基于網(wǎng)絡藥理學的防己黃芪湯防治2型糖尿病的潛在作用機制研究

陳璟 徐貝貝 徐墜成 單鑫 王威 許惠琴 呂志陽

摘 ? 要：為了基于網(wǎng)絡藥理學方法研究防己黃芪湯防治2型糖尿病的潛在作用機制，采用中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫及技術(shù)平臺（TCMSP），按照口服生物利用度OB≥30%和類藥性DL≥0.18篩選處方中的活性成分及其相關(guān)靶點，通過Uniprot數(shù)據(jù)庫找出對應官方基因名稱。利用疾病靶點相關(guān)數(shù)據(jù)庫檢索與2型糖尿病相關(guān)的靶點基因。將活性成分所對應的靶點基因和2型糖尿病相關(guān)的靶點基因進行交集獲得兩者的共同基因即為防己黃芪湯治療2型糖尿病的關(guān)鍵靶點。使用Cytoscape軟件構(gòu)建中藥-活性成分-關(guān)鍵靶點網(wǎng)絡，根據(jù)度值進行篩選，尋找該方劑防治2型糖尿病的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。利用DAVID數(shù)據(jù)庫及ClueGo插件對關(guān)鍵作用靶點進行GO注釋分析和KEGG通路分析，從而探究防己黃芪湯干預2型糖尿病的生物過程及作用通路。結(jié)果顯示，篩選得到防己黃芪湯122個活性成分及242個潛在作用靶點，其中，與2型糖尿病重復的83個關(guān)鍵靶點中STAT3，AKT1，TNF，JUN，TP53，MAPK14，MAPK1，MAPK8可能通過調(diào)控AGE-RAGE信號通路、MAPK信號通路、AMPK信號通路、FoXO信號通路發(fā)揮治療作用。由此得出結(jié)論：通過網(wǎng)絡藥理學預測防己黃芪湯防治2型糖尿病的關(guān)鍵靶點及其相關(guān)信號通路，推測該方劑對2型糖尿病的潛在作用機制，大都和脂代謝的過程、氧化應激過程相關(guān)，為進一步闡明防己黃芪湯對2型糖尿病的作用機制提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防己黃芪湯;2型糖尿病;網(wǎng)絡藥理學;潛在靶點

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）為臨床上常見的一種代謝紊亂性疾病，在全球范圍內(nèi)嚴重威脅人類身體健康[1]，其患者以長期高血糖為主要特征，嚴重時通常伴有如心血管疾病、腎病、眼底病變等多種并發(fā)癥。其中，2型糖尿?。═ype 2 Diabetes Mellitus，T2DM ）占糖尿病患者90%以上[2]，陳思蘭等發(fā)現(xiàn)其發(fā)病與胰島素抵抗（Insulin-Resistance，IR）密不可分，因胰島素抵抗導致患者胰島素分泌相對不足。西醫(yī)治療多通過控制患者飲食或使用降糖藥物來保證治療效果[3]，然而長期服用容易產(chǎn)生許多副作用，降低療效。為了尋找能夠防治2型糖尿病的有效藥物，本研究將目光放到傳統(tǒng)的中醫(yī)藥上。中醫(yī)藥在防治DM方面歷史悠久，積累了大量的寶貴臨床經(jīng)驗，近年來文獻報道屢見不鮮。

DM屬中醫(yī)消渴病范疇，中醫(yī)認為IR的發(fā)生為脾失健運、肝失疏泄、腎陽不化等臟腑功能失調(diào)所致[4]。張景岳在《景岳全書·痰飲》中說：“五臟之病，雖皆能生痰，然無不由于脾腎?！逼⒛I虛損導致機體津液代謝異常，痰濕困脾，阻滯機體組織間物質(zhì)交換，影響胰島素和葡萄糖、脂質(zhì)、蛋白等水谷精微代謝，表現(xiàn)為痰濁、血瘀，二者互相影響，共同加重IR程度。由此可見，可以通過改善IR來治療T2DM，從中醫(yī)辯證角度出發(fā)，采用一些活血化瘀、理氣化痰、滋陰補腎的中藥復方，將會在治療T2DM上大有成效。據(jù)《金匱要略》記載，防己黃芪湯（FJHQT）具有補氣健脾、祛風除濕、利水消腫之功效。防己黃芪二者配伍，祛風利濕不傷表，固表止汗不留邪，白術(shù)作為臣藥健脾利濕，甘草又調(diào)和諸藥，使其相得益彰[5]。研究表明[6-9]，F(xiàn)JHQT確有調(diào)血脂、降血糖、減肥的功效。賈真等[10]通過大鼠實驗發(fā)現(xiàn)防己黃芪湯可以提高高脂飼養(yǎng)大鼠的胰島素敏感性，改善脂質(zhì)代謝紊亂。目前，F(xiàn)JHQT中各單味藥的化學成分雖有報道，但鑒于中藥成分復雜而DM又是多基因、多靶點作用的疾病，對該方劑防治T2DM仍缺乏系統(tǒng)的研究。

網(wǎng)絡藥理學通過不同層次的網(wǎng)絡構(gòu)建系統(tǒng)地揭示藥物作用靶點與疾病靶點之間的關(guān)系，從微觀層面觀察復雜藥物對多靶點疾病的干預和影響。本研究擬通過網(wǎng)絡藥理學的方法篩選FJHQT中各單味藥的活性成分及作用靶點，檢索已知的T2DM的相關(guān)靶點，利用DAVID數(shù)據(jù)庫及ClueGo分析探究防己黃芪湯干預2型糖尿病的潛在作用通路，為臨床治療T2DM提供新思路。

1 ? ?材料與方法

1.1 ?FJHQT處方中各單味藥活性成分的篩選

通過查詢《中國藥典2015版》所得防己黃芪湯處方中4味藥分別是：防己、黃芪、白術(shù)、甘草。采用中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫及技術(shù)平臺（Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform，TCMSP）篩選防己、黃芪、白術(shù)、甘草4味藥中的活性成分。TCMSP包括：《中國藥典2015版》含有的400多種中藥材，800多個相關(guān)疾病的基因，3 000多個靶點基因和20 000多種活性成分，TCMSP作為可靠的中草藥信息數(shù)據(jù)平臺，為廣大學者搜集中藥復方所含成分及其相關(guān)作用靶點等相關(guān)化學信息提供了便利。研究人員可通過設置口服生物利用度（Oral Bioavailability，OB）、類藥性（Drug Likeness，DL）等ADME參數(shù)獲取自己想要的有效信息。FJHQT作為湯劑，臨床上通常以口服方式給藥，故按照口服生物利用度≥30%和類藥性≥0.18進行篩選得到FJHQT中的活性成分，記錄其相關(guān)靶點蛋白名和在其他文獻中收集到的關(guān)于FJHQT的重要成分及其相關(guān)靶點蛋白名于Excel表格中。

1.2 ?處方中潛在作用靶點預測及構(gòu)建“藥物活性成分-潛在作用靶點”網(wǎng)絡關(guān)系

Uniprot，全稱Universal Protein，是目前信息最豐富、資源最廣的免費蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，使用者可通過其中的關(guān)鍵詞搜索到感興趣的蛋白名稱。由上述TCMSP搜索得到活性成分及其相關(guān)靶點蛋白名，將藥物相關(guān)靶點蛋白名通過Uniprot數(shù)據(jù)庫中的Uniprot KB搜索區(qū)找出對應的官方基因名（Gene Symbol），篩選物種為人類的靶點基因名稱。將4味藥的基因名導入到Excel表格，刪除重復項得到全方的潛在作用靶點。用Cytoscape3.7.0軟件構(gòu)建“藥物活性成分-潛在作用靶點”網(wǎng)絡圖，其中節(jié)點代表藥物化學成分和相應的作用靶點，節(jié)點的度值（Degree）表示藥物活性成分與作用靶點連線的條數(shù)，通過度值篩選可以得到與藥物活性成分高度連接的蛋白，這些蛋白在網(wǎng)絡中的作用不可忽視。

1.3 ?T2DM靶點的收集

檢索GeneCards數(shù)據(jù)庫（http：//www.genecards.org/）和人類在線孟德爾遺傳平臺（http：//www.omim.org/）等與疾病靶點相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，以“Type 2 diabetes Mellitus”為關(guān)鍵詞搜索與2型糖尿病相關(guān)的已知靶點并刪除重復項進行整合。

1.4 ?關(guān)鍵作用靶點的獲取

將藥物潛在作用靶點與疾病相關(guān)靶點通過omicshare平臺（https：//www.omicshare.com/）繪制維恩圖，從而得到防己黃芪湯治療T2DM的關(guān)鍵作用靶點，為后續(xù)構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡圖提供依據(jù)。

1.5 ?關(guān)鍵作用靶點的GO注釋及KEGG通路富集

利用DAVID數(shù)據(jù)庫對關(guān)鍵作用靶點進行GO注釋分析，將篩選條件設置為細胞的組成（cellular component），分子的功能（molecular function）和生物的過程（biological process）3個篩選條件，最后再點擊Functional Annotation Table，得到GO注釋結(jié)果。利用Cytoscape3.7.0軟件中的ClueGo插件對關(guān)鍵作用靶點進行KEGG通路分析，將關(guān)鍵作用靶點輸入到GENES一欄，選擇物種為人類，再設定P<0.05，選擇KEGG通路，最后點擊start開始分析，得到防己黃芪湯干預2型糖尿病的潛在作用通路。

2 ? ?實驗過程分析

2.1 ?FJHQT活性成分及相關(guān)靶點信息

利用TCMSP數(shù)據(jù)庫查詢到防己的化學成分50個，黃芪的化學成分87個，白術(shù)的化學成分55個，甘草的化學成分280個，共計472個化學成分。經(jīng)OB、DL等藥代動力學（ADME）參數(shù)篩選得到防己的活性成分3個，黃芪的活性成分20個，白術(shù)的活性成分7個，甘草的活性成分92個，共計122個活性成分，將其相關(guān)靶點蛋白名記錄于Excel表格中。

2.2 ?FJHQT潛在作用靶點預測結(jié)果及“活性成分-潛在作用靶點”網(wǎng)絡分析

對上述122個活性成分進行潛在作用靶點預測并進行靶點基因名稱的修正，通過TCMSP數(shù)據(jù)庫收集122個活性成分的潛在作用靶點，打開Uniprot（http：//www.uniprot.org/）數(shù)據(jù)庫，選擇Uniprot KB搜索區(qū)，將潛在作用靶點的蛋白名鍵入得到對應的官方基因名，剔除非人源靶點。將活性成分、相關(guān)靶點蛋白名、官方基因名3列數(shù)據(jù)統(tǒng)計于Excel表格中，刪除重復項得到1 994條對應關(guān)系。將官方基因名單獨列出去后得到FJHQT的潛在作用靶點242個。將122個活性成分及242個潛在作用靶點導入Cytoscape3.7.0 軟件進行可視化構(gòu)建“活性成分-潛在作用靶點”網(wǎng)絡，揭示藥物成分與靶點之間的關(guān)系。按度值篩選排名前20的有槲皮素（Quercetin），PTGS2，ESR1，CALM1，HSP90AB1，NOS2，AR，PPARG，山奈酚（kaempferol），PAL_GLEAN10007028，PRSS1，GSK3B，CDK2，ESR2，CCNA2，F(xiàn)10，NCOA2，SCN5A，MAPK14，CHEK1。

2.3 ?T2DM相關(guān)靶點信息

通過人類在線孟德爾遺傳平臺OMIM檢索到T2DM相關(guān)靶點31個，通過Genecards數(shù)據(jù)庫檢索到T2DM相關(guān)靶點408個，共計439個相關(guān)靶點。

2.4 ?關(guān)鍵作用靶點的生物功能預測及作用通路分析

通過DAVID數(shù)據(jù)庫對上述關(guān)鍵作用靶點進行GO注釋分析，根據(jù)錯誤分析率（FDR）<0.05篩選得到20條GO條目（見圖1），其中，大多數(shù)關(guān)于生物學的過程主要涉及：內(nèi)皮細胞凋亡過程的調(diào)控、DNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)、RNA聚合酶Ⅱ啟動子轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)、MHC Ⅱ類生物合成過程的調(diào)節(jié)、肽基絲氨酸磷酸化過程、脂多糖介導信號通路等。關(guān)于分子功能主要涉及細胞因子活性、RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄因子活性、MAP激酶活性。此外，有的條目還顯示與炎癥反應、血管生成有關(guān)。GO注釋分析結(jié)果如圖1所示。通過Cytoscape3.7.0 軟件中的ClueGo插件對關(guān)鍵靶點進行KEGG通路富集分析，其中P<0.05的通路有11條被顯著富集（見圖2），分別是：AGE-RAGE信號通路、AMPK信號通路、VEGF信號通路、T細胞受體通路、松弛素信號通路、MAPK信號通路、ErbB信號通路、胰島素信號通路、鞘脂信號通路、FoXO信號通路，表示FJHQT可能通過這些通路起到防治T2DM的作用，應予以重點關(guān)注。

3 ? ?實驗結(jié)果分析

現(xiàn)階段，我國糖尿病患者已經(jīng)有9 000多萬人，而其中2型糖尿病居多，2型糖尿病是一種慢性代謝功能障礙，其特征在于進行性胰島素抵抗和高血糖癥。現(xiàn)代分子學研究表明，不同信號通路及其相關(guān)蛋白、基因參與調(diào)控該疾病的發(fā)生與發(fā)展，相互作用機制復雜，單純通過使用降血糖、降血壓、改善微循環(huán)等“點對點”的藥物干預方式，很難推動糖尿病治療進展，臨床效果較差。中藥復方成分復雜，其多靶點的協(xié)同作用值得引起注意，防己黃芪湯在臨床治療消渴癥包括一些糖尿病并發(fā)癥方面的療效確切，但是中藥復方治療T2DM的作用機制尚不清晰。網(wǎng)絡藥理學突破單靶點的研究模式，從多靶點研究思路出發(fā)，為探索中藥復方的療效提供新思路。本研究采用了網(wǎng)絡藥理學研究思路，初步挖掘、分析防己黃芪湯多靶點防治T2DM可能的作用機制。

本研究采用網(wǎng)絡藥理學的研究方法對防己黃芪湯進行研究，最后得到防己黃芪湯122個入血活性成分，預測了242個潛在作用靶點。其中槲皮素（quercetin）、山奈酚（kaempferol）等活性成分可作用于多個靶點。槲皮素屬于植物類黃酮并且在體外具有有效的抗氧化特性，最近的文獻報道槲皮素可能在體內(nèi)具有抗癌和抗炎功能，與此同時，槲皮素還可以預防糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生[10]，山奈酚可用作治療糖尿病腎病的潛在治療劑。在對靶點的預測過程中，發(fā)現(xiàn)CALM1、PTGS2等靶點可作用于多個潛在活性成分，這表現(xiàn)出了中藥多個成分共同作用的特征。在GO富集分析結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)主要涉及：內(nèi)皮細胞凋亡過程的調(diào)控、DNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)、RNA聚合酶Ⅱ啟動子轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)、MHC Ⅱ類生物合成過程的調(diào)節(jié)、肽基絲氨酸磷酸化過程、脂多糖介導信號通路等。在KEGG通路分析結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)預測的關(guān)鍵靶點主要集中作用在AGE-RAGE信號通路、AMPK信號通路、VEGF信號通路。這些通路主要在氧化應激、炎癥、脂質(zhì)代謝等方面具有良好的作用，并且上述通路與目前相關(guān)研究結(jié)果具有一致性，證明本研究預測出的結(jié)果具有可靠性。

4 ? ?結(jié)語

通過網(wǎng)絡藥理學預測防己黃芪湯防治2型糖尿病的關(guān)鍵作用靶點及其相關(guān)信號通路，推測防己黃芪湯對2型糖尿病的潛在作用機制，推測結(jié)果可能主要是：內(nèi)皮細胞凋亡過程的調(diào)控、DNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)、RNA聚合酶Ⅱ啟動子轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)等。關(guān)于分子功能主要涉及細胞因子活性等。此外，有的條目還顯示與炎癥反應、血管生成有關(guān)，為闡明防己黃芪湯對2型糖尿病的作用機制提供了科學依據(jù)，但還存在一些缺陷，主要是未對預測獲得的活性成分、關(guān)鍵靶點和有關(guān)通路進行實驗驗證。為了進一步探討其復雜的過程和作用機制，將會結(jié)合上述結(jié)果進行更深入的實驗研究。

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