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[药品研发] 中医药理学新视角——AS的治疗

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药徒
发表于 2021-11-12 14:51:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 17321231762 于 2021-11-12 14:55 编辑

中医辅助治疗强直性脊柱炎 (AS) 由来已久。本研究从中药注射剂中提取中药成分和靶向蛋白,以此构建 PPI(Protein-Protein Interaction Networks) 网络,推断 Y-Y-T(Yun-Pi-Yi-Shen-Tong-Do-Tang,云皮益肾通督汤)、AS 治疗药物、AS 患者差异表达基因与 AS 疾病蛋白之间的关系,对 Y-Y-T 治疗 AS 的机制进行了系统的研究,为理解中医药理学提供了新的视角。

强直性脊柱炎 (AS) 是一种慢性风湿性疾病,在世界范围内发病率为 0.2-0.5%。到目前为止,AS 的发病机制尚不清楚,据报道其发病机制与革兰氏阴性菌、人白细胞抗原 B27 (HLA-27)、模式识别受体 (PRRs) 和炎症性肠病 (IBD) 有关。AS 的治疗药物主要包括以下三类: 非甾体抗炎药 (NSAIDs)、疾病修饰性抗风湿药 (DMARDs) 和生物制剂。这些治疗药物可在一定程度上缓解炎症反应,减轻骶髂关节和脊柱疼痛,延缓疾病进展。但长期服用这些药物也可能导致系统性副作用,如严重感染和胃肠道不耐受。

AS 是一种致病因素复杂的疾病。为了阐明 Y-Y-T 在 AS 治疗中的潜在作用机制,作者深入分析了分子的组成,构建了 PPI 网络,揭示了分子靶点与 AS 相关蛋白之间的相互关系,并预测了 Y-Y-T 的潜在关键靶点。

中草药成分和 Y-Y-T 作用靶标
一般认为,脾、肾、督脉在中医认知中与 AS 进展风险密切相关。为了揭示该方的潜在治疗机制,作者从中药中提取了 357 种中药成分,研究了部分成分的作用。例如,穿龙薯蓣的一种成分 Discin 可以通过减少 Th1/Th220 修复受损的滑膜组织,调节 Let7i/TLR4/MyD88 的 microRNA 信号通路,逆转炎症性肾损伤。落新丁是从菝葜中提取的生物活性化合物,通过上调调节性 T 细胞和下调 Th17 细胞降低抗原特异性自身抗体,并通过降低 MHC II 的表达以此降低抗原提呈细胞的效率。

这 357 种成分中,350 种从单根中提取,7 种从具有累积效应的单根中提取。如金银花和黄芪共有 2 种化合物, γ-谷甾醇和 β-谷甾醇;黄芪、苍术中有腺嘌呤核苷和尿苷;金银花、黄连中有绿原酸。这些成分通过降低肿瘤坏死因子 (Tumor necrosis factor, TNF) 和白细胞介素 6 (Interleukin 6, IL-6) 的含量、防止白细胞外渗、抗菌作用等多种途径来降低炎症反应。


Fig 1. 草药之间的关系。5种药草共有相同的成分,线的宽度表示药草共有相同成分的数量





本研究接下来提取了与 Tcid 和 STITCH 成分高度相关的靶标。总共发现 80 种成分对 1,101 个蛋白有影响。452 个目标是成分共享的,其他 649 个目标是独特的。白藜芦醇、反式白藜芦醇、槲皮素等几个小分子具有相似的特征,因为它们拥有 70 多个相同的靶向蛋白。


Fig 2. 成分之间的关系。在网络中出现了 3 个以上的成分共享目标。线条的宽度表示各成分之间共享目标的数量。


Y-Y-T 靶标的功能分析
采用 GO 分析和 KEGG 通路分析对该方的主要疗效进行分析。GO 分析结果显示,Y-Y-T 的靶点主要与 5 个部分有关,即催化活性、转运蛋白活性、受体活性和分子传感器活性以及结合 (图3)。具体为肝素结合 (p=1.20E-11)、肽受体活性、g -蛋白偶联 (p=1.20E-09)、神经肽激素活性 (p=3.10E-06) 与 AS 密切相关。例如,血管活性肠多肽中的神经肽在神经内分泌-免疫-胃肠系统中起着重要作用,含镁髓内钉有修复骨质疏松的能力。丰富的条件说明了该配方在治疗乳酸菌中的重要作用。


Fig 3. Y-Y-T 前二十的靶标分类,较低的层次隶属于较高的层次





80 条丰富的 KEGG 通路可分为 6 类,包括人类疾病、生物系统、环境信息加工、代谢、遗传信息加工和细胞过程。在人类疾病组,炎症性肠病 (IBD) (P = 5.10E-03) 和类风湿关节炎 (RA) (P = 1.00E-02) 与 AS 显著相关。由于遗传和免疫背景相似,IBD 与 AS 的发病机制相似。此外,RA 和 AS 患者具有共同的骨代谢生物标志物和症状。此外,免疫系统的一些通路与 AS 的发病有关。例如,在炎症环境中,AMPK (p = 5.00E-04) 和 TLR 信号通路 (p = 7.30E-04) 的激活会促进 AS 的发生。T 细胞受体信号通路 (P = 9.10E-04) 参与髋关节韧带骨化。

为了探讨 Y-Y-T 治疗 AS 的潜在机制,作者对四个数据集进行了比较。从 GEO 数据库下载基因表达谱 GSE 73754。采用多元比较的 Benjamin-Hochberg 校正 t 检验来鉴别 DEGs(差异表达基因),结果产生了 2122 个DEGs。其他 3 个数据集,包括 1101 个 Y-Y-T 配方靶标,19 个 FDA 批准的 AS 相关药物的 88 个靶标和 115 个 AS 疾病基因,均从相关公共数据库中检索。如图 4 所示,TNF(肿瘤坏死因子)是四组中唯一共享的靶标,显然是治疗中的关键蛋白。





Fig 4. 分子式靶标、疾病基因、药物靶标基因之间的重叠





由疾病基因编码的蛋白质和配方靶标之间的关联网络
为了进一步探索其作用机理,作者应用 PPI 网络揭示了分子筛靶蛋白与疾病蛋白之间的功能关系。811 个配方靶蛋白和疾病基因编码的 77 个蛋白组成 3732 对 PPIs。(图5),两组之间重叠的蛋白 [JAK2] 、[STAT3]。17 个节点 (13 个公式靶点、2 个基本靶点和 2 个 AS 疾病基因) 形成高度连通集合。

在这一集合中,JAK2 和表皮生长因子受体 (Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR) 由于高度关联而起到枢纽作用。JAK2 和 STAT3 都是 IL-23 通路的调节因子,IL-23 通路是 AS 的重要病因,而 EGFR 被认为是治疗 AS 的靶点,与 AS 的发病有关。JAK2、信号传感器和转录激活因子 1 (STAT1)、SHC-adaptor 蛋白 (SHC)、蛋白酪氨酸激酶 2 (PTK2) 共同参与了免疫介导的炎症性疾病。热休克蛋白 90 家族 A 类成员 1 (HSP90A A1) 是与 4 种疾病蛋白直接或间接相关的靶蛋白。HSP90A A1 靶向药物可通过阻断炎症、细胞因子产生、蛋白激酶活性和血管生成信号通路来平衡炎症-免疫系统。


Fig 5. Y-Y-T 和疾病基因的聚类 PPI 网络


目标与公式目标之间的目标关联网络
两个数据集合共形成 869 个 Y-Y-T 靶标和 1,266 个 DEGs 之间的 90 个重叠靶标和 13,461 对 PPIs。79% 的 Y-Y-T 靶标与 60% 的 DEGs 相关。这 90 个Y-Y-T 靶标中,有 41 个上调,49 个下调。如图 6 所示,血影蛋白 non-erythrocytic 1 (SPTBN1) 是连接其他 25 个节点,包括雌激素受体 1 (ESR1)、神经营养受体酪氨酸激酶 1 (NTRK1)、磷酸酶和紧张素同源物 (PTEN) 等的枢纽。ESR1 与 AS 的低骨密度 (BMD) 有关。NTRK1 参与疼痛机制,PTEN 激活与 AS 患者骨代谢相关的 PI3K/ Akt 信号通路。该配方可能作用于上述蛋白,干预 AS 的进展。





Fig 6. 聚类 PPI 网络的 Y-Y-T 公式和 DEGs





靶标药物靶标和配方靶标之间的关联网络
810 个 Y-Y-T 靶点与 68 个药物靶点相互作用,在两个数据集之间有 34 个蛋白重叠,包括 Etanercept 中的 TNF 和前列腺素 G/H 合成酶 2 (PTGS2), NFKB 抑制剂等。这些药物均为 AS 治疗过程中的常规药物,其作用机制在剂型上类似。如图 7 所示,Hub 靶点 TNF 与其他 10 个靶点连接。TNF 是一种参与全身炎症的细胞因子,抗 TNF 药物在临床上广泛用于风湿病。另一个药物靶点 NFKBIA 及其启动子多态性与 AS 的发病有关。此外,分子靶向保守螺旋-环-螺旋泛在激酶 (CHUK) 具有抗 TNF 的作用,有助于控制炎症。这些结果说明了 AS 药物靶点与 Y-Y-T 靶点结合可提高疗效。


Fig 7. Y-Y-T 和药物靶点的簇PPI网络


结论
本研究通过对 Y-Y-T 的中草药、化合物和靶点的层层深入分析,进一步分析 Y-Y-T 的潜在治疗机制。发现有 11 种中草药中有一些常见的化合物,如白藜芦醇、反式白藜芦醇、槲皮素等 70 多种蛋白质的化合物似乎是和治疗相关的治疗关键化合物。例如,白藜芦醇可以抑制肺炎克雷伯菌的生长,克雷伯菌是 AS 的炎症触发器,而槲皮素具有抗炎和镇痛作用。同时,IL-6、TNF、PTGS2 等靶标可共同作用且具有累积效应。IL-6、TNF、PTGS2 是由多种免疫细胞分泌的经典促炎细胞因子,与疾病活动或一些炎症标志物有关。而黄连素和迎春花素可抑制 IL-6、TNF 和 PTGS 2/4 的表达和分泌。

研究分析表明,Y-Y-T 显著富集于受体活性、结合以及与免疫、炎症和代谢相关的通路,如代谢通路、TLR 信号通路、AMPK 信号通路、T 细胞受体信号通路等。这些通路大部分参与 AS 的发病机制,而 TNF 信号通路等其他通路与 AS 的发病有关,补体和凝血级联作用涉及 36 个靶点,与免疫保护和调节功能有关。

作者发现超过 5 种化合物共享 13 个药物靶点。其中,TNF、PTGS2、CYP1A1 (细胞色素 P450 家族 1 亚家族 A 成员 1) 是中药材中高频出现的枢纽靶点,并产生叠加效应。药物靶点和方剂靶点之间的 PPI 网络说明了 Y-Y-T 增强西药疗效的潜在机制。此外,在四个数据集合之间构建 PPI 网络,并在每个网络中选择枢纽蛋白,这四个数据集合形成了一个复杂的网络,表明分子式靶标与 AS 关系密切,提示 JAK2、STAT3、HSP90AA1、TNF、PTEN 等蛋白是 PPI 网络中的关键靶标。

对于这些靶标,可利用 TCMIP 平台可获得靶标基因集,并进一步开展以下富集分析:①Reactome-Pathway——依托 Reactome 数据库的 Pathway 信息,筛选目标中药(或方剂)候选靶标基因显著参与的分子通路;

②GO-Biological Process/Molecular Function/Cellular Component——依托基因本体数据库(GO),筛选目标中药(或方剂)候选靶标基因显著参与的生物学反应、所行使分子功能及其所在细胞内定位;

③ETCM-Diseases/Human Phenotypes——依托 ETCM 数据库的疾病和表型数据库,筛选目标中药(或方剂)靶标基因显著相关的疾病和表型。

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参考文献

1.Xie D, Huang L, Zhao G, Yu Y, Gao J, Li H, Wen C. Dissecting the Underlying Pharmaceutical Mechanism of Chinese Traditional Medicine Yun-Pi-Yi-Shen-Tong-Du-Tang Acting on Ankylosing Spondylitis through Systems Biology Approaches. Sci Rep. 2017 Oct 18;7(1):13436. doi: 10.1038/s41598-017-13723-3. PMID: 29044146; PMCID: PMC5647417.

2.Duran, A. et al. Fecal calprotectin is associated with disease activity in patients with ankylosing spondylitis. Bosnian journal of basic

medical sciences / Udruzenje basicnih mediciniskih znanosti = Association of Basic Medical Sciences 16, 71–74 (2016).

3.Osman, M. S. & Maksymowych, W. P. An update on the use of tumor necrosis factor alpha inhibitors in the treatment of ankylosing spondylitis. Expert review of clinical immunology (2016).

4. Zhou, Y. Y., Lin, J. H., Huang, R. Y. & He, Y. T. Treatment of Ankylosing Spondylitis With a Bushen-Qiangdu-Zhilv Decoction: A Case Report With a 3-year Follow-up. Alternative therapies in health and medicine 22(Suppl 1), 36–40 (2016).

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药生
发表于 2021-11-19 16:28:25 | 显示全部楼层

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药徒
 楼主| 发表于 2021-12-10 09:23:19 | 显示全部楼层
Zalear7 发表于 2021-11-19 16:28
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药生
发表于 2021-12-10 09:27:49 | 显示全部楼层
17321231762 发表于 2021-12-10 09:23
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加油~~~~~~~~
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