肝癌是指发生于肝实质细胞或肝内胆管上皮细胞的恶性肿瘤,其中肝细胞癌是最主要的病理类型,约占肝癌总数的90%。我国为肝细胞癌的高发地区,每年新发病例约占全球病例的55%[1]。因早期肝细胞癌症状不明显,确诊往往已属中晚期,难以进行根治性手术治疗,5年生存率仅为10%左右[2]。
二至丸出自于《扶寿精方》,包含女贞子和墨旱莲两味中药,具有补益肝肾,滋阴养血之功效,现被广泛应用于肝损伤、肝硬化、肝癌等肝脏疾病的治疗。赵益等[3]研究发现,二至丸水溶液对于肝癌细胞BEL-7402有良好的抑制作用;张玉仁等[4]证实了二至丸在对荷瘤小鼠发挥肿瘤抑制作用的同时能使荷瘤小鼠体内的肿瘤坏死因子-α(TNF-α)升高;许多研究结果亦提供了女贞子以及墨旱莲有效成分抗肿瘤疗效的证据[5-7]。与此同时,本文作者在临床上使用墨旱莲-女贞子药对治疗肝细胞癌时,发现其能有效地改善患者生活质量和减少患者痛苦。此外,肝硬化被认为是肝细胞癌(HCC)发生的主要危险因素之一,我国肝癌患者大多伴有肝硬化。相关病理学研究表明,进展期HCC是在肝硬化的病理基础上,经过肝硬化再生结节、低级别退变结节、高级别退变结节、重度不典型增生色素痣(DN)恶变、小肝癌等多个阶段演变而来的。因此,治疗肝硬化,延缓其进展过程,对于治疗HCC亦有着重要的意义[8-9]。现代药理学研究结果表明,二至丸具有抗氧化应激,抗炎,抑制肝星状细胞增殖和促进肝星状细胞凋亡等作用,有确切的保肝护肝疗效,能有效抗肝纤维化,对于肝硬化有显著的预防和治疗作用[10-11]。因此,二至丸可能是通过抗肿瘤以及抗肝硬化两方面起到治疗肝细胞癌的作用。然而,目前对于二至丸的研究大多为单一方面的体外实验或动物实验,具有很大的局限性,难以获得其在体内作用机制的整体网络。
二至丸化学成分复杂,治疗肝细胞癌具有多成分、多靶点的优点,但是目前大多研究仅停留于药物对个体和个别分子的影响,二至丸治疗肝细胞癌的有效活性成分及作用机制尚不明确。而对于两种药物的药理学研究仍处于“单基因-单靶点”阶段,对于其整体性研究相对较少,而且仍未有任何关于二至丸的网络药理学研究。本研究基于网络药理学的思路和方法,获取二至丸主要活性成分,筛选出核心靶标和主要涉及通路,建立“成分-靶标-通路-疾病”网络,探究二至丸治疗肝细胞癌的可能的作用机制。
1 资料与方法
1.1 药物活性成分和对应靶标的获取
在中药系统药理学数据库和分析平台(TCMSP[12],version 2.3,http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)分别以“女贞子”“墨旱莲”为关键词,检索获得其化学成分。考虑到中药中并非所有成分都可以作为药物被人体吸收,结合现有文献[13-14]及平台推荐,在检索结果中限定条件为口服生物利用度(OB)≥30%和类药性(DL)≥0.18进行筛选,获得2种药物中复合筛选条件的化学成分信息,并以其作为二至丸的候选活性成分。同时在平台中获得各成分所对应的候选靶标。
1.2 活性成分预测靶标所对应基因的获取
通过Uniport数据库(https://www.uniprot.org/)检索二至丸活性成分所对应候选靶标的蛋白名称,限定物种为“human(人)”,获取候选靶标相对应的基因名和对应的UNIPROTKB。
1.3 肝细胞癌相关靶标基因的获取
在人类基因组注释数据库(Genecards)数据库(https://www.genecards.org/)中以“hepatocellular carcinoma”或“hcc”或“hepatocellular carcinomas”或“liver cancer”或“hepatoma”或“hepatic cancer”或“hepatic carcinoma”为关键词检索与肝细胞癌相关靶标基因。将所得的相关靶标基因和二至丸主要活性成分所对应的候选靶标基因录入Excel表格,通过Excel中的“SUMIF”函数,对二至丸主要活性成分的候选靶标基因与肝细胞癌相关靶标基因进行对比,筛选出其中的共同靶标基因,作为二至丸治疗肝细胞癌的潜在作用靶标。
1.4 成分-作用靶标网络构建与分析
将未能作用于肝细胞癌相关靶标的活性成分剔除,再将剩余的活性成分与治疗肝细胞癌的潜在作用靶标导入Cytoscape3.6.0软件,构建其成分-作用靶标网络。
1.5 核心靶标相互作用网络构建与分析
将二至丸治疗肝细胞癌潜在靶标基因导入String网络数据库(https://string-db.org/),限定物种为“Homo sapiens”,检索获得靶标蛋白相互作用关系,保存TSV格式文件。将TSV文件导入Cytoscape 3.6.0软件中,并用NetworkAnalyzer工具进行网络分析,获得Degree值(连接度)。通过Cytoscape 3.6.0软件展示蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络,导出PNG格式文件为蛋白相互作用网络图。
1.6 分子对接
分子对接通过电脑模拟,并计算相关化学物理参数,预测配体与受体的结合亲和性和构象。System Dock Web Site能实现分子对接,并评估配子-受体的结合潜力。基于所得的蛋白相互作用网络,筛选Degree值排名前5名的靶标,将其导入System Dock Web Site服务器(http://systemsdock.unit.oist.jp/iddp/home/index)中,与二至丸的主要活性成分进行对接,基于对结果所显示Docking评分的分析,评估二至丸的主要活性成分与核心靶标之间的结合潜力。
1.7 生物学过程与通路分析
将“女贞子”和“墨旱莲”的作用靶标基因的UNIPROTKB导入DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/),形成一个基因列表,对该列表进行Gene Ontology(GO)分类富集分析和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)通路富集分析,保存结果。选取满足KDR值(即Q值)少于0.05的通路,并根据KDR值升序排序,选取前20条通路,使用OmicShare网站(http://www.omicshare.com/)绘制高级气泡图。
1.8 成分-靶标-通路网络构建
对富集基因数最多的20条KEGG通路进行分析,并结合文献检索,筛选出可能与治疗肝细胞癌相关的通路,找出二至丸治疗肝细胞癌富集在这些通路上的靶标,并与药物相应的候选活性成分相匹配。结合上述三者,利用Cytoscape 3.6.0构建“成分-靶标-通路”网络关系。
2 结果
2.1 二至丸候选活性成分与候选靶标
共收集到女贞子化学成分119个,墨旱莲化学成分48个。以OB≥30%,DL≥0.18作为限定条件,筛选出候选活性成分21个,其中女贞子13个,墨旱莲10个,重复2个。同时在平台获取二至丸候选活性成分的靶标,共211个。见表1。
No. | 药物 | 英文名称 | OB/% | DL |
---|---|---|---|---|
1 | 女贞子 | beta-sitosterol | 36.91 | 0.75 |
2 | 女贞子 | kaempferol | 41.88 | 0.24 |
3 | 女贞子 | taxifolin | 57.84 | 0.27 |
4 | 女贞子 | lucidumoside D | 48.87 | 0.71 |
5 | 女贞子 | lucidumoside D_qt | 54.41 | 0.47 |
6 | 女贞子 | luteolin | 36.16 | 0.25 |
7 | 女贞子 | eriodictyol | 71.79 | 0.24 |
8 | 女贞子 | syringaresinol diglucoside_qt | 83.12 | 0.8 |
9 | 女贞子 | lucidusculine | 30.11 | 0.75 |
10 | 女贞子 | olitoriside | 65.45 | 0.23 |
11 | 女贞子 | olitoriside_qt | 103.23 | 0.78 |
12 | 女贞子 | (20S)-24-ene-3β,20-diol-3-acetate | 40.23 | 0.82 |
13 | 女贞子 | quercetin | 46.43 | 0.28 |
14 | 墨旱莲 | linarin | 39.84 | 0.71 |
15 | 墨旱莲 | acacetin | 34.97 | 0.24 |
16 | 墨旱莲 | butin | 69.94 | 0.21 |
17 | 墨旱莲 | 3′-O-methylorobol | 57.41 | 0.27 |
18 | 墨旱莲 | pratensein | 39.06 | 0.28 |
19 | 墨旱莲 | demethylwedelolactone | 72.13 | 0.43 |
20 | 墨旱莲 | wedelolactone | 49.6 | 0.48 |
21 | 墨旱莲 | luteolin | 36.16 | 0.25 |
22 | 墨旱莲 | quercetin | 46.43 | 0.28 |
23 | 墨旱莲 | 1,3,8,9-tetrahydroxybenzofurano [3,2-c]chromen-6-one | 33.94 | 0.43 |
2.2 候选靶标预测
在Uniprot数据库中输入蛋白靶标,获得211个候选靶标的相应基因。将所得的靶标基因与GeneCards数据库中搜索得到的肝细胞癌相关基因作进行对比,筛选出可能与肝细胞癌有关的作用靶标151个,见表2。
No. | 靶标 | Uniprotkb | No. | 靶标 | Uniprotkb | No. | 靶标 | Uniprotkb |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | ABCG2 | Q9UNQ0 | 37 | CXCL11 | O14625 | 73 | IL-1A | P01583 |
2 | ACACA | Q13085 | 38 | CYP19A1 | P11511 | 74 | IL-1R2 | P27930 |
3 | ACHE | P22303 | 39 | CYP1A1 | P04798 | 75 | IL-2 | P60568 |
4 | ADRA1B | P35368 | 40 | CYP1A2 | P05177 | 76 | IL-4 | P05112 |
5 | ADRB2 | P07550 | 41 | CYP1B1 | Q16678 | 77 | INSR | P06213 |
6 | AHR | P35869 | 42 | CYP3A4 | P08684 | 78 | IRF1 | P10914 |
7 | AKR1B1 | P15121 | 43 | DPP4 | P27487 | 79 | JUN | P05412 |
8 | AKR1C3 | P42330 | 44 | DUOX2 | Q9NRD8 | 80 | KCNH2 | Q12809 |
9 | ALOX5 | P09917 | 45 | E2F1 | Q01094 | 81 | MAOB | P27338 |
10 | APOB | P04114 | 46 | E2F2 | Q14209 | 82 | MAP2 | P11137 |
11 | APP | P05067 | 47 | ELK1 | P19419 | 83 | MAPK14 | Q16539 |
12 | AR | P10275 | 48 | ERBB2 | P04626 | 84 | MCL1 | Q07820 |
13 | Bax | Q07812 | 49 | ERBB3 | P21860 | 85 | MDM2 | Q00987 |
14 | BCL-2L1 | Q07817 | 50 | ESR2 | Q92731 | 86 | MET | P08581 |
15 | BIRC5 | O15392 | 51 | F10 | P00742 | 87 | MGAM | O43451 |
16 | CA2 | P00918 | 52 | F3 | P13726 | 88 | MMP-1 | P03956 |
17 | CASP7 | P55210 | 53 | F7 | P08709 | 89 | MMP-2 | P08253 |
18 | CASP8 | Q14790 | 54 | FASLG | P48023 | 90 | MMP-3 | P08254 |
19 | CASP9 | P55211 | 55 | FASN | P49327 | 91 | MMP-9 | P14780 |
20 | CAV1 | Q03135 | 56 | GJA1 | P17302 | 92 | MPO | P05164 |
21 | CCL2 | P13500 | 57 | GSK3B | P49841 | 93 | MTTP | P55157 |
22 | CCNA2 | P20248 | 58 | GSTM1 | P09488 | 94 | MYC | P01106 |
23 | CCNB1 | P14635 | 59 | GSTM2 | P28161 | 95 | NCOA1 | Q15788 |
24 | CD40LG | P29965 | 60 | GSTP1 | P09211 | 96 | NCOA2 | Q15596 |
25 | CDK2 | P24941 | 61 | HIF1AN | Q9NWT6 | 97 | NFE2L2 | Q16236 |
26 | CDK4 | P11802 | 62 | HK2 | P52789 | 98 | NFKBIA | P25963 |
27 | CDKN1A | P38936 | 63 | HMOX1 | P09601 | 99 | NKX3-1 | Q99801 |
28 | CHEK1 | O14757 | 64 | HSF1 | Q00613 | 100 | NOS2 | P35228 |
29 | CHEK2 | O96017 | 65 | HSP90AB1 | P08238 | 101 | XDH | P47989 |
30 | CHUK | O15111 | 66 | HSPB1 | P04792 | 102 | NOS3 | P29474 |
31 | CLDN4 | O14493 | 67 | ICAM1 | P05362 | 103 | NQO1 | P15559 |
32 | COL1A1 | P02452 | 68 | IFNG | P01579 | 104 | NR1I2 | O75469 |
33 | COL3A1 | P02461 | 69 | IGF2 | P01344 | 105 | NR1I3 | Q14994 |
34 | CRP | P02741 | 70 | IGFBP3 | P17936 | 106 | NR3C2 | P08235 |
35 | CTSD | P07339 | 71 | IKBKB | O14920 | 107 | NUF2 | Q9BZD4 |
36 | CXCL10 | P02778 | 72 | IL-10 | P22301 | 108 | ODC1 | P11926 |
2.3 成分-靶标网络构建
在Cytoscape软件中导入二至丸的活性成分和与肝细胞癌相关的作用靶标,构建成分-靶标网络(图1)。此网络共包括节点166个,其中15个节点为活性成分(并非所有活性成分均可作用于肝细胞癌相关靶标,剔除6个未作用于任何靶标的活性成分),151个节点为作用靶标,边317条。蓝色六边形节点代表活性成分,绿色圆形节点代表作用靶标,而边则代表成分与靶标的关系。不同的靶标可对应相同的活性成分,同一靶标也可与不同的活性成分相对应,可见二至丸治疗肝细胞癌具有多成分、多靶标的特点。
2.4 核心靶标相互作用网络构建
将“女贞子”“墨旱莲”可能与肝细胞癌相关的151个靶标导入string数据库中,获取其相互作用关系图并保存,使用Cytoscape 3.6.0相互作用网络(图2)此网络共包括节点151个,边1 865条。图中degree越大则节点越大、颜色越深,结果提示二至丸治疗肝细胞癌的靶标中Degree最高的5个靶点为包括肿瘤坏死因子(TNF),血管内皮生长因子(VEGF),氨基端激酶(c-JUN),原癌基因(c-MYC)和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)。
2.5 分子对接
选取degree值最大的5个靶标,将其PDB ID分别输入Systems Dock Web Site软件中,进行分子对接验证,并与二至丸的21个候选活性成分进行对接(图3)。结果显示有20个结合(19%)的Docking Score值>7.0(结合能力很高),有47个结合(45%)在7.0~5.0(结合能力较高),有27个结合(26%)在4.99~4.25(有一定的结合能力),有11个(10%)<4.25。由此可见,二至丸的候选活性成分和关键靶标的结合能力较良好。
2.6 GO和KEGG通路富集分析
利用DAVID数据库对二至丸活性成分对应的潜在靶标进行GO和KEGG分析。筛选KDR值(Q值)<0.05的通路与生物过程,其中KDR值越小的通路,与二至丸治疗肝细胞癌关系越为密切。GO富集分析包括细胞组分(CC),分子功能(MF),生物过程(BP)3个部分。GO分析结果显示,仅有14个细胞组分(CC)符合筛选条件,其中富集比例较高,KDR值较小的在CC分析(图4)中为extracellular space,cytosol,nucleoplasm,membrane raft等;MF分析(图5)中为enzyme binding,protein binding,identical protein binding,protein homodimerization activity等;BP分析(图6)中为response to drug,negative regulation of apoptotic process,response to lipopolysaccharide,response to estradiol等。KEGG通路富集分析发现(图7)二至丸治疗肝细胞癌的靶标主要与乙型肝炎(Hepatitis B),TNF,磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt),肿瘤抑制基因p53,Toll样受体家族等通路关系较为密切。
2.7 成分-靶标-通路网络构建
通过文献检索与阅读,在排名前20的KEGG通路中筛选出可能与肝细胞癌相关的通路,并将其与二至丸的活性成分、作用靶标三者结合,构建成分-靶标-通路多维网络图(图8)。其中黄色矩形节点代表药物,蓝色三角形节点代表与肝细胞癌相关的活性成分,紫色圆形节点代表潜在靶标,绿色六边形节点代表与肝细胞癌相关通路。分析网络图可知,二至丸治疗肝细胞癌涉及的活性成分共12个,包括beta-sitosterol,quercetin,luteolin,demethylwedelolactone,butin等。上述活性成分主要作用于TNF,VEGF,JUN,MYC,MMP-9等靶标,涉及Hepatitis B,TNF,PI3K/Akt,p53,Toll-like receptor等信号通路。
3 讨论
二至丸被誉为“清上补下第一方”,方中墨旱莲能滋补肝肾,凉血止血;女贞子亦为平补肝肾之常用之品,《本草纲目》言其能“强阴,健腰膝,变白发,明目”。许多药理研究表明,二至丸及其中成药有确切显著的保肝护肝作用,被广泛运用于肝细胞癌的临床治疗,但目前其具体作用机制尚不明确[15]。因此,基于网络药理学的原理和方法,探究二至丸治疗肝细胞癌的作用机制,为其治疗肝细胞癌提供证据支持,有利于其临床上的进一步推广使用,并为更高层次的研究奠定基础。
本研究所收集的二至丸治疗肝细胞癌的主要活性成分包括β-谷甾醇(beta-sitosterol),去甲蟛蜞菊内酯(demethylwedelolactone),山柰酚(kaempferol),槲皮素(quercetin),木犀草素(luteolin)等。β-谷甾醇是植物甾醇类成分之一。相关药理研究表明,β-谷甾醇可促进Bax蛋白的表达,降低Bcl-2蛋白的表达以及活化Bid,通过抑制肝癌HepG2细胞生长,发挥抗肝癌作用[16]。山柰酚对肝癌Huh7细胞与肝癌细胞CBRH7919生长有明显的抑制作用[17-18]。槲皮素不仅有较强的抗肝癌细胞作用,且能显著抑制缺氧诱导的人肝癌HepG2细胞的上皮间质转化,抑制肝癌的转移[19-21]。本研究中的“成分-靶标”网络、靶标相互作用网络体现了二至丸多成分、多靶标治疗肝细胞癌的特点,作用机制复杂多样。分子对接试验结果提示二至丸活性成分和关键靶标之间结合能力良好,提示本实验的数据与结果较为可靠,具有较高的参考价值。
同时发现,二至丸可能通过作用于TNF,VEGF,c-JUN,c-MYC和MMP-9等5个靶标发挥治疗肝细胞癌的作用。TNF是由巨噬细胞分泌的一种小分子蛋白,分为TNF-α和TNF-β类型,能直接杀伤肿瘤细胞,并且通过促进正常细胞增殖和分化,保护周围正常的组织结构[22]。VEGF是目前发现最强的促血管生长因子,肿瘤细胞通过分泌大量的血管内皮生长因子,为肿瘤的快速生长发展提供足够的氧气与营养物质,而大量脆弱紊乱的新生血管导致肿瘤极易发生血道转移。因此,抑制血管内皮生长因子的分泌和表达,有利于抑制肝细胞癌肿瘤的生长和转移[23]。c-JUN是一种细胞转录因子相关蛋白,对细胞增殖有促进作用。有研究表明,肝细胞癌患者c-JUN的表达被促进,导致肝癌细胞增殖和免疫逃逸,促进肝癌发生发展[24-25]。c-MYC是一种原癌基因,其产物磷酸化蛋白p62c-MGC能使肝细胞发生恶性转化。同时,c-MYC还能诱导血管内皮生长因子表达,因此它在肿瘤的发生和进展过程中发挥重要作用[26-27]。MMP-9是锌依赖的肽链内切酶,参与胚胎发育、伤口愈合、肿瘤细胞侵袭和转移等过程。研究发现,MMP-9通过降解Ⅳ型胶原蛋白,促进肿瘤细胞的迁移、侵袭和转移,由此可知抑制MMP-9的表达可以抑制肝细胞癌的进一步发展,而MMP-9的表达情况亦可为评估肝细胞癌的严重程度以及预后提供依据[28-29]。
本研究结果表明,二至丸治疗HCC主要涉及Hepatitis B,TNF,PI3K/Akt,p53,Toll-like receptor等5条信号通路。
Hepatitis B即乙型肝炎通路,现代医学认为,乙型肝炎病毒的感染是HCC发生的高危险因素。慢性乙型肝炎患者的HCC发病率为正常人的5~15倍,若同时合并肝硬化,则HCC的发病率更高[30-31]。许多临床研究结果表明,抗病毒治疗能改善HCC患者的预后和生存质量,提高肝细胞癌患者的术后生存率[32-33]。炎症伴随着肝癌的发生发展过程。TNF是肿瘤微环境中最重要的炎性细胞因子之一,其中以TNF-α最具代表性。目前,对于TNF-α/NF-κB信号通路相关的研究较多。朱倩等[34]根据研究结果预测,TNF-α可能通过活化NF-κB信号通路而提高了肝癌细胞VEGF,MMP-9的表达,促进肝细胞癌HCC血管的生成,降解细胞外基质,进而促进肝癌细胞的侵袭能力。此外,TNF-α通过激活NF-κB信号通路,从而使肿瘤细胞中VEGF的表达上调,有利于肝癌新血管的生成,促进肝癌的进展[35-36]。PI3K/Akt信号通路参与调节细胞生长、代谢、凋亡、转移等过程密切相关,在许多肿瘤细胞内异常表达,可借以对肝癌的预后和临床疗效做出判断。Akt被PI3K激活后,会通过促进肿瘤细胞增殖,抑制细胞凋亡来促使肿瘤的发展。因此,目前许多对于肝癌发病机制和治疗的研究都以PI3K/Akt信号通路作为关键靶点之一。有研究发现通过抑制PI3K/Akt信号通路中PDK1的表达,可以抑制肝癌细胞迁移和侵袭[37-40]。p53属于最早发现的抑癌基因之一,分为野生型和突变型。野生型p53能通过调控DNA复制的过程,维持细胞正常增殖和生长,抑制细胞恶性增殖;而突变型p53调节功能发生改变,具有了致癌作用,超过一半的肿瘤中发现突变的p53基因。许多研究结果表明,金丝桃苷,葫芦素I,奥沙利铂等药物或活性成分都是通过激活p53信号通路发挥抗肝癌的治疗作用[41-44]。Toll样受体是一种天然的免疫识别受体,可同时存在于肿瘤细胞和免疫细胞表面,具有促进肿瘤细胞的增殖和增强机体的抗肿瘤免疫能力的双重作用。Toll样受体及其下游NF-κΒ,MAPK信号通路激活后,会产生不同炎症介质和细胞因子,通过改变肝癌组织的微环境,调控肝癌的发生发展[45-46]。
综上所述,本研究表明二至丸治疗肝细胞癌主要的活性成分可能为β-谷甾醇,去甲蟛蜞菊内酯,山柰酚,槲皮素,木犀草素(luteolin)等,这些活性成分通过作用于TNF,VEGF,c-JUN,c-MYC和MMP-9等靶标以及调节Hepatitis B,TNF,PI3K/Akt,p53,Toll-like receptor等通路,发挥治疗作用。