楊菱霞,丁雯雯,陸 潔,凌 鑫,余 強(qiáng)
(1. 蘇州市第九人民醫(yī)院消化內(nèi)科,江蘇 蘇州 215200;2. 蘇州市第九人民醫(yī)院中醫(yī)科,江蘇 蘇州 215200;3. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院消化內(nèi)科,江蘇 蘇州 215002)
結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)是全球最常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤之一[1],其臨床表現(xiàn)主要為便血及排便習(xí)慣改變,常伴有腹部隱痛、貧血、便秘或腹瀉等情況[2]。上述癥狀不僅降低患者的生活質(zhì)量和生存率,還給個(gè)人家庭乃至整個(gè)社會帶來巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。CRC 的發(fā)病主要與飲食、生活方式、遺傳和環(huán)境等因素密切相關(guān)[3]。流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示,CRC 的發(fā)病率逐年上升且呈現(xiàn)年輕化趨勢[4,5]。預(yù)計(jì)2030 年,全球CRC 患者將增加60%以上[6]。手術(shù)切除是CRC 治療的主要方式,存在較高的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),臨床常聯(lián)合化療藥物和中藥復(fù)方輔助治療[7]。研究發(fā)現(xiàn),長期給予CRC 患者服用奧沙利鉑、阿司匹林等化療藥物多存在抑郁、焦慮、嗜睡、惡心、嘔吐等不良反應(yīng)[8,9]。中藥具有多成分、多途徑、多靶點(diǎn)的功能,在降低藥物毒性和副作用等方面發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢[10]。
CRC 屬 于 中 醫(yī)“泄 瀉”“積 聚”“臟 毒”等 范 疇,《景岳全書》認(rèn)為凡遇怒氣便作瀉者多為肝脾不和,肝木克脾土,耗傷脾胃而致病?!鹅`樞·五變》指出“所愿不遂,肝氣郁結(jié),氣機(jī)不暢,橫逆伐脾,脾失健運(yùn),而致邪實(shí)內(nèi)積發(fā)為積聚”?!锻饪普凇づK毒論》提及情志異常易致脾胃受損,運(yùn)化失司,濕毒內(nèi)蓄,蓄久化熱,而形成腫瘤。故CRC 患者因癌久耗,脾胃虛弱,肝氣郁結(jié),情志異常,多屬肝郁脾虛之證,其病機(jī)本虛標(biāo)實(shí)。痛瀉要方首載于《醫(yī)考方》為治療肝郁脾虛證的經(jīng)典名方,方中以白術(shù)為君以健脾補(bǔ)虛,白芍為臣以養(yǎng)血柔肝、緩急止痛,陳皮和防風(fēng)為佐以理氣醒脾、升清止瀉,四者合用共達(dá)調(diào)和肝脾、祛濕止瀉之效。現(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn),痛瀉要方可通過改善機(jī)體炎癥及氧化應(yīng)激反應(yīng),抵抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,下調(diào)5-HT 表達(dá)水平,糾正腸動(dòng)力及腸分泌功能異常等方式發(fā)揮對消化系統(tǒng)的保護(hù)作用[11]。臨床觀察發(fā)現(xiàn),加味痛瀉要方可改善肝郁脾虛型CRC 患者的腹痛、便血、便秘和腹瀉交替出現(xiàn)的癥狀,提升患者的肛門收縮功能[12]。其與化療藥物聯(lián)合使用可有效降低化療導(dǎo)致的腹瀉、惡心、嘔吐等不良反應(yīng),提高患者免疫功能,起到減毒增 效 的 作 用[13,14]。但 目 前 痛 瀉 要 方 治 療CRC 的 分子機(jī)制和藥效物質(zhì)基礎(chǔ)尚未完全闡明,或?yàn)槠湓谂R床上廣泛應(yīng)用的障礙之一。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)以高通量的方式從中藥復(fù)方中篩選出協(xié)同增效的化合物,具有“數(shù)據(jù)量大、分析便捷、結(jié)果準(zhǔn)確”的特征。其與分子對接技術(shù)結(jié)合使用可有效地映射到目標(biāo)化合物及潛在治療靶點(diǎn),發(fā)揮對藥物-疾病-調(diào)控機(jī)制的預(yù)測作用。因此,本文擬通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接的方式挖掘痛瀉要方治療CRC 的靶點(diǎn)和藥效物質(zhì),為進(jìn)一步研究作用機(jī)制和藥物開發(fā)提供理論依據(jù)。
通過TCMSP 數(shù)據(jù)庫(http://tcmspw.com/tcmsp.php),檢索“白術(shù)”、“白芍”、“陳皮”、“防風(fēng)”四味中藥。本研究以藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)中的口服生物利 用 度(oral bioavailability,OB)及 類 藥 性(drug-likeness,DL)為標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定OB≥30%,DL≥0.18 以篩選痛瀉要方中的活性化合物及預(yù)測活性化合物靶點(diǎn)。利用Uniprot 數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/)將靶點(diǎn)名稱統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理[15],使用Cytoscape 3.7.2 軟件構(gòu)建“活性化合物-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖。
通 過MalaCards 數(shù) 據(jù) 庫(https://www.malacards.org/)以“Colorectal cancer”為關(guān)鍵詞檢索CRC作用靶點(diǎn)[16]。將痛瀉要方中活性化合物相關(guān)靶點(diǎn)與CRC 作用靶點(diǎn)互相映射得到交集靶點(diǎn),使用R 包VennDiagram 繪制痛瀉要方-CRC 相關(guān)靶點(diǎn)韋恩圖[17]。
在DAVID 6.8 數(shù) 據(jù) 庫(https://david.ncifcrf.gov/home.jsp)中限定物種為“Homo sapiens”[18],對痛瀉要方治療CRC 的作用靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體(GO)功能和京都基因與基因組百科全書(KEGG)通路分析[19]。使 用R 包ggplot2 繪 制GO 功 能 的 柱 狀 圖 和KEGG 通路的氣泡圖[20]。
將痛瀉要方治療CRC 的中藥、活性化合物、靶點(diǎn)和疾病導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2 軟件構(gòu)建“中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)。使用Network Analysis插件對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋮?shù)分析,以Degree 值高低篩選痛瀉要方治療CRC 的核心活性化合物和核心靶點(diǎn)[21]。
通過THE HUMAN PROTEIN ATLAS 數(shù)據(jù)庫(https://www.proteinatlas.org)對核心靶點(diǎn)的蛋白表達(dá)情況進(jìn)行驗(yàn)證,分別在PATHOLOGY 和TISSUE 模塊中下載CRC 患者和正常人關(guān)于核心靶點(diǎn)的無版權(quán)結(jié)直腸免疫組化圖片,并進(jìn)行比對分析[22,23]。
從痛瀉要方治療CRC 作用靶點(diǎn)的相互作用網(wǎng)絡(luò)中選取Degree 值由高到低排序前3 的核心活性化合物和前3 的核心蛋白受體。通過RSCB PDB 數(shù)據(jù)庫(https://www.rcsb.org/)選取相應(yīng)靶點(diǎn)蛋白結(jié)構(gòu) 并 下 載 其3D 結(jié) 構(gòu)PDB 格 式 文 件[24]。在Pub-Chem 數(shù) 據(jù) 庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)獲取核心活性化合物2D 結(jié)構(gòu)的sdf 格式文件,并借助Chem Draw 軟件繪其化學(xué)結(jié)構(gòu)式[25]。使用Pymol 軟件對原PDB 文件進(jìn)行去除水和原配體處理,Autodock Tolls 軟件為靶蛋白受體分子加極性氫,通過Autodock Vina 和Python 腳本實(shí)現(xiàn)分子對接[26]。分子對接過程中其結(jié)合能越低代表受體與配體的親和力越好,本研究選取結(jié)合能≤-5.0 kJ/mol 的作為化合物與靶點(diǎn)有效結(jié)合的篩選依據(jù)[27]。
根據(jù)篩選條件從TCMSP 數(shù)據(jù)庫中收集白術(shù)活性化合物7 個(gè),白芍活性化合物13 個(gè),陳皮活性化合物5 個(gè),防風(fēng)活性化合物20 個(gè),映射去重后共獲得該方的活性化合物42 個(gè)。經(jīng)Uniprot 數(shù)據(jù)庫對靶點(diǎn)名稱進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理后發(fā)現(xiàn)痛瀉要方中有34 個(gè)活性化合物具有對應(yīng)靶點(diǎn),共對應(yīng)114 個(gè)靶點(diǎn)。將篩選的活性化合物及靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2 軟件構(gòu)建活性化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖。圖中圓形表示靶點(diǎn),V 形表示活性化合物,共包括148 個(gè)節(jié)點(diǎn)(114 個(gè)靶點(diǎn)和34 個(gè)化合物)和356 條邊。見圖1。
圖1 活性化合物-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig 1 The network of diagram of active compounds-targets
在MalaCards 數(shù)據(jù)庫中檢索到838 個(gè)CRC 相關(guān)的潛在靶點(diǎn),將其與痛瀉要方對應(yīng)的114 個(gè)靶點(diǎn)互相映射后得到52 個(gè)交集靶點(diǎn),見圖2。
圖2 痛瀉要方-CRC 相關(guān)靶點(diǎn)韋恩圖Fig 2 Venn diagram of Tongxie Yaofang-CRC related targets
GO 功能分析結(jié)果顯示,52 個(gè)交集靶點(diǎn)預(yù)測到1 410 個(gè)富集結(jié)果(P<0.05)。其中包括生物過程(BP)1 256 個(gè),主要富集于脂質(zhì)代謝、激素反應(yīng)、癌細(xì)胞增殖和凋亡等過程;細(xì)胞組成(CC)34 個(gè),主要影響CRC 細(xì)胞線粒體膜電位、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激;分子功能(MF)120 個(gè),主要涉及氧化還原酶活性、蛋白激酶活性等,本研究分別依據(jù)P值大小篩選排名前20 位的BP、CC、MF 結(jié)果繪制柱狀圖,見圖3。
圖3 痛瀉要方治療CRC 的GO 功能柱狀圖Fig 3 GO function histogram of the key targets of Tongxie Yaofang in treatment of CRC
KEGG 分析結(jié)果顯示,52 個(gè)交集靶點(diǎn)共參與104 條信號通路過程(P<0.05),主要涵蓋磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信號通路、腫瘤壞死因子(TNF)信號通路、Toll 樣受體(TLR)信號通路等,本研究依據(jù)P值大小篩選排名前20 位的信號通路繪制通路氣泡圖,見圖4。
圖4 痛瀉要方治療CRC 的KEGG 通路氣泡圖Fig 4 KEGG pathway enrichment bubble chart of the key targets of Tongxie Yaofang in treatment of CRC
將痛瀉要方治療CRC 的中藥、活性化合物、靶點(diǎn)和疾病導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2 軟件構(gòu)建中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖,見圖5。圖中三角形表示中藥,V 形表示中藥相應(yīng)的活性化合物,圓形和綠色表示活性化合物對應(yīng)的靶點(diǎn),菱形和天藍(lán)色表示CRC,紫色表示白術(shù)和其相應(yīng)的活性化合物,粉色表示白芍和其相應(yīng)的活性化合物,橙色表示陳皮和其相應(yīng)的活性化合物,淺紫色表示防風(fēng)和其相應(yīng)的活性化合物,棕色表示白芍和防風(fēng)共同的活性化合物。網(wǎng)絡(luò)圖中共包括85 個(gè)節(jié)點(diǎn)(52 個(gè)靶點(diǎn)、28 個(gè)活性化合物、4 個(gè)中藥和1 個(gè)疾?。┖?48 條邊。其中,28 個(gè)活性化合物是通過痛瀉要方的活性化合物靶點(diǎn)與52個(gè)交集靶點(diǎn)映射篩選而來。通過Network Analysis插件對網(wǎng)絡(luò)圖分析發(fā)現(xiàn),由Degree 值從高到低排序前3 名的核心活性化合物分別為MOL000173-漢黃芩素(wogonin)、MOL000422-山奈酚(kaempferol)、MOL000358-β-谷甾醇(beta-sitosterol),前3 名的核心靶點(diǎn)為PTGS2、PTGS1、ESR1。上述化合物和靶點(diǎn)與痛瀉要方治療CRC 的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),見表1、2。
圖5 中藥-活性成化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig 5 The network of diagram of herbs-active compounds-targets
表1 中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中Degree 值較高的核心靶點(diǎn)Tab 1 The key targets with high Degree values in the network of herbs-active compounds-CRC
免疫組化結(jié)果顯示,CRC 組織中PTGS2、PTGS1、ESR1 呈現(xiàn)較強(qiáng)的陽性蛋白表達(dá)且主要集中在CRC 細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜內(nèi),正常腸組織中PTGS2、PTGS1、ESR1 呈現(xiàn)較弱的陽性蛋白表達(dá)。
表2 中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中Degree 值較高的核心化合物Tab 2 The active compounds with high Degree values in the network of herbs-active compounds-CRC
利用AutoDock Vina 軟件和Python 腳本,對中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中degree 值最高的3 個(gè)核心化合物(漢黃芩素、山奈酚、β-谷甾 醇)和3 個(gè) 核 心 靶 點(diǎn) 蛋 白(PTGS2、PTGS1、ESR1)進(jìn) 行 分 子 對 接,其 中PTGS2、PTGS1、ESR1 靶 點(diǎn) 蛋 白 的PDB ID 分 別 為1pxx、1prh、1uom,活性化合物和靶點(diǎn)蛋白受體間的結(jié)合活性度越高,則兩者結(jié)合能越低。結(jié)果表明,3 個(gè)核心活性化合物與3 個(gè)核心靶點(diǎn)蛋白受體對接結(jié)果均小于≤-5.0 kJ/mol,其中漢黃芩素與PTGS2、PTGS1、ESR1 的 結(jié) 合 能 分 別 為-36.00、-30.98、-36.42 kJ/mol;山奈酚與PTGS2、PTGS1、ESR1 的結(jié)合能分別為-27.21、-27.21、-33.91 kJ/mol;β-谷 甾 醇 與PTGS2、PTGS1、ESR1的結(jié)合能分別為-23.02、-23.02、-33.91 kJ/mol;提示痛瀉要方核心活性化合物和CRC 核心靶點(diǎn)之間具有良好的結(jié)合能力。具體組合情況,見表3,圖8~10。
表3 核心化合物與核心靶點(diǎn)結(jié)合能Tab 3 Binding energies of key active compounds with core targets
圖8 Wogonin 與PTGS2、PTGS1、ESR1 分子對接圖(左為整體,右為細(xì)節(jié))Fig 8 The molecular docking diagram of wogonin and PTGS2,PTGS1,ESR1(left:overall,right:detail)
圖9 Kaempferol 與PTGS2、PTGS1、ESR1 分子對接圖(左為整體,右為細(xì)節(jié))Fig 9 The molecular docking diagram of Kaempferol and PTGS2,PTGS1,ESR1(left:overall,right:detail)
圖10 beta-Sitosterol 與PTGS2、PTGS1、ESR1 分子對接圖(左為整體,右為細(xì)節(jié))Fig 10 The molecular docking diagram of beta-Sitosterol and PTGS2,PTGS1,ESR1(left:overall,right:detail)
CRC 是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤,可嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。痛瀉要方在治療CRC 方面具有減毒增效的作用,但其具體分子機(jī)制和藥效物質(zhì)尚未完全闡明。目前,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接技術(shù)已開始規(guī)模化應(yīng)用于中藥活性化合物篩選及關(guān)鍵靶點(diǎn)對接等領(lǐng)域,為初步探尋痛瀉要方治療CRC 的作用規(guī)律提供了可能。本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)獲取了痛瀉要方治療CRC 的28 個(gè)活性化合物和52 個(gè)靶點(diǎn),并借助GO 功能富集分析、KEGG 通路富集分析、構(gòu)建中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵靶點(diǎn)驗(yàn)證等方式,從整體上展示了二者間的分子作用關(guān)系及涵蓋的信號通路情況。
GO 功能富集分析提示,痛瀉要方干預(yù)CRC 可能與加速機(jī)體脂質(zhì)代謝、激素反應(yīng)、癌細(xì)胞增殖和凋亡、線粒體膜電位、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化還原酶活性和蛋白激酶活性等條目密切相關(guān)。其中,CRC 的發(fā)病與患者機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)代謝異常存在高度關(guān)聯(lián)性,脂肪細(xì)胞可通過分泌激素、促炎因子等介質(zhì),加速CRC 細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移速率[28]。激活蛋白酶活性能夠有效降低CRC 細(xì)胞(HCT116 和HCT8)的活性氧含量、線粒體膜電位和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡[29]。
KEGG 通路富集提示,痛瀉要方干預(yù)CRC 可能與PI3K/AKT 信號通路、TNF 信號通路、TLR 信號通路密切相關(guān)。其中,大多數(shù)CRC 患者發(fā)病過程中伴有PI3K/AKT 信號通路異常且PI3K/Akt 信號抑制劑被認(rèn)為是有效的CRC 治療劑[30]。PI3K/AKT信號通路能夠調(diào)控關(guān)鍵miRNA 的轉(zhuǎn)錄表達(dá),增強(qiáng)對CRC 細(xì)胞增殖、遷移的抵抗功能[31]。TNF 家族成員可影響CRC 患者的疾病發(fā)展進(jìn)程和預(yù)后情況[32]。CRC 臨床常用化療藥物5-氟尿嘧啶能夠通過抑制TNF 信號通路,達(dá)到降低結(jié)腸癌干細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移能力的目的[33]。TLR 信號傳導(dǎo)在激活固有免疫和適應(yīng)性免疫從而調(diào)節(jié)機(jī)體炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵性作用,其信號傳導(dǎo)失調(diào)可誘導(dǎo)CRC 患者產(chǎn)生IL-1β、TNFα、IL-6 等炎癥因子,導(dǎo)致上皮層止血功能紊亂,進(jìn)而加快CRC 的進(jìn)程[34]。調(diào)控TLR2 可有效抑制CRC 細(xì)胞增殖和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步降低癌細(xì)胞的遷移和侵襲能力[35]。
中藥-活性化合物-CRC-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn),痛瀉要方治療CRC 的主要活性化合物屬漢黃芩素、山奈酚、β-谷甾醇等,主要作用靶點(diǎn)為PTGS2、PTGS1、ESR1 等。其中,漢黃芩素為一種類黃酮化合物,具有廣泛的生物學(xué)作用,可顯著抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116)的增殖效率,促使DNA 片段化及染色質(zhì)濃縮[36]。山奈酚同屬一種常見的類黃酮化合物,大量存在于蔬菜和水果中,常被用于癌癥的化療過程中[37]。其可通過調(diào)控PI3K/Akt 信號通路,使癌細(xì)胞周期停滯在G2 /M 期來實(shí)現(xiàn)防治CRC的作用[38]。β-谷甾醇作為一種植物甾醇,可發(fā)揮抑制炎癥及氧化應(yīng)激反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等作用[39]。β-谷甾醇常用作CRC 患者化療期間的輔助藥物,其主要通過抑制MDM2-p53 信號通路,進(jìn)而提高抗癌藥物OXA 的療效及降低其不良反應(yīng)的發(fā)生率[40]。前列腺素內(nèi)過氧化物合酶(PTGS)又稱環(huán)氧合酶(COX),其包括誘導(dǎo)型PTGS2(COX-2)和組成型PTGS1(COX-1)。HCT116 和HT29 經(jīng)COX-1 基因沉默后可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)線粒體膜電位去極化,抑制三磷酸腺苷的產(chǎn)生,增加活性氧的含量,導(dǎo)致癌細(xì)胞 凋 亡[41]。通 過 分 析CRC 組 織 標(biāo) 本 提 示,超 過80%的CRC 組織中呈現(xiàn)COX-2 中、高度陽性表達(dá),主要存在染色質(zhì)狀態(tài)的異質(zhì)性[42]。人體腸道內(nèi)ESR1 單核苷酸多態(tài)性與CRC 的易感性和疾病嚴(yán)重程度存在密切關(guān)聯(lián)[43]。ESR1 在CRC 組織中的表達(dá)水平顯著高于正常的結(jié)直腸組織[44],給予CRC 患者5-FU 治療后可顯著降低患者癌組織中ESR1 mRNA 的表達(dá)水平及無病生存期[45]。
此外,上述結(jié)果在THE HUMAN PROTEIN ATLAS 數(shù)據(jù)庫及藥物-靶點(diǎn)分子對接中得以驗(yàn)證。其中,免疫組化結(jié)果提示CRC 組織與正常腸組織相比PTGS2、PTGS1、ESR1 呈現(xiàn)較強(qiáng)的陽性蛋白表達(dá);分子對接結(jié)果提示痛瀉要方中3 個(gè)核心活性化合物與PTGS2、PTGS1、ESR1 結(jié)合后均展現(xiàn)出了良好的親和力。
綜上所述,本研究運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、分子對接等手段,從直觀的角度對痛瀉要方治療CRC 進(jìn)行了整體的認(rèn)識,為進(jìn)一步深入研痛瀉藥方干預(yù)CRC 提供了重要參考,相比于傳統(tǒng)藥理學(xué)研究呈現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。受限于本研究僅單純的考慮到中藥、活性化合物、靶點(diǎn)三者之間的數(shù)量關(guān)系,尚未兼顧到活性化合物與靶點(diǎn)產(chǎn)生的藥效強(qiáng)度因素,因此藥物在體內(nèi)的作用機(jī)制還需要通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)2021年19期