基于数据挖掘和网络药理学的代谢综合征中医药用药规律及机制分析＊

刘志栋，赵 博，张晓燕，郑 蓉，周时高

（上海中医药大学附属龙华医院 上海 200032）

代谢综合征（Metabolic syndrome，MS）是一组聚集发病、严重影响机体健康的临床症候群，以中心性肥胖、高血糖（糖尿病或糖调节受损）、血脂异常[高TG血症和（或）低HDL-C血症]以及高血压等为主要临床特征，是一组在代谢上相互关联的危险因素组合[1，2]。代谢综合征患者罹患动脉硬化性心脑血管疾病、非酒精性脂肪肝甚至肿瘤的风险均显著增加[3]。我国流行病学调查显示，我国MS的患病率已达21.90%[4]，且MS患病率呈逐年上升趋势，已成为人类面临的一个严重的公共健康问题，是诱发心脑血管事件、致死、致残的高危因素[5]。西医治疗MS主要采用对症疗法，如降糖、降脂、降压等，尚无有效的多靶点治疗药物，而中医药正以其整体论治和辨证论治的优势在慢性病防控尤其是在MS的防治中发挥越来越重要的作用。祖国传统医学的文献资料，对MS并无明确记载，根据疾病临床表现，可将其归为 “脾瘅” “消渴” “肥满” “眩晕” 等范畴。祖国医学认为，该病始发于脾胃，而饮食失节、因食致虚、痰湿内蕴为其病机关键[6]。

近年来，中医药治疗MS的研究与报道越来越多，但由于中医辨证论治的特点以及临床医者的用药经验，导致临床药物的选择存在多样性。为了能从散在、庞杂的文献资料中探索总结中医药治疗MS的用药规律，本文将采用数据挖掘的方法。数据挖掘指的是在数据库中挖掘或提取发现有效的、新颖的、潜在有用的，并最终可以被读懂的模式的过程。近年来数据挖掘技术被广泛应用于中医药研究领域，对中医药的传承、借鉴和发展起到重要作用[7]。为进一步研究机制，本文还将通过网络药理学分析中药作用的靶点与疾病之间的关系，研究药物治疗MS的潜在作用机制[8]。本研究收集整理了中医药治疗MS的临床文献，并利用数据挖掘和网络药理学手段对其用药规律和可能的作用机制进行研究分析，以期为MS的中医临床辨治和中药研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

对中文数据库，以（ “代谢综合征” OR “胰岛素抵抗综合征” ）AND（ “中医” OR “中医药” OR “中西医” ）AND（ “验案” OR “医案” OR “经验” OR “临床观察” OR “临床研究” OR “临床疗效” ）为主题词，分别检索中国知网（Chinese National Knowledge Infrastructure，CNKI）、万方数据服务平台（Wanfang）、维普数据库（VIP）、中国生物医学文献数据库（China Biology Medicine，CBM）建库以来至2020年8月中医药治疗代谢综合征的文献，其中CNKI 580篇、Wanfang 1550篇、VIP 348篇、CBM 286篇。对英文数据库，以 “metabolic syndrome” 为主题AND “traditional Chinese medicine” 为主题，分别检索Pubmed、Web of Science数据库，时间维度设置为建库以来至2020年8月，其中Pubmed 23篇，Web of Science 269篇。

1.2 文献纳入和排除标准

纳入标准：①数据库中发表的名老中医验案、病案分析、随机对照试验等中药治疗代谢综合征有临床疗效的文献。②文献中记录的方剂有完整药物组成及用药剂量。③治疗以中药为主。

排除标准：①文献中患者有其他严重原发病或并发症。②相同的方剂或重复的文献只纳入1篇。③动物实验类和综述类文献。④医案中的复诊方剂。⑤单味中药或中药提取物。

1.3 数据处理

经过初步筛选，将223篇文献中的261处方（基本方）录入Excel 2010表格，建立MS方药数据库，之后采用双人原则，对每个方剂中的中药进行逐个核对，确保录入方剂正确，分歧则由第三方参与讨论。药物名称、分类、性味归经等均参照全国中医药行业高等教育 “十二五” 规划教材《中药学》[9]和当前执行的2015年版《中国药典》[10]进行规范，比如炙黄芪录为黄芪、炒白术录为白术、法半夏录为半夏、川附子规范化为附子等。

1.4 数据分析

①描述性分析：利用Microsoft Excel 2010对录入数据库中的中药做频数、频率分析，依据《中药学（成人高等教育药学专业教材）》和当前执行的2015年版《中国药典》分类标准，对药物的功效、归经、四气、五味进行统计分析。对有多个功效、四气、五味、归经的中药，将全部药性统计在内；②关联规则分析：采用Apriori算法（SPSSModeler 18）对数据库中的中药进行二项关联、三项关联、四项关联分析，根据每味中药之间的关联性，绘制药物关联复杂网络图；③聚类分析：采用SPSSStatistics 26软件对频数≥30次的中药进行系统聚类分析，归纳总结医家治疗MS的常用中药组合；④因子分析：采用SPSSStatistics 26软件降维模块进行主成分因子分析，并对分析得到的因子运用KMO检验和Bartlett球形检验进行适应性检验。

1.5 作用机制分析

将上述分析结果中的核心配伍药对录入到中药作用机制在线分析体系BATMAN-TCM[11]中， “Score cutoff” 选择80， “AdjustedP-alue” 选择0.05，对核心药对进行疾病富集及KEGG通路分析，构建靶点-通路-疾病关联图。

2 结果

2.1 高频中药使用情况

将筛选出的261首方剂中的全部中药进行排序，共得到230种中药，其中使用频数≥30的药物共24种，使用频数最高的前10味中药分别是，茯苓（127次，48.7%），黄芪（104次，39.8%）、半夏（102次，39.1%）、泽泻（100次，38.3%）、甘草（97次，37.7%）、白术（96次，36.8%）、丹参（90次，34.5%）、山楂（88次，33.7%）、黄连（87次，33.3%）和陈皮（84次，32.2%）（图1）。

图1 高频中药使用情况（≥30）

2.2 药物种类及性味归经分布情况

得到的230味药物按功效可归纳为利水渗湿药（228次），燥湿化痰药（199次），泄浊降脂药（190次），清热解毒药（145次，9.0%），健脾药（141次）等20类。性味归经频次统计显示：药性温性（734次）稍多，其次为平性（628次）、寒性（554次）；五味以甘性（1562次）为主，其次为苦性（1224次）、辛性（990次）；归经以归脾（1529次）、肝（1250次）、肺（1192次）、胃（1163次）为主（图2）。

图2 药物种类及性味归经分布情况

2.3 关联规则分析

分析共得到二项关联规则26条，三项关联规则17条，四项关联规则2条。因为置信度能反映出关联规则预测的准确程度，故按置信度排序得到5对核心药对（表1）。以上药对的关联提升度均大于1，具有统计学意义。支持度表示该药对在数据库中所占的比例，支持度越高表明该药对的出现频率越高；提升度较置信度更能反映药对中药物间的相关性，提升度大于1且越高表明正相关性越高，提升度小于1且越低表明负相关性越高，提升度等于1表明没有相关性。而陈皮-半夏药对的支持度是提取的核心药对中最高的，且提升度也大于1。所以可以看出陈皮-半夏是中医药治疗MS的关键核心药对。从关联网络图可以看出陈皮、半夏、茯苓、白术、黄芪、泽泻、甘草之间关系最密切（图3）。

图3 高频药物之间关联网络展示

表1 关联规则分析结果中的核心药对

2.4 系统聚类分析

对高频药物（频数≥30）进行聚类分析，构建聚类树状图（图4）。结合专业知识，得到10组药物聚类组合（表2）。

图4 用药聚类分析树状图

表2 聚类分析结果表

2.5 高频药物因子分析

对高频药物（频数≥30）进行主成分因子分析，横轴表示因子数，纵轴反映特征值大小，生成碎石图（图5）。根据 “旋转元件矩阵” 生成旋转空间元件图（图6），能更加直观看出各药物之间的聚集关系。其中提取载荷平方和>1的14个因子，共累计贡献率64.233%，即表示可以涵盖大部分信息，将中药变量归入贡献度最高的公因子中，共提取出14个公因子（表3）。对分析得到的因子进行KMO检验，得出KMO取样适切性量数为0.569。在Bartlet球形检验中，近似卡方为1971.007，自由度为666，P<0.05，表明数据适合进行因子分析（表4）。

表4 高频药物的KMO和Bartlet球形检验

图5 高频药物因子分析碎石图

图6 高频药物因子分析旋转空间元件图

2.6 基于BATMAN-TCM分析核心药对陈皮-半夏治疗MS的潜在作用机制

2.6.1 分析核心药对陈皮-半夏的疾病富集

在BATMAN-TCM系统中，得到核心药对陈皮-半夏富集的疾病共235种，与MS最为相关的有7种，分别是非胰岛素依赖型糖尿病、肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗（与肥胖有关）、胰岛素抵抗、高血压、高胆固醇血症等。得到靶点7个，分别为ADORA1、CPT1A、KCNB1、TNF、PPARG、NOS3、NR1H4等。得到相关信号通路共23条（表5）。

表5 核心药对陈皮-半夏的疾病富集

2.6.2 分析核心药对陈皮-半夏潜在作用信号通路

在BATMAN-TCM系统中，通过KEGG通路分析核心药对陈皮-半夏，得到144条富集通路。其中与MS最为相关的7个靶点，其连接的代表性信号通路主要为CGMP-PKG信号通路（hsa04022）、脂肪酸降解（hsa00071）、胰 岛 素 分 泌（hsa04920）、味 觉 转 导（hsa04742）、TNF信号通路（hsa04668）、PPAR信号通路（hsa03320）、AMPK信号通路（hsa04152）、VEGF信号通路（hsa04370）、钙信号通路（hsa04020）、胆汁分泌（hsa04976）（表6）。图7为核心药对陈皮-半夏的主要靶点-通路-疾病关联图。

图7 靶点-通路-疾病网络化展示

表6 核心药对陈皮-半夏KEGG通路分析结果

3 讨论

现代医学认为，MS是一种血糖血脂紊乱、血压控制不佳以及中心性肥胖等多种疾病在体内异常聚集的病理状态。其病理基础为胰岛素抵抗，所以又称 “胰岛素抵抗综合征” 。根据其临床表现，大致有如下病变趋势：胰岛素抵抗——各种代谢紊乱（血糖、血脂、血压异常）——并发症（动脉粥样硬化、心血管事件）[12-13]。MS的中医病因主要为饮食不节、运动失常、禀赋不足等，不同的疾病分期对应着不同的病机，①病初期：因脾胃为仓廪之官，饮食不节或过食肥甘，脾胃乃伤，致中焦气机壅滞；或因脾主肌肉、四肢，少动影响脾之健运，易使中焦运化不利，脾失于运化，则表现为腹胀痞满，不欲饮食。脾功能受损，失于精散，不为胃行其津液，易生痰、生湿、生浊，则生为肥胖；或因先天禀赋不足，痰湿体质，易发生气血津液运化障碍，致湿痰浊脂病理产物堆积；又或因痰湿阻滞气机，致中焦气机不畅，或情志不畅，影响肝疏泄功能，导致肝气郁滞。②疾病中期：中焦气机运行本已不畅，肝主疏泄失常，木郁乘土，或土虚木乘，更伤中焦后天之本，致肝胃不和或肝脾不调；或肝气郁而化火，烧灼津液，若肝火犯胃致胃火亢盛、胃阴不足，消谷善饥，则发为中消；若肝胆火盛则口苦、易怒；若肝阳上亢则头晕头胀；若热传下焦则肠燥便秘。③疾病后期：火热炽盛，耗液伤津，久而伤阴，则发为五心烦热，潮热盗汗；或脾胃久失于运化，先天之精缺少后天之精的濡养，且痰湿久滞，使肾主水之功能失调，致肾气亏虚；或久病入络，络脉瘀阻，可发为中风、眩晕、胸痹等。本病虚实夹杂，虚以脾胃肾虚为主，实则痰湿、气滞、火郁、血瘀为主，可相兼为病。补虚泄实为本病的治疗原则，虚则补之，多益气健脾，若久病伤肾，则当益气补肾，若热伤阴液，则养阴生津。实则泄之，常用祛湿化痰或清热降浊之法，并结合消积导滞、活血行气、化瘀凉血等，以消除膏浊、痰湿、气滞、郁热、瘀血。

频数分析发现，使用次数较多的药物为半夏、茯苓、黄芪、泽泻，四气以温、平居多，五味以甘味、苦味为主，归经主归脾、肝两经。温性药物有温里散寒、温经通络等作用，寒性药物具有清热泻火、凉血解毒等作用，甘具有补、和、缓特性，有补虚、和中、调和药性的特点，苦具有泄、燥特性，有降泄、通泄、清泄、燥湿的特点。使用最多的药物类别为利水渗湿与燥湿化痰药，如茯苓为利水消肿之要药，现代药理学研究发现茯苓皮三萜可以有效改善由高脂血症所导致的血脂代谢异常，并能控制血糖[14]。半夏长于燥脾湿而化痰浊，研究发现，半夏的水煎液能降低高脂血症状态下血管内皮通透性，控制亚硝酸盐的生成量，保护血管内皮细胞一氧化氮合成酶（Nitric oxide synthase，NOS）活性的作用，从而改善高脂血症和预防动脉粥样硬化的形成[15]。综合分析表明，临床上的MS患者以痰湿证偏多，可与热瘀虚相兼为病，临床用药应注重甘平药物如茯苓、甘温药物如黄芪，温药如半夏等组合使用，也可兼顾随证配伍清热、补虚、行气化瘀等药物，符合中医补虚泄实的基本治法。

关联规则分析发现，关联强度强的药物组合，以茯苓、白术、陈皮、半夏为主，为六君子汤的核心药物组成。六君子汤出于《医学正传》，其药物以四君子汤为基础，重用白术，加陈皮、半夏以增强燥湿化痰和胃之功。《医方考》曰： “是方也，人参、白术、茯苓、甘草，前之四君子也，所以补气；乃半夏则燥湿以制痰，陈皮则利气以行痰耳。名之曰六君子者，表半夏之无毒，陈皮之弗悍，可以与参、苓、术、草比德云尔!” 方中茯苓利水渗湿健脾，重用白术与茯苓配伍，加强健脾助运、燥湿化痰之力，以杜生痰之源。半夏辛温而燥，为化湿痰之要药，陈皮亦辛温苦燥之品，既可调理气机以助脾之运化，还能燥湿化痰以消湿聚之痰，其行气之功亦有助于化痰，所谓 “气顺则痰消” 是也。四药合用，益气健脾之品配伍燥湿化痰之药，补泻兼施，标本兼治，故相须以除痰阻之标，补脾虚之本。

其中关键核心药对陈皮-半夏亦是《太平惠民和剂局方》中二陈汤的君臣之药，半夏燥湿化痰、降逆和胃、消痞除满，《本草从新》言其为 “治湿痰之主药” ；陈皮正如之前所说，仍体现 “治痰先治气” 的治疗原则。陈皮、半夏都归脾、肺经，两者配伍，相互促进，散降有序，使脾气运而痰自化，适用于以痰湿为本的MS。检索TCMSP数据库查询陈皮、半夏的主要化学成分，发现柚皮苷、川陈皮素及黄芩素在MS的治疗中发挥良好的作用。相关机制研究表明，柚皮苷的苷元柚皮素可影响磷酸腺苷活化蛋白激酶、PGC1α/PPARα介导的脂肪细胞利用和保护线粒体功能，抑制TNF-a介导的炎症反应和血管组织损伤，从而起到改善MS的作用[16]。Baokun等在小鼠实验中发现川陈皮素可以通过昼夜节律基因网络，增强昼夜节律以对抗MS[17]。黄芩素可能通过抑制炎症信号通路中枢NF-κB途径，减少了炎症因子TNF-α、IL-1β、IL-6等产生和释放，并能清除机体ROS、自由基及抑制游离脂肪酸释放，改善胰岛素抵抗[18]。

系统聚类分析共得到10类聚类药物组合。第一类，茯苓、半夏、甘草、白术、陈皮、苍术、薏苡仁、党参、山药，为六君子汤加苍术、山药、薏苡仁，增强健脾化湿之功。以党参替代人参，虽其补益之力较人参缓和，但更善健肺脾之气。诸药相配，益气健脾，燥湿化痰，用于MS脾虚痰湿内蕴之证。第二类，泽泻、山楂、决明子、葛根、茵陈、黄芪、丹参，以山楂、泽泻、决明子泄浊降脂，茵陈、葛根清热生津，黄芪、丹参行气活血，诸药相配，共治MS膏浊、郁热、瘀血、气滞之标实。第三类，黄连，有清热燥湿之功，是黄连温胆汤的君药，治疗MS湿浊郁而化热。现代药理学研究发现，黄连改善胰岛素抵抗、降低胆固醇和甘油三酯，抗胆碱脂酶促周围血管扩张，发挥降糖、降脂、降血压的作用[19]。第四类，大黄、柴胡、黄芩、枳实、白芍，此为大柴胡汤加减。方中以黄苓、柴胡疏泄肝胆郁热；枳实、大黄疏泄胃肠，清泻阳明邪热，诸药配伍有疏肝解郁、清胃降火、通腑导滞之功，针对MS肝胃郁热之证，使邪热不灼人体气阴，消除引起代谢综合征的基本病理因素。现代研究发现，大柴胡汤抑制脂肪的吸收，能明显降低胆固醇、低密度脂蛋白、甘油三酯的含量[20]。第五类，川芎、赤芍、当归、桃仁，为血府逐瘀汤、补阳还五汤等活血化瘀方的重要组成部分。其中桃仁破血行滞而润燥，赤芍、川芎助桃仁活血化瘀，当归养血活血，祛瘀生新，治疗MS久病入络，络脉瘀阻。李金桂等人在临床研究中发现，血府逐瘀汤治疗MS血瘀证能改善患者症状[21]；范培蕊等人将50名MS患者分为两组，观察血府逐瘀汤对MS患者胰岛素抵抗的影响，得到血府逐瘀汤能增加MS患者组织或靶细胞对胰岛素敏感性的结论[22]。第六类，生地黄、牡丹皮，生地黄性苦甘寒，既入肝经清泄肝热，又养阴润燥生津，牡丹皮清肝热活瘀血，MS患者常肝气郁结化热，久热伤阴，入络成瘀，生地黄与牡丹皮二者同用，清肝热之功效彰，还养阴生津，活血化瘀。现代研究发现，从生地黄中分离出的过氧化氢酚可通过作用AMPK/NOX4/PI3K/AKT通路改善糖尿病患者胰岛素抵抗[23]。牡丹皮的有效成分丹皮酚，一方面能够促进胰腺组织内PPARγ的表达，抑制JNK1凋亡信号通路，减少胰岛B细胞的进一步损伤，另一方面能增强胰腺组织内GLP-1的表达，促进胰岛B细胞增殖分化，从而改善血糖血脂代谢紊乱[24]。第七类，郁金、枳壳，郁金活血行气解郁，可用于肝郁气滞血瘀者，枳壳理气宽中，行气消胀，用于脾胃气滞，腹脘胀满，食积不化者，二者同用，行气解郁，消积导滞，治疗MS患者肝郁气滞，脾虚不运证。第八类，三七、荷叶，三七活血散瘀，荷叶利湿消肿，提示MS患者易瘀与湿结，治疗当注重化瘀祛湿。第九类，桂枝，MS患者素体阳虚，或久病及肾，致肾蒸腾气化功能失司，加重痰湿蕴结，桂枝温阳散寒，蒸腾气化，助肾主水，调节水液代谢，改善MS患者的核心病理因素。第十类，天麻、牛膝，MS与心脑血管疾病关系密切，MS患者心脑血管事件的患病率及死亡风险约为非MS者的2-3倍，易引起动脉粥样硬化，导滞高血压、冠心病、脑卒中等心脑血管疾病[25]。其中医病机为久病留瘀，阻滞脉络。当瘀阻脑窍时，引起脑府失养，发为眩晕、中风等病。天麻与牛膝相配，共奏息风止痉、逐瘀通经之效，治疗MS瘀血内阻之证。

因子分析通过对原始数据进行简化和综合，可以客观地确定各个指标的权重，使得我们对原始数据集有了更为深入的理解与把握，具有降维和聚类的作用。F1、F2、F6、F8、F13与C1相似，旨在益气健脾，利湿化痰。F3与C5相似，旨在活血化瘀，清热凉血。F4、F7、F12与C4相似，为大柴胡汤加减，旨在疏肝解郁、清胃降浊。F5、F10与C2相似，旨在化浊降脂，行气活血。F14与C10相同，旨在逐瘀通经。F9与C6相似，旨在清热凉血散瘀。总结因子分析结果，可见 “益气健脾” 在治疗MS发挥重要作用，临床同时注重化痰、利湿、疏肝、清热、降浊和化瘀药物的配合使用。

通过BATMAN-TCM系统进行KEGG通路分析，得到核心药对陈皮-半夏富集的生物学通路共有144条，与MS有关的疾病靶点为ADORA1、CPT1A、KCNB1、TNF、PPARG、NOS3、NR1H4。研 究 发 现，PPARG控制着脂肪酸的过氧化物酶体β氧化途径，是脂肪细胞分化和葡萄糖稳态的关键调节因子，其表达量与2型糖尿病的风险有关[26]。血管内皮功能障碍以血管舒张功能和NO利用度的减退为特征，是糖尿病和肥胖症的共同特点。Bressler等发现，NOS3基因与肥胖之间的相互作用是2型糖尿病并发症的重要危险因素[27]。NR1H4影响胆汁酸的分泌，主要参与调控机体脂质代谢。研究发现，NR1H4缺乏的糖尿病小鼠显示出葡萄糖耐量降低和胰岛素敏感性降低，并且NR1H4的激活可改善糖尿病小鼠体内的高血糖和血脂异常，认为NR1H4可作为治疗代谢综合征和2型糖尿病的重要靶点[28]。

与上述7个靶点相关的信号通路有23条，如脂肪酸降解、胰岛素分泌、PPAR信号通路、AMPK信号通路等。代谢综合征包括肥胖、血糖异常、血脂异常，所以脂肪酸降解、胰岛素分泌等通路在疾病发展过程起到重要作用。PPAR信号通路是代谢疾病的治疗靶点[29]。PPAR信号通路确实参与调节多种生理过程，包括脂质稳态，脂肪形成，炎症和伤口愈合。使用PPARα和PPARγ激动剂可分别治疗血脂异常和具有胰岛素抵抗的2型糖尿病。其中PPARγ是胰岛素增敏和葡萄糖代谢的关键调节剂，因此被认为是抵抗糖尿病代谢疾病和胰岛素抵抗的必要药理学靶标[30]。当前临床使用的降糖药之一罗格列酮就属于PPARγ完全激动剂。AMPK是具有α，β和γ亚基的异三聚体蛋白，AMPK激活增强了葡萄糖对细胞的吸收，并抑制了细胞内葡萄糖的产生，激活和调节AMPK的药物可能是治疗代谢综合征和糖尿病的潜在候选药物，此外，天然中药成分小檗碱，槲皮素，白藜芦醇等在调节和激活AMPK途径方面显示出巨大潜力，可用于管理糖尿病及其并发症[31]。

本文通过分析中英文主流数据库中近30年来中医药治疗MS的临床文献，初步总结了现代中医家治疗MS的用药规律，并分析了核心药物的潜在作用机制。本研究数据挖掘所得的潜在药对或单味药，可为未来MS的中药药物临床研究提供思路。本研究中网络药理学的结果能为机制研究提供依据，未来可将本研究结果中的靶点及涉及的相关通路作为基础，做进一步的探索，为研究MS的诊疗方法提供新方向，以期获得更大的临床价值。