基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的瓜蔞薤白半夏湯

臨床精準(zhǔn)定位及藥效成分研究

張?chǎng)?/span>1,2,吳宏偉1,于現(xiàn)闊1,

范建偉3,蘇瑞強(qiáng)3,郭非非1,楊洪軍1^通信作者

(1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所,北京 100700;2.成都中醫(yī)藥大學(xué)民族醫(yī)藥學(xué)院,成都 611137;3.魯南制藥集團(tuán)股份有限公司中藥制藥共性技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 臨沂 276006)

瓜蔞薤白半夏湯出自東漢醫(yī)家張仲景所著《金匱要略》,該方由瓜蔞?薤白?半夏和白酒組成,為治療胸痹的經(jīng)典名方?胸痹作為中醫(yī)的證候描述,主要是由于正氣虛虧,痰濁,瘀血,氣滯,寒凝而引起心脈痹阻不暢,以胸部發(fā)生憋悶?氣短,伴有心慌,嚴(yán)重者可出現(xiàn)胸部疼痛?臨床上的諸多疾病均有胸痹的證候,例如冠心病?慢性充血性心力衰竭?緩慢性心律失常?病竇綜合征?心臟神經(jīng)官能癥?心肌炎?早搏?心臟X綜合征?急性冠狀動(dòng)脈綜合征?反流性食管炎?慢性支氣管炎等?其中以冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(即冠心病)為胸痹的相關(guān)研究居多?現(xiàn)代研究表明,瓜蔞薤白半夏湯有防治心血管疾病和調(diào)節(jié)血脂的作用,它能擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈?抑制血栓形成?抑制炎癥反應(yīng)?抑制心肌細(xì)胞凋亡和調(diào)節(jié)血脂?

中醫(yī)強(qiáng)調(diào)對(duì)癥下藥,即依據(jù)癥狀的精準(zhǔn)用藥?胸痹對(duì)應(yīng)如此多的臨床疾病,確定瓜蔞薤白半夏湯的臨床精準(zhǔn)定位對(duì)于臨床使用該藥物具有重要意義?此外,針對(duì)于包括瓜蔞薤白半夏湯在內(nèi)的諸多經(jīng)典名方開(kāi)發(fā),臨床疾病的明確對(duì)于藥物的開(kāi)發(fā)及臨床用藥的指導(dǎo)是不可或缺的?

本文以瓜蔞薤白半夏湯為例,基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的分析方法,確定瓜蔞薤白半夏湯兩個(gè)主要的作用器官———心臟和肝臟,將其可能最有效的臨床病癥定位于急性的心臟疾病(例如心梗等)?此外,采用數(shù)據(jù)挖掘與先驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合,預(yù)測(cè)瓜蔞薤白半夏湯可能作用的心率?心肌細(xì)胞死亡?免疫炎癥?血管?脂質(zhì)代謝等五個(gè)病理環(huán)節(jié),并挖掘其對(duì)應(yīng)的潛在藥效成分?

本研究主要分為以下幾個(gè)部分:1)基于AD-MET化學(xué)成分的篩選能夠有效預(yù)測(cè)藥物的特性,實(shí)現(xiàn)類藥成分的快速篩選;2)基于相似性的藥物靶標(biāo)預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)于類藥成分的靶標(biāo)快速確認(rèn);3)藥物潛在靶標(biāo)的功能富集分析,挖掘藥物可能作用的通路和生物學(xué)過(guò)程以及可能治療的疾病類型;4)關(guān)鍵病理過(guò)程的關(guān)聯(lián)成分挖掘,用以鎖定潛在的藥效成分?技術(shù)路線見(jiàn)圖1?

圖1  技術(shù)路線

2.1瓜蔞薤白半夏湯化學(xué)成分的收集及篩選

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及TCMSP(http://)?TCMID(http://www./tcmid/)等中藥成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)收集瓜蔞薤白半夏湯的化學(xué)成分?在此基礎(chǔ)上,基于各化學(xué)成分的ADMET性質(zhì)篩選其中具有較好類藥性的成分用以后續(xù)計(jì)算分析?類藥性是指與良好的臨床療效相關(guān)的藥物的物理化學(xué)性質(zhì)(如溶解性?穩(wěn)定性等)?其中化合物的ADMET預(yù)測(cè)可以快速描述藥物在生物體內(nèi)的吸收?分布?代謝與排泄過(guò)程和毒性反應(yīng)的特征,用于后續(xù)的類藥篩選?中藥復(fù)方中包含大量成分,能在人體內(nèi)發(fā)揮藥效作用的成分必須同時(shí)具備足夠優(yōu)秀的藥理活性和類藥性質(zhì),剔除類藥性較差的化合物,發(fā)現(xiàn)更多可能的藥效成分,以便進(jìn)一步的分析?

本文利用FAF-Drugs4數(shù)據(jù)庫(kù)(http://fafdrugs3.mti./)對(duì)瓜蔞薤白半夏湯的化學(xué)成分進(jìn)行篩選,預(yù)測(cè)其ADMET特性,隨后基于表1的類藥性質(zhì)參數(shù),篩選理化性質(zhì)接近上市藥物的化學(xué)成分?

2.2基于藥物-靶標(biāo)相似性的瓜蔞薤白半夏湯的藥物靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

本文基于BATMAN-TCM對(duì)于類藥化合物的靶標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)?BATMAN-TCM所使用的靶標(biāo)預(yù)測(cè)方法是基于相似性來(lái)預(yù)測(cè)中藥組成化合物的潛在靶標(biāo)的?它的核心思想是由Perlman等人首次提出的,實(shí)質(zhì)是通過(guò)與已知的藥物靶標(biāo)的相互作用比較來(lái)計(jì)算相似性,并對(duì)潛在的藥物靶標(biāo)相互作用進(jìn)行排序?本文將篩選后的類藥化學(xué)成分分別以全方?瓜蔞?半夏?薤白四種組合導(dǎo)入BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè),獲得與瓜蔞薤白半夏湯化學(xué)成分可能發(fā)生相互作用的靶標(biāo)蛋白,并選擇其中高可信度(打分值大于20)的蛋白作為藥物的候選靶點(diǎn)?

2.3藥物潛在靶點(diǎn)功能富集分析

靶標(biāo)分析功能基于功能條目的富集分析,用以考察該方的潛在靶標(biāo)可能具有的生物學(xué)功能及參與的生物學(xué)通路?功能分析中涉及的GO功能條目,KEGG生物學(xué)通路,疾病條目以及組織特異性相關(guān)的分析均使用DA-VID工具完成?富集分析是基于超幾何分布設(shè)計(jì)的算法,而針對(duì)富集分析顯著性P-value的多重檢驗(yàn)校正則使用的Benjamini-Hochberg校正方法?具體來(lái)說(shuō),本文將預(yù)測(cè)得到的藥物潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行疾病富集,得到瓜蔞薤白半夏湯可能的主治病癥?對(duì)全方?瓜蔞?半夏?薤白分別進(jìn)行組織分布富集,再對(duì)富集到組織心臟和肝臟的靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集?

2.4“化合物成分-靶點(diǎn)-通路/功能”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)前期文獻(xiàn)挖掘得到的中藥-成分關(guān)系,BATMAN-TCM平臺(tái)的成分-靶點(diǎn)關(guān)系?DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)的靶點(diǎn)-功能\通路關(guān)系,建立數(shù)據(jù)文件,利用Cytoscape3.5.1軟件繪制“成分-靶點(diǎn)-通路-功能”網(wǎng)絡(luò)圖?

3.1瓜蔞薤白半夏湯的類藥成分及潛在靶標(biāo)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)和文獻(xiàn)挖掘的結(jié)果,得到瓜蔞薤白半夏湯780個(gè)化學(xué)成分?其中瓜蔞352個(gè)成分,包括氨基酸類17個(gè),黃酮及酚類25個(gè),揮發(fā)油?油脂和有機(jī)酸類185個(gè),生物堿及含氮類29個(gè),糖類9個(gè),萜類45個(gè),植物甾醇29個(gè),其他成分32個(gè);半夏有261個(gè)成分,包括氨基酸類22個(gè),苯丙素類25個(gè),環(huán)肽類6個(gè),揮發(fā)油?油脂和有機(jī)酸類188個(gè),生物堿及含氮類14個(gè),甾醇類6個(gè),其他成分12個(gè);薤白有成分167個(gè),含氮化合物9個(gè),揮發(fā)油及脂肪酸類55個(gè),甾體皂苷87個(gè),其他成分17個(gè)?利用FAF-Drugs4數(shù)據(jù)庫(kù)篩選后得到成分294個(gè),其中瓜蔞137個(gè),半夏114個(gè),薤白43個(gè)?篩選前后的物理性質(zhì)分布對(duì)比見(jiàn)圖2?根據(jù)BATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)結(jié)果,得到全方靶點(diǎn)710個(gè),瓜蔞靶點(diǎn)654個(gè),薤白靶點(diǎn)99個(gè),半夏靶點(diǎn)587個(gè)

圖2  成分理化性質(zhì)篩選前后分布情況

3.2瓜蔞薤白半夏湯的臨床精準(zhǔn)定位

3.2.1潛在靶標(biāo)的組織特異性

為了考察瓜蔞薤白半夏湯的主要作用器官,本文將全方靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行組織分布富集,富集結(jié)果顯示全方作用的靶點(diǎn)大量富集到肝臟和心臟(見(jiàn)表2),胸痹病位在心,與肝也有密切關(guān)系,基本病機(jī)為肝心失調(diào),后續(xù)分析將重點(diǎn)關(guān)注富集到肝臟和心臟的靶點(diǎn)?

3.2.2心臟相關(guān)靶標(biāo)的疾病富集結(jié)果

為了確認(rèn)瓜蔞薤白半夏湯的可能作用的疾病,本文使用DAVID對(duì)全方靶點(diǎn)進(jìn)行了疾病富集分析,富集到大量與心梗相關(guān)疾病的疾病條目(表3),如心肌梗塞?心血管疾病?冠狀動(dòng)脈心臟疾病等?

3.2.3瓜蔞薤白半夏湯的潛在靶向的通路

對(duì)于富集到肝臟和心臟的靶點(diǎn)再次導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù),分別進(jìn)行功能和通路富集,得到瓜蔞薤白半夏湯作用于心臟和肝臟的功能和通路(見(jiàn)表4),可知全方對(duì)于心臟的作用可能集中于調(diào)節(jié)心率?擴(kuò)張血管,以及心肌細(xì)胞存活?免疫炎癥的調(diào)控等,而在肝臟發(fā)揮的作用可能集中于脂質(zhì)代謝方面?

3.2.4瓜蔞薤白半夏湯臨床定位的確定

基于以上結(jié)果,我們初步認(rèn)為,瓜蔞薤白半夏湯的臨床應(yīng)用主要是以心肌梗塞為主的心血管疾病?心肌梗塞是指由于各種原因引起的心血管中血液流通的異常,冠狀動(dòng)脈阻塞,導(dǎo)致心臟供血不足而心肌壞死,嚴(yán)重者發(fā)展為心肌梗死有極高的致死率?國(guó)內(nèi)每年有超過(guò)300萬(wàn)的心肌梗塞患者,且該數(shù)字正日益增長(zhǎng),故瓜蔞薤白半夏湯治療心肌梗塞的作用機(jī)理和藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究尤為重要?基于富集分析的結(jié)果,瓜蔞薤白半夏湯可能通過(guò)調(diào)控心率,影響免疫炎癥?心肌細(xì)胞的死亡?血管的功能以及調(diào)控脂質(zhì)代謝等方面發(fā)揮作用?

根據(jù)上述功能/通路富集結(jié)果,將瓜蔞薤白半夏湯影響的生物過(guò)程分為心率?心肌細(xì)胞死亡?免疫炎癥?血管?脂質(zhì)代謝5類,為了能夠進(jìn)一步挖掘這5類生理過(guò)程與瓜蔞薤白半夏湯類藥成分之間的關(guān)聯(lián),本文構(gòu)建“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”圖用以描述?(2,3,4,5,6)?

4.1心率調(diào)節(jié)相關(guān)的潛在藥效成分

由圖3可知,富集得到的心率相關(guān)通路有通過(guò)心臟傳導(dǎo)調(diào)節(jié)心率(regulation of heart rate by cardiacconduction)和鈣離子信號(hào)通路?研究表明鈣超載可以使心肌部分去極化,引起缺血性心律失常,并且鈣離子電流任何微小的變化即可導(dǎo)致其他離子電流改變,造成心肌電活動(dòng)異常,調(diào)節(jié)鈣信號(hào)通路,抑制鈣超載可以明顯減小心梗后心律失常的發(fā)生率?鄰苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate)是三味藥共有的成分,均可能參與心率相關(guān)通路的調(diào)節(jié)?有研究證明鄰苯二甲酸二丁酯具有引起血管收縮作用,初步機(jī)制可能涉及細(xì)胞膜電壓門控性鈣通道及鈣離子內(nèi)流?degree值較高的化學(xué)成分有異亮氨酸(isoleucine)和亮氨酸(leucine)等,氨基酸對(duì)心血管功能有保護(hù)作用,不僅可減輕心肌在缺血再灌注?心力衰竭和心肌梗塞中的損傷,而且對(duì)血壓?血脂和心律失常也有一定的調(diào)節(jié)作用?

圖3  心率相關(guān)“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”

4.2心肌細(xì)胞死亡相關(guān)的潛在藥效成分

圖4中富集得到的心肌細(xì)胞死亡相關(guān)通路有MAPK信號(hào)通路(MAPK signaling pathway),該通路調(diào)節(jié)多種細(xì)胞活動(dòng),包括增殖,分化,存活和死亡?degree值較高的化學(xué)成分有對(duì)香豆酸(p-coumaric acid),畢思玲發(fā)現(xiàn)川芎嗪對(duì)香豆酸能抑制缺血損傷大鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細(xì)胞瘤(PC12)細(xì)胞凋亡,陳智等人研究證明了對(duì)香豆酸組合物對(duì)急性髓系白血病(AML)細(xì)胞的增殖抑制作用,故對(duì)香豆酸能否調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞死亡有待進(jìn)一步研究?

圖4  心肌細(xì)胞死亡相關(guān)“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”

4.3炎癥應(yīng)答相關(guān)的潛在藥效成分

圖5富集得到的功能有負(fù)調(diào)控急性炎癥反應(yīng),全身或局部的炎癥反應(yīng),可能在急性心肌梗死的發(fā)生?發(fā)展和心血管事件中起重要作用?

圖5  免疫炎癥相關(guān)“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”

4.4血管相關(guān)的潛在藥效成分

圖6富集得到的與血管相關(guān)的通路有PPAR信號(hào)通路(PPAR signaling pathway)和血管平滑肌收縮(Vas-cular smooth muscle contraction)?高飛等人通過(guò)研究證明了PPAR-γ激動(dòng)劑能抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化,可以推測(cè)PPAR信號(hào)通路可能與血管平滑肌有關(guān),從而參與心肌梗塞的病理過(guò)程,陳蘭玉基于PPAR信號(hào)通路探討桑杞清眩顆粒對(duì)高血壓心肌纖維化作用機(jī)制的研究,得出PPARα和PPARγ通過(guò)對(duì)炎性因子的開(kāi)關(guān)效應(yīng)影響了心肌重構(gòu)的結(jié)論?甲基丁香酚(methyl eugenol)來(lái)自半夏,Lahlou S等發(fā)現(xiàn)它可以引起小鼠低血壓,可能是直接作用于血管平滑肌而擴(kuò)張血管?

圖6  血管相關(guān)“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”

4.5脂質(zhì)代謝相關(guān)的潛在藥效成分

圖7富集得到了脂質(zhì)分解代謝過(guò)程的負(fù)調(diào)控和脂肪酸代謝等與脂質(zhì)代謝有關(guān)的功能和通路?

圖7  脂質(zhì)代謝相關(guān)“藥物-成分-靶標(biāo)-通路”

瓜蔞薤白半夏湯為中醫(yī)藥經(jīng)典名方,功效行氣解郁,通陽(yáng)散結(jié),祛痰寬胸,主治胸痹,現(xiàn)代研究表明該方有較好的防治心血管疾病和調(diào)節(jié)血脂的作用,其正丁醇部位?水溶性部位?和藥渣水煎液部位能保護(hù)缺血缺氧損傷的心肌細(xì)胞?本研究收集得到瓜蔞化學(xué)成分352個(gè),半夏261個(gè),薤白167個(gè),通過(guò)類藥性成分篩選,靶點(diǎn)預(yù)測(cè),臨床疾病定位,組織分布和功能通路富集,發(fā)現(xiàn)瓜蔞薤白半夏湯作用的部位在心臟和肝臟,對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代病癥可能是以心肌梗塞為主的心血管疾病,其作用機(jī)制可能有:通過(guò)心臟傳導(dǎo)調(diào)節(jié)心率和鈣信號(hào)通路等與調(diào)節(jié)心率有關(guān)的過(guò)程,心肌細(xì)胞死亡相關(guān)的MAPK信號(hào)通路,負(fù)調(diào)控急性炎癥反應(yīng),PPAR信號(hào)通路和血管平滑肌收縮等與調(diào)節(jié)血管平滑肌有關(guān)的過(guò)程,以及脂質(zhì)分解代謝過(guò)程的負(fù)調(diào)控和脂肪酸代謝等脂質(zhì)代謝相關(guān)過(guò)程,并進(jìn)一步得到了107個(gè)可能作用于以上各生物過(guò)程的化學(xué)成分,比如三味藥共有的成分鄰苯二甲酸二丁酯,能調(diào)節(jié)鈣離子內(nèi)流影響心率,來(lái)自半夏的甲基丁香酚,可能作用于血管平滑肌而擴(kuò)張血管?通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析瓜蔞薤白半夏湯的臨床應(yīng)用及藥效成分,后續(xù)將進(jìn)行其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究,進(jìn)一步明確其作用物質(zhì)基礎(chǔ)及分子作用機(jī)制?