李 新 ,韩彦琪 ,张祥麒,许 浚 ,王春芳 , ,王 磊,张铁军 *,刘昌孝 *
1.天津药物研究院 天津市中药质量标志物重点实验室,天津 300462
2.天津药物研究院 中药现代制剂与质量控制技术国家地方联合工程实验室,天津 300462
3.天津药物研究院 药物成药性评价与系统转化全国重点实验室,天津 300462
4.天津达仁堂京万红药业有限公司,天津 300112
5.天津中医药大学,天津 301617
6.津药达仁堂集团股份有限公司,天津 300193
中药复方物质组成复杂,对其药效物质基础及作用机制的阐释带来很大困难,而网络药理学的兴起为中药复方机制的研究提供了一个全新的角度,借助网络分析预测中药的作用机制可从新的角度诠释中医理论。网络药理学是基于系统生物学及多向药理学等学科理论,运用组学、网络可视化等技术揭示药物、基因、疾病、靶点之间复杂的生物网络关系的学科,可在此基础上预测药物的药理学机制[1]。网络药理学从药物、靶点与疾病相互作用的整体性和系统性出发,通过网络方法分析药物、靶点与疾病的关系,应用于中医药研究领域,反映和阐释中药的多成分、多靶点、多途径作用关系[2]。网络药理学在中药靶点研究中应用广泛,且对于阐释中药作用机制具有较大的指导意义[3]。
类风湿性关节炎属中医“痹证”,中医认为痹证的发生,是因正虚为本,外邪入侵所致,痹祺胶囊具有益气养血、祛风除湿、活血止痛的功效,方中党参、白术、茯苓健脾、益气养血,丹参、三七、川芎、牛膝、地龙活血化瘀、通络止痛,马钱子、甘草配伍散结消肿、通络止痛,10 味药配伍既可补虚固本,又可活血通络、止痛,针对痹证对因对症治疗。因此本研究将痹祺胶囊按照功能药味分组,在前期功能配伍实验的基础上,从网络药理学角度,进一步阐释痹祺胶囊配伍合理性,为进一步作用机制的研究奠定基础。
ChemBio Office 2014;TCMSP 数据库(https://tcmsp-e.com/tcmsp.php);CTD 数据库(https://ctdbase.org);PharmMapper 数据库(http://lilab-ecust.cn/pharmmapper/);OMIM 数据库(https://omim.org/);TTD 数据库(http://db.idrblab.net/ttd/);DisGeNet 数据库(http://www.disgenet.org/home/);GeneCards 数据库(https://www.genecards.org/);PubChem 数据库( https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/);UNIPROT 数据库(http://www.uniprot.org/);KEGG 数据库(http://www.genome.jp/kegg/);STRING 11.5 数据库( http://string-db.org/ );Omicsbean 在线分析软件(http://www.omicsbean.cn/);Omicshare Tools 在线制图软件(https://www.omicshare.com);Cytoscape3.6.0 软件。
在前期对痹祺胶囊化学物质组及血中移行成分研究的基础上,以10 味药材的各结构类型代表成分为主,选择痹祺胶囊中各药材的代表性成分为后续研究的目标化合物,共选取了39 个化合物为实验研究对象。
益气养血组包括党参中的3 个成分(党参炔苷、党参苷I、党参苷II);白术中的4 个成分(白术内酯I、白术内酯II、白术内酯III、苍术酮);茯苓中的4 个成分(土莫酸、茯苓酸、去氢土莫酸、茯苓酸B),化合物详细信息见表1。
表1 益气养血组化合物信息Table 1 Compound information of supplementing qi and nourishing blood herbs
活血通络组包括丹参中的7 个成分(丹酚酸B、迷迭香酸、丹参素、丹参酮I、隐丹参酮、丹参酮IIA、丹参新酮);三七中的4 个成分(人参皂苷Rg1、人参皂苷Rb1、三七皂苷R1、人参皂苷CK);川芎中的4 个成分(阿魏酸、藁本内酯、洋川芎内酯A、洋川芎内酯I);牛膝中的4 个成分(牛膝皂苷II、牛膝皂苷IV、25S-牛膝甾酮、20-羟基蜕皮激素);地龙中的1 个成分(次黄嘌呤),化合物详细信息见表2。
表2 活血通络组化合物信息Table 2 Compound information of promoting blood circulation and dredging collaterals herbs
抗炎镇痛组包括马钱子中的5 个成分(士的宁、马钱子碱、番木鳖苷酸、咖啡酸、奎宁酸);甘草中的3 个成分(甘草苷、异甘草素、甘草次酸),化合物详细信息见表3。
以“类风湿性关节炎”为关键词,从OMIM 数据库、TTD 数据库、DisGeNet 数据库和GeneCards数据库中检索类风湿性关节炎相关靶点,并借助Uniprot 数据库校正其靶标蛋白为官方名。
将3 个拆方组中的化合物英文名称或CAS 号输入TCMSP、CTD 等数据库中,筛选与该方适应症密切相关的蛋白靶点名称。然后,把蛋白名称输入UniProt 数据库,获得其相应靶点的人源的基因名称。将整合的基因导入STRING 11.5 数据库中,获得蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction,PPI)关系数据,通过将数据表导入Cytoscape 软件,并进行Network Analyzer 分析,筛选得到各拆方组的关键作用靶点。
运用Omicsbean 数据库对靶点蛋白进行生物信息学基因本体(gene ontology,GO)分析,包括细胞组分(cellular component,CC)、分子功能(molecular function,MF)以及生物过程(biological process,BP)。同时在STRING 11.5 数据库中可得到与蛋白靶点相关的信号通路,通过京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)数据库以及查阅相关文献,对得到的通路进行注释分析。
通过查阅数据库及文献,对痹祺胶囊各拆方组进行作用特点分析,构建药材-化合物、化合物-靶点、靶点-功效、靶点-通路关系,将其对应关系导入Cytoscape 3.6.0 软件中,构建痹祺胶囊各拆方组“药材-化合物-靶点-通路-功效”网络。通过整合网络分析,探究痹祺胶囊各拆方组通过多成分、多靶点、多通路发挥协同作用的机制,并阐释其配伍规律。
痹祺胶囊益气养血组由党参、茯苓、白术组成,本研究选取了党参、茯苓、白术中包含党参炔苷、党参苷I、党参苷II、白术内酯I、白术内酯II、白术内酯III、苍术酮、土莫酸、茯苓酸、去氢土莫酸、茯苓酸B 的11 个化合物,通过TCMSP、TCD、PharmMapper 等数据库得到了67 个靶点。将67 个作用靶点导入String 数据库中,得到了蛋白间相互作用关系(图1-A),将PPI 核心靶点投射至OmicsBean 在线分析软件中对益气养血组进行功能注释分析(图2-A)和KEGG 通路分析,并经Omicshare 工具对前20 条通路进行可视化(图3-A)。最后,通过Cytoscape 软件,得到药材-化合物-靶点-通路-功效网络(图4-A)。
图2 益气养血组 (A)、活血通络组 (B)、抗炎止痛组 (C) 关键靶点的GO 功能分析Fig.2 GO function analysis of key targets in supplementing qi and nourishing blood group (A), promoting blood circulation and dredging collaterals group (B), and anti-inflammatory and analgesic group (C)
图3 益气养血组 (A)、活血通络组 (B)、抗炎止痛组 (C) 关键靶点的KEGG 通路分析Fig.3 KEGG pathway analysis of key targets in supplementing qi and nourishing blood group (A), promoting blood circulation and dredging collaterals group (B), and anti-inflammatory and analgesic group (C)
图4 益气养血组 (A)、活血通络组 (B)、抗炎止痛组 (C) 的“药材-化合物-靶点-通路-功效”网络Fig.4 “Medicinal material-compound-target-pathway-efficiency” network of supplementing qi and nourishing blood group(A), promoting blood circulation and dredging collaterals group (B), and anti-inflammatory and analgesic group (C)
对核心靶点分析结果显示,处于益气养血组PPI 网络中心的白蛋白(albumin,ALB,度值30)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF,度值28)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL6,度值26)、血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA,度值23)、IL1B(度值22)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(cystein-asparate protease-3,CASP3,度值 22)、造血前列腺素合成酶 D(hematopoietic prostaglandin D synthase,HPGDS,度值19)、丝裂原活化蛋白激酶1(mitogen-activated protein kinase 1,MAPK1,度值19)、MAPK14(度值19)、MAPK8(度值19)、雄激素受体(androgen receptor,AR(度值15)、β2 肾上腺素能受体(Beta-2 adrenergic receptor,ADRB2,度值12)等拥有较多蛋白间相互作用,提示益气养血组药材药效机制可能与这些蛋白相关性较大。
将靶点投射于String 数据库中得到40 条通路,经分析相关通路过程发现,主要涉及骨髓造血系统、免疫抗炎、骨形成与代谢、神经营养系统等方面,说明益气养血药材可能作用于ALB、TNF、IL6、CASP3、MAPK1、MAPK14、MAPK8、AR、ADRB2、丝氨酸/苏氨酸激酶 pim1(serine/threonine-protein kinase pim-1,PIM1)、FKBP 脯氨酸异构酶1A(peptidyl-prolylcis-transisomerase FKBP1A,FKBP1A)、醛固酮类还原酶家族1 成员C3(aldo-keto reductase family 1 member C3,AKR1C3)等蛋白,进而通过T 细胞受体信号通路、FoxO 信号通路、神经营养信号通路、造血细胞谱系、催乳素信号通路等调控骨髓造血细胞增殖、凋亡,维持骨髓造血微环境;通过破骨细胞分化、MAPK 信号通路、环磷腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信号通路、黏着斑、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号通路等通路调控骨形成与代谢,抑制血管翳形成,维持关节微环境稳定;通过NOD 样受体信号通路、Th1 和Th2 细胞分化等通路调控免疫过程等发挥益气养血作用。
痹祺胶囊活血通络组由丹参、三七、川芎、川芎和地龙组成,本研究选取了丹参、三七、川芎、白术和地龙中包含丹酚酸B、迷迭香酸、丹参素、丹参酮IIA、人参皂苷Rg1、阿魏酸、25S-牛膝甾酮、20-羟基蜕皮激素、牛膝皂苷II、次黄嘌呤等在内的20 个化合物,通过TCMSP、TCD、PharmMapper 等数据库得到了117 个靶点。将117 个作用靶点导入String 数据库中,得到了蛋白间相互作用关系(图1-B),将PPI 核心靶点投射至OmicsBean 在线分析软件中对活血通络组进行功能注释分析(GO 分析,图2-B)和KEGG 通路富集分析,并经Omicshare工具对前20 条通路进行可视化(图3-B)。最后,通过Cytoscape 软件,得到化合物-靶点-通路网络(图4-B)。
对核心靶点分析结果显示,处于活血通路组PPI 网络中心的AKT1(度值86)、基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinases 9,MMP9,度值79)、趋化因子配体8(chemokine ligand 8,CXCL8,度值76)、肿瘤蛋白p53(tumor protein p53,TP53,度值76)、纤连蛋白(fibronectin,FN1,度值75)、信号转导子和转录激活子3(signal transducer and activators of transcription 3,STAT3,度值75)、原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src(proto-oncogene tyrosineprotein kinase Src,SRC,度值74)、C-C 基序趋化因子(C-C motif chemokine 2,CCL2,度值73)、表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR,度值73)、MMP2(度值64)等拥有较多蛋白间相互作用,提示活血通络组药材药效机制可能与这些蛋白相关性较大。
将靶点投射于String 数据库中得到77 条通路,经分析相关通路过程发现,涉及血液微循环、凝血和纤溶系统、免疫抗炎、血管内皮损伤、骨代谢等方面,说明活血通络药材可能作用于凝血因子Ⅲ(coagulation factor Ⅲ,F3)、FN1、金属羧肽酶CPX1(probable carboxypeptidase X1,CPX1)、血红素加氧酶1(heme oxygenase 1,HMOX1)、细胞间黏附因子1(intercellular adhesion molecule 1,ICAM1)、磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸 3-激酶催化亚单位 γ 亚型(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit gamma isoform,PIK3CG)、一氧化氮合酶2(nitric oxide synthase 2,NOS2)等蛋白,通过流体剪切应力与动脉粥样硬化代谢通路、血小板激活、醛固酮调节的钠重吸收、环磷酸鸟苷(cyclic 3′,5′-monophosphate,GMP)-蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)信号通路等通路调控血流动力学、凝血系统等过程;通过PI3K-Akt 信号通路、VEGF 信号通路、血管平滑肌收缩等通路调控血管内皮增生、血管收缩等过程;通过IL-17 信号通路、Toll 样受体信号通路、核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信号通路、趋化因子信号通路等通路调控淋巴细胞分化、抑制炎症因子释放等发挥抗免疫炎症、软骨保护等作用。
痹祺胶囊抗炎镇痛组由马钱子和甘草组成,本研究选取了马钱子、甘草中包含士的宁、马钱子碱、甘草苷、甘草次酸在内的8 个化合物,通过TCMSP、TCD、PharmMapper 等数据库得到了180 个靶点。将180 个作用靶点导入String 数据库中,得到了蛋白间相互作用关系(图1-C),将PPI 核心靶点投射至OmicsBean 在线分析软件中对抗炎镇痛组进行功能注释分析(GO 分析,图2-C)和KEGG 通路分析,并经Omicshare 工具对前20 条通路进行可视化(图3-C)。最后,通过Cytoscape 软件,得到化合物-靶点-通路网络(图4-C)。
对核心靶点分析结果显示,处于抗炎镇痛组PPI 网络中心的TNF(度值124)、AKT1(度值123)、IL6(度值122)、TP53(度值114)、IL1B(度值111)、VEGFA(度值104)、前列腺素G/H 合成酶2(prostaglandin G/H synthase 2,PTGS2,度值95)、CCL4(度值47)、CCL3(度值47)等拥有较多蛋白间相互作用,提示抗炎镇痛组药材药效机制可能与这些蛋白相关性较大。
将靶点投射于String 数据库中得到77 条通路,经分析相关通路过程发现,涉及中枢镇痛、外周抗炎镇痛、免疫炎症调节、骨代谢平衡等方面,说明抗炎镇痛药材可能作用于TNF、IL6、PTGS2、OPRM1、OPRD1 等蛋白,通过Toll 样受体信号通路、鞘脂信号通路、血清素能突触、长时程抑制、长时程增强、趋化因子信号通路等通路抑制中枢敏化调控中枢镇痛过程;通过C 型凝集素受体信号通路、FoxO 信号通路、NF-κB 信号通路、FcεRI 信号通路、花生四烯酸代谢等抑制炎症因子释放及外周疼痛感受器敏化调控外周抗炎镇痛过程;通过IL-17信号通路、Th17 细胞分化、T 细胞受体信号通路、破骨细胞分化、B 细胞受体信号通路、抗原加工和呈递、cGMP-PKG 信号通路等通路抑制抗原递呈、滑膜中炎症细胞募集、血管翳形成、软骨破坏等过程发挥免疫抗炎、骨保护等作用。
中医对复杂疾病的辨证施治,本表结合,强调整体性,这一思想决定了中药复方的组方原则,中药复方发挥药理作用,具有多组分、多靶点的综合优势,但对于复方配伍机制的本质认识和微观阐述仍然比较模糊。痹祺胶囊由马钱子、党参、白术等10 味药物组成,诸药配伍具有益气养血、祛风除湿、活血止痛的作用,切合痹证本需不固,外邪留滞致痰瘀水湿的病因病机。
研究发现,骨髓基质细胞(bone marrow stromal cells,BMSCs)可通过直接接触造血细胞或分泌多种调控造血细胞生成的细胞因子,参与调节造血细胞增殖、分化及凋亡[4]。BMSCs 本身的增殖、凋亡受到如红细胞生成素(erythropoietin,EPO)、集落形成刺激因子(colony-stimulating factor,CSF)及IL-3、AKR1C3 等多种细胞因子的调节,在实现这种调节的信号通路中,PI3K-Akt-FoxO 信号通路、Caspase-3 细胞凋亡通路、Janus 激酶(Janus kinase,JAK)-信号转导和转录激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)信号通路等具有重要作用。四物汤可能通过激活PI3K-Akt-FoxO信号通路,下调Bim基因表达,从而抑制小鼠骨髓基质细胞凋亡[5]。骨形成蛋白表达于骨髓造血微环境,在造血调控中发挥重要作用,其中骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein 2,BMP2)、BMP4和BMP7 参与诱导造血细胞的分化,是重要的诱血因子,主要通过转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信号通路、Smad 信号通路、Wnt 信号通路、MAPK 信号通路等[6],促进EPO-R的释放和下调内皮转录因子GATA-2(endothelial transcription factor GATA-2,GATA-2)而促进造血[7]。活化的淋巴细胞所产生的细胞因子,能够调节机体免疫,研究发现,再生障碍性贫血患者造血负调控处于主导地位[8],IL-17 等负性细胞因子分泌的减少,可以促进骨髓造血功能的恢复。类风湿性关节炎的特征主要是炎症细胞向滑膜关节浸润增多,最终导致软骨和骨骼损伤,Th1 和Th17 T 细胞亚群是炎症滑膜组织中发现的主要细胞类型。Th17 细胞主要分泌IL-17,能够诱导发生自身免疫性疾病,激活的T 淋巴细胞可以引起造血干细胞的过度凋亡[9],IL-17 可进一步诱导巨噬细胞分泌高水平的TNF-α、IL-6 和IL-8 等,从而抑制造血祖细胞的增殖[10-11]。以上的研究表明造血微环境、免疫细胞的激活、细胞因子的释放等均是造成患者正气虚弱的原因。本研究发现,益气养血组可维持骨髓造血微环境、调控骨形成与代谢和免疫过程等发挥益气养血作用。
痰浊、瘀血、水湿在痹证的发生发展过程中起着重要作用。现代医学认为,血液及关节局部的纤凝异常是类风湿性关节炎一个重要病理特征[12]。血小板聚集性增高是血瘀证临床诊断标准之一[13]。研究表明,在血瘀证形成过程中,血小板异常活化,血小板平均体积、血小板体积分布宽度较正常人明显增高,使血液处于“高聚”状态[14]。谈冰等[15]认为机体内长期慢性炎症导致细胞因子失衡及免疫紊乱,造成血管内皮细胞受损,从而直接或间接激活凝血-纤溶系统,会导致微循环障碍的发生。RA 滑膜的各类细胞产生多种细胞因子,包括IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、IL-15、TNF-α、IL-17 等,其中TNF-α、IL-17 等炎症因子的升高,引起NF-κB 信号通路异常活化,而活化后的NF-κB 信号通路又可以引起IL-1、TNF-α 及VEGF 的大量释放,刺激内皮细胞分泌炎性介质,激活凝血系统并抑制纤溶,促使血管翳的形成。贾杰芳等[16]发现类风湿性关节炎患者血清细胞间黏附分子-1 ( intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)异常升高,导致内皮细胞损伤,从而加剧血瘀的发生。滑膜中异常表达VEGF促进血管生成和诱导血管发生,形成血管翳,引起骨、软骨和关节的破坏,导致不可逆的关节功能丧失。PI3K-Akt 作为VEGF 的下游信号通路,可经下游分子mTOR 和Fos 促进内皮细胞增殖和血管新生,参与血瘀状态的维持[17]。现代药理学验证丹参中丹参素、丹参酮类成分具有抗血小板聚集、抗凝血、钙拮抗等作用[18-19]。三七中的人参三醇皂苷能降低脑血管阻力,增加脑血流量,对血压无影响,抑制对二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)诱导的大鼠血小板聚集,从而抑制大鼠动-静脉旁路血栓的形成。川芎中的有效成分藁本内酯、阿魏酸等具有抗血小板聚集、延长凝血酶原时间等作用[20]。牛膝具有显著降低血小板聚集性、改善红细胞变形能力、降低纤维蛋白原水平的作用[21-22]。地龙中蚓激酶能降低血液黏稠度,改善微循环,可使体外血栓形成的时间延长,既抗凝又不影响止血,有利于血栓的防治[23]。本研究发现,活血通络组可调控血流动力学、凝血系统,抑制血管增生,抑制炎症因子释放等发挥活血通络、止痛的作用。
类风湿性关节炎发病过程中,关节软骨的退化、破坏最为重要的原因之一就是大量炎症因子(TNFα、IL-1、IL-6、IL-17、IL-15 等)的侵袭,可促进滑膜细胞增生、软骨细胞凋亡等,进一步破坏关节软骨。IL-1β 在类风湿性关节炎启动中发挥较为关键的作用,IL-1β 可促进前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、胶原酶的释放等。IL-6 不仅能促进T 细胞和B 细胞的增殖和活化,诱导肝脏合成急性反应蛋白及类风湿因子,从而促使炎症反应的产生。IL-17与受体结合后,通过MAPK 和NF-κB 等途径发挥生物学作用[24],其中NF-κB 信号通路的激活使脊髓内炎症反应加重、神经递质释放量増加、离子通道功能改变,脊髓背角内炎症的持续存在,甚至会导致神经元及神经胶质细胞会产结构性的改变,最终产生慢性、难治性和神经病理性疼痛[25]。中枢μ-阿片受体系统与降低对疼痛刺激的疼痛反应有关。脑啡肽是神经内分泌系统产生的一种多肽激素,属内源性阿片样物质,存在于大脑功能区的脑啡肽具有广泛的镇痛作用[26]。中缝大核内5-羟色胺受体2A(5-hydroxytryptamine receptor 2A,5-HT2A)主要分布在非5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)神经元,且随外周炎症的发展,5-HT2A 的合成增加。外周5-HT 通过激活5-HT2A 参与了角叉菜胶的炎症痛,阻断5-HT2A 会内源性阿片肽及阿片受体表达量的升高,从而发挥一定的镇痛作用[27]。研究发现,马钱子碱能抑制外周炎症组织PGE2的释放,抑制大鼠血浆5-HT、6-酮前列腺素F1a 与血栓烷素炎症介质的释放,降低感觉神经末梢对痛觉敏感性及抑制钙激活钾离子通道发挥抗炎镇痛作用[28-29],还可增加大脑功能区脑啡肽的含量而镇痛[30]。本研究发现,抗炎镇痛组可通过抑制免疫细胞的激活、炎症因子释放、抑制中枢和外周敏化发挥(除湿)抗炎镇痛的作用。
综上,本研究通过网络药理学的方法基于配伍理论分析了痹祺胶囊3 个功能拆方组的作用靶点及途径(图5),3 组之间既有共同的作用靶点和通路,又各有侧重,协同发挥治疗RA 的效果,结合前期对痹祺胶囊的拆方研究发现,痹祺胶囊中党参、白术、茯苓可提高环磷酰胺诱导的外周血细胞数量、EPO 含量及脾脏T 细胞分型,主要发挥益气养血作用,丹参、三七、川芎、牛膝和地龙可抑制微循环障碍大鼠血液流速、全血黏度,主要发挥活血化瘀作用,马钱子、甘草可抑制炎症和疼痛反应,初步阐述了痹祺胶囊的配伍规律,进一步显示了中医治疗疾病的整体观念。
图5 痹祺胶囊各拆方组作用特点网络分析Fig.5 Network analysis of pharmacological characteristics of BiQi Capsule and cits disassembled formulas
但网络药理学毕竟基于数据预测,在痹祺胶囊配伍机制的研究中具有一定的局限性,后续仍然需要经过细胞/分子水平进行验证。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突