基于网络药理学与分子对接探讨玉屏风散治疗过敏性鼻炎-哮喘综合征的作用机制

2023-06-17 14:10杨冰洋王人杰汪皓宇张业清
云南中医中药杂志 2023年5期
关键词:分子对接过敏性鼻炎网络药理学

杨冰洋 王人杰 汪皓宇 张业清

摘要:目的本研究基于网络药理学及分子对接技术探讨玉屏风散治疗过敏性鼻炎-哮喘綜合征(CARAS)的作用机制。方法首先通过TCMSP数据库检索搜集玉屏风散的化学成分和药物靶点。从GeneCards、Online Mendelian Inheritance in Man(OMIM)和DrugBank数据库搜集过敏性鼻炎和哮喘治疗相关靶点,构建韦恩图并得到疾病与药物的交集靶点。使用Cytoscape构建单味药-活性成分-潜在作用靶点网络,筛选关键活性成分,然后以STRING构建PPI网络,借助Cyto NCA插件筛选关键靶点。利用Metascape对交集靶点进行GO和KEGG富集分析。最后将关键活性成分与关键靶点进行分子对接。结果从玉屏风散中获得45个活性成分和对应224个潜在靶点,过敏性鼻炎相关靶点有333个,哮喘相关靶点372个,取交集之后得到39个潜在靶点。从玉屏风散中筛选出槲皮素、山奈酚、7-O-methylisomucronulatol、汉黄芩素、刺芒柄花素、异鼠李素等35个关键活性成分;对PPI网络进行拓扑参数分析后得到6个核心靶点为IL-6、TNF、IL-1β、PTGS2、CXCL8、IL-10。GO分析结果表明其涉及炎症应答、对细菌的反应、细胞群体增值的负调控等生物过程。KEGG分析结果表明可能通过TNF、NF-kB、IL17等信号通路治疗CARAS。分子对接结果显示,100%的关键活性成分与核心靶点的结合能小于-5.0 kcal·mol-1,具有较好的结合能力。结论本研究初步揭示玉屏风散通过多成分、多靶点、多通路治疗过敏性鼻炎-哮喘综合征的作用机制,为后续基础研究和临床应用提供了参考依据。

关键词:玉屏风散;过敏性鼻炎-哮喘综合征;作用机制;网络药理学;分子对接

中图分类号:R765.21文献标志码:A文章编号:1007-2349(2023)05-0032-08

Exploration of the Mechanism of Yupingfeng Powder in the Treatment of Allergic

Rhinitis-Asthma Syndrome Based on Network Pharmacology and Molecular Docking

YANG Bing-yang WANG Ren-jie WANG Hao-yu ZHANG Ye-qing

(1. The Affiliated Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine,Nanjing University of Traditional Chinese Medicine,

Nanjing 210028,China;2. Jiangsu Institute of Traditional Chinese Medicine,Nanjing 210028,China;

3. Jiangsu Branch,China Academy of Chinese Medical Sciences,Nanjing 210028,China)

【Abstract】Objective: To study the mechanism of Yupingfeng Powder in the treatment of allergic rhinitis-asthma syndrome(CARAS)based on network pharmacology and molecular docking. Methods: Chemical components and drug targets of Yupingfeng Powder were collected by using TCMSP database. Targets related to the treatment of allergic rhinitis and asthma was collected from GeneCards,Online Mendelian Inheritance in Man(OMIM)and DrugBank database,and Venn diagram was constructed to obtain the intersection targets of diseases and drugs. A network of single drug-active ingredient-potential target was built by Cytoscape,and the key active ingredients were screened. Then,PPI network was constructed by STRING,and the key targets were screened by Cyto NCA plug-in. GO and KEGG enrichment analysis of intersection targets were performed by Metascape. Finally,the key active ingredients and the key targets were docked. Results: 45 active ingredients and corresponding 224 potential targets were obtained from Yupingfeng Powder,333 targets related to allergic rhinitis and 372 targets related to asthma and 39 potential targets were obtained after intersection. 35 key active components,such as quercetin,kaempferol,7-O-methylisomucronulatol,baicalin,formononetin and isorhamnetin,were screened from Yupingfeng Powder. PPI network was done by topological parameter analysis to obtain six core targets,namely,IL-6,TNF,IL-1β,PTGS2,CXCL8 and IL-10. The results of GO analysis showed that it involved in inflammatory response,response to bacteria,and negative regulation of cell proliferation. The results of KEGG analysis indicated that TNF,NF-kB,IL17 and other signaling pathways may be used to treat CARAS. The results of molecular docking showed that the binding energy of 100% of the key active ingredients to the core targets was less than -5.0 kcal·mol-1,a good binding ability. Conclusion: This study preliminarily reveals the mechanism of action of Yupingfeng Powder in the treatment of allergic rhinitis-asthma syndrome through multi-component,multi-target and multi-pathway,and provided a reference for subsequent basic research and clinical application.

【Key words】Yupingfeng Powder; Allergic Rhinitis-Asthma Syndrome; Mechanism of Action; Network Pharmacology; Molecular Docking

過敏性鼻炎-哮喘综合征(allergic rhinitis-asthma syndrome,CARAS)是同时发生在临床或亚临床的上、下呼吸道的过敏性炎症,是同一综合征在呼吸道两个部分的表现[1]。上气道和下气道被认为是一个统一的形态和功能单元,从古代中医的“鼻肺同源”到现代医学“同一气道,同一疾病”的提出,都证实上、下气道之间存在的联系已经被观察到多年,变应性鼻炎和哮喘之间在起源、概念共存和相似等方面表现出密切的联系,基于在发病原因、病理生理机制及组织病理表现上的共性特征,提出了过敏性鼻炎-哮喘综合征的概念[2]。流行病学证据表明变应性鼻炎和哮喘之间有很强的关系。有15%~38%的变应性鼻炎患者同时患有哮喘,而在6%~85%的哮喘患者中存在鼻炎症状。此变应性鼻炎是哮喘的一个危险因素,未经治疗或处理不当的鼻炎可使哮喘加重的风险增加三倍[3]。

中医古今医家并无CARAS的专用病名,一般是将过敏性鼻炎归于“鼻鼽”,哮喘归于“哮病”的范畴。鼻鼽与哮证共为肺系疾病,二者更是相互联系与影响,《灵枢·本神篇》云:“肺气虚则鼻塞不利少气”。肺之窍在鼻,肺之卫外不固,风寒之邪或异气侵袭,则外束肌表,阳气无法宣泄,故喷而上出为之嚏。故为“鼻肺同源”[4]。对于CARAS的病因病机研究众多仍尚无统一定论,从多角度发表见解。围绕病理因素风、痰、虚之相关病机较为常见。“邪之所凑,其气必虚”。肺气不足、卫表失固是此病反复发作的根本原因,“扶正祛邪”可贯穿治疗始终,故当补土生金、益气固表[5]。玉屏风散由黄芪、白术、防风3味中药组成,全方相辅为益气固表、祛邪扶正之功效。临床研究显示,玉屏风散能显著改善气道患者炎症、提高免疫功能[6],但其CARAS治疗的作用机制仍不明确。本研究基于网络药理学和分子对接技术,对玉屏风散治疗CARAS的作用机制进行初步探讨,以期为后续基础研究和临床应用提供参考依据。

1资料与方法

1.1玉屏风散活性成分的筛选及潜在作用靶点的预测基于TCMSP数据库(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)收集玉屏风散中黄芪、防风、白术3味中药的成分。根据药代动力学参数(ADME)筛选出玉屏风散的活性成分,设置口服生物利用度(OB)≧30%,类药性(DL)≧0.18,并预测玉屏风散活性成分的潜在作用靶点。利用Uniprot蛋白数据库(https://www.uniprot.org)对靶点信息进行标准化。

1.2过敏性鼻炎-哮喘综合征治疗相关靶点获取利用“asthma、allergic rhinitis”为关键词,分别在 GeneCards 数据库(https://www.genecards.org)、Online Mendelian Inheritance in Man数据库(OMIM,https://www.omim.org)、DrugBank数据库(https://go.drugbank.com)疾病基因数据库进行检索与筛选,将得到的靶点分别汇总并去除重复值,即为过敏性鼻炎、哮喘治疗相关靶点。

1.3玉屏风散治疗过敏性鼻炎-哮喘综合征潜在作用靶点的获取使用Venny2.1在线工具(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)对1.1及1.2中所获得靶点绘制韦恩图,所获得的交集靶点即为玉屏风散治疗过敏性鼻炎-哮喘综合征的潜在作用靶点。

1.4“中药-活性成分-靶点”网络的构建使用软件Cytoscape 3.8.2构建“中药-活性成分-靶点”网络,其中用“节点”(node)表示单味药、活性成分或靶点,用“边”(edge)表示节点之间的关系;使用Network Analyzer分析工具分析网络特征,以研究活性成分与靶点及其之间的关系,并根据活性成分在网络中的度值(degree)筛选出关键活性成分。

1.5蛋白质相互作用(PPI)网络构建将1.3中得到的潜在作用靶点导入STRING 11.0数据库(https://string-db.org)获得蛋白互作关系,删除游离靶点,并导入Cytoscape软件绘制潜在作用靶点的PPI网络,应用CytoNCA插件计算出PPI的网络拓扑学特征属性值,筛选出核心靶点。

1.6通路富集分析使用在线分析工具Metascape(https://metascape.org)对药物-疾病交集核心蛋白靶标基因进行GO功能及KEGG通路富集分析,以“P<0.05”为条件进行筛选,对P值进行排列从小到大排列,分别选取排名前10位进行靶点生物过程(GO Biological Processes,GO BP)、靶点所在细胞组分(GO Cellular Components,GO CC)、靶点分子功能(GO Molecular Functions,GO MF)以及前20位进行靶点信号通路(KEGG Pathway)的气泡图制作。

1.7分子对接通过PubChem数据库获得关键成分的2D结构,保存为sdf格式,通过Chem3D软件生成配体的3D结构,将其能量最小化,并保存为mol2格式。通过AutoDockTools软件将配体保存为pdbqt格式配体参数文件。通过PDB数据库下载核心靶点蛋白晶体结构,运用PyMOL 软件对核心靶点进行去水、去配体操作,使用AutoDockTools进行加氢处理,并受体保存为pdbqt格式配体参数文件。通过AutoDockTools软件设置蛋白受体的口袋参数,并设置参数文本文件,再用AutoDock Vina进行分子对接,将对接结果运用PyMOL软件进行可视化分析。

2结果

2.1玉屏风散活性成分的筛选及作用靶点的预测根据根据药代动力学参数筛选条件,从TCMSP数据库筛选出玉屏风散的活性化合物45个,黄芪20个,防风18个,白术7个。将靶点预测结果合并后排除重复值后获得224个靶点。检索数据库合并后删去重复值共得到过敏性鼻炎治疗相关靶点333个,哮喘治疗相关靶点372个。取交集后共获得39个交集靶点,其韦恩图见图1。

2.2玉屏风散单味药-活性成分-潜在作用靶点网络构建和分析利用Cytoscape 3.8.2对玉屏风散单味药-活性成分-潜在作用靶点的关系网络进行绘制和分析,共获得269个节点与710条关系,结果见图2。通过NetworkAnalyzer分析玉屏风散治疗CARAS的网络拓扑学参数,选取出连接度大于平均数2倍的活性成分作为核心成分,获得槲皮素(quercetin)、山奈酚(kaempferol)、7-O-methylisomucronulatol、汉黄芩素(wogonin)、刺芒柄花素(formononetin)、異鼠李素(isorhamnetin)等35个关键活性成分。

2.3潜在作用靶点 PPI 网络及分析将2.1中获得的玉屏风散与过敏性鼻炎、哮喘交集得到的靶点提交至STRING11.0平台,得到潜在作用靶点PPI网络,见图3。分析结果显示,degree值前6的蛋白分别为IL-6(Interleukin 6)、TNF(tumor necrosis factor)、IL-1β(Interleukin 1 Beta)、PTGS2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2)、CXCL8(Recombinant Human C-X-C motif chemokine 8)、IL-10(Interleukin 10)。

2.4生物过程分析与 KEGG 分析使用Metascape平台对39个靶点进行基因富集分析,确定了1341个GO条目,其中生物过程相关条目728个,结果显示主要影响炎症应答、脂多糖反应、对细菌来源分子的反应、细胞对有机环状化合物的反应、对外来刺激的反应、对细菌的反应、细胞群体增殖的负调控、细胞对脂质的反应、细胞间粘附的正调控等生物过程;细胞组成相关条目30个,显著的条目是突触膜、突触前膜、突触后膜等细胞成分;分子功能相关条目69个,参与细胞因子受体结合、信号受体激活活性、信号受体调节活性、受体配体活性、G蛋白偶联胺受体活性、G蛋白偶联乙酰胆碱受体活性、G蛋白偶联神经递质受体活性等分子功能。将结果绘制气泡图,见图4。

通过KEGG通路富集分析,有92个潜在作用靶点参与的通路,主要涉及肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)信号通路、核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号通路、白细胞介素17(interleukin 17,IL-17)信号通路、糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、脂质与动脉粥样硬化、移植物抗宿主病、细胞因子-细胞因子受体相互作用、炎症性肠病等。将结果绘制气泡图,见图5。

2.5关键成分和核心靶点的分子对接验证将筛选出的前6个关键活性成分与6个核心靶点IL-6、TNF、IL-1β、PTGS2、CXCL8、IL-10分别进行分子对接,见图6。结果显示100%的结合能小于-5.0 kcal·mol-1,表明二者之间有较好的结合活性。47%的结合能小于-7.0 kcal·mol-1,表明配体与受体有强烈的结合活性。如槲皮素、山奈酚、汉黄芩素、异鼠李素、7-O-methylisomucronulatol、刺芒柄花素6个成分与PTGS2、TNF都有着强烈的结合活性;等槲皮素、山奈酚、异鼠李素3个成分与IL-1β有强烈的结合活性。其中山奈酚与PTGS2的结合活性最好(affinity=-9.5 kcal·mol-1),其后为汉黄芩素与PTGS2(affinity=-9.3 kcal·mol-1)、槲皮素与PTGS2(affinity=-9.3 kcal·mol-1)、异鼠李素与PTGS2(affinity=-9.1 kcal·mol-1)、异鼠李素与TNF(affinity=-9.1 kcal·mol-1)、槲皮素与TNF(affinity=-9.0 kcal·mol-1)。对代表性关键活性成分和核心靶点的分子对接结果进行可视化处理,分子对接3D图见图7。以上结果说明上述6个关键活性成分与核心靶点的结合活性较好,可能通过上述核心靶点发挥防治CARAS的作用。

3讨论

CARAS主要以Th2免疫反应为特征,其生理病理特征与过敏性个体直接相关[1]。大量文献证明,中药可以可通过调节不同T细胞亚群功能等方式干预Th2免疫反应。在中医理论中,目前对于CARAS病因病机的认识仍处于探索阶段。传统观点认为,此病的病机属于本虚标实,以“肺气亏虚”为本虚,以“风寒”等为标实。“本虚”是CARAS产生的根源,决定着疾病的发展与转归。患者先天禀赋不足、肺气虚弱、腠理疏松、卫表不固,鼻窍易感外邪,肺失宣降,水液代谢失常,水湿内停不化,聚而成痰,阻滞气道,故而发病。玉屏风散为益气固表、扶正祛邪的经典方剂。有随机对照试验研究发现在西医治疗的基础上加用玉屏风散能够显著抑制气道炎症,提高机体免疫力从而改善CARAS患者鼻、肺部症状[7]。有实验显示,玉屏风散联合西药治疗能更好的改善CARAS患者肺功能,抑制IL-5、IL-10、IL-13等炎症因子的表达[8]。

玉屏风散中以黄芪补三焦而实卫,补剂中之风药,可入肺、脾二经,起到补气健脾、益卫固表、升阳止汗、生津养血、利水消肿、脱毒生肌之效;防风,治风之仙药,入膀胱、脾、肝之经,具有祛风解表、胜湿止痛、止痉等功效,为风中之润剂;白术,健脾胃,温分肉,培土以宁风也。入脾、胃经,具有补气健脾、燥湿利水、固表止汗等功效。全方防风善驱风,黄芪以固表,白术以固里,共奏益气、固表、祛风之效。

本研究结果表明玉屏风散治疗CARAS的核心成分包括槲皮素、山奈酚、汉黄芩素、异鼠李素等。槲皮素是一种黄酮类化合物,具有广泛的治疗性质,包括但不限于其抗氧化、抗癌、抗炎和抗过敏活性[9]。有研究表明,槲皮素可以通过降低肥大细胞释放的介质即组胺、TNF-α、IL-1β、IL-4、IgE和IL-5,从而达到抗过敏的作用[10]。同时有研究结果表示,槲皮素通过抑制GATA-3和增加T-bet表达,减少了Th1/Th2极化的改变导致的过敏性气道炎症和高反应性[11]。山奈酚,一种黄酮醇类类黄酮,可以抑制气道上皮细胞和过敏性哮喘小鼠嗜酸性粒细胞浸润和气道炎症[12]。实验发现山奈酚可以通过抑制LAD2细胞的活化及下游MAPK途径磷酸化,干扰NF-κB信号传导,减少β-己糖胺酶、和血清中炎症介质,如组胺、TNF-α、IL-8和MCP-1的分泌等方式,起到抗过敏和抗炎的作用[13]。汉黄芩素可以诱导嗜酸性粒细胞凋亡并减轻过敏性气道炎症[14]。有实验表明,汉黄芩素可以通过减少嗜酸性粒细胞向鼻腔粘膜的迁移以及抑制血清IgE和鼻腔IL-4、IL-5和IL-13水平,抑制AR小鼠模型中的过敏性细胞因子起到抗炎、抗过敏的作用[15]。异鼠李素通过MAPK和NF-κB途径减弱TNF-α诱导的人支气管上皮细胞炎症、增殖和迁移[16]。因此,玉屏风散的关键有效成分以天然黄酮类化合物为主,通过调节相关信号通路,起到抗过敏、抗炎、调节免疫、抗肿瘤等作用。

通过对网络图拓扑学参数分析,根据节点度值筛选得到IL-6、TNF、IL-1β、PTGS2、CXCL8、IL-10这6个核心靶点作为玉屏风散治疗CARAS的潜在作用靶点。分子对接结果显示玉屏风散中多个活性成分与TNF、PTGS2结合力较强,结合蛋白互作关系分析结果推测TNF、PTGS2可能是玉屏风散治疗CARAS最关键的作用靶点。PTGS2,又名COX-2(cyclooxygenase-2,环氧合酶2)仅在炎症刺激细胞激活后表达,NK-κB/COX-2/PGE2轴是炎症的主要途径。有研究发现哮喘患者气道平滑肌表现出COX-2的表达增强[17]。同时,COX-2也积极参与了主动致敏大鼠的变应性鼻炎[18]。有实验研究证实,中草药可以通过NF-κB/COX-2和PGE2治疗CARAS[19]。

KEGG富集分析结果显示,TNF、NF-κB、IL-17等信号通路在玉屏风散治疗CARAS的过程中发挥重要作用。TNF-α可以通过刺激NF-kB磷酸化,从而激活p50-p65亚单位,增加促炎基因如IL-8、IL-6和TNF-α自身的转录,在气道炎症方面起重要作用[20]。同时,TNF-α可以促进成纤维细胞生长,参与气道重塑[21]。TNF-α还可通过调节TRAF2/NF-κB通路与TNFRI偶联诱导气道高反应性[22]。在鼻腔成纤维细胞的研究中,组胺通过H1R刺激IL-6的产生、激活下游p38 MAPK和NF-κB来调节免疫反应[23]。Th17细胞及其标志性细胞因子IL-17与哮喘、过敏性鼻炎的发生有关。血清IL-17水平与过敏严重程度具有显著相关性[24]。有实验证明,IL-17和VEGF信号在LPS诱导鼻炎的鼻粘膜中的嗜中性细胞浸润中起重要作用[25]。证据表明,与健康对照受试者相比,哮喘患者的痰、支气管肺泡灌洗液、支气管活检和血清中IL-17增加[26]。人体外研究证实,Th17细胞因子如IL-17A通过对ERK1/2 MAPK和NF-kB介导对哮喘患者和非哮喘患者气道平滑肌细胞的促增殖和迁移作用[27]。IL-17A增加纤维细胞中α-平滑肌肌动蛋白的表达,但不增加胶原的表达,使纤维细胞的活化和增殖,从而导致促纤维化和促炎活性的增加。在上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞中,IL-17又可以诱导TNF-α分泌。IL-17通过多种方式参与了哮喘气道高反应性和气道阻塞、气道重塑、嗜酸性粒细胞增多和IgE高分泌等多个病理过程[28]。

综上所述,本研究通过网络药理学和分子对接技术初步揭示了玉屏风散具有多成分、多靶点、多通路的作用特点,为后续针对玉屏风散治疗CARAS作用机制的药理实验研究提供了科学依据。

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(收稿日期:2022-11-22)

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