王梅,唐志書(shū),劉妍如,宋忠興,周瑞,許洪波,于金高,趙夢(mèng)利,周建平
1.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 附屬醫(yī)院,陜西 咸陽(yáng) 712083;2.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心/秦藥特色資源研究開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育)/ 陜西省創(chuàng)新藥物研究中心,陜西 咸陽(yáng) 712083;3.清華德人西安幸福制藥有限公司,陜西 西安 710043
新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模傳播是2020年初流行病學(xué)的重大事件,其危害及規(guī)模已超過(guò)H1N1流感。雖然目前我國(guó)對(duì)COVID-19采取了有效的控制措施,使其確診率大大降低;然而,2020年3月9日,世衛(wèi)組織發(fā)布的最新COVID-19情況報(bào)告稱(chēng),當(dāng)前COVID-19在全球100多個(gè)國(guó)家地區(qū)蔓延,病例數(shù)超10萬(wàn),COVID-19成為大流行(病)的威脅已變得非?,F(xiàn)實(shí)。有研究表明病毒已經(jīng)出現(xiàn)變異,每個(gè)國(guó)家病毒的傳染性和毒性有了不同改變,而針對(duì)新型冠狀病毒[世界衛(wèi)生組織(WHO)將其命名為2019 novel coronavirus(2019-nCoV),國(guó)際病毒分類(lèi)委員會(huì)將其命名為severe acute respiratory syndrome coronavirus 2(SARS-CoV-2)]的疫苗尚未研制成功,有效干預(yù)COVID-19的上市藥物也很少,其臨床有效性和安全性仍待觀察。在無(wú)明確病因、無(wú)特效藥、無(wú)疫苗的情況下,我國(guó)中醫(yī)發(fā)揮所長(zhǎng),針對(duì)COVID-19“濕、熱、毒、瘀”的核心病機(jī),側(cè)重增強(qiáng)機(jī)體的抵抗能力和修復(fù)能力,不斷開(kāi)發(fā)出“對(duì)癥”的復(fù)方方劑,為疫情控制提供了有效的防治策略。
熱炎寧合劑是《陜西省新型冠狀病毒感染的肺炎中醫(yī)藥治療方案(試行第二版)》中對(duì)于治療COVID-19臨床輕、重癥的推薦指定用藥。該制劑由半枝蓮、虎杖、北敗醬和蒲公英組成,具有清熱解毒、消癰散結(jié)的功效[1]。為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)熱炎寧合劑對(duì)COVID-19的干預(yù)作用,篩選其中具有抗2019-nCoV活性的成分。本研究基于中醫(yī)藥整體性、系統(tǒng)性的研究策略,采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法構(gòu)建“中藥-成分-疾病-靶點(diǎn)”關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),從整體預(yù)測(cè)藥物靶點(diǎn)、作用通路和干預(yù)機(jī)制,以分子對(duì)接技術(shù)對(duì)抗病毒活性成分進(jìn)行虛擬篩選,以闡釋其治療作用內(nèi)涵。
1.1.1化學(xué)成分收集與篩選 從中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析平臺(tái)(TCMSP,http://www.tcmspw.com)、中國(guó)天然產(chǎn)物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www. pharmdata.ac.cn/cnpconline/)中,以熱炎寧中組方中藥蒲公英、虎杖、北敗醬和半枝蓮為搜索詞,收集各組方中藥的主要化學(xué)成分[2]。以口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%或類(lèi)藥性(Drug Likeness,DL)≥0.18作為進(jìn)一步篩選條件。
1.1.2“成分-疾病”靶點(diǎn)篩選 從TCMSP、Drugbank(https://www.drugbank.ca/)、Pubchem(http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索化合物對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn),以UniProt數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.uniprot.org/uniprot/)對(duì)收集的靶點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范化和校正,建立成分相關(guān)的基因靶點(diǎn)列表。以“SARS(Severe Acute Respiratory Syndrome)”“Respiratory Failure”為關(guān)鍵詞,在OMIM數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim)、MalaCards數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.malacards.org/)和TTD數(shù)據(jù)庫(kù)(Therapeutic Targets Database,http://bidd.nus.edu.sg/BIDD-Databases/TTD/TTD.asp)中搜索已報(bào)道的與冠狀病毒感染相關(guān)的基因。剔除重復(fù)和假陽(yáng)性基因后,建立冠狀病毒感染相關(guān)的靶點(diǎn)基因列表。
1.1.3“成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 對(duì)上述得到的成分相關(guān)靶點(diǎn)和疾病相關(guān)靶點(diǎn)取靶點(diǎn)交集。將交集內(nèi)靶點(diǎn)以STRING 11.0數(shù)據(jù)庫(kù)(https://string-db.org/),查詢蛋白相互作用信息,構(gòu)建PPI(Protein to Protein Interaction)網(wǎng)絡(luò),參數(shù)設(shè)置:種屬為人類(lèi)(Homosapiens)。
對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白互作信息、“成分-疾病-靶點(diǎn)”及“中藥-成分”信息進(jìn)行整合,將整理后數(shù)據(jù)分別Cytoscape 3.7.2軟件,構(gòu)建“中藥-成分-疾病-靶點(diǎn)”關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。成分與中藥、疾病和靶點(diǎn)之間的關(guān)系用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和邊來(lái)描述,通過(guò)Cytoscape的Network analysis插件來(lái)分析并提取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊的特征。
1.1.4生物過(guò)程注釋及代謝通路分析 為了闡述熱炎寧合劑與疾病相關(guān)成分的靶點(diǎn)在生物過(guò)程中的功能的作用機(jī)制,以R軟件包(3.6.2)的Cluster profiler包對(duì)“成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)中的重要靶點(diǎn)進(jìn)行GO(Gene Ontology)生物信息學(xué)富集,以3個(gè)本體(Ontology)描述基因靶點(diǎn)的分子功能(Molecular Function,MF)、所處的細(xì)胞位置(Cellular Component,CC)和參與的生物過(guò)程(Biological Process,BP)[3];以KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,https://www.kegg.jp/)數(shù)據(jù)庫(kù)富集靶點(diǎn)基因參與的主要生化代謝途徑,并對(duì)其關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行注釋?zhuān)訮<0.05為顯著性差異判定卡值。采用ggplot2包對(duì)GO和KEGG通路富集結(jié)果進(jìn)行可視化處理。
1.2.1靶點(diǎn)與配體預(yù)處理 以上??萍即髮W(xué)饒子和/楊海濤課題組公布的COVID-19 3CLpro高分辨率晶體結(jié)構(gòu)(PDB ID:6LU7)為對(duì)接模板,采用Schrodinger-2018軟件的Protein preparation wizard模塊對(duì)6LU7結(jié)構(gòu)進(jìn)行加氫、去水、去雜原子等預(yù)處理。以6LU7原配體化合物為參照,以1.1中篩選的活性成分為對(duì)接配體,采用Ligprep模塊對(duì)各成分結(jié)構(gòu)(*.sdf)進(jìn)行加氫等優(yōu)化預(yù)處理后生成批量處理文件。
1.2.2分子對(duì)接 以原始配體分子為中心,采用Receptor Grid Generation 模塊生成格點(diǎn)文件(盒子大小設(shè)為14?)。以6LU7作為剛性受體,熱炎寧合劑活性成分結(jié)構(gòu)作為構(gòu)象可變化(柔性)配體,進(jìn)行半柔性對(duì)接。由于Docking Score值<-7.0時(shí)說(shuō)明受體-配體間有很高的結(jié)合活性,因此對(duì)接結(jié)果以對(duì)接打分值docking core≤-7.0作為篩選條件[4]。
2.1.1活性成分篩選 結(jié)合TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)天然產(chǎn)物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)收載的熱炎寧合劑組方中藥成分,一共得到156個(gè)成分。OB≥30%或DL≥0.18作為進(jìn)一步篩選條件,得到符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的活性成分49個(gè)。
2.1.2“成分-疾病-靶點(diǎn)”篩選 從TCMSP和PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索得到熱炎寧合劑的49個(gè)活性成分對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)共有239個(gè),以Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)搜索校正后生成“成分-靶點(diǎn)”集合。從MalaCards數(shù)據(jù)庫(kù)、TTD數(shù)據(jù)庫(kù)和OMIM 數(shù)據(jù)庫(kù)中得到關(guān)于冠狀病毒感染誘發(fā)的“SARS”和“Respiratory Failure”相關(guān)的靶點(diǎn)共計(jì)144個(gè),生成“疾病-靶點(diǎn)”集合。將上述得到的“成分-靶點(diǎn)”和“疾病-靶點(diǎn)”集合取靶點(diǎn)交集,并繪制交集維恩圖,得到交集靶點(diǎn)35個(gè)(見(jiàn)圖1A)。將交集內(nèi)靶點(diǎn)以STRING 11.0構(gòu)建PPI(Protein to Protein Interaction)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖1B),PPI網(wǎng)絡(luò)中共有35個(gè)節(jié)點(diǎn),264條邊,平均節(jié)點(diǎn)數(shù)為15.1,平均邊數(shù)57條。以k-means法對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi),得到3個(gè)分類(lèi),以從紅色到藍(lán)色表示基因計(jì)數(shù)(gene count)由大到小。
2.1.3“中藥-成分-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析 將2.1.2篩選得到的35個(gè)靶點(diǎn)與中藥進(jìn)行映射關(guān)聯(lián),得到29個(gè)化學(xué)成分的“成分-靶點(diǎn)”關(guān)聯(lián)表,與PPI互作表一同導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2軟件,構(gòu)建熱炎寧合劑的“中藥-化合物-靶點(diǎn)”關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如圖1C所示(紅色:活性化合物;綠色:靶點(diǎn);藍(lán)色:組方中藥),所構(gòu)建的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包括68個(gè)節(jié)點(diǎn)(4種中藥,29個(gè)成分,35個(gè)靶點(diǎn))和480條邊。網(wǎng)絡(luò)圖中以節(jié)點(diǎn)大小表示度數(shù)大小,度數(shù)的大小代表該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性;接近中心度大小表示節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的中心度。該網(wǎng)絡(luò)中成分度值較大,接近中心度>0.45的化合物為槲皮素(度數(shù)=42)、木樨草素(度數(shù)=45)、蒲公英萜酮(度數(shù)=24)、β-谷甾醇(度數(shù)=12)和芹菜素(度數(shù)=12)。網(wǎng)絡(luò)中度數(shù)較大,接近中心度>0.45的靶點(diǎn)為環(huán)氧化酶1(PTGS1)(度數(shù)=38)、腫瘤壞死因子(TNF)(度數(shù)=33)、白細(xì)胞介素6(IL6)(度數(shù)=33)、白細(xì)胞介素10(IL10)(度數(shù)=32)、白細(xì)胞介素1β(IL1B)(度數(shù)=30)和C-C趨化因子配體2(CCL2)(度數(shù)=28)等15個(gè)靶點(diǎn)。相比其他3個(gè)中藥,該網(wǎng)絡(luò)中半枝蓮度數(shù)(度數(shù)=49)和接近中心度數(shù)值(0.47)較大,說(shuō)明半枝蓮是熱炎寧合劑在干預(yù)COVID-19中較為重要的組方中藥,其主要成分木樨草素、芹菜素和β-谷甾醇可通過(guò)作用于PTGS1(度數(shù)=38)、IL6(度數(shù)=33)和IL10(度數(shù)=32)發(fā)揮作用。其次,虎杖在網(wǎng)絡(luò)中度值(度數(shù)=40)和接近中心度(0.40)也較高,其主要成分槲皮素、木樨草素和β-谷甾醇可作用于PTGS1、IL6、IL10、IL1B和CCL2發(fā)揮作用。以上結(jié)果表明熱炎寧合劑在干預(yù)COVID-19的過(guò)程中具有多成分、多靶點(diǎn)的協(xié)同作用。
2.1.4熱炎寧合劑干預(yù)COVID-19的生物信息富集及代謝通路注釋 將“中藥-成分-疾病”網(wǎng)絡(luò)中篩到的對(duì)應(yīng)的15個(gè)靶點(diǎn)通過(guò)Cluster profiler進(jìn)行生物信息學(xué)GO富集分析和KEGG通路注釋?zhuān)哺患?4條生物學(xué)過(guò)程,7條代謝通路。GO富集分析結(jié)果,見(jiàn)圖2,這些靶點(diǎn)主要分布于細(xì)胞外空間(GO:0005615,extracellular space)和質(zhì)膜外側(cè)(GO:0009897,external side of plasma membrane)。其MF主要與細(xì)胞因子活性(GO:0005125,cytokine activity)、細(xì)胞因子受體結(jié)合(GO:0005126,cytokine receptor binding)、分子功能調(diào)節(jié)劑(GO:0098772,molecular function regulator)、生長(zhǎng)因子受體結(jié)合(GO:0070851,growth factor receptor binding)和趨化因子活性(GO:0008009,chemokine activity)有關(guān)。BP主要涉及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體活性的調(diào)節(jié)(GO:0010469,regulation of signaling receptor activity)、對(duì)脂多糖的反應(yīng)(GO:0032496,response to lipopolysaccharide)、炎癥反應(yīng)(GO:0006954,inflammatory response)、防御反應(yīng)(GO:0006952,defense response)和免疫系統(tǒng)過(guò)程的正向調(diào)節(jié)(GO:0002684,positive regulation of immune system process)。這些靶點(diǎn)主要參與的代謝通路為:細(xì)胞因子受體相互作用通路(hsa04060,Cytokine-cytokine receptor interaction)和IL-17信號(hào)通路(hsa04657,IL-17 signaling pathway)。
注:A.“成分-疾病”靶點(diǎn)交集韋恩圖;B.篩選靶點(diǎn)PPI圖;C.“中藥-成分-靶點(diǎn)”關(guān)聯(lián)圖(藍(lán)色為中藥;紅色為成分;綠色為靶點(diǎn))。圖1 熱炎寧合劑“中藥-成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)圖構(gòu)建
2.2.1對(duì)接體系驗(yàn)證 通過(guò)將對(duì)接前后的6LU7原始配體進(jìn)行構(gòu)象疊合來(lái)驗(yàn)證對(duì)接體系的準(zhǔn)確度,結(jié)果顯示均方根偏差(RMSD)值為1.281 3? < 2?,說(shuō)明該對(duì)接體系適用于配體成分與受體6LU7的半柔性對(duì)接。
2.2.2熱炎寧合劑化合物對(duì)接測(cè)試 將“中藥-成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)中的29個(gè)化合物與對(duì)接體系(包括6LU7預(yù)處理受體和格點(diǎn)文件)進(jìn)行對(duì)接測(cè)試,以對(duì)接打分值 ≤-7.0作為篩選條件,結(jié)果得到符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的化合物7個(gè),具體信息見(jiàn)表1,對(duì)接結(jié)果表明,大部分化合物主要和受體結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生氫鍵作用,且這些化合物主要為黃酮類(lèi)化合物,其結(jié)合主要為4位羰基氧和GLU166形成氫鍵,7位和4′位羥基分別和LEU141、CYS145、ASP187形成氫鍵(見(jiàn)圖3)。中藥歸屬顯示,這7個(gè)化合物主要?dú)w屬為半枝蓮,說(shuō)明該中藥可能是熱炎寧合劑中發(fā)揮抗病毒作用的主要中藥,說(shuō)明熱炎寧合劑中干擾病毒復(fù)制的有效成分主要來(lái)自于半枝蓮的黃酮類(lèi)化合物。
圖2 熱炎寧合劑靶點(diǎn)GO富集及KEGG通路注釋
熱炎寧合劑由半枝蓮、虎杖、北敗醬和蒲公英組方而成。方中半枝蓮味辛、苦,歸肺、肝、胃經(jīng),以清熱解毒見(jiàn)長(zhǎng),又具化瘀利尿之效?;⒄刃晕⒑?,味微苦。歸肝、膽、肺經(jīng),具有祛風(fēng)利濕、止咳化痰的功效,又可利濕破瘀。北敗醬微寒,味苦,歸大腸、肝經(jīng),既可清熱解毒,又可活血化瘀;蒲公英性寒,味甘、苦,具有清熱解毒,利尿散結(jié)的作用。四藥協(xié)同為用,既可針對(duì)發(fā)熱、咳嗽發(fā)揮清熱解毒、止咳化痰的功效,又可針對(duì)并發(fā)癥發(fā)揮利濕破瘀、活血散結(jié)的功效。目前,陜西省傳染病醫(yī)院(西安市第八醫(yī)院)、西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院、湖北省松滋市人民醫(yī)院等多家醫(yī)院已將熱炎寧合劑作為治療COVID-19的臨床一線制劑。
注:橙色球棍模型為候選化合物分子;藍(lán)色為氮原子;紅色為氧原子。圖3 6LU7與熱炎寧合劑活性化合物相互作用圖
表1 熱炎寧合劑活性化合物對(duì)接、篩選結(jié)果及關(guān)聯(lián)中藥分析
對(duì)接成分對(duì)接打分化學(xué)成分相對(duì)分子量中藥MOL000008-8.051芹菜素apigenin270.25半枝蓮、虎杖、北敗醬、蒲公英MOL012251-7.638白楊素甲醚chrysin-5-methylether268.28半枝蓮MOL012249-7.5287,2′-dihydroxy-5,8-dimethoxyflavone314.31半枝蓮MOL001040-7.455(2R)-5,7-dihydroxy-2-(4-hydroxyphenyl)chroman-4-one272.27半枝蓮MOL012250-7.4417-hydroxy-5,8-dimethoxy-2-phenyl-chromone298.31半枝蓮MOL012247-7.3775,7-dihydroxy-8-methoxy-2-(2-methoxyphenyl)chromone314.31半枝蓮MOL000492-7.069兒茶素catechin290.29虎杖、北敗醬、蒲公英
盡管已有大量臨床研究、病理學(xué)、分子生物學(xué)研究證明了熱炎寧合劑對(duì)呼吸系統(tǒng)感染的有效性,其作用機(jī)制仍然未有闡明[5-8]。因此,本研究通過(guò)對(duì)熱炎寧合劑“中藥-成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)分析發(fā)現(xiàn),熱炎寧合劑中的活性成分與冠狀病毒感染誘發(fā)的“急性呼吸綜合征”的15個(gè)靶點(diǎn)相關(guān)。其中,CCL2、CD40LG、CXCL10、CXCL8、IFNG、IL10、IL13、IL1B、IL2和IL6在關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位。靶點(diǎn)生物信息學(xué)的富集結(jié)果顯示,熱炎寧合劑中的活性成分可能通過(guò)參與多種生物途徑發(fā)揮干預(yù)COVID-19的作用,主要涉及細(xì)胞因子受體相互作用通路和IL-17信號(hào)通路,這些生物過(guò)程與病毒感染造成的“細(xì)胞因子風(fēng)暴”密切相關(guān)。細(xì)胞因子風(fēng)暴易導(dǎo)致肺上皮細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷,引起急性肺損傷(ALI)的病理改變,出現(xiàn)肺血管通透性增高、肺水腫等臨床表征[9-11]。已有研究根據(jù)《新型冠狀病毒肺炎診療方案》中醫(yī)治療方案對(duì)COVID-19臨床輕、中度的病癥表現(xiàn),建立了模擬人類(lèi)COVID-19的動(dòng)物模型,對(duì)熱炎寧合劑的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性評(píng)價(jià)。研究結(jié)果顯示,熱炎寧合劑能顯著降低模型動(dòng)物的肺指數(shù)、肺組織腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、干擾素γ(IFN-γ)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)含量及血清胃動(dòng)素含量,能夠顯著提升外周血CD8+T淋巴細(xì)胞和CD4+T 淋巴細(xì)胞百分比[12]。
以上研究說(shuō)明熱炎寧合劑在改善2019-nCoV感染導(dǎo)致的急性炎癥及機(jī)體過(guò)度免疫反應(yīng)方面有很好的潛力,具有“治標(biāo)”作用。同時(shí)本研究也對(duì)熱炎寧合劑中可能干擾病毒復(fù)制的化合物進(jìn)行了篩選,以期找到“治本”的關(guān)鍵信息。因此,本研究以2019-nCoV復(fù)制過(guò)程中的重要水解酶3CLpro為對(duì)接靶點(diǎn),以“成分-疾病-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)中的24個(gè)關(guān)鍵化合物作為配體,采用分子對(duì)接技術(shù)篩選得到7個(gè)對(duì)3CLpro有潛在抑制作用的化合物,說(shuō)明這些化合物在發(fā)揮抗COVID-19作用的同時(shí),也具有抗病毒的潛力(見(jiàn)圖4)。
注:綠色為中藥;橙色為成分;藍(lán)色為靶點(diǎn);紫色為KEGG代謝通路。圖4 熱炎寧合劑干預(yù)COVID-19的“成分-靶點(diǎn)-通路”預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)
綜上所述,本研究對(duì)熱炎寧合劑干預(yù)COVID-19的活性成分、靶點(diǎn)及通路進(jìn)行了探索性研究,并篩選了抗2019-nCoV的活性成分。分析結(jié)果初步表明,熱炎寧合劑組方的半枝蓮和虎杖是“中藥-成分-靶點(diǎn)-通路”網(wǎng)絡(luò)中的重點(diǎn)中藥,其黃酮類(lèi)成分如芹菜素、白楊素甲醚等是抗炎、抗病毒的主要成分。綜合代謝通路注釋結(jié)果說(shuō)明熱炎寧合劑可通過(guò)多成分、多靶點(diǎn)、多通路的互作模式達(dá)到兼顧“治標(biāo)”和“治本”的治療作用。