-
新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19),是指2019年始发、由严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型(severe acute respiratory syn-drome coronavirus 2,SARS-CoV-2)引起的肺炎。截至2020年4月5日,全球共确诊COVID-19患者1 093 349例,死亡58 620例[1]。目前尚无针对COVID-19的特异性治疗药物,一些化学药物包括氯喹/羟氯喹、洛匹那韦/利托那韦、瑞德西韦等正在临床开展随机对照研究。临床实践表明,清肺排毒汤和连花清瘟胶囊等多种中药方剂和制剂对COVID-19有良好的治疗效果。据国家卫生健康委员会报道,在我国确诊的COVID-19病例中,有74 187人使用了中医药,占91.5%;中医药能够缓解症状,减少轻型、普通型疾病向重型发展,提高治愈率、降低病死率,总有效率达90%以上[2]。
柴胡达胸合剂,曾用名为“强力肺炎1号”,是国医大师梅国强教授为痰热壅肺证COVID-19患者制定的中药处方[3]。柴胡达胸合剂由小柴胡汤、小陷胸汤、达原饮、止嗽散共同组方,包含柴胡、黄芩、法半夏、全瓜蒌、黄连、枳实、甘草、浙贝母、桔梗、百部、前胡、紫苑、款冬花、槟榔、草果、藿香、佩兰、虎杖共十八味中药。由于临床使用疗效显著,2020年2月23日,湖北省药品监督管理局下发制剂备案批件,包括柴胡达胸合剂在内的2个由湖北省中医院研制的医院制剂获批用于防治COVID-19[4]。
网络药理学是基于系统生物学和多向药理学技术和方法,通过构建“药物-基因-疾病”网络,分析药物在网络中与特定节点相互作用的关系,从整体角度探索药物与机体相互作用的一门学科[5]。2007年,Hopkins首次在Nature Biotechnology杂志上发表述评,提出网络药理学这一概念,并认为其为发现新药的新范式[6]。中药通过多成分、多靶点、多通路对疾病产生治疗作用,利用网络药理学方法,可系统阐明中药治疗疾病的药理作用机制[7]。
因此,本研究运用网络药理学方法,筛选柴胡达胸合剂治疗COVID-19的活性成分和作用靶点,构建“药材-活性成分-靶点”网络图,然后对靶点进行蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interac-tion, PPI)、GO基因注释和KEGG信号通路分析,为进一步阐明柴胡达胸合剂治疗COVID-19的药理作用机制提供理论依据。
-
柴胡达胸合剂“药材-性味归经”网络如图1所示,图中节点的大小代表该节点在网络中的度值。由图可知,度值最大的性味归经分别为寒(度值=8)、苦(度值=13)和肺经(度值=14)。
-
通过TCMSP平台检索到柴胡达胸合剂中的十八味药材共包含1 977个化合物。以OB≥30%,DL≥0.18及HL≥4 h为条件筛选并去重后,共得到221个活性成分。在TCMSP检索活性成分的作用靶点,并到Uniprot数据库中查找其标准名称,最后共得到259个作用靶点。柴胡达胸合剂的“中药-化合物-活性成分-靶点”信息,结果见表1。
表 1 柴胡达胸合剂的“中药-化合物-活性成分-靶点”信息表
中药名称 化合物(个) 活性成分(个) 靶点(个) 柴胡 349 14 165 黄芩 143 32 95 法半夏 116 11 70 全瓜蒌 80 7 8 黄连 48 10 153 枳实 65 14 98 甘草 280 76 198 浙贝母 17 4 29 桔梗 102 7 63 百部 110 18 82 前胡 101 11 157 紫菀 91 13 175 款冬花 148 19 155 槟榔 52 3 10 草果 59 5 136 藿香 94 9 147 佩兰 60 6 73 虎杖 62 8 159 -
通过检索GeneCards和OMIM数据库,共收集得到COVID-19相关基因352个。将柴胡达胸合剂的作用靶点和COVID-19相关基因取交集制作Venn图,共得到51个交集基因,即柴胡达胸合剂治疗COVID-19的作用靶点(图2)。
-
柴胡达胸合剂治疗COVID-19“药材-活性成分-靶点”网络共包含234个节点(药材节点18个,有效成分节点165个,靶点节点51个)。网络中棱形代表药材节点,倒三角代表有效成分节点,圆形代表靶点节点(图3)。节点的颜色越深或节点图形越大,表明该节点在网络中的度值越高。每一圈的最低点为该圈度值最大的节点,度值沿逆时针方向逐渐减小,且3个有效成分节点圈由外往里节点度值依次减小。网络中化合物节点中位数为4,高于2倍中位数的化合物节点共有12个(表2),这些化合物可能是柴胡达胸合剂治疗COVID-19的主要活性成分。
表 2 高于2倍度值中位数的化合物信息表
TCMSP数据库ID 化合物名称 对应药材 度值 MOL000098 槲皮素(quercetin) 草果、柴胡、甘草、虎杖、黄连、藿香、款冬花、前胡、紫菀 46 MOL000006 木犀草素(luteolin) 虎杖、桔梗、佩兰、枳实、紫菀 23 MOL000422 山奈酚(kaempferol) 柴胡、甘草、款冬花、紫菀 16 MOL000358 β-谷甾醇(beta-sitosterol) 百部、半夏、浙贝母、虎杖、黄芩、款冬花、前胡、紫菀 15 MOL000173 汉黄芩素(wogonin) 黄芩 14 MOL004328 柚皮素(naringenin) 甘草、枳实 13 MOL002714 黄芩素(baicalein) 半夏、黄芩 10 MOL000497 甘草查尔酮A(licochalcone A) 甘草 10 MOL001689 刺槐素(acacetin) 黄芩、桔梗 10 MOL005828 川陈皮素(nobiletin) 枳实 10 MOL000354 异鼠李素(isorhamnetin) 柴胡、甘草、紫菀 9 MOL005916 葛花苷元(irisolidone) 藿香 9 -
在“药材-活性成分-靶点”网络中的靶点节点不包含PPI信息,因此,对柴胡达胸合剂治疗COVID-19靶点进行PPI分析,结果如图4A所示。图中节点形状越大,表明其度值越高,越可能为柴胡达胸合剂治疗COVID-19的核心作用靶点。对网络中度值前30的节点作条形图,节点度值排名前10的蛋白为CASP3、MAPK3、IL-6、MAPK8、IL-10、CXCL8、MAPK1、IL-1B、PTGS2 和CCL2(图4B)。
-
GO基因注释将基因的功能分为3个部分:参与的生物学过程(biological process,BP),所处的细胞组分(cellular component,CC),执行的分子功能(molecular function,MF)。对柴胡达胸合剂治疗COVID-19的51个作用靶点进行GO基因注释,以P<0.05为条件进行筛选,结果得到GO条目共1 722个,其中BP条目1 612个,CC条目30个,MF条目80个。选取每个部分的前5个条目作气泡图,富集最多基因且P值最小的BP、CC和MF条目分别为脂多糖反应、膜筏和细胞因子受体结合(图5)。
-
对柴胡达胸合剂治疗COVID-19的51个作用靶点进行 KEGG 信号通路富集分析,筛选出P<0.05的信号通路156条,选取富集基因最多的10条通路作气泡图。排名前5的信号通路为糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、甲型流感、IL-17信号通路、TNF信号通路和乙型肝炎(图6)。
The mechanism study on Chaihudaxiong mixture in the treatment of coronavirus disease 2019 with network pharmacology approach
-
摘要:
目的 基于网络药理学方法探讨柴胡达胸合剂治疗新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的潜在药理作用机制。 方法 利用中药系统药理学数据库和分析平台(TCMSP)筛选柴胡达胸合剂活性成分和对应的作用靶点,并通过Uniprot数据库标准化靶点名称;在GeneCards和OMIM数据库检索冠状病毒相关基因,并与柴胡达胸合剂作用靶点取交集,筛选出治疗作用靶点;利用Cytoscape 3.7.2软件,构建和分析“药材-活性成分-靶点”网络图;通过String平台分析靶点蛋白相互作用,并使用R软件的相关包进行GO基因注释和KEGG信号通路分析。 结果 筛选出165个有效成分和51个作用靶点,进一步分析发现主要活性成分为β-谷甾醇和11个黄酮类化合物,核心作用靶点为CASP3、MAPK3、IL-6、MAPK8、IL-10、CXCL8、MAPK1、IL-1B等。GO基因注释得到GO条目共1 722个(P<0.05),其中生物学过程条目1 612个,细胞组成条目30个,分子功能条目80个。KEGG信号通路筛选出信号通路156条(P<0.05),富集基因较多的信号通路为糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、甲型流感、IL-17信号通路、TNF信号通路和乙型肝炎。 结论 该研究初步揭示了柴胡达胸合剂多成分、多靶点、多通路对COVID-19发挥治疗作用的特点,为进一步阐明柴胡达胸合剂治疗COVID-19的药理作用机制提供理论依据。 Abstract:Objective To investigate the pharmacological mechanism of Chaihudaxiong mixture in the treatment of coronavirus disease 2019 (COVID-19) based on a network pharmacology approach. Methods The effective ingredients and targets of Chaihudaxiong mixture were collected from Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform (TCMSP). The targets’ names were standardized by Uniprot database. Genes associated with coronavirus were obtained from the GeneCards and OMIM, which were intersected with effective therapeutic targets. A "herbs-ingredients-targets" network was compiled and analyzed by Cytoscape 3.7.2. The protein-protein interaction of the targets was analyzed by String. The GO gene annotation and KEGG signaling pathway analysis were performed using related packages of the R software. Results A total of 165 active ingredients and 51 targets were collected. Further analysis revealed that the main active ingredients were β-sitosterol and 11 flavonoids. The core targets were CASP3, MAPK3, IL-6, MAPK8, IL-10, CXCL8, MAPK1 and IL-1B. A total of 1722 GO entries were obtained from the GO gene annotation (P<0.05), including 1612 entries for biological processes, 30 entries for cell composition, and 80 entries for molecular functions. 156 signaling pathways (P<0.05) were obtained with KEGG signaling pathway screen. The important signaling pathways were AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complication, Influenza A, IL-17 signaling pathway, TNF signaling pathway and hepatitis B. Conclusion This study revealed the synergistic features of multi-component, multi-target, and multi-pathway of Chaihudaxiong mixture in the treatment of COVID-19, which provided an important scientific basis for further understanding the mechanism of Chaihudaxiong mixture in the treatment of COVID-19. -
表 1 柴胡达胸合剂的“中药-化合物-活性成分-靶点”信息表
中药名称 化合物(个) 活性成分(个) 靶点(个) 柴胡 349 14 165 黄芩 143 32 95 法半夏 116 11 70 全瓜蒌 80 7 8 黄连 48 10 153 枳实 65 14 98 甘草 280 76 198 浙贝母 17 4 29 桔梗 102 7 63 百部 110 18 82 前胡 101 11 157 紫菀 91 13 175 款冬花 148 19 155 槟榔 52 3 10 草果 59 5 136 藿香 94 9 147 佩兰 60 6 73 虎杖 62 8 159 表 2 高于2倍度值中位数的化合物信息表
TCMSP数据库ID 化合物名称 对应药材 度值 MOL000098 槲皮素(quercetin) 草果、柴胡、甘草、虎杖、黄连、藿香、款冬花、前胡、紫菀 46 MOL000006 木犀草素(luteolin) 虎杖、桔梗、佩兰、枳实、紫菀 23 MOL000422 山奈酚(kaempferol) 柴胡、甘草、款冬花、紫菀 16 MOL000358 β-谷甾醇(beta-sitosterol) 百部、半夏、浙贝母、虎杖、黄芩、款冬花、前胡、紫菀 15 MOL000173 汉黄芩素(wogonin) 黄芩 14 MOL004328 柚皮素(naringenin) 甘草、枳实 13 MOL002714 黄芩素(baicalein) 半夏、黄芩 10 MOL000497 甘草查尔酮A(licochalcone A) 甘草 10 MOL001689 刺槐素(acacetin) 黄芩、桔梗 10 MOL005828 川陈皮素(nobiletin) 枳实 10 MOL000354 异鼠李素(isorhamnetin) 柴胡、甘草、紫菀 9 MOL005916 葛花苷元(irisolidone) 藿香 9 -
[1] WHO. Coronavirus disease (COVID-19) situation dashboard [EB/OL]. (2020-04-05)[2020-04-05]. https://experience.arcgis. com/experience/685d0ace521648f8a5beeeee1b9125cd. [2] 长江网. 九成以上新冠肺炎患者使用中医药治疗, 有效率超九成[EB/OL]. (2020-03-23)[2020-04-05]. http://www.cjrbapp.cjn.cn/toutiao/p/169144.html. [3] 巴元明, 李晓东, 闵晓俊, 等. 湖北省中医院新型冠状病毒肺炎中医药防治方案(第三版)[J].湖北中医杂志,2020,42(2):7-8. [4] 长江网. 用于治疗新冠肺炎, 省中医院“肺炎1号”“强力肺炎1号”医院制剂获批备案[EB/OL]. (2020-02-24)[2020-04-05]. http://www.cjrbapp.cjn.cn/p/163360.html. [5] 周文霞, 程肖蕊, 张永祥. 网络药理学: 认识药物及发现药物的新理念[J]. 中国药理学与毒理学杂志, 2012, 26(1):4-9. doi: 10.3867/j.issn.1000-3002.2012.01.002 [6] HOPKINS A L. Network pharmacology[J]. Nat Biotechnol,2007,25(10):1110-1111. doi: 10.1038/nbt1007-1110 [7] 陈海彬, 周红光, 李文婷, 等. 网络药理学: 中药复方作用机制研究新视角[J]. 中华中医药杂志, 2019, 34(7):2873-2876. [8] 李玉洁, 张为佳, MAYUREE T, et al. “苦寒”方药性效解[J]. 中医杂志, 2014, 55(19):1630-1634. [9] 祝寅淏, 王帅, 李瑶, 等. 黄酮类化合物药理作用的研究进展[J]. 吉林医药学院学报, 2018, 39(3):219-223. [10] 龚金炎, 张英, 吴晓琴. 黄酮类化合物抗病毒活性的研究进展[J]. 中草药, 2008, 39(4):623-627. doi: 10.3321/j.issn:0253-2670.2008.04.048 [11] NGUYEN T T, WOO H J, KANG H K, et al. Flavonoid-mediated inhibition of SARS coronavirus 3C-like protease expressed in Pichia pastoris[J]. Biotechnol Lett,2012,34(5):831-838. doi: 10.1007/s10529-011-0845-8 [12] RYU Y B, JEONG H J, KIM J H, et al. Biflavonoids from Torreya nucifera displaying SARS-CoV 3CLpro inhibition[J]. Bioorg Med Chem,2010,18(22):7940-7947. doi: 10.1016/j.bmc.2010.09.035 [13] LIN C W, TSAI F J, TSAI C H, et al. Anti-SARS coronavirus 3C-like protease effects of Isatis indigotica root and plant-derived phenolic compounds[J]. Antiviral Res,2005,68(1):36-42. doi: 10.1016/j.antiviral.2005.07.002 [14] GRIFONI A, SIDNEY J, ZHANG Y, et al. A sequence homology and bioinformatic approach can predict candidate targets for immune responses to SARS-CoV-2[J]. Cell Host Microbe,2020,27(4):671-680. doi: 10.1016/j.chom.2020.03.002 [15] 孔艺, 吴红卫, 陈永, 等. 基于网络药理学和分子对接探讨痰热清注射液治疗新型冠状病毒肺炎机制[J].中草药,2020, 51(7):1785-1794. [16] TAN Y J, FIELDING B C, GOH P Y, et al. Overexpression of 7a, a protein specifically encoded by the severe acute respirato-ry syndrome coronavirus, induces apoptosis via a caspase-dependent pathway[J]. J Virol,2004,78(24):14043-14047. doi: 10.1128/JVI.78.24.14043-14047.2004 [17] ZHOU Y, FU B, ZHENG X, et al. Aberrant pathogenic GM-CSF+T cells and inflammatory CD14+CD16+ monocytes in severe pulmonary syndrome patients of a new coronavirus[J/OL]. bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2020.02.12.945576. [18] WONG C K, LAM C W, WU A K, et al. Plasma inflammatory cytokines and chemokines in severe acute respiratory syndro-me[J]. Clin Exp Immunol,2004,136(1):95-103. doi: 10.1111/j.1365-2249.2004.02415.x [19] HUANG C L, WANG Y M, LI X W, et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China[J]. Lancet,2020,395(10223):497-506. doi: 10.1016/S0140-6736(20)30183-5 [20] HODGE D R, HURT E M, FARRAR W L. The role of IL-6 and STAT3 in inflammation and cancer[J]. Eur J Cancer,2005,41(16):2502-2512. doi: 10.1016/j.ejca.2005.08.016