目的:利用网络药理学探究三生饮治疗缺血性脑卒中的潜在作用机制。方法:通过TCMSP数据库检索和ADME筛选三生饮中各中药的活性成分,并收集其相应靶标,与PharmMapper数据库预测的活性成分潜在作用靶标相结合,构建中药–有效成分–靶点作用网络。通过DisGeNET、GeneCards、OMIM、TTD、DrugBank数据库获取缺血性脑卒中疾病靶标后,绘制有效成分作用靶标与疾病靶标的映射关系。采用STRING平台构建三生饮治疗缺血性脑卒中潜在作用靶点间蛋白相互作用网络图、利用Cytoscape3.8.2进行可视化分析并筛选核心靶标;运用R软件3.6.3进行基因本体(GO)功能及京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析。结果:筛选出了三生饮19个有效成分(β-谷甾醇、谷甾醇、二氢辣椒素、丁子香萜、石防风素等),48种有效成分与疾病的交集靶点,PPI中5个核心靶标(ALB, JUN, PTGS2, MAPK1, ANXA5)。GO功能注释得到生物学过程条目997条(如血清素受体信号通路、细胞的激素代谢、细胞对类固醇激素和金属离子的反应等),细胞组成条目67条(如细胞膜区、膜微结构域、膜筏、细胞窖等),分子功能条目107条(如核受体活性、神经递质型G蛋白偶联受体活性、类固醇激素受体活性等);KEGG通路富集分析确定了118条三生饮治疗缺血性脑卒中的通路(如cAMP信号通路、IL-17信号通路、TNF信号通路等、神经营养因子相关信号通路等)。结论:本研究从多靶标、多通路阐释了三生饮可能通过抗氧化应激、抗炎、抗凋亡、促进细胞存活等生物学过程,发挥抗缺血性脑损伤作用,为后续对本方的深入研究提供了理论依据。 Objective: To investigate the potential mechanism of action of Sangshengyin in the treatment of is-chemic stroke based on network pharmacology. Methods: The active ingredients of each herbal medicine in Sangshengyin were searched by TCMSP database and screened by ADME, and their corresponding targets were collected and combined with the potential targets of active ingredients predicted by PharmMapper database to construct a herbal medicine-active ingredient-target action network. After obtaining the ischemic stroke disease targets through DisGeNET, GeneCards, OMIM, TTD and DrugBank databases, the mapping relationships between the active ingredient targets and disease targets were drawn. The STRING platform was used to construct a protein interaction net-work between the potential targets of Sanshengyin for ischemic stroke, and Cytoscape3.8.2 was used to visualize and screen the core targets; R software 3.6.3 was used to enrich the gene ontology (GO) function and Kyoto Encyclopedia of Genomes (KEGG) pathway. Results: Nineteen active ingre-dients (β-sitosterol, Stigmasterol, Dihydrocapsaicin, Mairin, Deltoin, etc.), 48 active ingredi-ent-disease intersection targets, and 5 core targets in PPI (ALB, JUN, PTGS2, MAPK1, ANXA5) were screened. 997 entries of biological processes were obtained from GO functional annotation (e.g. ser-otonin receptor signaling pathway, cellular hormone metabolism, cellular response to steroid hor-mones and metal ions, etc.), 67 entries for cellular composition (e.g. cellular membrane regions, membrane microdomains, membrane rafts, caveola, etc.) and 107 entries for molecular functions (e.g. nuclear receptor activity, neurotransmitter-type G protein-coupled receptor activity, steroid hormone receptor activity, etc.); the KEGG pathway enrichment analysis identified 118 pathways (e.g. cAMP signaling pathway, IL-17 signaling pathway, TNF signaling pathway, neurotrophic fac-tor-related signaling pathway, etc.) for the treatment of ischemic stroke. Conclusion This study il-lustrates that Sanshengyin may exert anti-ischemic brain injury effects through antioxidant stress, anti-inflammatory, anti-apoptotic and cell survival biological processes, and provides a theoretical basis for further research on this formula.
目的:利用网络药理学探究三生饮治疗缺血性脑卒中的潜在作用机制。方法:通过TCMSP数据库检索和ADME筛选三生饮中各中药的活性成分,并收集其相应靶标,与PharmMapper数据库预测的活性成分潜在作用靶标相结合,构建中药–有效成分–靶点作用网络。通过DisGeNET、GeneCards、OMIM、TTD、DrugBank数据库获取缺血性脑卒中疾病靶标后,绘制有效成分作用靶标与疾病靶标的映射关系。采用STRING平台构建三生饮治疗缺血性脑卒中潜在作用靶点间蛋白相互作用网络图、利用Cytoscape3.8.2进行可视化分析并筛选核心靶标;运用R软件3.6.3进行基因本体(GO)功能及京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析。结果:筛选出了三生饮19个有效成分(β-谷甾醇、谷甾醇、二氢辣椒素、丁子香萜、石防风素等),48种有效成分与疾病的交集靶点,PPI中5个核心靶标(ALB, JUN, PTGS2, MAPK1, ANXA5)。GO功能注释得到生物学过程条目997条(如血清素受体信号通路、细胞的激素代谢、细胞对类固醇激素和金属离子的反应等),细胞组成条目67条(如细胞膜区、膜微结构域、膜筏、细胞窖等),分子功能条目107条(如核受体活性、神经递质型G蛋白偶联受体活性、类固醇激素受体活性等);KEGG通路富集分析确定了118条三生饮治疗缺血性脑卒中的通路(如cAMP信号通路、IL-17信号通路、TNF信号通路等、神经营养因子相关信号通路等)。结论:本研究从多靶标、多通路阐释了三生饮可能通过抗氧化应激、抗炎、抗凋亡、促进细胞存活等生物学过程,发挥抗缺血性脑损伤作用,为后续对本方的深入研究提供了理论依据。
网络药理学,缺血性脑卒中,三生饮,作用机制
Hongyu Zhu1, Xuequan Liu1, Ji Chen2, Wei Feng1*
1Department of Anesthesiology, The Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao Shandong
2Department of Medicinal Chemistry, School of Pharmacy, Qingdao University, Qingdao Shandong
Received: Apr. 9th, 2023; accepted: May 3rd, 2023; published: May 10th, 2023
Objective: To investigate the potential mechanism of action of Sangshengyin in the treatment of ischemic stroke based on network pharmacology. Methods: The active ingredients of each herbal medicine in Sangshengyin were searched by TCMSP database and screened by ADME, and their corresponding targets were collected and combined with the potential targets of active ingredients predicted by PharmMapper database to construct a herbal medicine-active ingredient-target action network. After obtaining the ischemic stroke disease targets through DisGeNET, GeneCards, OMIM, TTD and DrugBank databases, the mapping relationships between the active ingredient targets and disease targets were drawn. The STRING platform was used to construct a protein interaction network between the potential targets of Sanshengyin for ischemic stroke, and Cytoscape3.8.2 was used to visualize and screen the core targets; R software 3.6.3 was used to enrich the gene ontology (GO) function and Kyoto Encyclopedia of Genomes (KEGG) pathway. Results: Nineteen active ingredients (β-sitosterol, Stigmasterol, Dihydrocapsaicin, Mairin, Deltoin, etc.), 48 active ingredient-disease intersection targets, and 5 core targets in PPI (ALB, JUN, PTGS2, MAPK1, ANXA5) were screened. 997 entries of biological processes were obtained from GO functional annotation (e.g. serotonin receptor signaling pathway, cellular hormone metabolism, cellular response to steroid hormones and metal ions, etc.), 67 entries for cellular composition (e.g. cellular membrane regions, membrane microdomains, membrane rafts, caveola, etc.) and 107 entries for molecular functions (e.g. nuclear receptor activity, neurotransmitter-type G protein-coupled receptor activity, steroid hormone receptor activity, etc.); the KEGG pathway enrichment analysis identified 118 pathways (e.g. cAMP signaling pathway, IL-17 signaling pathway, TNF signaling pathway, neurotrophic factor-related signaling pathway, etc.) for the treatment of ischemic stroke. Conclusion This study illustrates that Sanshengyin may exert anti-ischemic brain injury effects through antioxidant stress, anti-inflammatory, anti-apoptotic and cell survival biological processes, and provides a theoretical basis for further research on this formula.
Keywords:Network Pharmacology, Ischemic Stroke, Sangshengyin, Mechanism of Action
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脑卒中俗称“中风”,是全球第二大死因和第三大残疾原因。2010年,约10%的死亡和4%的DALYs (伤残调整寿命年)损失由中风引起 [
tPA (组织型纤溶酶原激活剂)是目前美国食品药品监督管理局批准的唯一治疗缺血性中风的药物 [
三生饮由生南星、生川乌、生附子、木香、生姜等组成,具有祛风化痰、温阳散寒的作用,为治疗风痰壅盛、卒中外风的代表方。网络药理学基于“多靶点、多药物、多途径”的新概念,整合中药、蛋白质和基因等多个数据库进行分析,并利用生物信息学方法构建药物靶点疾病网络,预测药物作用机制 [
利用TCMSP数据库(https://tcmspw.com/tcmsp.php)收集三生饮中各味中药的有效化学成分及作用靶点,按照TCMSP数据库中的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)相关指标对活性成分进行筛选。筛选标准为:口服生物利用度(OB) ≥ 30%和药物相似性(DL) ≥ 0.18,血脑屏障通透性(BBB) ≥ −0.3。
通过PubChem数据库搜索上述有效成分的2D化学结构,并使用ChemBioDraw14.0软件绘制,保存为MOL2文件,并将其导入使用PharmMapper数据库(http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)对其作用靶点进行预测。设定物种(Human Protein Targets Only),每个基因保留前100位结果,获得的靶基因根据Fit 值排序。
将筛选得到的有效成分及其相关作用靶点导入CytoScape软件(Version 3.8.2),构建“中药–有效成分-靶点”网络,根据靶标degree值大小定义颜色深浅并进行直观分析。
以“Ischemic stroke”为检索词,在DisGeNET、GeneCards、OMIM、TTD、DrugBank数据库检索并获取缺血性脑卒中的基因靶点,去重后对其名称标准化。将疾病靶标与三生饮中有效成分预测的靶标取交集,并绘制韦恩图(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/),作为三生饮治疗缺血性脑卒中的潜在作用靶点。
通过String数据库(https://String-db.org/)构建三生饮有效成分治疗缺血性脑卒中潜在靶标间的相互作用网络,设置物种为Homo sapiens,confidence score ≥ 0.9。利用CytoScape (Version 3.8.2)中的插件CytoNCA分析网络中各个节点的拓扑参数(BC、CC、DC等),以大于中位值为条件筛选2次后,得到网络核心基因。
将潜在的作用靶标导入Rx64软件(3.6.3版本),使用clusterProfiler包(3.14.3版本)用于富集分析,org.Hs.eg.db包(3.10.0版本)用于ID转换,ggplot2包(3.3.3版本)用于结果可视化,设定物种为Homo sapiens,阈值P < 0.05。基因本体(Gene Ontology, GO)注释分析结果包括分子功能(Molecular function, MF)、生物过程(Biological process, BP)和细胞组分(Cellular component, CC) 3部分,通过P值评估蛋白注释功能的显著性。Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG)信号通路富集分析取排名前20位的通路进行分析和可视化,利用KEGG数据库(https://www.kegg.jp/)检索通路图并着色。
三生饮由生南星,生川乌,生附子,木香及生姜四味中药组成。结合以下特点进行筛选:1) 中药经口服后吸收;2) 成分结构性质上应具备良好的类药性;3) 药物治疗脑卒中需穿透血脑屏障在脑内发挥作用,获得三生饮的有效成分,其中附子7种、天南星6种、木香4种、生姜5种、川乌两种。去重后共19种小分子成分,如β-谷甾醇(Beta-sitosterol)、谷甾醇(Sitosterol)、植物甾醇(Stigmasterol)、水黄皮素(Karanjin)、二氢辣椒素(Dihydrocapsaicin)、丁子香萜(Mairin)、石防风素(Deltoin)、11,14-二十碳二烯酸甲酯(11,14-eicosadienoic acid)、多根乌头碱(karakoline)等,各味中药对应成分示例见图1。
图1. 复方中的中药及潜在的有效成分示例
收集上述化合物在TCMSP数据库中的对应靶点,去重后通过UniProt数据库将靶点标准化处理(转换为gene symbols),总共得到59个相关靶点。从PharmMapper服务器预测的结果,每个化合物选择具有最高Fit分数的前10个靶点基因作为其潜在靶点,去重后共获得51个潜在靶标,“中药–有效成分–靶点”具体网络关系的直观展示见图2。
图2. “中药–有效成分–靶点”网络关系图
从GeneCards、DisGenet、DrugBank、TTD和OMIM共5个数据库中,获取缺血性脑卒中疾病相关靶点分别为2912、126、78、10、7个,将数值取并集共得到2961个相关靶基因,见图3。
图3. 缺血性脑卒中疾病靶点的韦恩图
图4. 药物靶点与疾病靶点的韦恩图
图5. 三生饮治疗缺血性脑卒中的PPI网络
结合文献研究和预测结果,最终选取三生饮有效成分作用靶标107个,同缺血性脑卒中2961个靶标取交集,获得药物治疗疾病过程中发挥作用的潜在靶标48个,如图4所示。将上述靶点导入STRING数据库,得到蛋白质相互作用网络图,去除游离节点后,共得到45个节点和358条边,见图5。
将STRING数据库中得到的PPI网络文件导入Cytoscape软件,利用CytoNCA计算节点的Betweenness、Closeness、Degree、Eigenvector、LAC以及Network值,以大于中位值为筛选条件,进行两轮筛选最终得到5个节点,10条边的核心网络图。核心节点为,白蛋白(ALB)、JUN蛋白(JUN)、人前列腺素G/H合酶2 (PTGS2)、丝裂原活化蛋白激酶1 (MAPK1)、膜联蛋白A5 (ANXA5),见图6。
图6. 三生饮治疗缺血性脑卒中关键靶点筛选图
图7. GO功能富集分析
图8. KEGG通路富集分析
GO富集分析结果如图7所示,三生饮治疗缺血性脑卒中涉及的生物过程条目997条,主要有G蛋白偶联型和配体门控离子通道型5-羟色胺(血清素)受体信号通路、细胞的激素代谢、细胞对铵根离子及金属离子的反应、细胞对类固醇激素的反应;作用的细胞组分67个,主要在细胞膜区、膜微结构域、膜筏、血液微粒、胞膜窖;参与的分子功能107种,主要调节核受体活性、5-羟色胺(血清素)受体的活性、胺类或其他神经递质结合的G蛋白偶联受体活性、类固醇激素受体活性。
KEGG富集分析得到相关通路118条,结果表明,中药里的活性成分主要通过作用于环磷酸腺苷(cAMP)信号通路、胆碱能突触相关细胞通路、白介素17 (IL-17)和肿瘤坏死因子(TNF)信号通路、神经营养因子(Neurotrophin)相关信号通路、凋亡通路、C型凝集素受体等信号通路来治疗缺血性脑卒中,见图8。
在信号通路富集分析结果中,根据靶基因命中数(Counts)和校正后的P值(p.adjust)综合分析,治疗作用显示出与cAMP信号通路(hsa04024)和IL-17信号通路(hsa04657)的显著功能关联。靶点基因相关蛋白包括激素与神经递质调控的G蛋白偶联受体(GPCR)、磷酸二酯酶(PDE)、钙调蛋白(CaM)、细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、Jun家族蛋白(JUN等)、环氧合酶2 (COX-2)、基质金属蛋白酶家族蛋白(MMP)、半胱氨酸–天冬氨酸蛋白酶家族(CASP)等,在通路中由粉红色标出,详见图9。
图9. 靶点在cAMP和IL-17信号通路的分布情况
三生饮最早见于宋·王硕的《易简方》,后为《太平惠民和剂局方》所载。方由生南星、生川乌、生附子、木香、生姜组成,具有祛风化痰,散寒温阳之功效。缺血性中风的损伤机制包括细胞凋亡、坏死、炎症、免疫调节和氧化应激等关键病理过程 [
本研究通过网络药理学分析,筛选出三生饮中有效活性成分19个,作用于缺血性脑卒中的治疗靶点45个,其中β-谷甾醇、谷甾醇、植物甾醇、水黄皮素、石防风素、二氢辣椒素等活性成分发挥重要作用,这与中药复方多成分、多靶点干预的特点相吻合。有研究发现,复方中生姜可以显著减少caspase-3表达,升高Bcl-2/Bax比值,抑制MCAO大鼠皮层神经元凋亡 [
在构建的PPI网络中,ALB、JUN、PTGS2、MAPK1、ANXA5被确定为药物发挥神经保护作用的核心靶点。研究表明,较高的血清白蛋白(ALB)水平能够降低缺血性脑卒中的死亡风险 [
GO功能富集分析结果显示,三生饮抗脑缺血性损伤的活性成分主要作用在中枢神经系统中的膜受体上(特异性神经递质受体及G蛋白偶联受体),调节受体功能及其下游信号通路靶点的活性发挥作用,还参与细胞对神经类固醇和离子变化的反应,调节神经传递,改变神经元的兴奋性 [
综上所述,本研究基于网络药理学分析出了三生饮治疗缺血性脑卒中的潜在生物学机制。复合靶点基因网络可以揭示多组分和多靶点之间的密切相互作用,增强对组方三生饮中各味中药在缺血性中风中潜在作用的理解,同时也为探索更多具有脑保护作用的天然成分提供了理论依据。
朱泓宇,刘学全,陈 积,冯 伟. 基于网络药理学探讨三生饮治疗缺血性脑卒中的作用机制Exploring the Mechanism of Action of Sangshengyin in the Treatment of Ischemic Stroke Based on Network Pharmacology[J]. 临床医学进展, 2023, 13(05): 7280-7292. https://doi.org/10.12677/ACM.2023.1351019
https://doi.org/10.1016/S0140-6736(13)61953-4
https://doi.org/10.1016/S0140-6736(08)60694-7
https://doi.org/10.3390/ijms130911753
https://doi.org/10.1038/s41572-019-0118-8
https://doi.org/10.1007/s40256-013-0007-6
https://doi.org/10.1186/s12883-017-1007-y
https://doi.org/10.1002/med.21817
https://doi.org/10.1016/j.biopha.2022.112719
https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2020.107695
https://doi.org/10.1007/s11239-019-01945-3
https://doi.org/10.2147/DDDT.S207955
https://doi.org/10.2174/187152411796011321
https://doi.org/10.1016/j.lfs.2021.119842
https://doi.org/10.1038/s41598-017-11181-5
https://doi.org/10.1042/BSR20192133
https://doi.org/10.3390/ijms221810086
https://doi.org/10.1016/j.phrs.2020.104877
https://doi.org/10.1007/s12035-021-02706-1
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https://doi.org/10.1007/s00221-007-1062-5
https://doi.org/10.1016/j.ijcard.2017.03.150
https://doi.org/10.1016/S0022-3956(96)00060-X
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https://doi.org/10.15252/emmm.201809950
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https://doi.org/10.1080/00207454.2019.1691205
https://doi.org/10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2018.10.016
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