李思琪,席海灵a,王富文,赵凌飞,郑东华,全瑞国*,李旻辉,2*
1.包头医学院,内蒙古 包头 014040;
2.内蒙古自治区中医医院,内蒙古 呼和浩特 010020
慢性胃炎是一种由多种病因引起的胃黏膜慢性炎症反应性疾病[1],是内科常见的一种消化系统疾病,临床上分为慢性非萎缩性胃炎及慢性萎缩性胃炎两大类型。在中医学和蒙古族医学中并没有“慢性胃炎”这个病名,而是根据临床表现分为胃脘痛、痞满、嘈杂等[2],临床症状表现以上腹疼痛、腹胀、恶心等为主,如果没有得到及时有效的治疗,随着病情的不断恶化可能引发胃溃疡,严重影响患者的生活质量[3]。蒙古族医(以下简称蒙医)认为慢性胃炎多是由于饮食不节,生活不规律,过食生冷或锐、热性之品,时饱时饥,劳累过甚,受潮湿、受寒冷,思虑过度、精神紧张致使“巴达干”偏盛客于胃内,并与“希拉”“赫依”相搏,导致胃火衰弱,进而功能紊乱致发病。目前西医治疗该病以对症处理为主,包括去除病因、增加胃动力、缓解消化道症状和改善胃黏膜的炎症反应,暂无特效药物[4]。蒙古族医药辨证施治治疗慢性胃炎患者疗效显著,不良反应少,有很好的应用前景[5]。
健胃十味丸又名浩道敦-10,为蒙医传统名方,现代文献记载该方具有增强胃动力、助消化之功效[6],方剂由石榴、肉桂、寒水石、筚茇、白豆蔻、黑胡椒、光明盐、五灵脂、山柰、诃子组成。海长江等[7]探讨分析了健胃十味丸联合化学药治疗轻中度活动期溃疡性结肠炎的临床效果,结果显示试验组(健胃十味丸联合化学药)临床治疗总有效率为96.67%,较对照组(常规化学药,80.00%)明显升高;试验组1 年复发率为6.67%,显著低于对照组(30.00%),可认为健胃十味丸联合化学药治疗轻中度活动期溃疡性结肠炎效果确切,能够有效改善患者的临床症状,减少疾病复发。健胃十味丸的作用特点为多成分、多途径、多靶点的协同作用,使其在消化系统疾病的治疗上具有独特优势,但其药效物质基础和作用机制尚不明确。
因此,本研究基于文献考证健胃十味丸治疗胃病的功效,以慢性胃炎为主题,运用网络药理学方法构建活性成分-靶点-疾病-通路网络,从系统层面探讨健胃十味丸防治慢性胃炎的药效成分、作用靶点和潜在机制,并利用分子对接技术进一步验证活性成分与靶点蛋白的亲和关系,为后续的深入研究提供依据。
1.1.1 数据来源 文献数据来源于现有文献书籍,并结合中国知网、万方数据知识服务平台、读秀学术等,以“健胃十味丸”或“浩道敦-10”为关键词进行全文搜索,根据搜集到的内容查阅古籍原版或影印版进行内容审校。
1.1.2 数据纳入和排除标准
1.1.2.1 纳入标准 1)有明确关于健胃十味丸或浩道敦-10 方剂的相关记载;2)涉及健胃十味丸或浩道敦-10组成、主治病证、用量、炮制、煎服方法等信息;3)同一出处的选择较早的古籍,不重复录入。
1.1.2.2 排除标准 1)只检索到健胃十味丸或浩道敦-10 方名,而没有其他相关文献信息者;2)方名相同,但组成和功效完全不同者。
1.1.3 数据规范 1)将健胃十味丸或浩道敦-10相关信息录入表中,录入的内容应与原文记载完全相同;2)提取的字段信息包括方名、出处、成书年代、方剂药物组成、主治病证等。
通过中药系统药理学与分析平台(TCMSP,http://tcmspw.com/tcmsp.php)、BATMAN-TCM 数据库(http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/)检索,并查阅中国知网中相关文献进行补充,以口服生物利用度(OB)≥30%和类药性(DL)≥0.18 为限定条件确定健胃十味丸中各药物的化学成分。利用UniProt 数据库(https://www.uniprot.org),将物种限定为“人”,并选择“已验证”,将所有成分靶点转换为基因名。
以“chronic gastritis”为关键词,在GeneCards数据库(https://www.genecards.org/)、DisGeNET数据库(http://www.disgenet.org/)检索并收集相关疾病的靶点,合并、去重。将成分靶点和疾病靶点导入JVenn(http://jvenn.toulouse.inra.fr/app/index.html),得到药物与疾病韦恩图及交集靶点。
将健胃十味丸活性成分潜在靶点基因及疾病靶点基因与药物一起导入Cytoscape 3.7.1 软件,构建药物-活性成分-靶点网络图,药物、活性成分和作用靶点以节点表示,节点之间的相互作用以边表示,采用Network Analyzer插件进行数据处理。
将药物与疾病交集靶点输入STRING 数据库(https://www.string-db.org/),选择“multiple proteins”,并将物种设定为“homo sapiens”,其他参数均保持默认值,构建PPI 网络,再将结果导入Cytoscape 3.7.1 软件进行可视化及网络拓扑学分析,大于度值(degree)中位数的靶点筛选为核心靶点。
将药物与疾病交集靶点导入DAVID 数据库(https://david.ncifcrf.gov/),进行GO和KEGG富集分析。GO分析包括分子功能(molecular function,MF)、细胞组分(cellular component,CC)及其所参与的生物学反应(biological process,BP)3个部分,对1个基因的功能进行多方面的限定和描述。选择标识符为official_gene_symbol,限定物种为“homo sapiens”,设定阈值P<0.05,通过在线绘图网站微生信(http://www.bioinformatics.com.cn/)进行可视化分析。
健胃十味丸的活性成分和核心靶点的3D 结构分别从PubChem 数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)和PDB 数据库(http://www.rcsb.org/)中下载,利用chem3D 进行优化。利用PyMOL 2.4.1对化合物进行除水、去除小分子配体操作,用AutoDock 1.5.6 软件加氢,转换为.pdbqt 格式后,由AutoDock Vina 1.1.2 软件执行分子对接计算,利用R 语言建立聚类热图,并通过PyMOL软件实现对接结果可视化,构建分子对接模式图。
以“健胃十味丸”和“浩道敦-10”为关键词进行全文检索,记录有该方的各类中医书籍文献共19 部,均为现代书籍。
2.1.1 历史源流分析 《蒙医方剂全书》中有记载,健胃十味丸来源于《医药月帝》,称为浩道敦赫音-10,别名为十味胃赫依散[8]。查阅蒙古族文《医药月帝》2013 年版[9],并未发现该方的记录。该书作为藏族医原著,由于语言、地区及历史等因素,可能导致药物的名称基原存在差异。因此根据现有书籍并未考证到该方的起源,但《蒙医方剂全书》里的记载可为其功效考证提供参考。
《蒙医方剂全书》中对健胃十味丸古今方剂进行了整理。结合近现代书籍记载的药物组成和功效发现,该方在组成和功能主治方面基本一致,成分及疗效稳定。该方多以健胃十味丸和浩道敦-10的名字出现,有书籍也称其为炮·阿如·朱瓦、胃寒诃子十味散、浩道敦乃-阿茹日-10、浩道敦阿如日-10。浩道敦-10丸剂于1998年被纳入国家标准[10]。本方的名称、功效、组成等见表1。
2.1.2 功能主治分析 通过对健胃十味丸功能主治的梳理,发现主治病证大致相似,为治疗消化不良、胃胀不适、呕吐泻泄,可知其主要用于治疗消化系统疾病,并多集中于治疗胃部疾病,个别书记载的治疗范围不局限于胃部,如《蒙医成方选》[11]和《蒙医方剂全书》记载可治疗胃及十二指肠溃疡;《中成药合理应用指导》[26]、《现代蒙医学》[16]、《蒙医方剂全书》记载治疗脾胃虚寒及脾湿胃胀,《中国少数民族传统医药大系》[14]记载可治疗胃肝之寒症。尽管一些书中扩大了其治疗范围,但都没有脱离治疗胃部疾病的范畴,见表1。
表1 健胃十味丸(浩道敦-10)文献考证
续表1
通过TCMSP 数据库检索健胃十味丸中8 味药材,用BATMAN-TCM 数据库和文献进行补充[29-32],共获得39 个活性成分。其中五灵脂有效成分2 个、石榴有效成分5个、山柰有效成分2个、肉桂有效成分4 个、黑胡椒有效成分14 个、诃子有效成分8 个、荜茇有效成分7 个、白豆蔻有效成分1 个,见表2。白豆蔻治疗疾病(如慢性胃炎)的有效成分以挥发油类为主,γ-广藿香是其中之一,尽管γ-广藿香不符合DL>0.18,但有文献记载该成分具有较高活性[29],因此本研究将该成分纳入。通过TCMSP 数据库和GeneCards 数据库预测所有主要活性成分的潜在靶点,去重整合,运用UniProt数据库将蛋白质名转化为人类对应基因名,共得到223 个靶点。健胃十味丸中光明盐、寒水石属于矿物药,数据库未收录其活性成分和靶点,文献中也无相关记载,故舍弃。
表2 健胃十味丸活性成分信息
在GeneCards 和DisGeNET 数据库输入“chronic gastritis”,整理、校正、去重后得到1207 个潜在作用靶点。将223 个药物靶点和1207 个疾病靶点输入到JVenn 上,绘制韦恩图,得到98 个交集靶点,见图1。
图1 健胃十味丸与慢性胃炎的交集靶点
将上述获得的药物、成分与靶点导入Cytoscape 3.7.1 构建药物-活性成分-靶点网络,见图2。该网络由261 个节点和575 条边组成。使用Network Analyzer 对网络进行拓扑学分析,图形大小和深浅与度值成正比,度值前10 位的化合物分别为槲皮素、山柰酚、木犀草素、碎叶紫堇碱、鞣花酸、芝麻素、胡椒碱、霹雳萝芙辛碱、顺-荜茇酰胺、胡椒油碱B。说明健胃十味丸治疗慢性胃炎的过程中,这10个活性成分可能起主要作用。
图2 健胃十味丸治疗慢性胃炎的药物-活性成分-靶点网络
将韦恩图中获取的98 个药物疾病交集靶点导入STRING 数据库,物种选择为“homo sapiens”,获得PPI 网络,见图3。其中节点代表蛋白质(共98个),每条边代表蛋白质与蛋白质之间的相互作用关系(共2010 条),节点平均度值为41。度值表示连接到1 个节点的线条数,线条越多表示关联度越大,因此可以用节点来评估网络中每个节点的重要性。下载蛋白相互作用.tsv 文件,导入Cytoscape 3.7.1进行拓扑分析,根据度值进行筛选,将度值大于中位数的靶点确定为核心靶点,绘制核心靶点PPI 网络,见图4。其中,节点的面积越大表示度值越高,在网络图中越重要,面积越小表示度值越低。度值前10位的靶点分别为JUN(Jun proto-oncogene,AP-1 transcription factor subunit)、白细胞介素-6(IL-6)、胱天蛋白酶3(CASP3)、血管内皮生长因子A(VEGFA)、环加氧酶2(PTGS2)、蛋白激酶B1(Akt1)、基质金属蛋白酶9(MMP9)、肿瘤坏死因子(TNF)、肿瘤蛋白p53(TP53)、缺氧诱导因子1α(HIF1A)。提示可能健胃十味丸通过这些靶点发挥其治疗慢性胃炎的药理作用。
图3 健胃十味丸治疗慢性胃炎PPI网络
图4 健胃十味丸治疗慢性胃炎核心靶点PPI网络
2.6.1 KEGG 分析共得到KEGG 条目104 条,对P值进行转化后,在微生信中将靶点富集个数前20的KEGG 通路绘制成条形图,见图5。结果显示,健胃十味丸发挥治疗慢性胃炎作用的主要信号通路为癌症通路、乙型肝炎、TNF 信号通路、Toll 样受体(TLR)信号通路、核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体(NLR)信号通路、p53 信号通路等。
图5 健胃十味丸治疗慢性胃炎靶点的KEGG富集分析
2.6.2 GO 分析共得到GO 条目650 条,其中BP条目513 条、CC 条目51 条、MF 条目86 条。对P值进行转化后,在微生信中将靶点富集个数前10 的3 类GO 条目绘制成条形图,见图6。结果显示,BP主要涉及凋亡过程的负调控(negative regulation of apoptotic process)、药物反应(response to drug)、基因表达的正调控(positive regulation of gene expression);CC 主要与细胞外空隙(extracellular space)、胞液(cytosol)、胞外区(extracellular region)等有关;MF主要与核浆(nucleoplasm)、淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)家族蛋白复合物(Bcl-2 family protein complex)、细胞质核周区(perinuclear region of cytoplasm)等有关。
图6 健胃十味丸治疗慢性胃炎靶点GO富集分析
为了更全面探究健胃十味丸有效成分对参与前20 条作用通路的关键靶点的影响,取PPI 网络中度值前10 的靶点JUN、IL-6、CASP3、VEGFA、PTGS2、Akt1、MMP9、TNF、TP53、HIF1A 和药物-活性成分-靶点网络中度值前10的化合物槲皮素、山柰酚、木犀草素、碎叶紫堇碱、鞣花酸、芝麻素、胡椒碱、霹雳萝芙辛碱、顺-荜茇酰胺、胡椒油碱B逐一进行分子对接,整理对接结果建立聚类热图,见图7。一般认为配体与受体结合的自由能越低,结合构象越稳定,发生作用的可能性越大。分子对接结果表明,健胃十味丸的主要活性成分与核心靶点结合自由能除胡椒油碱B 与IL-6 的结合能为-4 kcal·mol-1(1 cal≈4.186 J)外,其余均小于-5 kcal·mol-1。提示筛选出的核心靶点与其对应的活性成分大多数都具有良好的亲和力,可证明结果具有一定的可信度。将对接结果导入PyMOL 2.4.1软件进行可视化分析,部分结合能低的化合物和靶点对接模式图见图8。
图7 健胃十味丸治疗慢性胃炎有效成分与有效靶点分子对接
图8 健胃十味丸治疗慢性胃炎核心化合物与核心靶点分子对接
通过对健胃十味丸进行文献考证,《蒙医方剂全书》中记载该方出自《医药月帝》,但《医药月帝》2013 年版中并未发现此方,因语言、地区及历史等因素,可能导致药物的名称基原存在差异,因此只能推测该方可能出自《医药月帝》,若想确定具体来源,还需要进一步考证。对多本书中的记载进行整理,可发现不同时代对该方的认知较为统一,某种程度上也能够说明该方确有治疗胃部疾病等消化系统疾病的效果,并且疗效稳定。
健胃十味丸作为蒙医常用方剂之一,有明确治疗胃部疾病的作用。通过对健胃十味丸有效活性成分、作用靶点的搜集与筛选,共获得39 种活性成分,包括槲皮素、山柰酚、木犀草素、碎叶紫堇碱和鞣花酸等,多属于黄酮类物质,是健胃十味丸治疗慢性胃炎的活性成分。槲皮素作用靶点最多,现代药理研究表明,槲皮素是一种自由基清除剂,能使胃上皮GES-1 细胞免受过氧化氢(H2O2)诱导的氧化损伤从而发挥胃保护作用[33],具有明确的抗炎作用;此外,多项研究表明槲皮素还能够通过多种途径有效抑制胃癌SGC-7901 细胞[34-35]、MGC-803 细胞[36]、BGC-823 细胞[37]和BGC-803 细胞[38]的增殖并诱导其凋亡,表现出抗肿瘤作用。肉桂所含桂皮油具有健胃、抗溃疡作用,能增强消化功能,排除消化道积气,缓解胃肠痉挛[39]。山柰酚作为黄酮类化合物与槲皮素相似,同样具有抗炎、清除自由基、抗氧化作用[40]。胡椒具有温中散寒、下气、消痰的功效,用于胃寒呕吐、腹痛泄泻、食欲不振、癫痫痰多[41]。胡椒碱作为胡椒的主要成分具有保护和修复损伤的胃黏膜的作用[42];诃子具有涩肠止泻、止血的功效[43],但其发挥治疗胃肠道作用的化学成分基础尚未研究透彻。上述化合物多数具有较高的度值。
药物有效成分靶点与疾病靶点共取得98 个交集靶点,通过构建PPI 网络可知,JUN、IL-6、CASP3、VEGFA、PTGS2、Akt1、MMP9、TNF、TP53、HIF1A 等靶点具有较高度值,可推测其为健胃十味丸治疗慢性胃炎的高相关性靶点。IL-6、TNF-α是在炎症反应过程中发挥重要作用的炎症因子,能促进炎症反应的发生发展[44]。IL-6 由经典活化巨噬细胞产生,在机体的炎症、代谢、癌症、组织联系中起重要作用[45-46]。TNF-α由多种细胞分泌,研究表明,慢性胃炎患者TNF-α水平显著升高,启动活化炎性因子,促进炎性细胞的大量浸润,导致炎症反应失控[47]。Akt1 作为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶之一[48],具有通过介导核转录因子-κB(NF-κB)炎症信号通路的活化而加速慢性胃炎的发生及发展的作用。国外有学者研究发现人参可通过降低Akt1 与Akt2 活性在胃炎、肝炎、结肠炎等多种炎性疾病中发挥抗炎作用[49]。TP53 是癌症中最常见的突变基因肿瘤抑制因子,由于染色体的不稳定性,使TP53突变,可能导致慢性胃炎和其他癌症患者的免疫活性下降[50-51]。CASP3 则被证实可通过特异性裂解底物而广泛参与到细胞凋亡的过程中[52]。MMPs 是一组内源性蛋白水解酶,其主要功能是降解细胞外基质膜的有效成分,作用于细胞外其他蛋白质而发挥其潜在的生物学功能,参与组织模型再塑及创伤修复等生理过程[34]。许升等[53-54]研究发现,黄芪建中汤可通过下调MMP9、MMP2表达水平修复胃黏膜损伤。PTGS2 能够激活分布在血小板和内皮细胞上的前列环素受体G 蛋白,从而松弛血管平滑肌及抑制血小板聚集[42]。VEGFA是VEGF家族最重要的成员之一,能够促进新生血管、淋巴管、癌细胞的形成,进一步刺激肿瘤的生长、转移和存活[55-56]。HIF1A、VEGF 在食管癌、胃癌、原发性肝癌、卵巢癌中有高表达[57]。综上所述,健胃十味丸可通过涉及炎症反应、细胞凋亡、水解蛋白质、组织模型重塑和创伤修复、肿瘤血管生成等过程的基因来发挥治疗慢性胃炎的作用,因此可知健胃十味丸治疗慢性胃炎具有多成分、多途径、多靶点综合治疗慢性胃炎的特点。
通过GO 生物学过程富集分析可知,健胃十味丸治疗慢性胃炎涉及多个生物学过程,GO-BP 主要集中于凋亡过程的负调控、药物反应、基因表达的正调控;GO-CC 主要集中于细胞外空隙、胞液、胞外区;GO-MF 主要集中于核浆、Bcl-2 家族蛋白复合物、细胞质核周区等。进一步的KEGG 信号通路富集分析显示,靶点主要富集于癌症通路、乙型肝炎、TNF 信号通路、TLR、NLR 信号通路、T 细胞受体信号通路、p53 信号通路等多条信号通路。NLR 是一类特殊的细胞内蛋白,在调节宿主天然免疫应答中起着重要作用。NLRs作为支架蛋白组装信号平台,触发NF-κB 和有丝分裂原激活蛋白激酶信号通路,并控制炎症Caspases 的激活。重要的是,NLR 家族的一些成员的突变与多种炎症疾病有关,这些分子在宿主-病原体相互作用和炎症反应中起着重要作用。p53 激活由DNA 损伤、氧化应激和激活的癌基因等应激信号诱导,p53 信号通路主要的作用是促进细胞周期停滞、细胞衰老或凋亡,故诱导p53信号通路激活可达到治疗慢性胃炎的效果。TLR信号通路是与幽门螺杆菌感染相关的通路,幽门螺杆菌诱导的特异性胃上皮细胞功能变化主要是通过细菌相关的炎症反应所释放的细胞因子间接介导,促进不适当的炎症反应、上皮细胞过度增殖、上皮细胞存活和转化等[58]。T 细胞受体信号通路(TCRs)与细胞炎症和免疫相关,在T 细胞激活过程中具有重要作用,特异性的抗体识别TCR 后,会激活TCR通路下游的一系列蛋白,调节T 细胞的分化和活化等[59]。在癌症相关通路中,结合PPI 蛋白分析结果,VEGFA、EGFR、CASP3 等分子为癌症相关通路的关键分子,VEGF 通过激活其受体VEGFA,促进新生血管异常生成,为癌细胞的增殖、迁移提供营养和条件[60]。TNF 的信号传导通路主要包括细胞凋亡及NF-κB 和JNK 蛋白激酶的激活,这3 条信号传导通路之间及各通路内部含有各种调节机制,使TNF的各种生物学功能协调发挥。慢性胃炎中炎症的不断刺激引起细胞凋亡,程序性细胞死亡的异常可能导致肿瘤发生[61]。朱翔等[62]的研究发现,随着乙肝病毒在人体内复制时间的增加,胃黏膜萎缩比例及严重程度也逐渐升高,提示乙肝病毒信号通路与慢性胃炎的发生和发展密切相关。当乙肝病毒在人体内复制时会激活髓样分化因子88(My D88),促进IL-1受体相关激酶4(IRAK4)的磷酸化,进而激活TGF-β激活激酶1(TAK-1),使IKB激酶(IKK)活化为IKB,进而促进TNF-α、IL-6 等炎性细胞因子的释放[63],最终加重胃黏膜的炎症与萎缩。因此健胃十味丸可通过抗炎、抗幽门螺旋杆菌和促进胃黏膜修复、癌变预防等方面发挥治疗慢性胃炎的作用。
分子对接结果显示,槲皮素、木犀草素、碎叶紫堇碱、芝麻素与MMP9 结合力≤-10.00 kcal·mol-1;PTGS2 与碎叶紫堇碱和鞣花酸、芝麻素,TNF与芝麻素结合力≤-10.00 kcal·mol-1。其中芝麻素与PTGS2 结合力最低,为-11.00 kcal·mol-1,说明两者结合以后的构象最稳定,提示健胃十味丸中的核心成分与关键靶点有着较好的结合活性,说明其可能是治疗慢性胃炎的潜在活性成分。也可看出MMP9 和PTGS2 与芝麻素、碎叶紫堇碱2 个活性成分在健胃十味丸治疗慢性胃炎的过程中起着重要作用。同时,可以看出不同的靶点可对应相同的活性成分,同一个靶点也可与不同的活性成分相对应,可认为健胃十味丸治疗慢性胃炎具有多成分、多靶点的特点,也进一步证明了本研究中关于健胃十味丸治疗慢性胃炎机制研究结果的有效性与可靠性。
综上所述,本研究首先进行文献考证,确定了健胃十味丸有治疗胃部疾病等消化系统疾病的功效,选择慢性胃炎进行后续研究。通过网络药理学及分子对接技术证明了健胃十味丸可通过多成分、多靶点、多通路协同作用来治疗慢性胃炎。筛选出槲皮素、山柰酚、木犀草素、碎叶紫堇碱、鞣花酸、芝麻素等为健胃十味丸的主要活性成分;PTGS2、Akt1、TNF、MMP9 等为主要作用靶点;并通过药物反应、涉及凋亡过程的负调控、细胞外空隙、核浆、Bcl-2 家族蛋白复合物等生物过程,调控癌症通路、乙型肝炎、TNF 信号通路、TLR 信号通路、NLR 信号通路等来抗炎、抗幽门螺旋杆菌、促胃黏膜修复并预防癌变以达到治疗慢性胃炎的效果。本研究对阐明健胃十味丸治疗慢性胃炎的作用机制具有一定借鉴意义,但本研究结果仅是依靠数据库信息在理论层面的讨论,数据的完整性及筛选条件的设定受限,仍可能与健胃十味丸发挥作用的实际过程存在一定的区别。
通过对健胃十味丸方剂进行考证,在明确药物功能主治的前提下,对药物治疗慢性胃炎的作用进行网络药理学分析,初步确定其治疗的作用机制;在确定健胃十味丸疗效和机制后,若想要将健胃十味丸应用于临床或新药研发,后续还需要进一步的体内、体外实验和临床研究来验证。