李舒 萬磊 劉健 黃傳兵 李方澤 胡賽賽 陳瑩瑩 程靜 周健

摘要：目的 運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接探討杜仲-牛膝藥對治療強(qiáng)直性脊柱炎（AS）的關(guān)鍵靶點(diǎn)和分子機(jī)制。方法 利用TCMSP數(shù)據(jù)庫檢索杜仲-牛膝藥對的活性成分，預(yù)測其對應(yīng)靶點(diǎn)；利用GeneCards、OMIM、DrugBank、TTD、PharmGkb數(shù)據(jù)庫檢索AS疾病相關(guān)靶點(diǎn)，利用Uniprot數(shù)據(jù)庫將預(yù)測靶點(diǎn)和疾病靶點(diǎn)名稱標(biāo)準(zhǔn)化后篩選出交集靶點(diǎn)，利用Cytoscape3.9.1繪制并分析中藥-成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)圖。將共同靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫獲得蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)并利用CytoNCA篩選出核心靶點(diǎn)。將共同靶點(diǎn)導(dǎo)入富集分析庫（Metascape）數(shù)據(jù)庫進(jìn)行GO、KEGG富集分析。利用Auto Dock Tools1.5.7軟件進(jìn)行分子對接。結(jié)果 杜仲-牛膝有效活性成分35個(gè)，預(yù)測對應(yīng)靶點(diǎn)150個(gè)，疾病相關(guān)靶點(diǎn)1914個(gè)，主要活性成分為槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇、漢黃芩素，核心靶點(diǎn)為白細(xì)胞介素6（IL-6）、腫瘤壞死因子（TNF）、白細(xì)胞介素1β（IL-1β）、前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2（PTGS2）、血管內(nèi)皮生長因子A（VEGFA）、C-X-C基序趨化因子配體8（CXCL8）。富集分析方面：GO BP主要包括細(xì)胞對脂質(zhì)、有機(jī)環(huán)化合物和脂多糖反應(yīng)等；GO MF主要包括細(xì)胞因子活性、細(xì)胞因子受體結(jié)合和受體-配體活性等；GO CC主要包括轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物、RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物和膜筏等。KEGG主要包括免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)通路、白介素相關(guān)信號通路、腫瘤壞死因子相關(guān)信號通路等。分子對接結(jié)果表明主要活性成分可以和核心靶點(diǎn)結(jié)合，結(jié)合構(gòu)象穩(wěn)定。結(jié)論 杜仲-牛膝可能通過多種有效成分、多個(gè)作用靶點(diǎn)和信號通路發(fā)揮抗炎、免疫調(diào)節(jié)、止痛等生物作用，進(jìn)而具有治療AS的作用。

關(guān)鍵詞：杜仲-牛膝；強(qiáng)直性脊柱炎；網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)；分子對接

中圖分類號：R681.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2349（2023）04-0060-08

強(qiáng)直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）是一種以脊柱強(qiáng)直和韌帶骨化為特征的風(fēng)濕免疫疾病^［1］。疾病發(fā)展至中后期，會造成患者中軸脊柱的不可逆損傷，出現(xiàn)脊柱和骶髂關(guān)節(jié)的融合，導(dǎo)致脊柱活動(dòng)性降低^［2］。慢性腰背痛為AS常見的癥狀^［3］，西藥的對癥治療以非甾體抗炎藥（nonsteroidal antiinflammatory drugs，NSAIDs）為主^［4］。西醫(yī)治療的藥物選擇還非常有限^［5］，中醫(yī)辨證施治AS療效顯著^［6］。中醫(yī)認(rèn)為AS患者腎精虧虛，督脈失養(yǎng)，腎為先天之本，主骨生髓，腎充則骨強(qiáng)，肝為罷極之本，藏血主筋，肝充則筋骨韌，且肝腎同源，精血相生，肝腎虧虛則筋骨失養(yǎng)、關(guān)節(jié)疼痛、強(qiáng)直變形，中醫(yī)治以滋補(bǔ)肝腎、活血強(qiáng)督之劑。杜仲-牛膝為補(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨、健腰膝經(jīng)典藥對^［7］。然而杜仲-牛膝治療AS缺乏科學(xué)依據(jù)來合理解釋其協(xié)同作用機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，基于生物學(xué)、藥理學(xué)以及多種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺融合的新興學(xué)科，能系統(tǒng)地分析所有層面的分子機(jī)制^［8］。本文利用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺（traditional chinese medicine systems pharmacology database and Analysis platform，TCMSP）平臺，分析杜仲-牛膝藥物作用靶點(diǎn)與AS疾病靶點(diǎn)，以期更好的探討杜仲-牛膝治療AS的作用機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 材料 通過TCMSP（https：//old.tcmsp-e.com/tcmsp.php），以杜仲、牛膝為關(guān)鍵詞，檢索兩藥活性成分，以口服生物利用度（oral bioavailability，oral bioavailability，OB）≥30%，類藥性（drug-like，DL）≥0.18為篩選條件，預(yù)測對應(yīng)的作用靶點(diǎn)。利用全球蛋白質(zhì)資源（universal protein resource，uniprot）（https：//www.uniprot.org）數(shù)據(jù)庫以“人類（Homo sapiens，H.sapiens）”為物種限定將靶點(diǎn)名稱標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2 方法

1.2.1 AS疾病相關(guān)靶點(diǎn)搜集 以“ankylosing spondylitis”為關(guān)鍵詞，在GeneCards（https：//www.genecards.org）、OMIM（https：//www.omim.org）、DrugBank（https：//go.drugbank.com）、TTD（http：//db.idrblab.net/ttd）、PharmGkb（https：//www.pharmgkb.org）中收集AS的相關(guān)疾病靶點(diǎn)并利用Uniprot數(shù)據(jù)庫將靶點(diǎn)名稱標(biāo)準(zhǔn)化。

1.2.2 藥物作用靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn)Venn分析及“中藥一活性成分一疾病靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 將上述得到的成分-基因靶點(diǎn)、疾病-基因靶點(diǎn)，導(dǎo)入Venny2.1，得到藥物和疾病共同靶點(diǎn)韋恩圖，得到并整理杜仲-牛膝有效活性成分調(diào)控AS靶基因的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1.2.3 PPI網(wǎng)絡(luò)關(guān)系構(gòu)建及拓?fù)浞治龊Y選核心靶點(diǎn) 檢索互作用基因/蛋白質(zhì)的搜索工具STRING（https：//string-db.org）分析人類蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用關(guān)系。本研究將共同靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫，以“多種蛋白（multiple proteins”）為運(yùn)行模式，以“H.sapiens”為物種選擇，設(shè)置信度score≥0.400，其他參數(shù)保持默認(rèn)，構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)，將所得參數(shù)導(dǎo)入Cytoscape，利用CytoNCA插件篩選出核心靶點(diǎn)。

1.2.4 共同靶點(diǎn)富集分析 將獲得的共同靶點(diǎn)導(dǎo)入基因功能注釋分析工具M(jìn)etascape（http：//metascape.org/gp/index.html）數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因本體論（gene ontology，GO）富集分析和京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）富集分析，設(shè)置P<0.01，并利用使用微生信平臺（http：//www.bioinformatics.com.cn）進(jìn)行可視化處理。

1.2.5 關(guān)鍵化學(xué)成分和核心靶點(diǎn)分子對接驗(yàn)證 有機(jī)小分子生物活性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫PubChem用于獲得化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。包含原子坐標(biāo)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他信息和除蛋白以外生物大分子的信息的PDB數(shù)據(jù)庫用于獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用PubChem數(shù)據(jù)庫下載主要有效成分結(jié)構(gòu)，利用PDB數(shù)據(jù)庫下載核心靶點(diǎn)蛋白結(jié)構(gòu)，利用自動(dòng)對接工具（AutoDock Tools）軟件用于配體—蛋白分子的對接，驗(yàn)證主要有效成分和核心靶點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

1.2.6 杜仲-牛膝主要活性成分與核心靶點(diǎn)分子對接 利用TCMSP數(shù)據(jù)庫下載杜仲-牛膝主要活性成分的mol2格式，使用AutoDock Tools 1.5.7處理后保存為“pdbqt”格式，作為分子對接配體。在PBD蛋白數(shù)據(jù)庫（http：//www.rcsb.org/pdb/home/home.do）下載核心靶點(diǎn)蛋白結(jié)構(gòu)，運(yùn)用PyMol軟件去除受體蛋白的水分子及原小分子配體，用AutoDock Tools 1.5.7添加非極性氫與電荷后保存為“pdbqt”格式，作為分子對接受體。運(yùn)用AutoDock Vina進(jìn)行分子對接，導(dǎo)入配體和受體，設(shè)置合適的對接盒子，生成相應(yīng)的的構(gòu)象，去除未生成氫鍵的構(gòu)象，選擇能量最低的構(gòu)象作為最佳結(jié)合構(gòu)象，保存為PDB格式后用Pymol 2.4將杜仲-牛膝關(guān)鍵活性成分與核心靶點(diǎn)對接結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

2 結(jié)果

2.1 杜仲-牛膝有效活性成分及相關(guān)作用靶點(diǎn)預(yù)測 在TCMSP數(shù)據(jù)庫中篩選杜仲-牛膝的有效活性成分，其中杜仲22個(gè)、牛膝16個(gè)，刪除重復(fù)項(xiàng)后共獲得藥對有效活性成分35個(gè)。在TCMSP數(shù)據(jù)庫對有效活性成分作用靶點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，其中杜仲397個(gè)、牛膝358個(gè)。利用Uniprot數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化命名后刪除重復(fù)項(xiàng)，共獲得預(yù)測靶點(diǎn)150個(gè)。

2.2 AS疾病相關(guān)靶點(diǎn) 利用GeneCards、OMIM、DrugBank、TTD、PharmGkb 5個(gè)數(shù)據(jù)庫分別收集到相關(guān)疾病靶點(diǎn)1918個(gè)、36個(gè)、123個(gè)、5個(gè)和1個(gè)，利用Uniprot數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化命名并刪除重復(fù)項(xiàng)后，共獲得1949個(gè)AS疾病相關(guān)靶點(diǎn)。

2.3 共同靶點(diǎn)獲得及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 利用Venny2.1對杜仲-牛膝藥對作用靶點(diǎn)及AS疾病相關(guān)靶點(diǎn)進(jìn)行Venn分析，獲得共同靶點(diǎn)67個(gè)（圖1），為杜仲-牛膝藥對治療AS的可能作用靶點(diǎn)。利用Cytoscape3.9.1軟件構(gòu)建“中藥-活性成分-共同靶點(diǎn)-疾病”圖，并對其進(jìn)行拓?fù)浞治?。其中藍(lán)色代表共同靶點(diǎn)，綠色代表杜仲，橙色代表牛膝，紫色代表2種，紅色代表AS，中藥共有的活性成分，形狀越大、代表在網(wǎng)絡(luò)圖中的地位越重要（圖2）。在網(wǎng)絡(luò)中共有255個(gè)節(jié)點(diǎn)，882條邊，其中等級（degree）值排名前五的有效活性成分為槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇、漢黃芩素。（表1、表2）。

2.4 PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及核心靶點(diǎn)篩選 將67個(gè)潛在作用靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫，獲得的PPI網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入 Cytoscape 軟件進(jìn)行分析。通過篩選獲得一個(gè)由65個(gè)節(jié)點(diǎn)，748條邊組成的核心作用靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)靶點(diǎn)間連接 degree 值進(jìn)行分層獲得核心靶點(diǎn)6個(gè)，重要靶點(diǎn)21個(gè)，次要靶點(diǎn)38個(gè)（圖3），將degree值排名前20的蛋白篩選出來（圖4），degree 值排序在前列的6個(gè)核心靶點(diǎn)有白細(xì)胞介素6（interleukin 6，IL-6）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）、前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2（prostaglandin-endoperoxide synthase 2，PTGS2）、血管內(nèi)皮生長因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）、C-X-C基序趨化因子配體8（C-X-C motif chemokine ligand 8，CXCL8）。圖3中degree值越大，節(jié)點(diǎn)越大，顏色越深，靶點(diǎn)間聯(lián)系越緊密，連線越粗，這6個(gè)核心靶點(diǎn)蛋白間互作影響力最強(qiáng)，能在復(fù)雜的疾病調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中直接或間接影響其他大部分靶點(diǎn)通路，可能是該藥對治療AS的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

2.5 杜仲-牛膝與AS交集靶點(diǎn)GO和KEGG富集分析 運(yùn)用Metascape數(shù)據(jù)平臺對杜仲-牛膝和AS的交集靶點(diǎn)進(jìn)行GO和KEGG富集分析。運(yùn)用微生信平臺進(jìn)行可視化處理后得到如下KEGG分析圖和GO分析圖（圖5、圖6）?？梢娊患悬c(diǎn)參與的GO生物過程（biological process，BP）主要包括細(xì)胞對脂質(zhì)、有機(jī)環(huán)化合物、脂多糖、細(xì)菌源性分子、炎癥、細(xì)菌生物刺激及白細(xì)胞介素-8產(chǎn)生的調(diào)節(jié)反應(yīng)等。交集靶點(diǎn)主要GO分子功能（molecular function，MF）富集在細(xì)胞因子活性、細(xì)胞因子受體結(jié)合、受體-配體活性、信號受體激活劑活性、信號受體調(diào)節(jié)活性、生長因子受體結(jié)合、生長因子活性、DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、核受體活性、配體激活轉(zhuǎn)錄因子活性等。交集靶點(diǎn)參與GO細(xì)胞組分（cellular components，CC）富集在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物、RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物、膜筏、膜微區(qū)、小窩、質(zhì)膜筏、核膜、絲氨酸型肽酶復(fù)合物、質(zhì)膜外側(cè)、膜側(cè)等。KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)參與通路主要有免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)通路、白介素相關(guān)信號通路、腫瘤壞死因子相關(guān)信號通路、脂多糖應(yīng)答相關(guān)信號通路、炎癥反應(yīng)相關(guān)信號通路等，這進(jìn)一步解釋了杜仲-牛膝治療AS的潛在機(jī)制，通過分析發(fā)現(xiàn)參與的通路表明杜仲-牛膝可能參與相關(guān)疾病的調(diào)節(jié)。

2.6 杜仲-牛膝主要活性成分與核心靶點(diǎn)分子對接 通過分子對接技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)果進(jìn)一步分析，篩選網(wǎng)絡(luò)中度值較高的有效成分和靶點(diǎn)進(jìn)行對接，對杜仲-牛膝中有效成分治療AS的能力進(jìn)行預(yù)測打分。根據(jù)表2分析結(jié)果，在選擇度值的情況下同時(shí)考慮每個(gè)藥物，故篩選來自杜仲-牛膝的槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇，牛膝的漢黃芩素，這4個(gè)成分作為對接配體。根據(jù)圖4分析結(jié)果，選取度值排名前5的核心靶點(diǎn)作為對接受體：IL-6、TNF、IL-1β、PTGS2、VEGFA，用結(jié)合能（Affinity）來評估成分與靶點(diǎn)的結(jié)合能力，結(jié)合能<0表明可以自由結(jié)合，結(jié)合能越低表明配體與受體之間的親和力越大，二者發(fā)生相互作用的可能性就越高。由于數(shù)據(jù)較多，故展示排名前20位的對接結(jié)果見表3。利用Pymol軟件對部分分子對接結(jié)果進(jìn)行可視化處理（圖7），其中藍(lán)色為蛋白受體，綠色為小分子配體，黃色虛線為配體與受體之間形成的氫鍵，表示配體與受體之間的結(jié)合較穩(wěn)定。分子對接結(jié)果顯示成分與靶點(diǎn)能夠較好結(jié)合。

3 討論

在本研究中，通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法篩選出了35個(gè)杜仲-牛膝的活性成分和67個(gè)與AS相關(guān)的靶點(diǎn)。結(jié)果表明，杜仲-牛膝在多組分和多目標(biāo)組合治療AS中發(fā)揮作用，對治療AS具有潛在優(yōu)勢。根據(jù)“活性成分-疾病-核心靶信號通路”網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次篩選出的核心成分多數(shù)存在抗炎、免疫調(diào)節(jié)、止痛等作用。

杜仲、牛膝共有成分有槲皮素、山柰酚、β-谷甾醇，且三種成分的degree值在所有成分中前三，體現(xiàn)了杜仲-牛膝藥對配伍的相須作用。槲皮素為黃酮類植物多酚，是一種眾所周知的抗氧化劑^［9］。有研究表明，槲皮素是具有鎮(zhèn)痛特性的藥物，可以輔助非甾體抗炎藥，而且對腎臟和胃腸道的副作用更少^［10］。山奈酚通過調(diào)節(jié)炎癥、血管生成和氧化應(yīng)激發(fā)揮保護(hù)機(jī)體作用^［11-12］。β-谷甾醇通過下調(diào)IKKβ/NF-κB和JNK）信號通路改善脂肪組織中的炎癥^［13］。牛膝的主要成分為漢黃芩素，漢黃芩素具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用，可顯著抑制炎癥反應(yīng)^［14］。本研究選取排名前4的活性成分和排名前5的核心靶點(diǎn)基因，其分子對接分別為IL-6、TNF、IL-1β、PTGS2、VEGFA。這些靶基因主要涉及炎癥、疼痛、血管內(nèi)皮生成等。IL-6是先天性免疫的關(guān)鍵細(xì)胞因子，具有廣泛的生理功能，傳統(tǒng)上與宿主防御、免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)、增殖和分化有關(guān)^［15］。TNF是一種多效性細(xì)胞因子，是炎癥中的重要細(xì)胞因子。TNF-a拮抗劑靶向治療在減少AS軸向和外周癥狀、減緩疾病進(jìn)展、改善患者功能和生活質(zhì)量方面顯示出快速和一致的有效性^［16］。IL-1β是炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵介質(zhì)。它對宿主反應(yīng)和對病原體的抵抗至關(guān)重要，但是在慢性疾病和急性組織損傷期間也會加劇損害^［17］。有研究表明，抗IL-1β和抗TNF-a治療可能有緩解椎間盤退變和下腰痛的效果^［18］。PTGS2也被稱作環(huán)氧化酶2（COX-2），COX-2選擇性抑制劑在鎮(zhèn)痛、抗炎方面具有與NSAIDs類似的明確療效，且與NSAIDs相比，COX-2選擇性抑制劑與胃十二指腸損傷的顯著減少相關(guān)^［19］，這些天然藥物替代品是藥物化學(xué)研究的熱點(diǎn)^［20］。VEGF-VEGFR信號是抑制包括炎癥在內(nèi)的各種疾病的重要靶點(diǎn)^［21］。通過對AS以上作用機(jī)制的分析，為進(jìn)一步預(yù)測杜仲-牛膝對AS的治療機(jī)制，我們對GO和KEGG通路進(jìn)行了富集分析。結(jié)果顯示，杜仲-牛膝參與AS生物過程中的細(xì)胞對脂質(zhì)、有機(jī)環(huán)化合物和脂多糖反應(yīng)等，生物分子功能中的細(xì)胞因子活性、細(xì)胞因子受體結(jié)合和受體-配體活性等，生物組分中的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物、RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物和膜筏等。KEGG顯示杜仲-牛膝治療AS涉及到了免疫系統(tǒng)中的細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)通路、白介素相關(guān)信號通路、腫瘤壞死因子相關(guān)信號通路等，這些通路在AS的免疫調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)、預(yù)后和轉(zhuǎn)歸均具有重要意義。

綜上所述，本研究綜合了網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接，初步從分子水平上展示了杜仲-牛膝的多組分、多靶點(diǎn)、多通道治療AS的現(xiàn)代應(yīng)用價(jià)值，從而為杜仲-牛膝臨床配伍治療AS提供指導(dǎo)意義。

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（收稿日期：2022-06-29）