本研究旨在通过网络药理学与基因表达综合数据库(GEO)数据的协同整合,阐明外用药物给药的作用机制。本文评估了湿毒膏(SDG)治疗肛门湿疹的可行性、作用靶点及作用机制。
方法文章
* These authors contributed equally
本研究旨在通过网络药理学与基因表达综合数据库(GEO)数据的协同整合,阐明外用药物给药的作用机制。本文评估了湿毒膏(SDG)治疗肛门湿疹的可行性、作用靶点及作用机制。
肛周湿疹是一种影响肛门周围区域的慢性复发性炎症性皮肤病。虽然病变主要发生在肛门及肛周皮肤,但也可能累及会阴或生殖器区域。研究发现,湿毒膏(SDG)对缓解肛门瘙痒、控制渗出、减少潮湿以及促进皮肤修复具有显著疗效。然而,湿毒膏在肛周湿疹中的基因靶点及其药理作用机制尚未得到系统阐明和深入探讨。因此,本研究采用网络药理学方法,并结合基因表达综合数据库(GEO)数据集分析相关基因靶点。此外,构建了蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI),在“药物-靶点-疾病”相互作用网络中最终确定了149个靶点,其中59个被认定为核心基因。
通过使用京都基因与基因组百科全书(KEGG)和基因本体(GO)分析,评估了SDG在治疗肛周湿疹中的基因功能。随后,采用分子对接方法验证了网络药理学分析所识别的SDG抗肛周湿疹作用及其潜在通路。SDG靶向基因和蛋白质在治疗肛门湿疹过程中主要涉及的生物学过程包括细胞因子介导的反应、炎症反应以及对脂多糖的反应等。通路富集和功能注释分析结果表明,SDG通过调控志贺菌病(Shigellosis)和单纯疱疹病毒1型感染通路,在预防和管理肛周湿疹中发挥关键作用。网络药理学与GEO数据库分析证实,SDG在治疗肛周湿疹中具有多靶点特性,特别是通过调控TNF、MAPK14和CASP3等关键枢纽靶点,这些靶点在TNF和MAPK信号通路中至关重要。这些发现为深入研究SDG治疗肛周湿疹的作用机制提供了明确方向,同时凸显了其作为该难治性疾病有效治疗策略的潜力。
肛周湿疹是一种影响肛周区域及黏膜的过敏性皮肤病,具有多种临床表现1。其典型症状包括肛门红斑、丘疹、水疱、糜烂、渗出及结痂。这些症状大多由患处搔抓、皮肤增厚及粗糙引起2。
肛门湿疹病程较长,易反复发作,治疗困难,可能对患者的身心健康产生不良影响3。肛门湿疹的发病机制尚不明确,现代医学认为可能与局部肛门病变、饮食、环境、遗传及其他因素有关4。除避免接触刺激物和潜在过敏原外,肛门湿疹的治疗主要集中在抑制炎症、抗过敏和止痒等方法上5。
SDG 已被广泛用于治疗肛门湿疹及其他肛门疾病。SDG 可调节肛门皮肤渗出,减少潮湿,修复肛门皮肤,并有效缓解瘙痒6,7,8。此外,SDG 还可能通过调节肛周微生物群,从而改善肛门湿疹9,10。
网络药理学是一门新颖的、跨学科的前沿生物信息学方法,属于人工智能与大数据领域的研究范畴,为深入探索中医药提供了新的途径。该学科强调从生态网络的视角,系统阐述药物与疾病之间的分子关联规律。目前已被广泛应用于多个方面,包括鉴定中药提取物中的关键活性成分、解析其整体作用机制、设计药物组合以及研究方剂配伍规律等。传统中药方剂具有多组分、多靶点的特性,显示出其与网络药理学领域高度契合的优势。在该方法的推动下,复杂中医药体系的研究获得了全新的视角,为临床应用的合理化和药物创新提供了强有力的技术支持11,12,13,14。
本研究旨在探讨SDG治疗肛周湿疹的作用机制。该研究通过网络药理学与GEO数据集的协同整合,系统阐明了外用药物作用机制。研究结果为SDG在肛周湿疹管理中的疗效及其潜在机制提供了有价值的见解,表明其在该疾病治疗中具有良好的应用前景。本研究的详细工作流程图见图1。
本研究未涉及伦理审批及参与同意。本研究使用的数据来自基因数据库。
1. 疾病靶点的预测
2. 活性组分的筛选
3. 蛋白质相互作用网络的构建及核心蛋白的筛选
4. 构建药物-成分-疾病-靶点网络
5. GO 与 KEGG 富集分析
6. GEO 基因芯片数据集分析
7. 分子对接
肛门湿疹相关基因、SDG 靶基因及共同靶点
在 Genecards 数据库中筛选出 958 个潜在基因候选,在 OMIM 数据库中筛选出 634 个,排除重复项后。为全面了解肛门湿疹相关基因,整合多个数据库的结果,共获得 958 个不同的基因。据此,精心构建了针对肛门湿疹的蛋白质-蛋白质相互作用网络(PPI)。SDG 由五味中药组成,分别为青黛、黄柏、煅石膏、炉甘石和五倍子15,16。其中,煅石膏的主要成分为无水硫酸钙(CaSO4),炉甘石的主要成分为碳酸锌(ZnCO3)。青黛、黄柏和五倍子成分较为复杂。通过 TCMSP 数据库查询,这些药物共含有 92 种化合物成分,获得 867 个可靠的药物作用靶点(表 1)。
通过叠加两个目标基因数据集,共确定了149个频繁共现的目标基因(图2A),随后构建了关键靶蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络(图2B)。采用基于度、接近性和介数的中位数筛选方法,从中选出59个关键靶点作为潜在的肛周湿疹药物靶点。这些关键靶点的中位度值、接近性值和介数值分别为49、40.31947和0.522。度值排名前十的基因包括AKT1、TNF、TP53、EGFR、STAT3、SRC、JUN、CASP3、HRAS和PTGS2(表2)。这些基因与肛周湿疹密切相关。
涉及共同靶点的通路与网络
采用 KEGG 和 GO 富集分析方法对 59 个关键靶点进行分析,共揭示 218 条相关通路及超过 3000 个相关生物学过程。分析发现与 SDG 及肛周湿疹蛋白密切相关的一系列通路,包括樱桃小果病毒 1 感染、志贺菌病、TNF 信号通路、EGFR 酪氨酸激酶抑制剂耐药、人巨细胞病毒感染以及 T 细胞受体信号通路(图3A)。这些通路主要与 AKT1、TNF、TP53、STAT3、SRC、EGFR 和 CASP3 等基因相关。 图3B 对目标基因和通路进行了详细描述。对生物过程(BP)、细胞组分(CC)和分子功能(MF)进行了GO分析(图 4A结果表明,本研究主要关注生物过程中SDG与肛周湿疹的共同作用靶点,少数与CC和MF相关。特别相关的生物功能包括肽-酪氨酸磷酸化、肽-酪氨酸修饰、细胞间黏附的调控、细胞黏附的正向调控、T细胞活化、白细胞细胞间黏附的调控(图4B-D).
预测 SDG 活性成分与肛周湿疹靶点的结合
基于度、接近性和介数的中位数值,筛选出 59 个关键靶点,包括 AKT1、TNF、TP53、EGFR、STAT3、SRC、JUN、CASP3、HRAS 和 PTGS2。进一步分析 GEO 数据库发现,在实验组(特应性皮炎)中,PPARG、EGFR 和 TNF 表达上调,而 PTPRC、MMP9、MAPK14 和 CASP3 表达下调(图 5)。通过对共有基因的通路富集分析,确定这些基因主要参与 TNF 信号级联和 MAPK 信号通路。在 TNF 信号通路中,TNF 表达上调,而 MMP9、MAPK14 和 CASP3 表达下调;在 MAPK 信号通路中,EGFR 和 TNF 表达上调,而 MAPK14 和 CASP3 表达下调(图 6)。根据这些结果,TNF、MAPK14 和 CASP3 被认为是 SDG 治疗中的潜在作用靶点。
为验证SDG活性成分中的候选靶点,采用分子对接分析来检验活性成分结构与潜在靶蛋白之间的结合准确性。这些靶蛋白参与多种功能连接,且在网络中属于高度连接节点,表明其在SDG对肛周湿疹的响应中发挥关键作用。对接结合能的负值反映了SDG在体内与疾病靶点结合的能力,负值越小表示越容易发生对接。本研究成功实现了核心活性成分与关键靶点蛋白的分子对接,对接结合能为负值,且均小于-1 kcal/mol。其中,靛蓝和小檗红碱表现出良好的结合活性,结合能小于-5 kcal/mol(表3,图7)。综上所述,这些结果进一步证明,对应于基因位点的这些蛋白可作为SDG治疗肛周湿疹的作用靶点。

图 1:网络药理学分析流程图。 GO,基因本体论;KEGG,京都基因与基因组百科全书;TCMSP,中药系统药理学数据库与分析平台;GEO,基因表达综合数据库。请点击此处查看此图的高清版本。

图2:共同靶点的Venn图与PPI网络。(A)药物靶点与疾病靶点交集的Venn图。(B)通过STRING构建的共同靶点PPI网络。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:KEGG通路富集分析。(A)KEGG通路富集分析。前10条KEGG通路按P值升序排列。(B)通路与靶点之间的关联:通路(黄色),靶点(红色)。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:GO富集分析。(A)三个本体的GO结果。(B)生物学过程(BP)气泡图。(C)细胞组分(CC)气泡图。(D)分子功能(MF)气泡图。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:预测潜在靶点结果。(A)GEO数据库中枢纽基因表达的热图,A组为实验组(特应性皮炎),B组为对照组(非特应性皮炎);(B)PPI网络中节点代表蛋白质,边代表相互关系。请点击此处查看此图的放大版本。

图 6:信号通路。 (A)MAPK 信号通路。(B)TNF 信号通路。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 7:核心基因与活性成分的分子对接。 品红色表示 SDG 的核心成分,蓝色表示核心基因的残基。 请点击此处查看此图的放大版本。
| 传统中药 | 活性成分 | ||
| 青黛 | 9alpha,13alpha-二羟基异丙叉基异靛素a、双靛蓝素、靛蓝苷、异丝氨酸B、异靛素a、异牡荆素、异佛手柑素、异木犀草素、(+)-异落叶松脂素、10h-吲哚[3,2-b]喹啉酮、异靛、皂皮素、靛蓝、色胺酮、6-(3-氧代吲哚啉-2-亚基)吲哚[2,1-b]喹唑啉-12-酮 | ||
| 靛玉红、β-谷甾醇、落叶松脂素、正二十九烷、异木犀草素、二十二醇 | |||
| 黄柏 | 小檗碱、药根碱、达乌里素(8CI)、爪哇苷、(±)-松脂素、吉达内酯A、奥卡诺酸、奥卡酮、黄柏酮、黄柏酮_qt、黄柏碱、Δ7-豆甾烯醇、黄柏酮、香草苷、松脂苷、脱氢丹参酮II A、Δ7-脱氢吴茱萸碱、阿穆林、阿穆林_qt、二氢尼罗替辛、异紫花前胡素B、吉达内酯B、吉达宁A、尼罗替辛、诺米林、吴茱萸次碱、山柑子碱、白屈菜红碱、豆甾醇、吴伦因、油菜甾醇基阿魏酸酯、卡维丁、蜡毒素A、猴头菌素H、异紫花前胡酮、丁香苷、β-谷甾醇、马格兰二内酯、(2S,3S)-3,5,7-三羟基-2-(4-羟基苯基)色烷-4-酮、棕榈素A、木兰花碱、山麦冬碱、巴马汀、延胡索乙素、异紫番荔枝碱、槲皮素、麦芽甾苷、铁线子烯 | ||
| STOCK1N-14407、箭毒碱、山麦宁、黄柏苷_qt、(S)-加拿大碱、哥伦巴胺、海绵甾-5-烯-3β-醇、木兰花碱、黄柏红碱、黄柏碱、柠檬苦素、金丝桃苷、油菜甾醇、SMR000232320、坎汀-6-酮、4-[(1R,3aS,4R,6aS)-4-(4-羟基-3,5-二甲氧基苯基)-1,3,3a,4,6,6a-六氢呋喃[4,3-c]呋喃-1-基]-2,6-二甲氧基苯酚、二氢尼罗替辛、苦楝酮、黄柏酚、塔里芬定、香草苷、阿魏酸香叶酯 | |||
| 煅石膏 | 无水硫酸钙 (CaSO4) | ||
| 炉甘石 | 碳酸锌 (ZnCO3) | ||
| 五倍子 | 没食子酸双酯 | ||
表1:SDG中的活性成分。
| 基因 | 度 | 介数中心性 | 接近中心性 |
| AKT1 | 204 | 1669.1692 | 0.765625 |
| TNF | 202 | 1988.4543 | 0.761658 |
| TP53 | 190 | 1590.9288 | 0.73134327 |
| EGFR | 174 | 686.3063 | 0.7033493 |
| STAT3 | 168 | 673.03723 | 0.6869159 |
| SRC | 162 | 568.1574 | 0.69014084 |
| JUN | 162 | 435.33737 | 0.6805556 |
| CASP3 | 156 | 483.45276 | 0.67431194 |
| HRAS | 148 | 515.28815 | 0.65625 |
| PTGS2 | 134 | 761.34094 | 0.6447368 |
表2:前10个枢纽基因的特征。
| 靶标(PDB ID) | 亲和力(kcal/mol) | ||
| 靛蓝 | 小檗红碱 | 没食子酸双酯 | |
| TNF (1A8M) | -5.96 | -5.19 | -2.22 |
| MAPK14 (1A9U) | -5.51 | -5.41 | -1.93 |
| CASP3 (1CP3) | -5.77 | -4.98 | -1.06 |
表3:成分与核心基因的分子对接结合能。
特应性皮炎是一种与湿疹具有共同潜在机制的特定类型湿疹。被认为与此疾病相关的枢纽基因包括TNF、MAPK14和CASP3。SDG对肛周湿疹的治疗作用主要归因于其通过这三个枢纽基因作用于TNF和MAPK信号通路17。
SDG 包含五种不同的药物:青黛、黄柏、煅石膏、炉甘石和五倍子。在中医理论中,煅石膏和炉甘石具有促进伤口愈合和燥湿的作用,而青黛、黄柏和五倍子则具有清热、解毒、燥湿的功效。这些药材配伍使用,可达到祛湿、促进伤口愈合、清热和祛风的效果18。
既往研究表明,SDG的主要成分具有抗炎特性。靛玉红(IN)已被证实可用于治疗结肠炎、银屑病和急性早幼粒细胞白血病19,20,21。IN的作用机制可能与其抑制TLR4/MyD88/NF-kB信号转导通路有关,该通路可减轻炎症反应,并促进溃疡性结肠炎(UC)患者肠黏膜的修复。此外,IN还可调节肠道菌群,这已在DSS诱导的UC小鼠模型中得到证实22,23。近期研究指出,UC常伴随肠道微生物组失衡。IN能够有效重建肠道生态平衡,并依赖肠道菌群发挥对胃肠道系统的保护作用24。通过促使促炎性细胞因子向抗炎性细胞因子转化,金丝桃素可减少T淋巴细胞的增殖以及树突状细胞(DC)诱导的T细胞活化和IL-12p70细胞因子的分泌,从而促进DC与调节性T细胞(Treg)之间的相互作用25。皂苷元和菜油甾醇可作为具有抗过敏效应的天然抗炎剂发挥作用26,27,28。靛红乙酸酯具有抗菌活性29。苦楝子内酯对真菌及微生物菌群均表现出显著的抑制作用,可能有助于肛周湿疹的治疗30,31。
研究发现,痤疮、刺激性接触性皮炎和过敏性接触性皮炎等皮肤疾病的严重程度与肠道微生物群有关。比较急性与慢性肛周湿疹患者的微生物群分布,结果显示,急性肛周湿疹患者的葡萄球菌属微生物群丰度高于慢性组32。患有特应性湿疹且肠道微生物组多样性较低的婴儿,其微生物丰度与皮肤疾病之间存在相关性33。基于SDG中各种成分对肠道菌群的影响,不能排除SDG通过调节微生物群改善肛周湿疹的可能性。此外,SDG中的苦楝酮还可作用于真菌,从而预防肛周湿疹。
作用机制研究被公认为中药方剂研究中最复杂的方面。目前,网络药理学已渗透到药物研究领域的各个方面,标志着从传统医学向现代生物医学的范式转变,并重新定义了中医药的发展路径34,35,36。该方法以网络靶点为基础,构建连接中药、活性成分、作用靶点与疾病的网络图谱,以预测相关治疗靶点。网络药理学能够全面阐明药物与疾病靶点之间的相互作用,并系统分析关联性网络机制,从而预测关键的代谢通路。该方法已被战略性地应用于多种中药作用机制的研究。此外,通过构建疾病-药物-靶点蛋白质相互作用(PPI)网络,并结合KEGG和GO富集通路的分析,网络药理学有助于预测中药干预疾病过程的复杂机制,并深入探究疾病的发病机制37,38,39。本研究结合网络药理学与GEO数据集,以揭示局部用药的作用机制。
网络药理学分析仅能预测药物成分和靶点,要验证其精确机制仍需通过动物实验或临床试验。本研究仅采用了分子对接模拟验证,未开展动物实验或临床试验进行验证。所提出的中药网络药理学框架通过整合单味药材的预测靶点进行分析,但其准确性相对较低。引入GEO数据集可显著提高该方法的预测精度。
本研究采用纯数据生成方法,通过整合多个数据库以最大化数据利用率。尤其对于一些难以构建动物模型的疾病,主要利用在线数据预测和验证疾病及药物靶点,从而为后续实验验证提供研究方向并奠定良好基础。
作者无任何利益冲突需要披露。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AutoDockTools | AutoDock | https://autodocksuite.scripps.edu/adt/ | |
| Cytoscape 3.9.1 | Cytoscape | https://cytoscape.org/ | |
| GeneCards 数据库 | GeneCards | https://www.genecards.org | |
| GEO 数据库 | 美国国家生物技术信息中心 | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ | |
| GEO2R 工具 | 美国国家生物技术信息中心 | https://ncbi.nlm.nih.gov/geo/geo2r/ | |
| Metascape | Metascape | https://metascape.org/ | |
| 人类孟德尔遗传在线数据库 | OMIM | https://www.omim.org | |
| RCSB 蛋白质数据库 | RCSB 蛋白质数据库 (RCSB PDB) | http://www.pdb.org/ | |
| STRING 数据库 | STRING | https://string-db.org/ | |
| Swiss ADME 数据库 | 瑞士生物信息学研究所 | http://www.swissadme.ch/index.php | |
| 中药系统药理学数据库 (TCMSP) | 中药系统药理学数据库与分析平台 | http://tcmspw.com/tcmsp.php | |
| Venny 2.1 | BioinfoGP | https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html |