基于数据挖掘和网络药理学研究慢性阻塞性肺疾病的中药用药规律及机制

吴 凡， 李泽庚， 董昌武， 朱 洁， 王小乐， 高雅婷， 杨勤军

(1.安徽中医药大学中医学院，安徽 合肥 230012；2.安徽省中医药科学院中医呼吸病防治研究所，安徽 合肥 230038；3.安徽省教育厅重点实验室中医药防治肺系重大疾病重点实验室，安徽 合肥 230038)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是以持续存在的呼吸道症状和气流受限为特征的一种常见疾病,与有害颗粒或气体的显著暴露和(或)肺泡异常相关[1],具有患病率、病死率、致残率高的特点[2]。目前西医治疗COPD的方案包括抗感染、抗炎、扩张支气管等，并不能有效控制进行性发展的气道炎症和逆转肺功能下降[3]；中医防治COPD有显著的疗效，通过辨证论治，能够有效控制症状，延缓疾病进程，提高患者生活质量[4]。本研究拟通过收集中药治疗COPD医案处方，应用数据挖掘对其用药规律进行总结，再采用网络药理学筛选高频药对的关键靶点，探索其发挥药效的可能机制，为COPD的临床辨治和实验探索提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源 分别以“慢性阻塞性肺疾病、COPD、肺胀、喘证、中医、医家、经验”等关键词或者主题词，检索中国知网(CNKI)、万方数据库(WanFang Data)、维普网(VIP)、中国生物医学文献数据库(CBM)，文献发表时间1988年1月至2019年12月，搜索应用中医药复方治疗COPD的临床文献。排除综述、重复文献、干预措施不符合文献，共收集165篇，有效处方439首。

1.2 文献纳入标准 ①中药治疗COPD的临床病案；②明确提及患者为COPD，无其他兼症；③方药组成完备；④临床疗效确切；⑤仅采用中药汤剂内服治疗。

1.3 文献排除标准 ①COPD患者出现合并症；②重复出现的方剂；③结合针灸、外敷等中医治疗方法，或中西医结合治疗，无法判断是否为中药产生疗效的临床研究。

1.4 数据规范 以2015年版《中国药典》[5]为标准，同时参考《中药学》[6]将别名统一，合并同类药物，如山茱萸、山萸肉统一为山茱萸，生熟地分别为生地黄、熟地黄，仙灵脾、淫羊藿统一为淫羊藿，法半夏、清半夏统一为半夏。

1.5 统计学方法 ①药物频次统计分析，应用Excel 2010进行；②关联规则分析，采用SPSS Modeler 18.0中Apriori算法进行，支持度为包含某种中药组合的方剂数量与全部方剂数量的百分比，含有A的方剂中含有B的频率称中药A→中药B的置信度；③复杂网络分析，采用SPSS Modeler 18.0 Web进行，根据药物之间的关联关系绘制用药整体与核心处方的Web网络图；④聚类分析，应用SPSS Statistic22.0的分析模块进行，归纳常用药物组合，绘制聚类树状图；④因子分析，应用SPSS Statistics 22.0建立原始指标的相关系数矩阵，在降维视角下寻找少数的中药数据来反映所有方药特征，应用KMO与Bartlett等方法对因子进行适应型检验。

1.6 网络药理学分析 通过中药系统药理学分析平台(TCMSP)，筛选高频药对的有效成分及相应靶点，并与Genecards和OMIM数据库筛选出COPD的靶点相映射并取交集，作为其治疗COPD的潜在靶点。将上述靶点导入STRING11.0数据库中，构建PPI网络，根据degree值筛选出关键靶点，应用R语言进行KEGG通路富集分析，依据count值筛选重要通路。

2 结果

2.1 频次分析 本研究共纳入有效处方439首，涉及中药332味，总频次6 693次，归18类，补虚药、化痰止咳平喘药、解表药、清热药及利水渗湿药用药频次位居前5，见表1；332味中药中用药频次≥50次共计39味，见表2。

表1 药物类别分布

表2 高频药物频次分布(频次>50次)

2.2 关联规则分析 运用SPSS Modeler18.0中的Apriori模块对高频药物进行关联，二项关联规则设置支持度10%，置信度65%；三项关联设置支持度10%，置信度75%，支持度最高的二项和三项关联组合见表3～4。由此可知，二项关联多是健脾化湿、补益脾肺、化痰止咳及温肺化饮的组合，三项关联多为健脾化湿、降气化痰及益气健脾的组合。

表3 二项关联规则分布(按支持度排序)

2.3 复杂网络分析 采用SPSS modeler 18.0 Web复杂网络绘制COPD的用药整体网络图、核心处方网络图，通过粗线、细线和虚线表示药物之间链接的强弱程度，见图1～2，可知核心处方主要由二陈汤和三拗汤加减化裁组成。

图1 用药整体网络图

图2 核心处方网络图

表4 三项关联规则分布(按支持度排序)

2.3 常用中药聚类组合 采用SPSS Statistics 22.0系统聚类对频次≥50次中药进行分析，度量区间采用平方Euclidean距离，通过Ward方法构建树状聚类，见图3；共得到12组药物聚类组合，见表5。

图3 药物聚类分析图

表5 常用药物系统聚类组合

2.4 常用中药因子分析 采用SPSS Statistics 22.0对频数≥50次中药进行因子分析，结果显示Bartett球形检验P=0(<0.001)，KMO=0.614，χ2=3 671.513，df=780，表明适合进行因子分析。采用主成分分析法，进行方差最大化旋转，特征根大于1时，用药累计贡献率为58.002%，提取载荷系数大于0.3的中药变量组成公因子，共提取出15个公因子，见表6。横轴为因子序号，纵轴表示特征值大小，生成碎石图(图4)，根据点间联线坡度的陡缓程度可比较因子的重要性。根据“旋转元件矩阵”生成旋转空间原件(图5)，能直观看出各变量之间的聚集关系。基于关联和聚类及因子分析可知，半夏与陈皮关系最为密切。

表6 高频药物因子分析

图4 因子分析碎石图

图5 旋转空间原件图

2.5 基于网络药理学分析高频药对半夏、陈皮治疗COPD的机制

2.5.1 药物活性成分及作用靶点的筛选 通过中药系统药理学分析平台(TCMSP)检索半夏与陈皮化学成分，以口服生物利用度(OB)≥30%、药物相似性(DL)≥0.18作为条件，共筛选出候选化合物半夏13个，陈皮5个，作用靶点118个。

2.5.2 COPD相关靶点的筛选 GeenCards数据库按照relevance score高低筛选前300位相关靶点，OMIM数据库得到与COPD相关靶点533个，筛重后获得疾病相关靶点520个；与TCMSP数据库预测的靶点相映射，共得到半夏和陈皮治疗COPD靶点21个。

2.5.3 蛋白互作(PPI)网络的构建 将共同靶点上传至String在线平台数据库，设置物种为人，置信度大于0.4，得到PPI网络(图6)，关键靶点蛋白21个，71条边代表了蛋白之间的相互作用，据degree值筛选列举出“陈皮-半夏”治疗COPD排名前10的关键靶点(图7)。

图6 半夏-陈皮治疗COPD靶点的 PPI 网络

图7 半夏-陈皮治疗COPD的关键靶点

2.5.4 KEGG通路分析 将上述共同靶点应用R语言软件计算KEGG通路，观察靶点在通路中的分布情况和药理作用机制中可能性较大的通路，并进一步筛选与COPD相关的信号通路，按照Count值筛选出排名前20的通路富集，涉及到到PI3K-Akt信号通路、cAMP信号通路、凋亡通路、TNF信号通路及Relaxin信号通路等。见表7。

表7 KEGG通路富集

3 讨论

3.1 痰为COPD关键病因，化痰止咳平喘为基本治法 化痰止咳平喘药使用频次位居第二，前二十位高频药物中有半夏、苦杏仁、紫菀、款冬花、葶苈子、桔梗、桑白皮7味化痰止咳平喘药。二项关联及因子分析中陈皮-半夏和三项关联的陈皮-茯苓-半夏组合，体现了化痰在中医药治疗COPD中的关键作用。聚类分析中C3前胡、桔梗和C8紫苑、款冬花及F4紫菀、款冬花、百部均能降气化痰、止咳平喘，且紫菀祛痰尤佳，款冬花止咳更甚[7]。痰饮同源，C5和F2中细辛、干姜，为常用的温肺化饮、止咳平喘组合。

3.2 COPD发作源于表邪诱导，治疗不忘解表驱邪 解表药使用频次高居第三，高频药物中紫苏、麻黄、桂枝及细辛等具有解表之功。麻黄与细辛及麻黄-紫苏→苦杏仁的配伍体现COPD治疗需解表驱邪，防止疾病深入。核心处方及聚类组合有麻黄、苦杏仁和甘草，为三拗汤组方，麻黄中麻黄碱能松弛支气管平滑肌，杏仁中苦杏仁苷能促使呼吸运动趋于安静而镇咳平喘，甘草具有镇咳祛痰解毒等作用[8]，三药合用，可治疗外感风寒诱发的咳喘。

3.3 COPD易于化热夹瘀，理当清热化瘀 聚类分析C9黄芩和丹参，以及因子分析F6鱼腥草、黄芩和丹参在治疗COPD中经常使用。研究显示鱼腥草富含挥发油、黄酮类、有机酸、生物碱及维生素等化合物，具有解热、抗炎、抗菌、抗病毒、增强机体免疫功能、抗过敏及镇咳等作用[9]；黄芩主要成分黄芩苷能抑制NF-κB、TNF-α、IL-β及IL-6的表达，减少炎性细胞浸润，可清除自由基及超氧阴离子等氧自由基，具有抗氧化作用[10]；丹参中脂溶性成分(如丹参酮ⅡA、隐丹参酮)及水溶性成分(如丹酚酸A、丹酚酸B)均具有降低血液黏稠度、降压、扩张血管、清除氧自由基等作用[11-12]，三药合用，清肺化痰、凉血散瘀，是治疗痰瘀热结证COPD的常用药物组合。

3.4 培土生金，调理脾胃，以益肺绝痰 二项关联支持度前三位药对分别是半夏-陈皮、茯苓-白术和甘草-白术；置信度前四位分别是茯苓-白术、甘草-白术、甘草-党参和黄芪-党参。聚类分析C10，以及因子分析F3中黄芪、党参、茯苓、白术及甘草等药物。党参、黄芪、白术等健脾益气，体现了中医药治疗COPD从脾论治的理念。甘凉滋胃润肺亦是培土生金法的具体表现，因子分析F9麦冬与南沙参组合，取自沙参麦冬汤，养胃清肺润燥而不恋邪伤。

3.5 金水相生，调补肺肾，以纳气平喘 二项关联中五味子-熟地黄及黄芪-补骨脂两对药表明，COPD治疗过程中肺肾两虚亦为常见证候，五味子敛肺滋肾，常用于肺虚咳喘；熟地黄、黄芪均味甘、性微温，熟地黄补肾填精，黄芪补肺气固卫表，两者合补肾健脾功效之补骨脂，对肺肾两虚咳喘有良效。系统聚类中的C1与因子分析中的F1药物组成相同，山茱萸、山药和熟地黄作为六味地黄丸三补组合，在临床治疗肺脾肾三脏俱虚的虚损性咳喘中经常使用。

3.6 高频药对“半夏-陈皮”治疗COPD机制呈多靶点和多通路特性 通过分析高频药对“半夏-陈皮”治疗COPD的潜在机制呈现多靶点和多通路特点，主要靶点为CAT、JUN、NOS2、CYCS、MPO、VEGFA、MMP-9、SOD及HIF-1α等，它们参与氧化还原、细胞老化、转录因子激活、RNA聚合酶Ⅱ转录因子结合、胞质靶蛋白结合、电子载体蛋白结合、内皮细胞增殖及抑制细胞凋亡等生物学过程。R语言KEGG富集分析，筛选出PI3K-Akt信号通路(PI3K-Akt signaling pathway)、cAMP信号通路(cAMP signaling pathway)、IL-17信号通路(IL-17 signaling pathway)及TNF信号通路(TNF signaling pathway)等为重要通路。研究证实上述关键靶点和重要通路在COPD的发病过程中有致病作用[13-16]，表明“半夏-陈皮”药对治疗COPD有潜在研究价值。

4 结论

本研究通过数据挖掘技术总结439例中医药治疗COPD处方的用药规律，揭示中医药治疗COPD多从痰、热、虚、瘀等多方面认识，发作缘于外邪诱发，易于化热夹瘀，治疗多以清热化痰祛瘀为法，并透散表邪；本虚以肺脾肾三脏亏虚为主，重视培土生金和金水相生治疗原则，为临床治疗COPD提供参考，但具体机制还需进一步临床和实验验证。