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基于數據挖掘和網絡藥理學的肝腎虧虛型膝骨關節炎的用藥規律及機制分析

2022-05-22 01:37付興前郭禮躍歐梁孔德忠龍剛楊先宇
世界中醫藥 2022年5期
關鍵詞:牛膝靶點肝腎

付興前 郭禮躍 歐梁 孔德忠 龍剛 楊先宇

摘要 目的:基于數據挖掘和網絡藥理學探討治療肝腎虧虛型膝骨關節炎的用藥規律及其作用機制。方法:通過檢索國家知識基礎設施數據庫(CNKI)近10年治療肝腎虧虛型膝骨關節炎的方劑,運用中醫傳承輔助平臺建立數據庫,利用該軟件的熵聚類等算法,總結出治療肝腎虧虛型膝骨關節炎方劑中的用藥頻率、核心組合、核心藥物模式及歸經頻率以及得出新方組合。再運用中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(TCMSP)、基因表達綜合(GEO)、STRING、Metascape等數據庫及Cytoscape軟件對其核心藥物靶點與差異表達基因交集進行蛋白質-蛋白質相互作用(PPI)、京都基因和基因組百科全書(KEGG)分析,并構建藥物-成分-靶點關系網絡圖。結果:篩選符合納入標準的72首方劑所含藥物進行頻次統計分析,得出頻次≥10次的藥物有25味,其中使用頻次較高的有牛膝、當歸、熟地黃;藥物的歸經以肝、腎、脾經為主;通過系統熵聚類的層次聚類分析挖掘出核心組合藥物16個及新處方8首;對核心藥物牛膝、當歸與熟地黃進行網絡藥理學分析得到槲皮素、豆甾醇、β-谷甾醇等關鍵活性成分及靶點176個;膝骨關節炎差異表達基因258個;核心Hub基因為IL-6、MMP9、CXCL8、JUN、VEGFA;KEGG富集分析主要在IL-17、TNF、Toll樣受體、核因子κB等信號通路上。結論:治療肝腎虧虛型膝骨關節炎以補益肝腎、通絡止痛為主,其機制可能通過作用IL-6、MMP9等靶點及對IL-17、TNF、Toll樣受體、核因子κB等復雜通路的共同干預實現。

關鍵詞 膝骨關節炎;網絡藥理學;數據挖掘;肝腎虧虛;用藥規律;通路;靶點;機制

Analysis of Medication Rule and Mechanism of Knee Osteoarthritis with Liver and Kidney Deficiency Based on Data Mining and Network Pharmacology

FU Xingqian1,GUO Liyue2,OU Liang2,KONG Dezhong1,LONG Gang1,YANG Xianyu1

( College of Orthopaedics and Traumatology,Guizhou University of Traditional Chinese Medicine,Guiyang 550025,China; 2 The First Department of Orthopedics,The Second Affiliated Hospital of Guizhou University of Traditional Chinese Medicine,Guiyang 550003,China)

Abstract Objective:To explore the medication rule and mechanism of Chinese medicine prescriptions in the treatment of knee osteoarthritis with liver and kidney deficiency based on data mining and network pharmacology.Methods:China National Knowledge Infrastructure(CNKI) was searched for the prescriptions for the treatment of knee osteoarthritis with liver and kidney deficiency in the last 10 years.Traditional Chinese Medicine Inheritance Support System was used to establish a database and its entropy clustering algorithm was adopted to summarize the drug frequency,core combination,core drug mode and meridian frequency of the prescriptions for the treatment of knee osteoarthritis with liver and kidney deficiency,and to obtain the new prescription combination.Then Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform(TCMSP),Gene Expression Omnibus(GEO),STRING and Metascape as well as Cytoscape were employed for the intersection of core drug targets and differentially expressed genes and the construction of protein-protein interaction(PPI) network.Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG) enrichment analysis was performed and the drug-component-target network diagram was established.Results:A total of 72 prescriptions that met the inclusion criteria were selected for frequency statistical analysis.It was found that there were 25 Chinese medicinal materials with frequency≥10,among which Radix Achyranthis Bidentatae,Radix Angelicae Sinensis and Radix Rehmanniae Preparata were used more frequently,and they belonged to the liver,kidney and spleen meridians.Sixteen core combination drugs and 8 new prescriptions were excavated by hierarchical cluster analysis of entropy clustering.The network pharmacological analysis of the core Chinese medicinal materials Radix Achyranthis Bidentatae,Radix Angelicae Sinensis and Radix Rehmanniae Preparata showed that there were 176 key active components and targets,such as quercetin,stigmasterol and β-sitosterol,and 258 differentially expressed genes of knee osteoarthritis.The core Hub genes were mainly IL-6,MMP9,CXCL8,JUN and VEGFA in IL-17,TNF,Toll-like receptor and NF-κB signaling pathways based on KEGG enrichment analysis.Conclusion:The treatment of knee osteoarthritis with liver and kidney deficiency focuses on tonifying and replenishing the liver and kidney,dredging collaterals and relieving pain.The mechanism may be achieved by acting on IL-6,MMP9 and other targets and regulating the complex pathways such as IL-17,TNF,Toll-like receptor and NF-κB signaling pathways.

Keywords Knee osteoarthritis; Network pharmacology; Data mining; Liver and kidney deficiency; Medication rule; Pathway; Target; Mechanism

中圖分類號:R274文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1673-7202.2022.05.024

骨性關節炎是一種關節退行性疾病,以關節軟骨丟失為特征[1],影響著全球約2.5億人[2],由于肥胖癥和人口老齡化的增加,膝關節骨性關節炎(Knee Osteoarthritis,KOA)的患病率也正在攀升[3]。此外,它是成年人中最常見的致殘疾病之一[4]。最常見的臨床癥狀為關節僵硬、慢性疼痛、功能受限[5],其病理改變主要為關節軟骨局灶性丟失、軟骨下骨改建和骨贅形成[6]。KOA與許多致病因素有關,包括肥胖、遺傳、衰老、創傷等,但其發病機制尚未完全明確。西醫治療KOA主要是通過使用非甾體抗炎藥、阿片類藥物和類固醇藥物來緩解[7],但由于西藥的不良反應、手術創傷及費用高昂、術后康復等問題,中醫藥治療KOA越來越受到關注[8]。骨關節炎不僅會導致嚴重的疼痛和功能障礙,還會給醫療系統帶來負擔[9]。有研究還表明,中醫藥治療KOA療效顯著、不良反應少、治療方法多[10]。因此研究出一種安全、有效和廉價的中醫藥防治KOA的方法具有重要的臨床意義。本研究收集整理國家知識基礎設施數據庫(China China National Knowledge Infrastructure,CNKI)近10年中醫藥治療肝腎虧虛證KOA的臨床研究文獻,并對其用藥規律和潛在作用成分、核心Hub基因與信號通路進行了分析,為今后KOA肝腎虧虛證的防治研究及其藥理研究提供理論參考依據。

資料與方法

1. 處方來源

2011年1月至2020年11月期間,以“膝骨關節炎”“肝腎虧虛”“中藥”等為檢索詞在CNKI進行檢索,嚴格按照處方納入標準以及剔除標準,通過閱讀文獻摘要及通覽全文,最終得到符合納入標準的72篇文獻。

1.2 篩選處方

1.2. 納入標準 1)選擇使用中藥煎劑治療肝腎虧虛型膝骨關節炎的文獻,可聯合其他中西醫治療方法,包括病案分析、臨床療效觀察、專家經驗方等;2)藥物劑量及名稱明確。

1.2.2 剔除標準 1)除了湯劑之外的劑型,例如丸散、熏洗、外敷、膠囊、膏劑等劑型;2)中藥劑量缺失;3)方劑重復;4)方劑組成不完整;5)證型錯雜;6)綜述類文獻;7)動物實驗。

1.3 中藥名稱規范 參考《中華人民共和國藥典》[11]2015年版和人民衛生出版社第二版《中藥學》[12],將涉及的中藥名稱進行標準化統一規范,如“川牛膝、懷牛膝”規范為“牛膝”“炙甘草”規范為“甘草”“川續斷”規范為“續斷”“仙靈脾”規范為“淫羊藿”等。

1.4 統計學分析 利用“中醫傳承輔助平臺”(V2.5)進行數據分析,把篩選出的處方錄入系統,由2人對錄入數據進行核對并保證其結果的準確性。運用系統中“數據分析”模塊進行統計學分析:1)中藥及歸經頻率分析,2)組方規律分析:藥物模式-網絡展示-規則分析,3)提取新方組合。

1.5 分子作用機制分析 將組方規則分析獲取的核心藥物模式利用中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform,TCMSP,http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)對活性組分和潛在作用靶點進行篩選。采用口服生物利用度(Oral Bioavailability,OB)≥30%和類藥性(Drug Likeness,DL)≥0.18的標準進行活性成分篩選。將獲取到的靶點蛋白輸入Uniprot(http://www.uniprot.org/)數據庫中轉換為靶點的基因名稱,刪除重復后獲得潛在靶基因,利用Cytoscape 3.7.2軟件構建藥物-活性成分-靶點可視化網絡圖。利用基因表達綜合(Gene Expression Omnibus,GEO)數據庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)獲取KOA的基因芯片。從GEO數據庫下載編號為GSE55235、GSE46750的基因芯片數據原始文件。GSE55235芯片包括10個非感染性滑膜組織和10個正?;そM織,平臺為GPL96[HG-U133A] Affymetrix Human Genome U133A Array;GSE46750芯片包括12個非感染性滑膜組織和12個正?;そM織,平臺為GPL10558 Illumina HumanHT-12 V4.0 expression beadchip。利用P<0.05和LogFC絕對值≥2為條件篩選差異表達基因(LogFC≤-2為下調基因,LogFC≥2為上調基因)。將獲取的藥物靶點與KOA差異表達基因進行匹配映射,并利用Venny2.1在線平臺繪制韋恩圖。將疾病與藥物共同靶點輸入STRING11.0(https://string-db.org/cgi/input.pl)數據庫構建蛋白質-蛋白質相互作用(Protein-protein Interaction,PPI)網絡圖。下載PPI網絡tsv文件導入Cytoscape 3.7.2軟件中,利用CytoHubba插件MCC算法設置分析前5的靶點。最后運用Metascape數據庫(http://metascape.org/gp/index.html)對交集基因進行京都基因和基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析,并借助bioinformatics在線工具(http://www.bioinformatics.com.cn)繪制KEGG富集氣泡圖及差異表達基因火山圖。

2 結果

2. 用藥頻率及歸經頻率分析

對治療膝骨關節炎肝腎虧虛型的72首處方進行用藥頻率統計分析,其中使用頻率≥10次的藥物有25味,位居第一位的為牛膝。見表1。歸經統計見圖1。藥物出現頻率前10位統計見圖2。

2.2 基于關聯規則的處方規律分析

2.2. 將支持度設置為26、置信度為0.8時核心藥物模式頻度第一為牛膝與熟地黃、牛膝與當歸。見表2。網絡化展示見圖3。

2.2.2 設置支持度為26,置信度大于0.800時藥物的關聯規則見表3。

2.3 基于無監督的熵聚類的處方規律分析

2.3. 基于復雜系統熵聚類的層次聚類分析,衍化得到16種核心組合。見表4。

2.3.2 使用無監督熵層次聚類算法,設置相關度為8,懲罰度為2,衍化得到8個治療肝腎虧虛型KOA的新處方。見表5。新方網絡化展示見圖4。

2.4 核心藥物模式“牛膝、當歸、熟地黃”抗膝骨關節炎的作用機制分析

2.4. 牛膝、當歸、熟地黃活性成分及靶點篩選?? 通過篩選,得到24種活性成分。24種化合物在TCMSP數據庫中預測得到潛在靶蛋白547個,構建藥物-成分-靶點網絡圖。見圖5。根據網絡Degree值結果,位居前3的成分依次為槲皮素、豆甾醇、β-谷甾醇。

2.4.2 膝骨關節炎差異表達基因獲取 共獲得109個上調基因和149個下調基因。繪制火山圖見圖6。

2.4.3 構建PPI網絡

獲取的藥物靶點與KOA差異表達基因匹配映射繪制韋恩圖,得到藥物-KOA共同靶點19個。見圖7。將交集基因輸入至STRING11.0數據庫,得到PPI網絡圖,網絡圖中隱藏2個斷開連接的蛋白。見圖8。設置分析前5的靶點。見圖9。

2.4.4 KEGG通路富集分析 通路富集分析得到103個信號通路,主要涉及IL-17、TNF、Toll樣受體、核因子κB等信號通路。見圖10。

3 討論

我國骨關節炎患病率大約為3%,其中KOA占據大部分[13]。中醫學將KOA納入“骨痹”“膝痹”“厲節”等范疇[14]。中醫學認為,其發病機制為患者年老體衰,導致肝血不足、腎精虧虛,而肝主筋、腎主骨生髓,筋骨失于濡養,故氣血運行不暢,絡脈瘀阻,不通則痛,發為本病。治療宜滋補肝腎、通絡止痛為主,祛風除濕為輔,標本兼治。何名江等[15]研究發現滋補肝腎,祛風除濕中藥可有效減低血清中TNF-α及IL-1β水平,而膝關節局部滑膜炎癥反應也會被有效抑制。袁芳等[16]指出KOA的發病本源是肝腎虧虛,而患者的發病率與體質及發病年齡正相關。利用中醫傳承輔助平臺與網絡藥理學分析相結合的方法,可以從宏觀層面與微觀層面挖掘中醫方劑用藥規律和可能機制,為臨床治療KOA和相關證候提供數據支持。

從宏觀層面看,本研究以KOA肝腎虧虛證為研究對象,通過收集CNKI近10年的相關文獻72篇,運用中醫傳承輔助平臺的數據挖掘功能、統計分析功能,總結出治療肝腎虧虛型KOA的用藥規律,挖掘出新方。通過藥物使用頻率進行統計分析,藥物出現頻率最高的為牛膝,牛膝性味苦酸甘平,歸肝脾經,有補肝腎、強筋骨、逐瘀通經、引血下行等功效?,F代藥理學研究發現,牛膝含有甾酮類(β-谷甾醇、豆甾醇)、多糖類等化合物,具有抗炎、增強免疫力、抗骨質疏松等作用[17]。藥物的歸經頻率位居前3的分別為肝、腎、脾經。本病病位在膝關節,也是肝、腎、脾經的經絡循行部位,可見歷代醫家在治療KOA時依據經絡的循行原則進行選擇藥物。孫志濤和牛維[18]研究發現在治療“骨痹”的用藥規律中,歸肝、腎、脾經的藥物使用頻率較高,并且治療KOA的主線應以補肝腎、強筋骨為主。在核心藥物組合模式頻度分析中,組合頻度前3依次為“牛膝-當歸”“熟地黃-牛膝”“牛膝-杜仲”。由此可見,以上藥物組合大多以滋補肝腎、強壯筋骨、止痹痛、補氣血為主,其用藥組合與肝腎虧虛型KOA的病因病機高度吻合。因此,以補肝益腎、止痹痛與補氣血的藥物治療肝腎虧虛型KOA具有很好的臨床療效。在核心組合藥物的基礎上,通過進一步復雜系統熵聚類的層次聚類分析,衍化出新處方8首。比如新處方8(桑寄生、川芎、秦艽、黨參、細辛、人參)中的藥物與出自《備急千金要方》中記載的獨活寄生湯的組成相似,以奏補肝腎、止痹通、益氣血之功;桑寄生功擅補益肝腎;秦艽、川芎、細辛功擅止痹痛;人參、黨參功擅健脾養血??梢娡ㄟ^數據挖掘統計分析得出的方劑配伍規律與古代醫家治療KOA肝腎虧虛型的經方臨床經驗非常相似,這對我們的臨床工作者在疾病的診斷和治療中有很大的益處。

從微觀層面看,由藥物-化合物-靶點網絡圖可知,牛膝-當歸-熟地黃中24個活性化合物作用于176個靶點,說明中藥治療KOA具有多成分、多靶點的特點。本研究的成分靶點網絡拓撲分析結果顯示Degree值位居前3的為槲皮素、豆甾醇、β-谷甾醇,說明它們可能是治療KOA的關鍵活性成分。有研究表明,槲皮素具有抗炎、清除氧自由基和抗氧化應激的作用,它可以抑制核因子κB信號通路和細胞外基質,激活核因子E 2相關因子2,減少炎癥介質的形成,從而延緩關節炎的病程[19]。Gabay等[20]研究發現,豆甾醇具有潛在的抗炎和抗分解代謝特性,它至少部分通過抑制核因子κB通路,抑制參與軟骨降解的金屬蛋白酶的表達,同時抑制炎癥介質PGE 2的作用。β-谷甾醇的抗炎作用是通過抑制核因子κB和STAT1信號轉導途徑實現的[21]。

通過PPI網絡分析發現,牛膝、當歸、熟地黃防治KOA的核心Hub基因前5的依次為IL-6、MMP9、CXCL8、JUN、VEGFA。先前的研究表明,炎癥反應中的重要炎癥介質是IL-6,與關節中軟骨基質的降解和滑膜的破壞有關[22]。MMP9屬于金屬蛋白酶的亞型[23],FP-MD能在轉錄水平有效抑制膝關節炎癥組織中基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達[24]。CXCL8是最早也是研究最深入的趨化因子之一,作為一種促炎趨化因子發揮作用,且CXCL8-CXCR1/2軸在關節炎等炎癥性疾病中的病理生理學作用已被證實[25]。JUN是激活蛋白1的轉錄因子,介導分解代謝轉錄和細胞凋亡或死亡,并在IL-17與TNF信號通路中發揮重要作用[26]。VEGF-A是血管內皮生長因子家族的成員,在骨性關節炎的發病機制中,VEGF-A是研究最廣泛的,它在維持軟骨內成骨中起重要作用,將成為防治骨性關節炎的潛在靶點[27]。

靶基因的KEGG通路富集分析揭示了藥物活性成分主要通過炎癥相關通路發揮調節KOA的作用。IL-17信號激活炎性轉錄因子,通過核因子κB和MAPK通路誘導基因表達[28]。TNF-α是一種多能細胞因子,介導廣泛的促炎活性,經刺激后,可以激活核因子κB、MAPK等通路[29]。Toll樣受體(Toll-like Receptors,TLR)存在于關節軟骨中,并且已知在關節炎軟骨中表達上調[30]。研究還表明,TLR4信號轉導通路是促炎反應的主要介質,剪切力的持續時間能夠以脂質運載蛋白L型前列腺素依賴的方式調節TLR4的激活和隨之而來的細胞衰老、死亡和凋亡[31]。核因子κB介導軟骨細胞和滑膜細胞中的滑膜炎引起的TLR和晚期糖基化終末產物(AGE)受體的信號轉導,導致ADAMT、MMP、炎癥介質和活性氧的表達增加[32]。

綜上所述,本研究基于辨證為肝腎虧虛型KOA的基礎上,采用數據挖掘結合網絡藥理學方法,分析了臨床治療KOA肝腎虧虛證的用藥規律和牛膝、當歸與熟地黃3味中藥可能作用的活性成分、核心Hub基因與信號通路,進一步為中醫藥治療KOA肝腎虧虛證的用藥規律及作用機制提供了新的參考。中醫傳承輔助平臺與網絡藥理學屬于數據挖掘類研究,其研究結果主要基于現有的研究成果以及對活性成分、信號通路、靶點等的預測分析,因此研究結果與臨床和動物實驗存在一定的差異,這需要在未來進一步證實[33],為中醫藥的臨床應用開辟更廣闊的前景,為KOA提供更精準的靶向治療。

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(2021-02-25收稿 本文編輯:吳珊)

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