基于整合药理学平台莪术-冬凌草药对抗癌的分子作用机制

王 颖 吴 群 罗 莉 杨 柱 龙奉玺 唐东昕*

1.贵州中医药大学第一附属医院,贵州 贵阳 550000;2.贵州省中医肿瘤传承与科技创新人才基地,贵州 贵阳 550000;3.贵航贵阳医院,贵州 贵阳 550000

癌症一直是世界范围内威胁人类生命健康的难题之一，也是世界范围内人类死亡的主要原因[1]。在我国，癌症患者的死亡率较高，已成为我国居民死亡的首位因素[2-3]。中医以其独特的理论认识指导癌症疾病的防治已有几千年历史，从《黄帝内经》时期至今不断丰富、发展，在减毒增效，防止复发等方面均具有明显优势[4-5]。运用现代科学技术方法来揭示中医药的科学内涵是当今中医药继续深入发展的重要内容之一，也是丰富和发展中医药理论的有效途径。

因此，本研究基于国医大师刘尚义教授辨证治疗恶性肿瘤的数据挖掘，以莪术-冬凌草药对为例，从分子机制层面梳理和阐释名医经验。

莪术为姜科植物莪术的干燥根茎，出自《药性论》，其性味温、辛、苦，有消积破血、止痛行气的功用[6-7]。现代药理学研究[7-9]证明，莪术挥发油具有抗癌、抗炎、保肝等作用，能通过延迟肿瘤细胞周期、诱导肿瘤细胞凋亡、抑制肿瘤细胞对正常组织的侵袭来治疗肿瘤疾病。冬凌草味甘、苦，其性寒，具有清热、解毒、止痛、活血的功效。现代研究证明。冬凌草中的活性成分具有广泛的抗肿瘤增殖活性、可以靶向地触发不同肿瘤细胞系中的细胞周期停滞，凋亡和自噬通路，还具有抗炎、抗菌等作用[10-12]。在临证治疗恶性肿瘤中，国医大师刘尚义教授常在组方中辨证使用莪术-冬凌草药对治疗多种恶性肿瘤[13]，如肝癌[14]、结直肠癌[15]、乳腺癌[16]等，在增强疗效、减轻放化疗副作用方面疗效显著，但其具体的分子生物机制尚不明确。

整合药理学是一门包括中药学、药代动力学、计算科学等多学科融合的交叉学科，其主要研究方法包括大数据、网络药理学、体外活性评价研究以及数据挖掘，包含如中药成分数据库、疾病靶标数据库等多个权威数据库和多个数据分析方法，可以克服各个中药分析方法和内容之间关联性不足等问题[17]。本研究借助中医药整合药理学研究平台V2.0(http://www.tcmip.cn/)，探索莪术-冬凌草药对抗癌的作用机制，为其临床运用提供分子生物学理论依据。

1 方法

1.1 莪术-冬凌草药对化学成分收集 在中医药整合药理学研究平台V2.0 的中药材和中药成分数据库中，分别收集莪术、冬凌草的化学成分，同时构建莪术-冬凌草化学成分数据库。

1.2 莪术-冬凌草药对靶点收集和分析 使用中医药整合药理学研究平台V2.0 的中药靶标数据库，利用TCMIP数据库的二维结构相似性搜索(MACCS分子指纹)方式，通过开源软件进行特征提取, 再采用Tanimoto系数定义的相似度计量方法, 筛选相似性分数≥0.8的靶点作为候选靶点[18-20]。

1.3 疾病靶标收集 在中医药整合药理学研究平台V2.0的疾病相关分子库中，使用“cancer”作为关键字进行检索，将检索出的所有靶标作为疾病的候选靶标。

1.4 蛋白间相互作用(PPI)网络构建 将莪术靶标、冬凌草靶标、癌症靶标分别导入Venny 2.1在线工具(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)绘制韦恩图。再将莪术、冬凌草、癌症的靶标导入STRING 11.0数据库(https://string-db.org/)中，选择物种为“Homo sapiens ”，将满足条件(degree大于中位数)的靶标导入Cytoscape 3.7.0软件，绘制莪术-冬凌草药对靶标-疾病靶标相互作用的核心靶点网络图。

1.5 核心靶标基因生物过程分析 使用DAVID 6.8(https://david.ncifcrf.gov/)在线工具对核心靶标进行GO功能分析和KEGG通路富集分析。

1.6 构建“药对-活性成分-核心靶点-关键通路”网络 使用Cytoscape 3.7.0软件构建“药物-活性成分-核心靶点-关键通路”的可视化多层次相关联的整合网络图。

1.7 药对核心成分药代动力学分析 在中医药整合药理学研究平台V2.0的中药成分数据库中，以药物核心化学成分作为关键词进行检索，获取其吸收、分布、清除、毒性的药物性质。

2 结果

2.1 莪术-冬凌草药对化学成分及靶标预测分析 根据筛选条件，共在中医药整合药理学研究平台V2.0中获得莪术-冬凌草药对化学成分174个，共有预测靶标843个。其中，莪术化学成分有141个，预测靶标有442个；冬凌草化学成分有35个，预测靶标有401个。合并去重后，共得到靶标246个。对筛选出的药对靶标通过DAVID 6.8在线工具进行生物信息分析，分别取P值最小的10个功能富集进行分析(如图1所示)。GO功能富集显示，候选靶标的生物过程主要有离子转运、对有机环状化合物的应答、无机离子跨膜转运等。KEGG通路富集显示，候选靶标的信号通路主要有尼古丁成瘾、cAMP信号通路、心肌细胞肾上腺素能信号转导等。

2.2 莪术-冬凌草药对治疗癌症的核心靶标分析 在中医药整合药理学研究平台V2.0的疾病相关分子库中检索到的癌症的靶标共有390个，韦恩图分析结果显示，莪术-冬凌草药对与癌症共有19个交集的靶标，其中，属于莪术的有13个靶标，属于冬凌草的有17个靶标，二者共同靶标有11个。通过中医药整合药理学研究平台V2.0数据库，基于STRING 11.0数据库中PPI相互作用，构建莪术-冬凌草药对与癌症靶标间相互作用网络图，根据筛选条件，共筛选出核心靶标191个，选取Degree值前100的靶标来构建核心靶标网络图(如图2所示)。其中，莪术-冬凌草药对直接作用靶标23个，癌症靶标71个，药对和疾病共有靶标6个。共有靶标分别为原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、钙调蛋白1、细胞周期蛋白依赖性激酶6、核因子NF-kappa-B p105亚基和前列腺素G / H合酶2。

注：由内到外依次为共有靶标、药对靶标、疾病靶标图2 莪术-冬凌草药对治疗癌症核心靶标网络图

2.3 核心靶标基因生物过程分析

2.3.1 莪术-冬凌草药对关键靶点基因GO生物功能分析 使用DAVID 6.8在线工具对核心靶标中Degree值排在前100的靶标进行GO功能分析，共得到326个生物功能信息，取P值最小的前10位进行分析(表1，图3)。结果发现，核心靶标主要富集于细胞对有机物的应答、大分子代谢过程的正调控、细胞对内源性刺激的应答等与细胞代谢、调控、传导等相关的生物过程。

图3 莪术-冬凌草药对治疗癌症核心靶标GO生物学功能气泡图

表1 莪术-冬凌草药对治疗癌症核心靶标GO生物学功能信息

2.3.2 莪术-冬凌草药对关键靶点基因KEGG通路富集分析 使用DAVID 6.8在线工具对核心靶标中Degree值排在前100的靶标进KEGG通路富集分析，取P值最小的前10位进行分析(表2，图4)。结果发现，核心靶标主要富集于癌症通路，IL-17信号通路，TNF信号通路等。

表2 莪术-冬凌草药对治疗癌症KEGG通路信息

图4 莪术-冬凌草药对治疗癌症核心靶标KEGG通路气泡图

2.4 “药对-活性成分-核心靶点-关键通路”多维网络构建及分析 以2.3.2项中所富集分析出的P值最小的前十位KEGG通路来构建“药对-活性成分-核心靶点-关键通路”多维网络(图5)。结果显示，该多维网络图涉及了莪术-冬凌草药对中39个成分和25个靶标。其中包括莪术成分20个，冬凌草成分19个。这些成分通过对半胱氨酸蛋白酶3、雌激素受体1、白细胞介素6、肿瘤坏死因子原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、钙调蛋白1、细胞周期蛋白依赖性激酶6、核因子NF-kappa-B p105亚基和前列腺素G / H合酶2等25个靶标的联合调控，参与了癌症通路、IL-17信号通路、TNF信号通路、乙肝、雌激素信号通路、非酒精性脂肪肝等信号通路。其中原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、钙调蛋白1、细胞周期蛋白依赖性激酶6、核因子NF-kappa-B p105亚基和前列腺素G / H合酶2为莪术-冬凌草药对与癌症共有靶标。

经过中医药整合药理学研究平台V2.0数据库进一步分析显示，冬凌草中棕榈酸通过与原癌基因c-Abl和钙调蛋白1作用参与了癌症通路；莪术中油松蛋白通过与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1作用参与了癌症通路、雌激素受体通路、非酒精性脂肪肝、乙肝和TNF信号通路；莪术中油松蛋与冬凌草中毒马草黄酮共同与细胞周期蛋白依赖性激酶6作用，参与了癌症途径；冬凌草中熊果酸、Guidongnin、冬凌草甲素、Rabdoternin C、冬凌草甲素C、冬凌草甲素H通过与核因子NF-kappa-B p105亚基作用参与了癌症通路、雌激素受体通路、IL-17信号通路、乙肝、非酒精性脂肪肝、TNF信号通路；冬凌草中棕榈酸通过与前列腺素G / H合酶2作用，参与癌症途径、IL-17信号通路和TNF信号通路。推测莪术-冬凌草药对通过这些化学成分作用于原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、钙调蛋白1、细胞周期蛋白依赖性激酶6、核因子NF-kappa-B p105亚基和前列腺素G / H合酶2从而参与了癌症通路、雌激素受体通路、IL-17 信号通路、乙肝、非酒精性脂肪肝、TNF信号通路，进而达到抗癌的作用。

2.5 莪术-冬凌草药对核心成分药代动力学分析 根据2.4中多维网络分析结果，在中医药整合药理学研究平台 V2.0中药成分数据库中，对作用于共有靶标的化学成分进行ADMET水平分析(表3)。根据ADMET 描述符[21]，吸收、代谢水平从0～3分别表示“良好”、“中等”、“弱”、“很弱”，血脑屏障分布水平从0～4分别表示“很高”、“高”、“中等”、“未阐明”，血浆蛋白结合率水平从0～2分别表示结合率<90%、结合率>90%、结合率>95%，肝毒性以0和1分别表示“无毒”“有毒”，而化学成分类药性级别则根据中医药整合药理学研究平台V2.0数据库算出的类药性比重来划分，>0.67为“良好”、0.46～0.67为“中等”、<0.67为“弱”。

注：从上到下依次为为中药药对、药物成分、核心靶点、红色矩形为关键通路图5 莪术-冬凌草药对治疗癌症的“药对-活性成分-核心靶点-关键通路”多维网络图

表3 莪术-冬凌草药对核心成分药代动力学分析

分析结果显示，莪术-冬凌草药对核心成分的吸收水平和代谢水平良好，药物肝毒性主要是剂量依赖性的肝损伤，核心成分可以穿透血脑屏障，同时与血浆蛋白结合率较高，可以在抗癌治疗中有效发挥作用。

3 讨论

癌症是一种全身性的疾病，任何单一治疗都不能取得彻底、良好的疗效。中西医联合治疗癌症，可以充分发挥各自优势，达到治疗目的[4]。

本研究基于国医大师刘尚义教授的临床经验，以其常用的莪术-冬凌草药对为例，借助中医药整合药理学研究平台V2.0，探索莪术-冬凌草药对抗癌的作用机制。通过中医药整合药理学研究平台 V2.0数据库共获取莪术-冬凌草药对174个化学成分，合并去重后，得到预测靶标共246个，同时基于STRING数据库所构建的药对靶标和疾病靶标PPI网络，筛选出核心靶标，其中药对与疾病共有的靶标分别为原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、钙调蛋白1、细胞周期蛋白依赖性激酶6、核因子NF-kappa-B p105亚基和前列腺素G / H合酶2，推测这些靶标可能是莪术-冬凌草药对抗癌的重要靶标。经过GO生物功能和KEGG通路分析，这些药物靶标主要参与细胞内代谢、调控、传导等相关信号传递的生物过程，核心靶标富集于多条与癌症相关的信号通路，如癌症通路、IL-17信号通路、TNF信号通路、雌激素信号通路等。大约有20%的癌症都与慢性炎症有关，大多数实体肿瘤的炎症浸润都有促炎细胞因子介导[22]。白细胞介素17作为驱动自身免疫和炎性疾病的细胞因子，在癌症进展、宿主防御、炎症性疾病的发病等对多种过程中都有着非常重要的作用，同时其家族中的细胞因子也在炎症诱导中起着核心作用[23-24]。研究证明[25-27]，IL-17信号传导在多种癌症的发生中都起到了重要作用，它可以介导炎症发生，增强致癌基因的突变而促使癌症的发生，并在肿瘤内放大IL-17反应，从而促进组织再生，促进肿瘤生长和发展。作为主要的促炎症细胞因子，肿瘤坏死因子参与了癌变的各个方面，在多种癌症中充当了内源性肿瘤启动子[28-30]，在肿瘤中肿瘤坏死因子的生理浓度对肿瘤的发生发展具有促进作用，同时，肿瘤坏死因子可以通过诱导或上调下游趋化因子促进体内肿瘤的增殖、转移以及血管生成[31-33]。雌激素是一种多效类固醇，在众多的生理过程中都起到了调节的作用，除了介导与体内稳态有关的生物学机制外，还参与多种激素敏感性癌症如乳腺癌、前列腺癌等的生物过程，可以诱导肿瘤细胞的存活、增殖等[34-35]。

在预测出的莪术-冬凌草药对活性成分中，直接作用于原癌基因c-Abl、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1等6个重要靶标的成分中，冬凌草中棕榈酸可以通过ER应激促使细胞凋亡和自噬[36]。莪术中油松蛋白可作用于多种癌细胞，并通过调控相应靶标来抑制癌细胞的增殖、迁移，同时促使其凋亡[37-38]。另外，冬凌草中熊果酸、冬凌草甲素等均具有广泛的抗炎、抗癌作用，在抑制肿瘤细胞增殖，促进其凋亡的同时，还可降低化疗药耐药性[39-42]。

本研究通过中医药整合药理学研究平台V2.0预测分析莪术-冬凌草药对抗癌的核心靶标，并对核心靶标所参与的生物过程进行分析，在构建出的“药对-活性成分-核心靶点-关键通路”多维网络图中，阐明莪术-冬凌草药对抗癌的分子作用机制，其预测出的癌症通路、TNF信号通路等相关通路均与文献报道的癌症发病机制相符，证明整合药理学研究技术的全面性和可靠性。

本研究基于整合药理学技术，从多个角度梳理了莪术-冬凌草药对抗癌的潜在分子作用机制，结果显示，莪术-冬凌草药对是通过多靶点、多途径来发挥的抗癌作用，为临床运用提供依据，也为其后续实验研究提供参考。