号通路，PI3K-Akt信号通路等，推测北沙参主要通过这些途径起到抗炎作用[23-25]。

3 结论

本文基于网络药理学方法，对北沙参活性成分及其对应抗炎靶点进行筛选和分析，构建北沙参抗炎的 “ 成分-靶点-通路 ” 作用机制。结果表明，北沙参主要是以槲皮素等8种活性成分为物质基础，以JUN、

CASP3、EGFR、AKT1、HSP90AA1、TGFB1、PGR、MET、PLAU、PIM1、PIK3R1等11个蛋白作为主要作用靶点，经由雌激素信号通路，IL-17信号通路，EGFR酪氨酸激酶抑制剂耐药通路，AGE-RAGE信号通路，PI3K-Akt信号通路等抗炎相关通路起到抗炎作用。本文预测的北沙参这一 “ 多成分-多靶点-多通路 ” 的作用机制，可为进一步深入开展北沙参抗炎作用机制研究提供新的路径和方向。