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肿瘤恶病质是肿瘤患者较为常见且复杂的并发症,主要表现为厌食、严重的体力和体重下降、虚弱、贫血、水肿等症状。患者机体出现糖、脂、蛋白质代谢的异常反应变化,进行性的骨骼肌量减少,从而引起功能性障碍,对肿瘤患者的心理健康、社会功能产生极大的负面影响,严重影响肿瘤患者的生活质量[1-2]。研究表明50%~80%的肿瘤患者会发生不同程度的恶病质,影响患者放化疗的进行和生活质量,甚至超过20%患者死于恶病质[3]。目前,针对肿瘤恶病质的标准治疗方案主要是在营养支持基础上加用孕激素类药物,如醋酸甲羟孕酮。由于恶病质期单纯营养支持疗效欠佳[4],且孕激素类药物存在一些药物不良反应,因此,仍需更多治疗手段解决肿瘤恶病质带来的一系列临床医学问题。
相关研究显示,中药由于多成分、多靶点的作用,能对肿瘤恶病质进行整体干预,起到较好的疗效。中医药在改善恶病质患者体重、体力情况、食欲等方面可能有一定疗效[5],其中以参苓白术散为代表的益气健脾法在临床实践中取得了较好的疗效,得到专家共同的推荐,被用于减少肿瘤患者化疗和术后的不良反应,恢复胃肠道功能,提高生活质量[6],但其具体作用机制仍不明确[7]。参苓白术散首载于《太平惠民和剂局方》,由人参、茯苓、白术、白扁豆、山药、甘草、莲子、砂仁、薏苡仁、桔梗10味中药组成,方中以人参、白术、茯苓为君药,人参补益脏器,白术健脾燥湿,茯苓既善健脾补虚,又兼利水渗湿,三者共达益气健脾之效;另加山药补脾养胃,薏苡仁健脾渗湿,白扁豆补脾化湿,莲子补脾止泻,共为臣药,加强健脾益气、渗湿止泻之功。砂仁为佐,醒脾和胃,行气化滞,桔梗和甘草为佐使,桔梗以宣肺利气,通调水道,引气上升,甘草则健脾和中,调和诸药。诸药合用,共奏健脾益气、和胃渗湿之效。脾胃健运,湿滞得化,水谷精微生化恢复,使患者衰弱的机体可以逐步好转。因此,本研究借助网络药理学对参苓白术散治疗肿瘤恶病质的有效成分及靶点进行预测,探讨其作用机制。
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从TCMSP数据库初步获取参苓白术散中人参、茯苓、白术、山药、白扁豆、薏苡仁、砂仁、桔梗、甘草成分949个,通过ADME参数筛选后获得179种活性成分,从BATMAN-TCM数据库筛选获取莲子17种活性成分。将靶点预测结果合并重复值,共获得544个靶点。
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检索Genecards、OMIM、Disgenet、DRUGBANK数据库,获得肿瘤恶病质相关靶点个数分别为1 792、499、110、9,筛选并去重后得到2 281个靶点。药物与疾病靶点交集得到181个共有靶点(图1),作为参苓白术散治疗肿瘤恶病质的潜在靶点。
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运用CytoScape 3.7.2构建参苓白术散的“药物-活性成分-靶点”网络图,见图2。图中共有336个节点(10个中药节点,145个活性成分节点,181个潜在靶点节点),1 385条边。通过Cytoscape 3.7.2内置的Network Analyzer功能分析参苓白术散治疗肿瘤恶病质的网络拓扑学参数,筛选网络中关键节点,排前10的活性成分节点拓扑参数见表1,排前10的靶点节点拓扑参数见表2。
表 1 参苓白术散排名前10的活性成分拓扑参数
编号 Mol ID 活性成分 连接度 介度 紧密度 来源 GC1 MOL000098 quercetin 81 0.271 114 0.436 767 甘草 K1 MOL000422 kaempferol 58 0.053 66 0.389 082 人参、甘草 LZ2 MOL000663 pyrolignous acid 55 0.274 946 0.394 582 莲子 S2 MOL000449 stigmasterol 40 0.031 101 0.381 115 人参、砂仁、山药、薏苡仁 JG1 MOL000006 luteolin 37 0.058 771 0.380 25 桔梗 B1 MOL000358 beta-sitosterol 34 0.039 925 0.391 813 人参、砂仁 GC5 MOL000392 formononetin 19 0.009 376 0.374 302 甘草 GC14 MOL003896 7-methoxy-2-methyl isoflavone 19 0.010 022 0.378 531 甘草 GC7 MOL000497 licochalcone a 17 0.013 409 0.375 14 甘草 JG2 MOL001689 acacetin 16 0.015 687 0.359 828 桔梗 表 2 “药物-活性成分-治疗靶点”网络排名前10治疗靶点拓扑参数分析
靶点 连接度 介度 紧密度 PTGS2 111 0.155 87 0.448 461 ESR1 82 0.063 534 0.355 249 HSP90AA1 76 0.054 254 0.406 061 AR 74 0.133 102 0.453 315 PPARG 69 0.028 901 0.389 988 NOS2 69 0.014 526 0.350 785 SCN5A 61 0.140 382 0.442 536 GSK3B 57 0.006 328 0.319 962 CHEK1 47 0.004 578 0.311 628 MAPK14 47 0.003 912 0.309 898 -
将在STRING构建的蛋白互作网络导入Cytoscape 3.7.2进行可视化,见图3。图中42个治疗靶点存在362条相互作用。对网络中的节点进行拓扑分析得出节点的平均度中心性(degree centrality,DC)为36.143 7,平均中介中心性(betweenness centrality,BC)为0.000 57,平均紧密中心性(closeness centrality,CC)为0.507 1,其中以上3个参数都大于平均值的节点有30个,其排名前10的参数详见表3。
表 3 PPI排名前10治疗靶点拓扑参数分析
靶点 连接度 介度 紧密度 AKT1 128 0.086 792 0.765 957 TP53 105 0.035 549 0.674 157 TNF 102 0.022 326 0.671 642 IL-6 100 0.020 958 0.669 145 MAPK3 98 0.017 936 0.664 207 CASP3 98 0.024 522 0.661 765 JUN 96 0.017 324 0.654 545 CTNNB1 93 0.033 266 0.654 545 HIF1A 93 0.031 81 0.640 569 EGFR 92 0.019 349 0.652 174 -
应用Metascape数据平台对参苓白术散治疗肿瘤恶病质的相关靶点进行信号通路分析,选择富集计数和-lgP 排名前20的与肿瘤恶病质相关结果,借助R语言将其进行可视化,结果见图4A。共同靶点主要参与的生物学过程,包括对有机环状化合物的细胞反应、对脂多糖的反应、对无机物质的反应、对生长因子的反应、凋亡信号通路、蛋白质磷酸化的正调控等;细胞的组成主要包括轴突、膜筏细胞质核周区;分子功能方面涉及蛋白质结构域特异性结合、RNA特异性聚合酶IIDNA-结合转录因子结合、氧化还原酶活性、激酶结合、磷酸酶结合、蛋白激酶活性等。
KEGG富集显示,参与的相关通路主要有癌症的途径、糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、癌症中的蛋白多糖、HIF-1信号通路、多巴胺能突触、5-羟色胺能突触、癌症中的转录失调、雌激素信号通路等,结果见图4B。
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运用Discovery Studio软件对靶点和化学成分进行分子对接,进一步说明靶点与化合物之间的结合性,其结合度越高,得分越高,对接结果见图5,图中横坐标代表靶蛋白,纵轴为参苓白术散活性成分,图中颜色越紫代表结合能越低,颜色越黄代表结合能越高,每个靶点均有活性成分与其对接,最低libdockscore>79。木蜡酸、豆甾醇、β谷甾醇与靶点对接值较高,ATK1、TP53、MAPK3、CASP3、JUN、EGFR等靶点与活性成分均有较高的对接值,选择部分活性成分绘制对接模式图见图6,可见活性成分与靶点之间形成氢键,结合稳定。
Molecular mechanism of Shenling Baizhu powder in treatment of cancer cachexia based on network pharmacology
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摘要:
目的 基于网络药理学方法分析参苓白术散治疗肿瘤恶病质的药理机制,为经典方剂临床拓展运用提供参考。 方法 通过TCMSP和BATMAN-TCM数据库获取参苓白术散处方中药的主要化学成分及其靶点,根据ADME筛选中药活性组分;通过OMIM、Genecards、Disgenet、DRUGBANK数据库获取肿瘤恶病质主要靶点,利用String平台进行蛋白质相互作用分析,构建PPI网络。采用Cytoscape3.7.2软件构建参苓白术散“药物-活性成分-靶点”网络,而后采用Metascape平台分析其参与的生物过程及通路,最后通过Discovery Studio进行分子对接验证。 结果 参苓白术散治疗肿瘤恶病质的核心活性成分为槲皮素、山柰酚、木蜡酸、豆甾醇、木犀草素、β谷甾醇等,核心靶点有AKT1、TP53、TNF、IL-6、MAPK3、CASP3、JUN、CTNNB1、HIF1A、EGFR等,分子对接验证亦显示,排名前10的活性成分中木蜡酸、豆甾醇、β谷甾醇与靶点大部分的结合活性较好。参苓白术散治疗肿瘤恶病质生物学通路主要是调节肿瘤相关通路、代谢相关通路及炎症因子和食欲相关通路等方面。 结论 本研究初步揭示了参苓白术散治疗肿瘤恶病质的多成分、多靶点、多通路的作用机制,为参苓白术散的临床开发利用提供理论基础。 Abstract:Objective To analyze the pharmacological mechanism of Shenling Baizhu powder in the treatment of cancer cachexia based on the network pharmacological method and provide a reference for the clinical application of classical traditional Chinese medicine(TCM) prescriptions. Methods Through TCMSP and BATMAN-TCM databases, the main chemical components and their targets of the TCM prescription of Shenling Baizhu powder were obtained, and the active components of the TCM were screened according to ADME. The main targets of cancer cachexia were obtained through OMIM, Genecards, Disgenet and DRUGBANK databases, and protein interaction analysis was conducted using String platform to build a PPI network. The “drug active ingredient target” network of Shenling Baizhu powder was constructed by Cytoscape 3.7.2 software, and then the biological processes and pathways involved were analyzed by using Metascape platform. Finally, molecular docking verification was conducted by Discovery Studio. Results The core active ingredients of Shenling Baizhu powder in the treatment of cancer cachexia are quercetin, kaempferol, pyrolignous acid, stigmasterol, luteolin, β-sitosterol, etc. The core targets are AKT1, TP53, TNF, IL-6, MAPK3, CASP3, JUN, CTNNB1, HIF1A, EGFR, etc. The molecular docking test also showed that the top 10 active ingredients, such as pyrolignous acid, stigmasterol and β-sitosterol, had good binding activities with most of the target sites. The biological pathway of Shenling Baizhu powder in treating cancer cachexia is mainly to regulate tumor related pathway, metabolism related pathway, inflammatory factors and appetite related pathway. Conclusion This study preliminarily revealed the mechanism of action of Shenling Baizhu powder in treating cancer cachexia with multi components, multi targets and multi pathways, which provided a basis for the clinical development and utilization of Shenling Baizhu powder. -
Key words:
- Shenling Baizhu powder /
- network pharmacology /
- cancer cachexia /
- molecular docking
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表 1 参苓白术散排名前10的活性成分拓扑参数
编号 Mol ID 活性成分 连接度 介度 紧密度 来源 GC1 MOL000098 quercetin 81 0.271 114 0.436 767 甘草 K1 MOL000422 kaempferol 58 0.053 66 0.389 082 人参、甘草 LZ2 MOL000663 pyrolignous acid 55 0.274 946 0.394 582 莲子 S2 MOL000449 stigmasterol 40 0.031 101 0.381 115 人参、砂仁、山药、薏苡仁 JG1 MOL000006 luteolin 37 0.058 771 0.380 25 桔梗 B1 MOL000358 beta-sitosterol 34 0.039 925 0.391 813 人参、砂仁 GC5 MOL000392 formononetin 19 0.009 376 0.374 302 甘草 GC14 MOL003896 7-methoxy-2-methyl isoflavone 19 0.010 022 0.378 531 甘草 GC7 MOL000497 licochalcone a 17 0.013 409 0.375 14 甘草 JG2 MOL001689 acacetin 16 0.015 687 0.359 828 桔梗 表 2 “药物-活性成分-治疗靶点”网络排名前10治疗靶点拓扑参数分析
靶点 连接度 介度 紧密度 PTGS2 111 0.155 87 0.448 461 ESR1 82 0.063 534 0.355 249 HSP90AA1 76 0.054 254 0.406 061 AR 74 0.133 102 0.453 315 PPARG 69 0.028 901 0.389 988 NOS2 69 0.014 526 0.350 785 SCN5A 61 0.140 382 0.442 536 GSK3B 57 0.006 328 0.319 962 CHEK1 47 0.004 578 0.311 628 MAPK14 47 0.003 912 0.309 898 表 3 PPI排名前10治疗靶点拓扑参数分析
靶点 连接度 介度 紧密度 AKT1 128 0.086 792 0.765 957 TP53 105 0.035 549 0.674 157 TNF 102 0.022 326 0.671 642 IL-6 100 0.020 958 0.669 145 MAPK3 98 0.017 936 0.664 207 CASP3 98 0.024 522 0.661 765 JUN 96 0.017 324 0.654 545 CTNNB1 93 0.033 266 0.654 545 HIF1A 93 0.031 81 0.640 569 EGFR 92 0.019 349 0.652 174 -
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