基于数据挖掘及网络药理学探讨中药治疗消化性溃疡的用药规律及作用机制
时间：2023-05-28 17:25:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘媛，孙辉，许苑南，杨敏，马志强，李池川，赵双丽，赵太英，陈洁*
(1. 昆明市第三人民医院 云南省传染性疾病临床医学中心，云南 昆明 650041；
2. 普洱学院 云南 普洱 665000；
3. 昆明医科大学 海源学院，云南 昆明 650106 )
消化性溃疡(peptic ulcer, PU)泛指胃肠道黏膜在某种情况下被胃消化液消化造成的表面组织局限性缺损、溃烂，发病机制尚未完全阐明[1]。现代医学研究表明，PU常见病因与幽门螺杆菌(helicobacter pylori, HP)感染、长期服用非甾体抗炎药和吸烟饮酒等不良习惯有关，这些因素导致黏膜屏障受损，进一步发展为溃疡。目前临床西医治疗以根除HP、抑酸护胃为主，虽有治疗效果，但抗HP 治疗存在一定副作用，且易产生耐药，停用后极易复发等[2]。中医对于治疗PU具有丰富的临床经验，通过辩证、组方、用药能够对症治疗消化道溃疡导致的相关症状。中药可调整患者胃肠道内环境，调节胃酸、胃蛋白酶的分泌，降低攻击因子对黏膜的损害[3]，还能增强黏膜自身的防御功能，在提高溃疡愈合的质量，减少并发症，降低复发率上有很大的优势[4]。但由于临床使用的复方中药配伍灵活，中药成分复杂，故阐述中药治疗PU的作用机制较为困难。数据挖掘和网络药理学两种方法能够对中药多成分、多靶点的药物特性进行分析和归纳，揭示中药药效物质基础及作用机制。因此，本研究基于数据挖掘和网络药理学方法分析归纳中药治疗PU的用药规律，探究核心药对的活性成分及潜在的作用机制。
1.1 中药复方的收集
查阅中国知网(CNKI)、万方数据，以“中药”“消化性溃疡”为关键词，检索近5年与PU相关的文献，筛选出150篇相关文献，233份复方，使用Excel建立数据库，作为研究的数据源。
1.2 纳入标准
(1)2016年至今所有公开发表的关于中药治疗PU的期刊文献；
(2)符合中药辩证(肝胃不和证、脾胃虚寒证等)诊断标准的文献；
(3)具有临床表现，符合HP感染症状，具有明确诊断的文献；
(4)处方完整，用药剂量明确的文献；
(5)临床治疗效果较好的文献。
1.3 排除标准
(1)处方不完整，用药剂量不明确的文献；
(2)综述类文献；
(3)伴有心脑血管疾病，肝肾功能不全患者的处方；
(4)孕妇及哺乳期妇女的处方。
2.1 数据规范化
根据《中国药典》[5]进行统一规范整理。天冬、天门冬统称为天冬，麦冬、麦门冬统称为麦冬，海螵蛸、乌贼骨统称为海螵蛸，玄胡、延胡索统称为延胡索，法半夏、姜半夏统称为半夏，珍珠粉、珍珠，统称为珍珠粉。
2.2 数据分析
(1)将中药复方统计并录入Excel表格，进行频数统计；
(2)运用SPSS Modeler 14.1软件进行关联规则分析，以最高支持度为标准，获得核心药对；
(3)通过中药系统药理学数据库与分析平台(traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform, TCMSP)(http://tcmspw.com/tcmsp.php)和相关文献[6-7]检索核心药对的所有活性成分，并以口服生物利用度(oral bioavailability,OB)(OB≥30%)和类药性(drug-likeness,DL)(DL≥0.18)为标准，筛选出符合标准的目标活性成分。在TCMSP和PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)数据库中检索核心药对活性成分作用于PU的潜在作用靶点；
(4)使用GeneCards数据库(https://www.genecards.org/)以“peptic ulcer”为关键词，检索出PU的潜在靶点，并利用VENNY 2.1软件将药物靶点与疾病靶点进行映射，获得核心药对治疗PU的潜在作用靶点；
(5)利用STRING 11.0数据库(https://string-db.org/)用交集靶点构建蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction，PPI)网络模型；
(6)将STRING 11.0数据库中的保留节点(node1，node2)和结合率评分(combine score)信息，导入到Cytoscape 3.7.0软件，分析靶点相关的拓扑参数；
(7)通过DAVID 6.8数据库(https://david.ncifcrf.gov)将交集靶点进行基因本体(gene ontology, GO)功能富集分析。将交集靶点导入Metascape数据库(http://metascape.org/gp/index.html)进行京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG)而路富集分析；
(8)基于药物-成分-靶点-信号通路，将上述得到的核心靶点和KEGG通路富集分析的结果所选取的主要信号通路建立联系，并与成分-靶点间相互作用关系整合并导入Cytoscape 3.7.0软件中，从而得到成分-靶点-信号通路网络图。
3.1 药物频数分析结果
从知网、万方等数据库收集到150篇中药治疗PU文献，选取其中233份治疗PU的复方，共计216味中药，每味中药至少使用一次，其中排列在前20位的中药分别为补虚药(甘草、白术、白芍、黄芪、党参)、理气药(陈皮、木香、香附、枳壳)、化湿药(厚朴、砂仁)、清热药(黄连、黄芩、蒲公英)、止血药(白及、延胡索)、解表药(柴胡)、化痰止咳平喘药(半夏)、利水渗湿药(茯苓)、收涩药(海螵蛸)。出现次数降序排列，见表1。
表1 排名前20位治疗PU的中药分布
3.2 关联规则分析结果
利用IBM SPSS Modeler 18.0数据库对前20个治疗PU的高频核心药物进行关联规则分析，见图1。设置最低条件支持度≥20%、最小规则置信度≥60%、提升度>1，数值由高至低排列，关联规则表示为“后项-前项”，得出治疗PU的前十组常见药对，见表2。其中茯苓-白术支持度最高，为治疗PU的核心药对。
图1 治疗PU的中药关联规则分析图Fig.1 Results of the analysis of the association rules of traditional Chinese medicine for the treatment of PU
表2 治疗PU 的高频药物关联规则分析
4.1 茯苓-白术药对活性成分筛选及靶点预测
通过检索TCMSP数据库及相关文献筛选核心药对茯苓-白术的化学成分，得到茯苓的活性成分15个，白术的活性成分7个，共22个活性成分，具体见OSID附表1，主要成分见表3。使用TCMSP数据库和PubChem获得潜在活性成分的相应靶点，最终获取茯苓-白术药对相关的靶点143个。
表3 茯苓-白术主要化学成分
4.2 茯苓-白术药对治疗PU相关靶点收集
在GeneCards数据库中检索“peptic ulcer”，从数据库中检索获得PU靶点712个。将筛选的活性成分靶点与PU靶点取交集，最终得到53个茯苓-白术药对治疗PU的相关靶点，并通过VENNY 2.1软件绘制维恩图，见图2。
注：紫色代表茯苓-白术靶点；
黄色代表PU靶点；
深黄色代表交集靶点。图2 茯苓-白术与PU交集基因靶点Fig.2 Intersection gene targets of Poria-Rhizoma Atractylodis Macrocephalae and PU
4.3 PPI网络构建
将交集靶点上传至STRING数据库进行分析，构建茯苓-白术药对与PU的靶点PPI网络图，该网络包括53个节点，118条边，见图3。Cytoscape 3.7.0软件对41个交集靶点进行拓扑分析，其中网络度值(degree)越大则节点越大，表示该核心药对通过此靶点治疗PU的可能性越大。治疗PU的靶点中度值排在前10位的靶基因依次为JUN、IL6、TP53、AKT1、VEGFA、MAPK1、CASP3、EGFR、RB1、IL1B。说明这些基因在茯苓-白术药对治疗PU的作用机制中发挥了相对重要的作用。见表4。
图3 茯苓-白术与PU交集靶点PPI网络图Fig.3 PPI network diagram of the intersection target of Poria-Rhizoma Atractylodis Macrocephalae and PU
表4 茯苓-白术治疗PU关键靶点分析
4.4 茯苓-白术治疗PU的靶点功能富集通路分析
GO富集分析结果显示，茯苓-白术药对潜在活性成分对应的41个交集靶点，主要涉及的分子功能包括相同蛋白结合、酶结合、细胞因子活性等；
细胞组分方面涉及细胞质、细胞外间隙、细胞外区等；
生物过程包括对药物的反应、一氧化氮生成合成过程正调控、凋亡过程的负调控、细胞增殖的负调控、RNA聚合酶II启动子转录正调控等，结果见图4。
图4 茯苓-白术治疗PU关键靶点GO富集分析Fig.4 Results of the GO enrichment analysis of the key targets of Poria-Rhizoma Atractylodis Macrocephalae for the treatment of PU
KEGG信号通路分析结果显示，与茯苓-白术药对治疗PU的相关靶点具有显著相关性的信号通路主要是IL-17 信号通路、磷脂酰肌醇3-激酶信号通路、幽门螺杆菌感染中的上皮细胞信号转导、活化核因子-κB信号通路。结果见图5。
图5 茯苓-白术治疗PU关键靶点KEGG富集分析Fig.5 Results of the KEGG enrichment analysis of the key targets of Poria-Rhizoma Atractylodis Macrocephalae for the treatment of PU
4.5 成分-靶点-信号通路构建
运用Cytoscape 3.7.0 软件构建茯苓-白术药对活性成分-作用靶点-代谢通路网络，图中包含药物活性成分22种、茯苓-白术药对与PU的交集靶点41个，信号通路15条，筛选出的茯苓-白术药对活性成分作用靶点分布在不同的信号通路，相互协调，通过调控不同的信号通路发挥治疗PU的作用，结果见图6。
图6 茯苓-白术治疗PU活性成分-作用靶点-信号通路网络图Fig.6 Component-target-signaling pathway network of Poria-Rhizoma Atractylodis Macrocephalae in the treatment of PU
PU属于中医“胃脘痛” “嘈杂” “吞酸” “痞满”等范畴[8]。“胃脘痛”属脾胃病证，其主要由外邪犯胃、饮食伤胃、情志不畅和脾胃素虚等病机，导致胃气郁滞，胃失和降，不通则痛。中医治疗以理气和胃止痛为主，审证求因，辨证施治。近年来，中医药治疗PU有较好的临床疗效，但对于所用中药治疗PU的机制研究尚欠缺。因此，本研究通过数据挖掘总结中药治疗PU的用药规律，网络药理学筛选核心药对的活性成分、作用靶点、相关生物学通路来探讨中药治疗PU的作用机制。
本研究对近5年临床治疗PU的中药复方进行数据挖掘分析，结果表明治疗此病多以补虚药为基础，再加以理气药、燥湿药进行联合施治。对高频药物进行关联规则分析得出，茯苓-白术为治疗PU的核心药对。白术、茯苓是治疗脾胃气虚及水湿内停证的常用药对，两药配伍最早出现于张仲景《伤寒论》和《金匮要略》[9]。茯苓具有渗湿利水、益脾和胃、宁心安神等功效，药理研究显示具有抗炎、保护胃肠道、降低胃液分泌、增强免疫力及保护肝脏的作用[10]。白术具有健脾益气、燥湿利水、止汗、安胎的功效，现代研究表明其具有胃黏膜保护(改善肠胃功能)、抗氧化、抗肿瘤、免疫调节、抗菌以及神经系统保护等药理学作用[11-12]。大量临床研究显示，使用茯苓-白术作为基础方治疗PU可取得较好的临床疗效。葛阳等[13]观察白术益脾汤治疗HP阳性消化性溃疡患者，结果显示白术益脾汤可改善胃酸分泌功能，促进溃疡愈合。李朋娟等[14]研究结果表明，归脾汤加味合西药治疗PU，能提高再生黏膜功能学成熟度和溃疡愈合质量，预防溃疡再次复发。因此，以上临床数据结果为茯苓-白术药对治疗PU的作用机制进行网络药理学分析提供了理论依据。
茯苓-白术药对共得到22个目标活性成分及143个相关靶点，与PU相关靶点映射后得到潜在预测靶点41个。通过数据库和软件分析得出，对茯苓-白术治疗PU具有重要意义的前10个靶点分别是JUN、IL6、TP53、AKT1、VEGFA、MAPK1、CASP3、EGFR、RB1、IL1B。KEGG富集通路分析结果显示，茯苓-白术药对治疗PU主要与IL-17信号通路、PI3K-AKT 信号通路、NF-κB信号通路、HP感染中的上皮细胞信号转导通路相关，这些通路之间往往共同发挥作用来达到治疗PU的效果。IL-17在幽门螺杆菌感染的炎症反应中起重要作用，并最终影响消化性溃疡的转归[15]。陈强等[16]研究结果显示，HP感染的消化性溃疡患者IL-17水平升高，IL-17通过诱导内皮细胞、上皮细胞等分泌IL-6、IL-8等多种细胞因子，促进炎症发生。PI3K-AKT 信号通路与细胞凋亡密切相关，是溃疡愈合和再上皮化的关键因素[17]。AKT磷酸化后，可抑制凋亡基因Bax的表达，促进抗凋亡基因Bcl-2的表达[18]。AKT活化后会对磷酸化激活IκB激酶产生核易位，从而促进其下游的核因子中的IκBa的磷酸化，进一步从NF-κB上脱落降解，导致NF-κB从抑制状态被激活。NF-κB信号通路被认为是胃溃疡的靶分子途径，可导致炎症级联启动损害胃黏膜的免疫反应而诱导胃溃疡[19]。幽门螺杆菌通过激活胃上皮细胞的NF-κB信号通路，诱导多种炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表达[20]。
综上所述，本研究从数据挖掘和网络药理学的角度出发，从文献中挖掘治疗PU的中药用药规律，筛选得到治疗PU的核心药对茯苓-白术的潜在活性成分、作用靶点及发挥治疗效果的主要信号通路，从而更加全面地了解治疗PU的作用机制。从数据挖掘和网络药理学角度分析中药治疗PU的用药规律和作用机制可能存在一定的不足之处，需进一步实验以及临床验证，从而更加系统、科学地阐述茯苓-白术药对治疗PU的作用机制，为临床治疗PU提供有力的理论依据。
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