白鲜皮“异病同治”皮炎、湿疹和银屑病的作用机制预测

邓嘉林, 钱亚云, 杨妞妞, 2

(1. 扬州大学医学院, 江苏 扬州, 225009; 2. 扬州大学附属医院 中医科, 江苏 扬州, 225012)

皮炎、湿疹、银屑病是临床上常见的易反复发作的慢性炎症性皮肤病,且都伴有一定程度的皮损。目前,临床上常使用激素和免疫抑制剂类药物进行治疗,如皮质类固醇类药物、抗组胺类药物[1], 但治疗成本高、易复发,且常伴有各种副作用[2]。激素类药物可能导致机体代谢异常、肌无力、生长发育迟缓、诱发精神症状等结果[3], 免疫抑制剂可能会引起鼻咽炎、头痛、肺结核、药物性狼疮、炎症性肠病等不良反应[4]。中药作为中国传统医学的瑰宝,长期被用于治疗皮肤炎症,具有配方灵活、成本低、疗效稳定、副作用小等优点[5]。白鲜皮是芸香科多年生草本植物白鲜的干燥根皮,具有清热燥湿、祛风解毒的作用,临床上主要用于治疗皮肤炎症、湿疹、风疹、风湿、妇科炎症等疾病[6-8]。现代药理学研究[9]发现,白鲜皮具有明显的抗炎、杀虫、免疫抑制等作用,但白鲜皮用于治疗皮炎、湿疹、银屑病的共同机制尚不清楚。本研究采用网络药理学联合分子对接技术,探讨白鲜皮“同病异治”皮炎、湿疹、银屑病的作用机制,为后期实验研究及临床药物的研发提供一定指导[10]。

1 资料与方法

1.1 白鲜皮有效成分的获取和作用靶点的预测

在中药系统药理学数据库与分析平台(TCMSP)(https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)中检索白鲜皮成分[11], 并以药物生物口服利用度(OB)≥30%, 药物相似性(DL)≥0.18作为有效成分筛选的标准[12]。将有效成分的SMILES号导入STP数据库(http://www.swisstargetprediction.ch/),查得其对应结构式,再进行靶点预测,选择prob>0的靶点作为白鲜皮的潜在作用靶点[13], 再将所有作用靶点合并去重,最后使用Uniprot数据库(http://www.Uniport.org/)对靶点基因的名称进行标准化[14]。

1.2 皮炎、湿疹、银屑病相关靶点的预测和相同靶点的获得

运用TTD(https://db.idrblab.net/ttd/)、OMIM(http://www.omim.org/)、DrugBank(https://go.drugbank.com/)、GeneCards(https://www.genecards.org/)、DisGeNET(https://www.disgenet.org/)数据库,以“皮炎(dermatitis)”“湿疹(eczema)”“银屑病(psoriasis)”为关键词分别进行检索,获得作用于皮炎、湿疹、银屑病的相关靶点,再将皮炎、湿疹、银屑病的相关靶点分别导入Venny2.1.0在线软件作图工具平台(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/Venny/)获得皮炎、湿疹、银屑病的相同靶点。

1.3 白鲜皮-皮炎/湿疹/银屑病的相同靶点的交集靶点的获得及网络图绘制

将白鲜皮有效成分的作用靶点与皮炎、湿疹、银屑病的共同靶点分别导入Venny平台,绘制韦恩图,得到白鲜皮-疾病共同靶点的交集靶点。运用Cytoscape3.8.2软件构建白鲜皮有效成分与交集靶点的网络。

1.4 蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络构建及分析

为了探索白鲜皮与皮炎、湿疹、银屑病相同靶点的交集靶点基因之间的相互作用,将交集靶点基因通过相互作用数据库平台STRING(https://cn.string-db.org/)进行蛋白相互作用查询并构建PPI网络,选择物种为“人(Homo sapiens)”, 最高置信度为0.400, 剔除无相互联系的节点,得到白鲜皮治疗皮炎、湿疹、银屑病相同靶点的PPI网络。利用Cytoscape3.8.2软件对网络进行拓扑分析,筛选出节点度值最大的10个靶点作为该机制的核心靶点,用于后续的分子对接。

1.5 基因本体(GO)富集分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析

为了明确交集靶点蛋白在基因功能及信号通路中的作用,对交集靶点基因进行GO富集分析和KEGG通路富集分析。运用R语言软件编码,使得交集靶点在Metascape数据库(http://metascape.org/gp/index.html)进行GO富集分析和KEGG信号通路分析,并进行可视化处理[15]。

1.6 分子对接

从PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)下载5个核心成分的mol2格式。将筛选出的核心靶点输入RCSB Protein Data Bank(pdb)数据库(https://www.rcsb.org), 查找相关蛋白结构,并根据蛋白结构的种属、作用机制、是否存在突变氨基酸残基、链数、分辨率和pH值、蛋白结构中的配体与目标化合物的结果相似度等6个条件筛选出最佳的蛋白结构[16]。筛选出来的蛋白结构借助Discovery Studio 2019 Client软件提取出靶点基因原配体,并将其重新对接到靶点基因的活性口袋中,设置晶体结构中原配体构象的RMSD值为0, 计算对接后配体构象的RMSD值, RMSD值≤2.5×10-10m时,认为分子对接结果可靠,可以用于分子对接[17]。运用AutoDock Tools进行分子对接,获得的结果借助Open Babel软件转换为pdb格式,最后再用PyMOL软件对结果进行可视化处理。

2 结 果

2.1 白鲜皮有效成分和潜在作用靶点

在TCMSP数据库共检索到白鲜皮成分63个,有效成分18个,去除在STP数据库中没有预测靶点的成分,共筛选得到15个有效成分,合并删重后共有447个潜在作用靶点。运用Uniprot数据库规范化处理靶点基因名称。15个有效成分见表1。

表1 白鲜皮的有效成分

2.2 皮炎、湿疹、银屑病的共同靶点

以“皮炎(dermatitis)”“湿疹(eczema)”“银屑病(psoriasis)”为关键词,在TTD、OMIM、DrugBank、GeneCards、DisGeNET 5个数据库中进行检索,获得皮炎相关靶点1 675个,湿疹相关靶点2 884个,银屑病相关靶点3 697个,将皮炎、湿疹、银屑病的靶点分别导入Venny平台,绘制韦恩图,获得皮炎、湿疹、银屑病的交集作用靶点588个,见图1。

图1 皮炎、湿疹、银屑病的相同靶点韦恩图

2.3 白鲜皮-皮炎、湿疹、银屑病共同靶点的交集靶点

在Venny平台上分别录入白鲜皮15个活性成分的447个靶点与588个皮炎、湿疹、银屑病的交集靶点,最终获得白鲜皮活性成分共同作用于皮炎、湿疹、银屑病的潜在靶点64个,见图2。

图2 白鲜皮与皮炎、湿疹、银屑病相同靶点的交集靶点韦恩图

2.4 “有效成分-交集靶点”的网络构建及其可视化分析

将白鲜皮的15个有效成分以及白鲜皮与皮炎、湿疹、银屑病相同靶点的64个交集靶点输入Cytoscape3.8.2软件中,构建“有效成分-交集靶点”相互作用的网络图(图3), 图中黄色节点代表白鲜皮中的15种活性成分,蓝色节点代表64个交集靶点,节点度值表示该成分与作用靶点的关联个数,节点度值越大说明该成分发挥治疗作用的可能性越大,其显示在网络中的图标也越大。使用该软件的Network Analyzer功能对网络进行分析预测,按照筛选度值从大到小排序,得到白鲜皮作用于皮炎、湿疹、银屑病的相同靶点的前5个活性成分: 赤霉素B、甘遂烷、前茵芋碱、7α-乙酰叶枯醇、白鲜明碱。

图3 “有效成分-交集靶点”网络

2.5 PPI网络分析

将获得的64个潜在作用靶点导入STRING数据库并构建PPI网络(图4), PPI网络显示有64个节点, 465条相互作用连线,平均节点度值为14.5, 平均集聚系数为0.689。PPI网络图中,节点代表靶点,节点越大、颜色越深说明该靶点在PPI网络中涉及的生物功能越多。利用Cytoscape 3.8.2软件的CytoNCA插件对PPI网络进行拓扑分析,以Betweenness、Closeness、Degree、Eigenvector、Information、LAC这6个值为筛选条件,得到白鲜皮活性成分治疗皮炎、湿疹、银屑病的前10个潜在作用靶点,依次为肿瘤坏死因子(TNF)、Toll样受体4 (TLR4)、血管内皮生长因子A (VEGFA)、信号转导与转录激活子3 (STAT3)、信号转导与转录激活子1 (STAT1)、表皮生长因子受体(EGFR)、蛋白酪氨酸磷酸酶受体C型(PTPRC)、环氧合酶2(PTGS2)、基质金属蛋白酶9 (MMP9)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ (PPARG), 见图5。

图4 PPI网络图 图5 核心靶点图

2.6 GO富集分析

借助Metascape数据库对64个交集靶点进行GO富集分析,以P<0.05作为筛选标准,并对结果进行可视化处理(图6), 共获得1 191个生物学过程(BP)、29个细胞成分(CC)以及72个分子功能(MF), 分别选择前10条分析结果绘制成柱状图。结果显示,白鲜皮主要通过影响炎症反应、肽基酪氨酸磷酸化、肽基酪氨酸修饰等生物学过程来缓解皮炎、湿疹、银屑病。对细胞成分的富集分析结果表明,白鲜皮的影响主要发生在膜筏、膜微区、神经元胞体。细胞因子受体结合、磷酸酶结合、配体激活的转录因子活性、核受体活性等分子功能与白鲜皮缓解皮炎、湿疹、银屑病症状有关。

图6 GO富集分析图 图7 KEGG富集分析图

2.7 KEGG信号通路分析

KEGG信号通路富集分析说明了交集靶点与通路的关系,借助Metascape数据库进行KEGG信号通路富集分析后共得到97条结果,前20条结果见图7。结果显示,相同靶点主要富集于酪氨酸激酶-信号传导及转录活化因子(JAK-STAT)信号通路、白细胞介素17(IL-17)信号通路、高级糖基化终末产物-受体(AGE-RAGE)信号通路等。将前20条有关信号通路和靶点的结果借助R语言绘制靶点-信号通路图,结果见图8(蓝色节点为靶点,粉色节点为信号通路)。对关系最密切的JAK-STAT信号通路上所有的靶点基因进行可视化处理,见图9(节点为JAK-STAT信号通路上所有基因,其中红色节点为JAK-STAT信号通路上此次富集的靶点基因)。

图8 靶点-信号通路图

图9 JAK-STAT信号通路图

2.8 分子对接及其可视化

为了进一步探讨白鲜皮治疗皮炎、湿疹、银屑病的机制,借助Discovery Studio 2019 Client、AutoDock Tools、PyMOL进行分子对接和可视化。在pdb数据库检索并筛选出PTGS2、TNF、EGFR、MMP9、PPARG 共5个蛋白结构。经Discovery Studio 2019 Client软件验证只有TNF、EGFR、MMP9、PPARG 这4个靶点存在RMSD<2.5的蛋白构象。把白鲜皮的5个主要活性成分赤霉素B、甘遂烷、前茵芋碱、7α-乙酰叶枯醇、白鲜明碱分别与TNF、EGFR、MMP9、PPARG进行分子对接。化合物与蛋白之间的自由结合能小于-5 kcal/mol说明结合稳定,并且这个值越小表明越稳定[18]。分子对接结果提示,关键成分与核心靶点之间的结合都较为稳定,见表2。选择与4个靶点结合最稳定的化合物,并对其与靶点之间的对接关系进行可视化处理,见图10。结果显示,其均与对应靶点的相应位点形成了氢键,氢键的数量及结合位点见表3。

表2 关键化合物与核心蛋白结合能

表3 关键化合物与核心靶点氢键结合数量与位点

3 讨 论

本研究从白鲜皮中筛选出赤霉素B、槲皮素、前茵芋碱、木犀草素、白鲜明碱等15个有效成分,其中作用于皮炎、湿疹、银屑病的关键成分是赤霉素B、甘遂烷、前茵芋碱、7α-乙酰叶枯醇、白鲜明碱。现代药理学研究[19]表明,赤霉素B有显著的抗疟原虫活性,而甘遂烷、前茵芋碱、白鲜明碱、7α-乙酰叶枯醇具有明显的抗炎作用。前茵芋碱可以抑制脂多糖(LPS)诱导的一氧化氮的产生来起到抗炎作用[6, 20]。

白鲜皮“同病异治”皮炎、湿疹、银屑病的核心靶点是TNF、TLR4、VEGFA、STAT3、STAT1、EGFR、PTPRC、PTGS2、MMP9、PPARG。TNF在调节适应性和先天免疫系统中发挥重要作用,因此是感染性和非感染性炎症性疾病的关键因素。TNF通过TNFR1抑制炎症和组织变性,并通过TNFR2发挥免疫调节和组织再生的作用[21]。TLR4可被LPS激活,在天然免疫应答中起到重要调控作用。现代研究[22]表明, TLR4在炎症反应、调节免疫应答及肿瘤治疗等方面都有一定作用。VEGF是一种有效的血管生成生长因子。VEGFA是VEGF家族7个成员中被研究得最多的成员,是血管生成的主要介质[23], 在银屑病患者的皮肤中过度表达,并与疾病严重程度相关。表皮细胞中酪氨酸激酶受体(Flt1)或神经纤毛蛋白1(Nrp1)的条件性缺失可抑制由VEGFA过表达诱导的银屑病的发生[24]。STAT1和STAT3都属于STATs家族,具有信号转导和转录激活的功能,参与调控细胞周期、细胞存活、免疫应答等过程。STAT1和STAT3在常见的细胞因子和生长因子的下游被激活,破坏其平衡可以引导细胞从存活到凋亡或从炎症反应到抗炎反应[25]。EGFR是一种受体酪氨酸激酶,具有跨膜区和细胞内酪氨酸激酶结构域[26]。EGFR通过诱导血红素加氧酶1(HO-1)的表达,促进牙周膜细胞的成骨细胞分化,抑制牙周炎的发生[27]。PTPCR也称为CD45, 是一种跨膜糖蛋白,几乎在所有造血细胞上(除成熟的红细胞以外)表达。蛋白质酪氨酸激酶和磷酸酶活性之间平衡的破坏可导致免疫缺陷和自身免疫[28]。研究[29]证实, MMP9在银屑病中性粒细胞中过度表达,在银屑病皮损中含量丰富,尤其是邻近血管内和血管周围组织,表明MMP9可能在银屑病血管重塑中发挥作用。PPARG在尿路上皮细胞中可以通过调控线粒体生物发生、细胞分化和炎症反应在尿路感染中发挥重要作用[30]。PTGS2可以与多种炎症细胞因子和介质响应,并且快速稳健地表达抑制作用[31]。

借助网络药理学结合分子对接技术,本研究发现白鲜皮的5个主要活性成分可能通过JAK-STAT、IL-17、AGE-RAGE等多个通路作用于TNF、TLR4、VEGFA等多个靶点,在常见皮肤病中起到抗炎止痒的作用。但这些方法有一定局限性,如数据库更新慢和容量问题: TCMSP数据库最新更新时间为2014年5月30日; STP数据库每个成分只能检索出100个对应靶点,由于筛选条件的限制,一些关键的化合物和靶点可能未被纳入研究(药物代谢动力学指标很多, OB和DL只是其中2个,按照OB≥30%和DL≥0.18的条件筛选药物的有效成分不一定准确); 《中国药典》评价白鲜皮品质的3个成分——白鲜碱、梣酮、黄柏酮,在用生物OB≥30%、 DL≥0.18来进行筛选时,不是白鲜皮的有效成分。此外,本研究只分析了部分且单一的化合物的作用,未考虑其协同作用。因此,需要更多的研究来阐明白鲜皮治疗皮炎、湿疹、银屑病的相同的作用机制。但本研究从多个数据库和平台获取白鲜皮有效成分及皮炎、湿疹、银屑病的靶点信息,并且利用网络药理学和分子对接技术从分子水平进行了相对科学的理论研究和验证,对临床药物的研发具有一定的指导作用。