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基于网络药理学和生物信息学的小青龙汤治疗哮喘和慢性阻塞性肺疾病的“异病同治”机制分析

2022-07-02翟芬芬刘毓菲张传涛杨洋黄青松高培阳陈新

湖南中医药大学学报 2022年6期
关键词:网络药理学慢性阻塞性肺疾病哮喘

翟芬芬 刘毓菲 张传涛 杨洋 黄青松 高培阳 陈新

〔摘要〕 目的 基于網络药理学与生物信息学研究方法,探讨小青龙汤治疗慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)和哮喘“异病同治”的疗效及其作用机制。方法 通过ETCM数据库、DisGeNET数据库、GeneCards数据库、OMIM数据库搜集小青龙汤治疗COPD和哮喘的作用靶点。通过STRING 11.0分析作用靶点之间的相互关系,运用cytoNCA和MCODE插件筛选出核心作用靶点。使用ClueGO和DAVID数据库对作用靶点进行KEGG通路富集分析和GO功能分析。在GEO数据库下载COPD和哮喘的基因芯片,运用R语言sav包去批次效应后验证核心作用靶点是否差异表达,并对差异表达明显的核心靶点进行分子对接验证。结果 共筛选出小青龙汤治疗COPD和哮喘的作用靶点95个,筛选出19个核心作用靶点。富集分析结果显示共涉及82条信号通路及120种生物过程、16种分子功能、21种细胞组分。GEO芯片验证显示NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1、PTGS2、TLR4、EGF、IL1B、HRAS在COPD和哮喘与健康样本之间具有明显的表达差异,绘制中药-化合物-靶点网络图后,进一步对Degree值前5的靶点进行分子对接,结果显示活性成分与关键靶点有良好的亲和力。结论 小青龙汤主要通过NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1、PTGS2、TLR4、EGF、IL1B、HRAS等多靶点和TNF信号通路、Toll样受体信号通路等途径发挥对COPD与哮喘“异病同治”作用。

〔关键词〕 小青龙汤;慢性阻塞性肺疾病;哮喘;网络药理学;GEO数据库;分子对接

〔中图分类号〕R285       〔文献标志码〕A        〔文章编号〕doi:10.3969/j.issn.1674-070X.2022.06.014

Mechanism of "treating different diseases with same method" of Xiaoqinglong Decoction in

treating asthma and chronic obstructive pulmonary disease based on network

pharmacology and bioinformatics

ZHAI Fenfen1, LIU Yufei2, ZHANG Chuantao2*, YANG Yang2, HUANG Qingsong2, GAO Peiyang3, CHEN Xin4

(1. Futian Center for Chronic Disease Control, Shenzhen, Guangdong 518000, China; 2. Department of Respiratory Medicine, Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu, Sichuan 610072, China; 3. Department of

Intensive Care Medicine, Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu, Sichuan 610072, China;

4. Department of Integrated Traditional and Western Medicine, Zigong First People's Hospital, Zigong, Sichuan 643000, China)

〔Abstract〕 Objective To investigate the efficacy and the mechanism of "treating different diseases with same method" of Xiaoqinglong Decoction for chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma based on network pharmacology and bioinformatics research methods. Methods The targets of Xiaoqinglong Decoction for COPD and asthma were collected through ETCM database, DisGeNET database, GeneCards database and OMIM database. The interrelationships between the targets were analyzed by STRING 11.0, and the core targets were screened using cytoNCA and MCODE plug-ins. KEGG pathway enrichment analysis and GO functional analysis were performed on the acting targets using ClueGO and DAVID databases. Gene chips for COPD and asthma were downloaded from the GEO database, and the R language sav package was applied to verify whether the core acting targets were differentially expressed after de-batching effect, and molecular docking was performed to verify the core targets with significant differential expression. Results A total of 95 action targets of Xiaoqinglong Decoction for COPD and asthma were screened, and 19 core action targets were screened. The results of enrichment analysis showed that a total of 82 signaling pathways and 120 biological processes, 16 molecular functions and 21 cellular components were involved. The GEO microarray validation showed that NR3C1, HSP90AA1, TNF, CASP3, AKT1, PTGS2, TLR4, EGF, IL1B, HRAS had significant expression between COPD and asthma and healthy samples. After mapping the herbal-compound-target network, further molecular docking of the targets in the top five of Degree showed that the active ingredients had good affinity with the key targets. Conclusion Xiaoqinglong Decoction mainly exerted the effect of "treating different diseases with same method" on COPD and asthma through multiple targets such as NR3C1, HSP90AA1, TNF, CASP3, AKT1, PTGS2, TLR4, EGF, IL1B, HRAS and signaling pathways such as TNF signaling pathway and Toll-like receptor signaling pathway.C6DB3500-88BA-4F5F-91C4-FED76FA56888

〔Keywords〕 Xiaoqinglong Decoction; chronic obstructive pulmonary disease; asthma; network pharmacology; GEO database; molecular docking

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)和支气管哮喘严重威胁着人类健康。COPD是以持续气流受限为特征的一种可防治的疾病,气流受限多呈进行性发展,与肺部对有害气体或有害颗粒的炎性反应有关[1]。哮喘是一种由多种细胞和细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病[2],常伴广泛多变的可逆性气流受限。“异病同治”是中医重要的诊疗特色,小青龙汤可以有效治疗COPD与哮喘,这体现了中医“异病同治”原则,小青龙汤出自医圣张仲景的《伤寒杂病论》,有解表散寒、温肺化饮之功[3]。临床研究表明,小青龙汤能够有效改善COPD与哮喘患者咳嗽、咯痰等临床症状,从而改善肺功能[4-5]。但是小青龙汤治疗COPD与哮喘的异病同治分子机制尚待阐明,因此,本研究运用网络药理学方法探讨小青龙汤“异病同治”对COPD和哮喘的作用机制。

1 资料与方法

1.1  小青龙汤的活性成分与靶点收集

小青龙汤含麻黄、桂枝、白芍、细辛、五味子、干姜、半夏、炙甘草8味中药。在中医药百科全书数据库(ETCM,http://www.tcmip.cn/ETCM/index.php/Home/Index/)[6]依次检索有效成分与作用靶点,以可信度

≥0.8为条件进行筛选。

1.2  COPD和哮喘的疾病靶点收集

利用疾病相关的基因与突变位点数据库(DisGeNET,https://www.disgenet.org/,version 7.0)[7]、人类基因数据库(GeneCards,https://www.genecards.org/,version 5.0)[8]、人类孟德尔遗传综合数据库(OMIM,https://omim.org/),以“Chronic Obstructive Pulmonary Disease”“Asthma”为关键词检索相关靶点,将3个数据库检索的靶点整合去重,即为COPD和哮喘的疾病靶点。

1.3  小青龙汤治疗COPD与哮喘靶点网络构建

运用jvenn在线工具(http://www.bioinformatics.com.cn/static/others/jvenn/index.html)[9]绘制小青龙药物靶点与COPD和哮喘疾病靶点韦恩图。将小青龙-COPD-哮喘的共同靶点导入STRING数据库(https://string-db.org/,version 11.0),物种选择“Homo Sapiens”,阈值选择“Medium Confidence”,进行蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)网络构建,并下载TSV文件。

1.4  小青龙汤“异病同治”作用的关键靶点筛选

将小青龙-COPD-哮喘PPI网络的TSV文件导入Cytoscape(version 3.7.2)软件,使用cytoNCA插件进行拓扑分析,以Degree、Betweenness Centrality、Closeness Centrality、Eigenvector均大于中位数筛选核心网络,并运用MCODE插件分析核心网络,识别联系紧密的子模块。选取关键模块进一步分析,并根据Degree值和连接强度调整网络展示效果。

1.5  GO和KEGG富集分析

运用Cytoscape软件的ClueGO插件对核心网络关键模块进行KEGG通路富集分析,运用DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/tools.jsp)[10]进行GO功能富集分析。

1.6  GEO芯片驗证

在GEO数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)中以“Chronic Obstructive Pulmonary Disease”“Asthma”为关键词检索相关数据集。下载COPD和哮喘基因表达芯片的矩阵文件(Matrix)和平台注释文件(Platforms),使用平台注释文件对探针进行注释,剔除没有匹配到基因的探针;对于不同探针映射到同一基因,则计算均值作为最终表达值。运用R软件(version 4.0.3)的sav包进行去批次效应处理,并进行主成分分析(principal component analysis, PCA)评估批次效应是否消除。然后使用ggpubr包绘制核心模块的基因表达箱式图。提取具有表达差异的靶点绘制药物-化合物-靶点网络。

1.7  分子对接

根据GEO芯片验证的结果选取Degree值前5的核心靶点进行分子对接验证,在PubChem数据库下载Degree值前5活性成分的SDF文件,在 PDB 数据库(http://www1.rcsb.org/)下载靶点蛋白的3D结构,利用PyMOL软件对蛋白质进行去水、去小分子配体等操作,然后利用AutoDockTools 1.5.6及AutoDock Vina软件进行分子对接。对接结果根据自由能判断结合强度,小于-5.0 kcal·mol-1表示有较好的结合活性,小于-7.0 kcal·mol-1表示有强烈的结合活性。

2 结果

2.1  小青龙汤的活性成分与靶点

通过ETCM检索,共搜集活性成分:麻黄17个、芍药41个、细辛7个、甘草64个、干姜9个、桂枝8个、五味子41个、半夏21个,去除重复项后共获得小青龙汤活性成分199个。利用数据库中靶点预测功能,对上述活性成分进行作用靶点预测,去除重复项后共获得小青龙汤靶点581个。C6DB3500-88BA-4F5F-91C4-FED76FA56888

2.2  COPD和哮喘的靶点

以“Chronic Obstructive Pulmonary Disease”为关键词在DisGeNET数据库、GeneCards数据库、OMIM数据库中分别检索到相关基因1428个、2842个、536个;以“Asthma”为关键词在DisGeNET数据库、GeneCards数据库、OMIM数据库中分别检索到相关基因2096个、5057个、42个;在各个数据库中对基因以Score评分≥中位数为条件进行筛选,最终整合去重后获得COPD靶点2494个、哮喘靶点3007个。

2.3  PPI网络构建

通过作图工具jvenn将小青龙汤作用靶点和COPD、哮喘疾病靶点绘制韦恩图(图1)。获得小青龙汤与COPD共同靶点133个,小青龙汤与哮喘共同靶点189个,COPD与哮喘共同靶点998个,小青龙汤与COPD和哮喘的共同靶点95个。将COPD与哮喘共同靶点、小青龙汤与COPD和哮喘的共同靶点上传STRING数据库,物种选择“Homo Sapiens”,阈值选择“medium confidence”,网络展示选择“hide disconnected nodes in the network”,得出共有靶点的PPI网络。

2.4  小青龙汤“异病同治”作用的PPI构建与模块分析

将PPI网络的TSV文件导入Cytoscape软件,根据Degree、Betweenness Centrality、Closeness Centrality和Eigenvector拓撲分析后获得一个具有32个节点、289条边的核心网络,使用MCODE插件分析获得1个联系紧密的子模块,Score为17.333,包含19个节点、156条边;其余节点未能构成模块。选取子模块进一步分析,以Degree值和连接强度优化网络展示。详见图2。

2.5  GO、KEGG富集分析

使用ClueGO对核心子模块进行KEGG富集分析,根据P≤0.05筛选共获得82条信号通路(图3),包括恰加斯病(美国锥虫病)、TNF信号通路、MAPK信号通路、百日咳、癌症的途径、Toll样受体信号通路、PI3K-Akt信号通路等。使用DAVID数据库对模块一进行GO分析,共获得生物过程(biological process, BP)120项,包括一氧化氮生物合成过程的正调控、细胞对机械刺激的反应、脂多糖介导的信号通路、干扰素γ产生的正调控、NF-κB导入细胞核的积极调控、MAPK活性的激活、炎症反应等;获得细胞组成(cellular component, CC)16个,包括蛋白质复合物、胞质溶胶、核质、细胞外区域、细胞表面等;获得分子功能(molecular function, MF)21个,包括相同的蛋白质结合、酶结合、蛋白质结合、转录调控区DNA结合、一氧化氮合酶调节剂活性、细胞因子活性等,见图4。

2.6  GEO芯片验证

在GEO数据库下载GSE8545、GSE64913、GSE69683、GSE74986、GSE106986、GSE112811数据集。对6个数据集进行注释、合并并去除批次效应,运用合并后的表达矩阵绘制核心子模块的基因表达箱式图。由于HIF1A未在表达矩阵中,因此仅有18个核心靶点绘制箱式图,见图5。由图可知NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1、PTGS2、TLR4、EGF、IL1B、HRAS在COPD和哮喘与健康样本表达有明显差异。将这些靶点导入Cytocsape软件绘制中药-化合物-靶点网络图,见图6。

2.7  分子对接

选取Degree值最高的5个靶点NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1进行分子对接,结果显示均有较高的结合活性,见表1。运用PyMOL软件对这些结合能较高的活性成分-核心靶点分子对接结果进行可视化,见图7。

3 讨论

“异病同治”是中医理论体系的重要诊疗特点,“异”是指疾病相异,“同”是指疾病的病机或证相同而给予相同的治法或方药。COPD多属于中医学的“肺胀”“喘病”等范畴[11],哮喘属于中医“哮病”范畴[12],二者病名不同,但病位都在肺,均可见痰饮伏肺,外感寒邪引触寒饮,痰阻气道,肺失宣降而发病。二者虽病名不同,但病因、病位、病机相似,按照“异病同治”原则,以散寒化饮、温肺理肺为法治疗COPD与哮喘,在临床上获得较好疗效。

小青龙汤为解表散寒、温肺化饮的代表方剂。方中麻黄、桂枝共为君药,辛温发汗以散表寒,麻黄宣肺以平咳喘,桂枝化气行水以散里;臣以干姜、细辛,温肺化饮,兼助麻桂解表散寒;五味子、白芍、半夏为佐药,五味子敛肺止咳、白芍敛阴养血,防诸药辛散、耗伤肺气,半夏降逆和胃、燥湿祛痰;炙甘草为佐使,益气和中、调和诸药[3]。纵观全方,散中有收,开中有合,外散风寒,内祛水饮,复肺气之宣降,助水道之通调,治疗外寒内饮型COPD与哮喘患者疗效良好。现代药理学研究表明,小青龙汤有止咳、平喘、抗炎、抗过敏、增强免疫等作用[13],小青龙汤能够有效减轻哮喘和COPD患者的临床症状,改善炎性指标与肺功能[4-5]。

本研究利用网络药理学与生物信息学分析发现小青龙汤对COPD与哮喘“异病同治”的10个共同关键靶点:NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1、PTGS2、TLR4、EGF、IL1B、HRAS。NR3C1可以通过抑制炎症基因转录发挥抗炎作用,作为COPD与哮喘主要治疗药物的糖皮质激素可以通过作用于NR3C1以减轻气道炎症[14]。HSP90AA1基因编码热休克蛋白90α(heat shock protein 90α, Hsp90α),Hsp90α的上调与COPD在内的多种疾病相关[15]。TNF是经典的促炎细胞因子,在气道炎症中发挥重要作用,与哮喘、COPD的发生发展密切相关[16-17]。CASP3在细胞凋亡中发挥重要作用,研究表明,CASP3能通过PLK1-CASP3途径参与调控气道平滑肌细胞凋亡[18]。AKT1是PI3K-AKT信号通路中的重要因子,在细胞生长、存活等许多生理过程中起着关键作用[19],与哮喘气道炎症及肺功能改变相关[20]。PTGS2激活产生前列腺素E2,作用于许多细胞信号传导途径,包括细胞增殖、血管生成、凋亡、侵袭和免疫抑制[21],与哮喘、COPD气道黏液分泌增多相关[22],对于以长期炎症状态为特征的疾病如COPD,抑制PTGS2已成为其关键的治疗目标[23]。TLR-4在调节免疫应答以及刺激炎性趋化因子和细胞因子的产生中起关键作用[24],TLR-4可能通过调控TNF-α、IL-17等细胞因子的表达从而参与哮喘的发生发展[25],TLR-4表达水平增高和COPD的健康损害程度与肺功能改变具有相关性[26]。EGF刺激各种表皮和上皮组织的生长[27],阻断其受体的激活可促进TNF诱导的肺上皮细胞凋亡和肺损伤[28]。IL-1B是一种炎症介质,存在于多种慢性炎症中[29]。IL-1B参与COPD气道炎症[30],并与哮喘严重程度密切相关[31]。一般认为NRAS与黑色素瘤密切相关[32],研究发现,NRAS或参与哮喘-COPD重叠综合征发病机制[33]。C6DB3500-88BA-4F5F-91C4-FED76FA56888

使用DAVID数据库进行GO分析发现,小青龙汤对COPD、哮喘的治疗作用可能与一氧化氮生物合成过程正调控、细胞对机械刺激的反应、脂多糖介导的信号通路、干扰素γ产生的正调控、NF-κB导入细胞核的正调控、MAPK活性的激活、炎症反应等密切相关。通过使用ClueGO进行KEGG富集分析发现排名靠前的通路为:TNF信号通路、MAPK信号通路、癌症的途径、Toll样受体信号通路、PI3K-AKT信號通路等。TNF-α信号传导通路可以促进NF-κB的活化[34],NF-κB被激活后参与哮喘气道炎症与气道重塑形成的多个环节[35],同时与COPD气道炎症、气道重构密切相关[36]。MAPK信号通路包括ERK、JNK、p38等蛋白激酶,与细胞增殖、分化、迁移、衰老和凋亡相关[37],JNK的激活能够促进气道上皮细胞修复[38],激活p38会促进黏蛋白MUC5AC表达,抑制MAPK信号通路可改善气道黏液分泌,修复气道炎症损伤[39]。Toll样受体信号通路在激活免疫应答和引发炎症反应中发挥着重要作用[40],TLRs能识别吸入气道的有害物质,参与COPD的发病过程,影响COPD加重次数与患者的免疫系统功能,由TLR-4启动的细胞内信号最终激活NF-κB,释放大量IL-8、IL-6等炎症介质,从而诱导中性粒细胞与CD8+T淋巴细胞参与COPD炎症反应[41]。TLRs与哮喘发生发展密切相关,TLRs配体引起下游TRIF和My D88信号通路激活,通过NF-κB通路导致炎性因子释放[42]。PI3K-AKT信号通路是重要的细胞内信号传导途径,参与细胞增殖、凋亡、迁移、转录等环节[43],与气道慢性炎性疾病相关,能够调节炎症介质的释放、炎症细胞活化与气道重塑[44],干预PI3K信号通路可以减轻COPD大鼠的气道炎症[45],减少哮喘小鼠炎性细胞浸润,抑制黏液高分泌,减少气道高反应,改善气道重塑[46]。据GO与KEGG分析所示,小青龙汤对COPD、哮喘过程发挥“异病同治”的作用机制主要集中在减轻炎症、抑制黏液分泌、改善气道重塑3个方面。其中,调控Toll样受体信号通路与PI3K-AKT信号通路、抑制下游NF-κB的激活而调节炎症介质的释放,可能是小青龙汤发挥“异病同治”作用的主要生物机制。

通过分子对接分析发现,小青龙汤中的活性成分3-Methoxyherbacetin与AKT1、HSP90AA1,活性成分6-Dimethoxyisoflavone与AKT1、HSP90AA1,活性成分5-Desgalloylstachyurin与HSP90AA,活性成分Alexandrin与CASP3,活性成分Palbinone与CASP3、TNF,活性成分Schisanlactone D与NR3C1,活性成分Sitosterol与NR3C1均有较强的结合活性,提示小青龙汤治疗COPD与哮喘的活性成分与关键靶点有良好的亲和力。

综上所述,通过网络药理学与生物信息学分析,COPD与哮喘的发病均与NR3C1、HSP90AA1、TNF、CASP3、AKT1、PTGS2、TLR4等靶点及TNF信号通路、Toll样受体信号通路、MAPK信号通路、PI3K-AKT信号通路等密切相关,具有相似的发病机制。分子对接分析提示小青龙汤治疗COPD与哮喘的活性成分与关键靶点有良好的亲和力,小青龙汤可以作用于上述靶点与通路,针对COPD与哮喘的共同发病机制,发挥“异病同治”的作用。小青龙汤能够对COPD和哮喘“异病同治”的前提是这两种疾病存在共同病机——“外寒内饮”,上述靶点与通路可能是“外寒内饮”的物质基础之一,今后可以借助体内外实验进一步验证。

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