基于网络药理学探讨岗松挥发油的药理作用

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  【摘 要】 目的:基于网络药理学技术方法分析探讨岗松挥发油药理作用。方法:采用文献挖掘结合TCMSP、BATMAN-TCM、SEA、SwissTargetPrediction数据库收集岗松油化学成分及相关靶点,通过STRING数据库构建靶蛋白相互作用关系,利用DAVID数据库进行关键靶标的GO分析、KEGG通路富集、疾病及组织分布分析,并将分析结果导入Cytoscape软件进行可视化处理。结果:获取岗松油化学成分66个,对应靶点542个,筛选关键靶标46个,分布于32个器官组织,涉及相关疾病266种;GO和KEGG分析结果提示,岗松油可通过参与脂多糖相关反应、蛋白质定位建立的调控、细菌源分子相关反应、炎症反应等生物过程,作用于包括糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、癌症中的蛋白多糖通路、内分泌抵抗通路、IL-17信号通路在内的多种癌症、传染病、信号转导、内分泌和代谢相关通路等发挥作用。结论:本研究通过网络药理学对岗松油其发挥药理作用的活性成分、作用靶点及通路进行分析预测,为岗松油在医药方面的系统深入研發提供科学依据。
  【关键词】 岗松;挥发油;网络药理学;药效组分;药理作用;作用机制
  【中图分类号】R285   【文献标志码】 A    【文章编号】1007-8517(2020)18-0066-07
  
  Network Pharmacology Based-study on Pharmacological Effects and Mechanisms of Essential Oil from Baeckea frutescens
  JIA Chengjun1 WEI Zijiao2 GONG Wen2 QIAO Weili2 JIA Beixi2*
  1.Department of Pharmacy, Henan Province Hospital of TCM, Zhengzhou 450002, China;2.College of Pharmacy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China
  Abstract:Objective To study the bioactive ingredients, pharmacological effects, and mechanisms of essential oil in Baeckea frutescens L. by network pharmacology. Methods Chemical components and related targets were collected by literature and databases such as TCMSP, BATMAN-TCM, SEA and SwissTargetPrediction, and PPI network for key targets were constructed by STRING database, and analyses for GO, KEGG pathway, disease and tissue distribution were performed by the database DAVID. Results 66 chemical constituents of Baeckea frutescens essential oil and 542 corresponding targets were obtained. 46 key targets were selected, which referred to 266 diseases and distributed among 32 tissues. Results of GO and KEGG suggested the essential oil of Baeckea frutescens could participate in the response to lipopoly -saccharide, the regulation of establishment of protein localization, and the response to molecule of bacterial origin. The biological processes such as sub-related reactions and inflammatory reactions played roles in cancer, infectious diseases, signal trans -duction, endocrine, and metabolism, related to pathways including the AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications, the proteoglycans in cancer, endocrine resistance, and the IL-17 signaling pathway.Conclusions The bioactive ingredients, pharmacological effects, key targets, and pathways were analysed and predicted based on network pharmacology, which provided scientific basis in medicinal purpose for further research and development of the essential oil of Baeckea frutescens.   Keywords:Baeckea frutescens; Essential Oil; Network Pharmacology; Active Ingredients; Pharmacological Effect; Mechanism
  岗松Baeckea frutescens L.为桃金娘科岗松属植物,广布于东南亚及我国的南部地区,是重要的香料及药用植物资源。岗松挥发油为岗松枝叶经水蒸气蒸馏法制得,为淡黄色至淡棕黄色的澄清液体,具有特殊香味[1],以其为主要原料的香精产品、防蚊轻工品在市场上颇受青睐[2-3];此外作为广西习用中药收载于《广西中药材标准》、广西壮族自治区《壮药质量标准》,具有杀虫止痒、清热利湿、祛痱、止痛、除湿的功效[4-6]。
  网络药理学是在系统生物学、多向药理学和计算机技术基础上,以“疾病-基因-靶点-药物”相互作用网络为理念,运用专业的可视化网络分析软件及算法,对现有数据库信息进行虚拟筛选和网络预测,从而揭示药物对疾病网络的干预和影响;其研究的整体性与中药多成分、多靶點、多途径的作用特点相吻合,成为解析中药复杂体系的有利工具[7-9]。目前,岗松油多用于皮肤湿疹、淋病、瘙痒、疥疮、滴虫性阴道炎及脚癣的治疗,但缺乏较为系统深入的现代药理研究。本文拟采用网络药理学技术方法,通过分析构建“成分-靶标-通路-疾病-组织”网络,对岗松油药效组分、药理作用及其机制进行预测,为岗松油在医药领域的进一步研发利用提供科学依据。
  1 方法
  1.1 岗松挥发油化学成分及靶蛋白筛选 通过文献检索整理岗松挥发油化学成分,结合Pubchem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.gov/)获得岗松挥发油相关化学成分的CAS号及SMILES结构式,借助TCMSP(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)、BATMAN-TCM(http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/)、SEA(http://sea.bkslab.org/)及SwissTargetPrediction(http:// swissTarGetprediction.ch/)等数据库筛选化学成分相关靶蛋白,并导入Cytoscape 3.6.0构建岗松挥发油“成分-靶点”网络。
  1.2 PPI网络构建及关键靶标筛选 通过STRING 11.0数据库(https://string-db.org/),对岗松油化学成分靶标进行蛋白相互作用(PPI)分析,选择物种“Homo spaiens”,设定最低相互作用阈值为中等置信度“Medium confidence(0.4)”,并导入Cytoscape 3.6.0构建构建PPI网络图;结合网络拓扑分析,选取大于2倍平均度值(degree)的靶标作为关键靶标。
  1.3 GO分析及KEGG通路富集 利用生物学信息注释数据库DAVID(https://david.ncifcrf. gov/,Version 6.8),对岗松挥发油关键靶标进行GO功能和KEGG通路富集分析,设置标识符为“official gene symbol”,限定物种为“homo sapiens”,并通过R语言将GO、KEGG分析结果可视化。
  1.4 疾病及组织分析 利用DAVID数据库对岗松挥发油关键靶标进行疾病、组织富集分析,并导入Cytoscape 3.6.0 构建“疾病分析”“组织分布”网络图。
  2 结果与分析
  2.1 岗松挥发油“成分-靶点”网络 经文献及数据库检索收集岗松挥发油化学成分66个(表1),相关靶蛋白542个;利用Cytoscape 3.6.0构建“化学成分-靶点”网络如图1所示,该网络中共有608个节点,包括成分节点66个(方形)、靶点节点542个(圆形);2863条边,分别代表“成分-对应靶点”之间的相互关系;节点大小及颜色深浅与节点的degree值(网络中和该节点相连的节点数量)呈正比。其中,20、26、56、36、58、40、31、59、21、43、28、39、10、42、1、17、18、46等18个化合物的degree值较大,提示为岗松挥发油发挥药效的主要活性成分。
  2.2 关键靶标 通过STRING 11.0数据库构建542个靶蛋白相互作用关系,并导入Cytoscape 3.6.0中进行可视化处理;以大于平均degree(31.587)的2倍为标准,筛选出符合条件的46个关键靶标,结果如图2所示。
  2.3 GO生物功能与KEGG通路富集分析
  2.3.1 GO分析 通过GO分析,共确定了424个GO条目(Pvalue<10-6):细胞组分(CC)涉及膜筏、膜微结构域、膜区、质膜筏、小窝、基地外侧质膜等15个条目,分子功能(MF)涉及蛋白激酶结合、激酶结合、血红素结合、四吡咯结合、核受体结合等23个条目,生物过程(BP)涉及脂多糖相关反应、蛋白质定位建立的调控、细菌源分子相关反应、细胞对有机环状化合物的反应、炎症反应的调节等386个相关条目,GO富集结果如图3所示。
  2.3.2 KEGG分析 通过KEGG富集分析,共确定了92条相关通路(Pvalue<10-6),包括癌症相关通路(癌症中的蛋白多糖、癌症通路、胰腺癌、膀胱癌、前列腺癌等)、传染病相关通路(乙肝、利什曼病、结核、百日咳等)、信号转导通路(TNF信号通路、HIF-1信号通路等)、内分泌和代谢相关通路(糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、雌激素信号通路、催乳素信号通路等)等,KEGG通路分析结果如图4所示。
  2.4 疾病分析 使用DAVID数据库对关键靶点进行疾病分析,共得到266个相关疾病(Pvalue<10-6,FDR<0.01),主要涉及多种癌症疾病(结直肠癌、前列腺癌、乳腺癌、膀胱癌、肺癌等)、妇科疾病(子宫内膜异位症、复发性妊娠损失、绝经后的骨质疏松症等)、慢性疾病(慢性阻塞性肺疾病、2型糖尿病等)等。结果如图5所示。   
  2.5 组织分析 使用DAVID数据库对关键靶点进行组织分析(Pvalue<0.05),共得到32个相关组织,包括小脑(正常)、骨髓(BM-CD34+、BM-CD33+)、骨骼肌、扁桃体、颈神经节、唾液腺、肝脏(正常、肿瘤)等组织,结果如图6所示。图中圆形节点代表关键靶标,方形节点代表组织,节点颜色深浅与节点degree值呈正比。
  2.6 岗松挥发油关键靶标-作用通路-疾病-组织网络 将46个关键靶标及排名前10的KEGG通路、疾病、组织分析结果一起导入Cytoscape 3.6.0中构建“关键靶标-作用通路-疾病-组织”网络图,如图7所示。其中,圆形代表关键靶点(46个),六边形代表通路(10个),正方形代表疾病(10个),菱形代表组织(10个)。
  3 讨论
  挥发油类为岗松主要化学成分之一,文章基于网络药理学分析探讨其药效组分、药理作用及机制。通过数据库检索筛选岗松油化学成分66个,对应靶点542个,其中橙花叔醇、龙脑、丁香酚、乙酸橙花酯、香芹酚、α-Cadinol、α-Elemene、乙酸香叶酯、d-柠檬烯、百里香酚、γ-Eudesmol、冰片、芳樟醇等18个化合物在“化学成分-靶点”网络图中degree值较大,可作为主要活性成分;通过AKT1、ALB、IL6、MAPK3、TP53、VEGFA、SRC、TNF、CASP3等关键靶标,主要参与脂多糖相关反应、蛋白质定位建立的调控、细菌源分子相关反应、炎症反应等生物过程,作用于包括糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路、癌症中的蛋白多糖通路、内分泌抵抗通路、IL-17信号通路在内的多种癌症通路、传染病通路、信号转导通路、内分泌和代谢相关通路等发挥作用;且疾病分析和组织分布显示,岗松油主要作用于小脑、骨髓、骨骼肌、扁桃体等组织及器官,可对结直肠癌、前列腺癌、慢性阻塞性肺疾病、子宫内膜异位症等多种癌症、慢性疾病、妇科疾病及其他病症发挥治疗作用。
  含岗松油的多为外用制剂,对外治滴虫性阴道炎、皮肤湿疹、蛇蟲咬伤、烧烫伤等具有抗菌消炎、清洁护肤等作用[10-11],而对本研究所预测的多种癌症、慢性疾病及妇科病等尚未有报道;其中糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路表明[12-15],AGE、RAGE可通过诱导PI3K-Akt依赖的信号途径激活,进而产生NF-κB活性,促进细胞因子(如IL-1、IL-6、TNF-α)、促凋亡相关基因CASP3、细胞增殖导致肾功能不全相关基因CYCD1、及促血管形成相关基因VEGF等的表达,从而诱发糖尿病并发症;癌症相关通路表明[16-19],所筛选的关键靶标通过多通路多靶点,对下游多个通路进行整体调控,如激活cAMP信号通路进而激活PKA、激活PI3K-Akt信号通路进而连续激活PKB/Akt,使下游相关靶点磷酸化被激活或抑制等,这些作用通路均与癌症相关;因此,网络药理学分析在阐释传统药效机制的同时,也进一步挖掘了岗松油其可能的、潜在的药理作用。
  本研究通过构建岗松挥发油“化学成分-靶标-通路-疾病-组织”网络,分析探讨其发挥药理作用的活性成分、作用靶点及通路,为岗松油后续的系统深入研究提供理论依据。
  参考文献
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  (收稿日期:2020-05-03 編辑:程鹏飞)
  
  基金项目:国家自然科学基金(NO. U1804182);中国博士后科学基金(NO.2018M63084)。
  作者简介:贾成军(1971-),男,汉族,硕士,主管药师,研究方向为中药药理学。E-mail:94291404@qq.com
  通信作者:贾贝西(1982-),女,汉族,博士,讲师,研究方向为中药活性成分及质量评价。E-mail:jiabeixi@zzu.edu.cn
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