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基于网络药理学探讨诃子治疗慢性阻塞性肺疾病的作用机制

2024-08-07 42 上传者：管理员

摘要：目的：基于网络药理学探讨诃子治疗慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的作用机制。方法：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)检索诃子的化学成分，Swiss Target Prediction数据库获取诃子的作用靶点。采用OMIM、GeneCards、DisGeNET数据库预测COPD作用靶点，借助微生信平台获取诃子与COPD的交集靶点。将交集靶点导入STRING数据库，构建蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)网络。基于Centispace插件进行拓扑分析，从而筛选诃子治疗COPD的核心靶点。采用DAVID数据库进行基因本体(Gene Ontology, GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)分析。结果：诃子活性成分8种，作用靶点333个，活性成分包括鞣花酸、番泻苷E、7-脱氢豆甾醇等。COPD作用靶点8 805个，其与诃子的交集靶点253个。通过筛选得到10个核心靶点，包括信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1(serine/threonine kinase 1,AKT1)、丝裂原活化蛋白激酶3(mitogen-activated protein kinase 3,MAPK3)等。GO功能分析主要富集于细胞凋亡、G蛋白偶联血清素受体活性、RNA聚合酶Ⅱ转录因子活性等，KEGG通路主要包括PI3K-Akt信号通路、HIF-1信号通路、ErbB信号通路等。结论：诃子通过多成分、多通路、多靶点发挥治疗COPD的作用。

关键词：
COPD
慢性阻塞性肺疾病
网络药理学
诃子
鞣花酸
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慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一种异质性肺部病变，其主要临床表现为呼吸困难、咳嗽及咳痰等慢性呼吸道症状。COPD源于气道病变和/或肺泡损伤引起的气流阻塞，并呈持续性和进行性加重的特点[1]。据世界卫生组织报告，COPD已成为全球第三大致死性疾病。国内研究发现，以COPD为主的慢性呼吸系统疾病在乡村地区位居致死性疾病首位，在城市则位居第4[2]。目前，COPD的确切病因尚未完全阐明，但普遍认为肺部异常炎症反应与吸烟、环境污染及有害颗粒侵袭密切相关。研究显示，炎症反应在COPD的发生发展中起着重要作用，其中气道及其邻近组织的炎症是气道重塑和肺功能减退的特征性改变。COPD的进展与中性粒细胞、巨噬细胞、T淋巴细胞的活动密切相关[3]。炎症因子激活及其释放的介质不仅破坏肺组织结构，还加剧炎症反应。特别是中性粒细胞能够合成和分泌多种炎症因子，通过复杂的生物网络共同调控炎症反应。中性粒细胞的活化和迁移也是缺血再灌注肺损伤导致慢性肺功能障碍的重要机制之一[4]。

COPD属于中医“肺胀”“喘证”等范畴，多由肺部疾病反复发作、迁延不愈所致。肺气胀满，肺失宣肃，故发为肺胀[5]。其病因主要在于久病肺虚，复感外邪，导致病情逐渐加重。“脾为生痰之源，肺为贮痰之器”,久病肺气虚损，子病及母，影响脾气运化，导致水液代谢失常，停聚生湿，湿聚成痰，肺失宣肃，肺气上逆，发为咳嗽[6]。肺为肾之母，肺气久虚可累及于肾，肾虚不能纳气，肺气不得归元，此为COPD的基本病机，治疗当调补肺肾[7]。因此，肺胀病位在肺，与五脏六腑皆有关联，尤其与脾、肾关系密切[8]。临床常见证型包括肺气亏虚证、肺阴亏虚证、气阴两虚证、痰浊阻肺证及肺肾两虚证[9]。

诃子(Chebulae Fructus)为植物诃子或绒毛诃子的成熟干燥果实，其味苦、酸、涩，性平，入肝经、脾经、肺经、大肠经，具有敛肺涩肠、止咳止泻、清火利咽的功效，常用于治疗泄泻、痢疾、便血、脱肛、喘咳、喉痹、音哑等疾病[10-12]。研究表明，诃子富含酚酸类、鞣质类、三萜类、脂肪族类、黄酮类、挥发油、氨基酸、微量元素及碳水化合物等多种成分[13]。此外，诃子具有抗菌、抗癌、抗氧化、抗病毒、抗炎、抗衰老、抗过敏及增强免疫等生物活性[14-15]。因此，本研究采用网络药理学技术分析诃子治疗COPD的作用机制，以期为COPD的基础研究与临床应用提供参考。

1、材料与方法

1.1 诃子活性成分与靶点筛选

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)检索诃子的化学成分，以口服生物利用度(oral bioavailability, OB)≥30%和类药性(drug likeness, DL)≥0.18为条件进行筛选[16-17]。通过Swiss Target Prediction数据库获取活性成分的作用靶点。

1.2 COPD靶点预测

以“Chronic obstructive pulmonary disease”为关键词，通过OMIM、GeneCards、DisGeNET数据库预测COPD相关靶点，合并整理所得数据，去除重复靶点，并通过UniProt数据库对靶点名称进行规范化处理。通过微生信平台将诃子与COPD的靶点取交集，作为诃子治疗COPD的潜在靶点。

1.3 核心靶点筛选

将诃子活性成分与交集靶点导入Cytoscape 3.7.2软件，从而构建“药物-活性成分-交集靶点”网络。将交集靶点导入STRING数据库，物种设置为“Homo sapiens”,最低相互作用阈值设置为0.9,隐藏游离节点，从而构建蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)网络。将tsv文件导入Cytoscape 3.7.2软件，借助Centispace插件进行拓扑分析，以度值(Degree)≥10、中介中心性(Betweenness)≥1 000作为筛选条件，最终获得诃子治疗COPD的核心靶点。

1.4 基因本体(Gene ontology, GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)分析

将交集靶点上传至DAVID数据库，进行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析，以P<0.05为条件进行筛选。其中，GO分析包括生物过程(biological process, BP)、细胞组成(cellular component, CC)和分子功能(molecular function, MF)。最后，采用微生信平台对GO和KEGG分析结果中排名前20位的结果进行可视化展示。

2、结果

2.1 诃子活性成分和靶点

通过筛选得到诃子活性成分8种，包括鞣花酸、番泻苷E、7-脱氢豆甾醇等，诃子作用靶点333个，见表1。

表1 诃子活性成分

2.2 COPD相关靶点

通过DisGeNET数据库得到COPD靶点1 428个，GeneCards数据库得到 8 508 个靶点，OMIM数据库得到146个靶点。将3个数据库的数据进行合并整理，最终得到COPD相关靶点8 805个，见图1。

图1 COPD相关靶点韦恩图

2.3 诃子治疗COPD的潜在靶点

通过微生信平台获取诃子与COPD的交集靶点253个，作为诃子治疗COPD的潜在靶点，见图2。

图2 交集靶点韦恩图

2.4 GO功能和KEGG通路富集分析

GO分析共得到1 045条结果，其中BP 737条，CC 107条，MF 201条。BP主要富集于细胞凋亡、对异源性刺激的反应、细胞增殖等，CC主要富集于膜筏、细胞质核周区域、质膜等，MF主要富集于G蛋白偶联血清素受体活性、ATP结合、RNA聚合酶Ⅱ转录因子活性等。KEGG信号通路143条，主要包括PI3K-Akt信号通路、HIF-1信号通路、ErbB信号通路、Rap1信号通路等，见图3。

图3 GO和KEGG富集分析气泡图

2.5 诃子治疗COPD的核心靶点

通过Cytoscape 3.7.2软件构建“药物-活性成分-交集靶点”网络，见图4。通过STRING数据库构建交集靶点的PPI网络，见图5,进一步筛选得10个核心靶点，即PIK3CA、SRC、HSP90AA1、STAT3、AKT1、HSP90AB1、ESR1、MAPK3、PRKCA、PRKCB,见表2。

图4“药物-活性成分-交集靶点”网络图

图5 交集靶点PPI网络图

表2 核心靶点信息

3、讨论

COPD作为一种常见的呼吸系统疾病，具有高发病率、高致残率、高死亡率等特点，极大地影响了患者的生活质量。中医基于整体观念和辨证论治原则，在治疗肺胀方面取得显著成效。诃子具有敛肺止咳的功效，可改善咳嗽喘息的症状。鉴于肺胀起病缓慢、病程较长，患者多表现为肺肾两虚，因此治疗时加用诃子以收敛肺气、止咳，可增强治疗效果。在肺胀急性发作期，部分患者可能合并感染，诃子可通过破坏铜绿假单胞菌细胞膜、改变核酸及抑制蛋白质合成等作用从而控制感染[18]。研究表明，诃子水提物对革兰阳性菌的抑菌活性显著，尤其是金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯杆菌和鲍曼不动杆菌，因此其可提高抗生素的治疗效果[19]。

本研究发现诃子有8个活性成分，其中鞣花酸和诃子次酸具有抗炎、抑菌、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤、降血糖、降血脂、保肝、保护心肌、神经保护、预防骨质疏松、抗动脉粥样硬化、调节免疫及抑制黑色素生成等作用[20-24]。此外，本研究发现多条KEGG信号通路，其中PI3K-Akt信号通路在减弱炎症反应、改善氧化应激[25]以及调节糖皮质激素抵抗和提升肺功能中发挥重要作用[26]。在COPD吸烟患者中，HIF-1信号通路被激活，HIF-1α、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)及血管内皮细胞生长因子受体2(VEGF receptor 2,VEGFR2)等蛋白的高表达与患者病程进展密切相关，进而导致肺功能减退及生活质量下降[27]。由此可知，诃子治疗COPD的机制涉及多条信号通路，其中PI3K-Akt信号通路是主要作用途径之一。

综上所述，诃子可能通过鞣花酸、诃子次酸等活性成分，调控PI3K-Akt信号通路、HIF-1信号通路等，作用于AKT1、MAPK3、STAT3等靶点，从而发挥治疗COPD的作用。

参考文献:

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