基于网络药理学探讨黄精主要活性成分治疗2型糖尿病的作用机制研究

郝俊杰 杨兴鑫 顾雯 李莉 闫鸿丽

摘要：目的 從网络药理学角度研究黄精的主要活性成分及其治疗2型糖尿病的可能作用机制。方法 从 TCMSP 数据库中提取黄精的化学成分，以口服生物利用度（OB）≥30%和类药性（DL）≥0.18 筛选活性成分，通过该数据库提取活性成分作用靶点，以DisGeNet 及OMIM在线分析平台挖掘疾病相关靶点，最后采用Perl语言与R语言分析靶点关联的主要生物通路，获取黄精活性成分的多维角度抗2型糖尿病的作用机制。结果 通过筛选获得DFV、黄芩素、3-甲氧基黄豆苷元、β-谷甾醇、甲基原薯蓣素、甘草素、薯蓣皂甙元、谷甾醇、4，5-二羟基黄酮等成分等12 个主要活性成分;这些成分可作用于靶点68个，其中核心靶点有 AKT1、JUN、FOS、VEGFA、CASP3、MMP9 等;这些成分可作用炎症感染（乙型肝炎、人类巨细胞病毒感染）、癌症通路、AGE-RAGE 信号通路、TNF 信号通路、脂质和动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗、雌激素信号通路、IL-17 信号通路、HIF-1 信号通路等。进一步发现抗2型糖尿病作用黄精中主要活性成分可通过“多成分-多靶点-多通路”来发挥治疗糖尿病的作用。结论 从网络药理学预测了黄精抗2型糖尿病的主要活性成分和多维抗2型糖尿病药理作用机制，为进一步探讨其作用机制奠定了基础。

关键词：网络药理学;黄精;活性成分;2型糖尿病;作用机制

中图分类号：R285.6 文献标志码：A 文章编号：1007-2349（2022）04-0020-08

Study on the Action Mechanism of the Main Active Ingredients of Polygonatum Chinensisin the Treatment of Diabetes Patients （II） Based on Network Pharmacology

HAO Jun-jie， YANG Xing-xin， GU Wen， LI Li， YAN Hong-li

（Yunnan University of Traditional Chinese Medicine， Kunming 650500， China）

【Abstract】Objective： To study the main active ingredients of Polygonatum chinensis and its possible mechanism of action in the treatment of diabetes patients （II） from the perspective of network pharmacology. Methods： The chemical constituents of Polygonatum chinensis were extracted from the TCMSP database， and the active ingredients were screened with oral bioavailability （OB） ≥ 30% and drug-like properties （DL） ≥ 0.18. The target of active ingredients was extracted from this database， and the disease-related targets were mined by DisGeNet and OMIM online analysis platform. Finally， Perl language and R language were used to analyze the main biological pathways associated with the targets， and to obtain the multi-dimensional anti-type II diabetes mechanism of the active ingredients of Polygonatum chinensis. Results： 12 main active ingredients such DFV， baicalein， 3'-methoxydaidzein， β-sitosterol， methylprotodioscin， liquiritigenin， diosgenin， sitosterol， 4'， 5-dihydroxyflavone， etc. were obtained by screening. These ingredients could act on 68 targets， of which the core targets were AKT1， JUN， FOS， VEGFA， CASP3， MMP9， etc.. These ingredients could act on inflammatory infections （hepatitis B and human giant cells virus infection）， cancer pathway， AGE-RAGE signaling pathway， TNF signaling pathway， lipids and atherosclerosis， non-alcoholic fatty liver disease， insulin resistance， estrogen signaling pathway， IL-17 signaling pathway， HIF-1 signaling pathway. It was further found the main active ingredients of Polygonatum chinensis could play a role in the treatment of diabetes through "multi-ingredients-multi-target-multi-pathway". Conclusion： The main active ingredients of Polygonatum in anti-type II diabetes patients and the pharmacological mechanism of multi-dimensional anti-type II diabetes patients are predicted from the network pharmacology， which lays a foundation for further exploration of its mechanism of action.

【Key words】Network Pharmacology; Polygonatum; Active Ingredients; Diabetes （II）; Mechanism of Action

糖尿病是最常见疾病之一，糖尿病属于中医“消渴病”、“脾瘅”等病 症范畴。目前全球有4.25 亿糖尿病患者，此外还有3.5亿多糖尿病高危人群。预计到2045 年，将会有近7亿糖尿病患者。我国 1.14 亿一直位居世界首位。全球每 11 位成人中就有1位罹患糖尿病;每 2 位糖尿病患者，就有 1 位未确诊[1];虽然目前治疗西药众多，但没有一种彻底治愈疾病，并且其不良反应及副作用多，所以糖尿病的治疗一直困扰西医的疑难问题。

黄精作为传统中药，也是我国重要的药食同源药物之一，《中国药典》[2]2020版收载黄精为百合科黄精属植物，包括滇黄精Polygonatum kingianum Coll.Et Hemsl.黄精Polygonatum sibiricum Red.或多花黄精Polygonatum cyrtonema Hua的干燥根茎，分别习称“大黄精”“鸡头黄精”或“姜形黄精”。黄精多糖具有良好的调节糖、脂代谢活性并有广泛的临床应用[3-6]。黄精中的主要化学成分类型包括多糖、皂苷、黄酮、蒽醌、生物碱、木脂素等。这些化学成分降糖如何？目前研究的内容鲜见。

网络药理学是一个新兴领域，它集成了系统生物学和药理学，以推进药物发现，开发和治疗机制的理解过程。基于网络药理学可反映化合物与靶点之间复杂的相互作用，已成功应用于中医药相关研究领域，为中药復杂作用的研究提供了新的思路和视角[7]。

因此，本研究基于网络药理学，对黄精的化学成分进行分析，进一步挖掘黄精抗糖尿病的活性成分和靶点通路，为其治疗糖尿病提供进一步的理论参考与依据。

1 资料与方法

1.1 黄精活性成分和靶点的收集 在中医药数据库与分析平台（Traditional Chinese Medicine Database and Analysis Platform，https：//www.tcmsp-e.com/，TCMSP）中，收集整理获得黄精有效成分;其药物的吸收、药物的体内分布、药物的代谢及药物的排泄性质进行评价，设置口服生物利用度（Oral Bioavailability，OB）≥30%，类药性（Drug-likeness，DL）≥0.18，作为筛选条件获得黄精的活性成分，时间截止至2021年6月20 日，运行getTargets.p脚本，得到有效成分对应的靶基因。

1.2 2型糖尿病相关靶点的获取 通过 Genecards 数据库（https：//www.genecards.org/）获取疾病靶点，搜索“type 2 diabetes”关键词，并以用score≥1做滤过，获取2型糖尿病相关基因;同时通过OMIM大数据库（https：//www.omim.org）中检索疾病关键词“type 2 diabetes”，得出与 2 型糖尿病有关联的基因，合并二者基因数量，剔除重复部分，将剩余基因作为该病的候选靶点基因。

1.3 中药-成分-疾病-药效靶点的网络构建 利用 Cytoscape 软件，将黄精治疗2型糖尿病的药效靶点等数据导入，从而构建“黄精成分-2型糖尿病”药效靶点网络图。

1.4 PPI网络的构建及关键靶点筛选 将药物-疾病交集靶点利用R语言，构建 PPI 网络图，进行蛋白质与蛋白质相互作用（PPI）分析，并根据 Degree 值大小筛选核心靶点。得到药效靶点蛋白互作网络图，同时根据靶蛋白功能作用次数，对药效靶点由高到低进行排序，最后绘制前 20 位核心靶点柱状图及PPI 网络图。

1.5 基因本体功能分析 基因本体（Gene Ontology，GO）功能分析借助Perl语言与R语言数据库，对黄精治疗2型糖尿病药效靶点进行 GO 分子功能分析，根据 P value 大小进行排序，最后绘制出排序前 20 位的 GO 分子功能柱状图以及前20 个功能富集靶点的 GO 分析结果。

1.6 京都基因与基因组百科全书通路富集分析 京都基因与基因组百科全书通路富集分析（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）将黄精-2型糖尿病交集基因通过Perl语言与R语言数据库，输入靶基因名称列表，限定物种为“Homo Sapiens”，设定阈值为P<0.05，进行KEGG通路富集分析，KEGG 分析选择 PATHWAY 模块。

2 结果

2.1 黄精活性成分和靶点的收集 在TCMSP数据库检索黄精38个有效成分，对药物的吸收、药物的体内分布、药物的代谢及药物的排泄性质进行评价，经过 OB 和 DL 参数初步筛选后共获得12个活性成分，即DFV、黄芩素、3-甲氧基黄豆苷元、β-谷甾醇、谷甾醇、甲基原薯蓣素、甘草素、薯蓣皂甙元、4，5-二羟基黄酮、西伯利亚蓼甙A、丁香树脂酚及zhonghualiaoine 1等成分，详见表1及图1。再利用TCMSP数据库，检索黄精成分靶点共 515 个，再运行 perl脚本，得到黄精12个化学成分与靶点对应的活性成分-靶点109 对，详见表2。

2.2 2型糖尿病相关靶点的获取 GeneCards大数据库中检索疾病关键词“type 2 diabetes”，得出与 2 型糖尿病有关联的基因13297，用score≥1做滤过，筛选出12836个相关基因;同时用OMIM大数据库中检索疾病关键词“type 2 diabetes”，得出与 2 型糖尿病有关联的基因1263个，剔除重复部分基因694，剩余13405个基因，这些基因将作为2型糖尿病的候选靶点基因。

2.3 中药-成分-疾病-药效靶点的网络构建 利用 Cytoscape 软件，将黄精、活性成分、2型糖尿病、药效靶点等数据导入，从而构建药物-成分-靶点-疾病网络构建，将得到得出药物-成分-靶点-疾病网络图（见图2）。其中8个节点代表黄精的有效成分，68个节点代表与药效成分效应的疾病靶点。

2.4 PPI网络的构建及关键靶点筛选 将药物-疾病交集靶点利用R语言，构建 PPI 网络图，得出黄精活性成分（靶点69个（删除重复29个靶基因））与 2 型糖尿病共有 68个靶点，与2型糖尿病的疾病靶点用R 4.0.4 取交集后获取靶点68个，即PPARG、VEGFA、PTGS2、MMP9、MTOR、PON1、AKT1、BCL2、ADRB2、IGF2、KCNH2、SOD1、ESR1、NOS2、SCN5A、CAT、CASP8、NR3C2、AR、BAX、HIF1A、CASP3、FOS、MAPK14、MPO、PTGS1、PRKCA、CDKN1A、JUN、CASP9、PLA2G4A、CYCS、ABCC2、GSK3B、ESR2、TP63、OPRM1、GABRA1、CCNA2、ALOX12、FASN、CHRNA2、SLC6A4、RELA、PGR、PRSS1、AHR、NR1I2、NCOA2、MAP2、CHRM、MAOB、NCOA1、EGLN1、CCNB1、CHEK1、FOSL2、RXRA、ADRA1B、NFATC1、ADRA1A、CHRM3、FOSL1、CHRM1、CHRM4、APOD、NOX5、TDRD7等为黄精抗2型糖尿病的作用靶点，做出韦恩图，如图3所示，蓝色疾病靶点，黄色代表黄精的药物作用靶点，重合部分为药物靶点与疾病靶点的交集靶点。

将 68个共同靶点导入 STRING 数据库，置信度設置为>0.3，并剔除游离靶点，获得 PPI 网络图白互作网络（PPI）分析数据将得到的药物活性成分，选择网络节点、边等基本属性，得出PPI网络图（见图4）。该网络总计节点68个，边502条，网络平均相邻节点 14.8。

2.5 GO 功能富集分析 通过 R 数据库 GO 富集分析获得黄精靶点的细胞组分、生物过程、分子功能按照显著性程度 P<0.01 确定了103个GO条目，按照显著性程度排列对 GO 分析结果进行展示前20个，可以得出被富集了相关性前20 个功能富集以柱状图形式表示（见图5）与 靶点的 GO 分析结果（见表3），P 值代表富集显著性。这些靶点基因在生物学层面显示出主要参与细胞的代谢、增殖，信号转导，氧化应激，蛋白水解，受体激活等生物过程。在细胞层面这些靶点主要与细胞核 DNA复制、RNA 转录等功能相关等。在分子层面这类靶点基因与蛋白质结合，蛋白激酶活性、类固醇激素受体活性等功能相关。

2.6 KEGG 通路富集分析 将黄精活性成分效应的2 型糖尿病的靶点基因进行 KEGG 通路富集分析，结果显示该类基因总共富集在 139条信号通路，取富集集中的前 20 个以柱状图显示（见图6）。富集的通路主要与炎症感染（乙型肝炎及炎症因子等）、癌症通路、PI3K-Akt 信号通路、脂质和动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗、雌激素信号通路、阿尔茨海默病等密切相关。通过R软件分析黄精靶点涉及的信号通路，其中字体代表靶点，圆形代表通路，边则表示靶点与通路或通路与通路间相互作用的关系，圆形的大小与 Degree 值成正比，圆形越大，颜色越红，说明该富集越重要，见图6。

3 讨论

本研究结果显示，黄精的活性成分包括DFV、黄芩素、3-甲氧基黄豆苷元、β-谷甾醇、谷甾醇、甲基原薯蓣素、甘草素、薯蓣皂甙元、4，5-二羟基黄酮、西伯利亚蓼甙A、丁香树脂酚及zhonghualiaoine 1等成分。这与早年有学者研究分离提取的滇黄精化学成分得到的结果一致[8-9]。但这些化学成分目前为止，大都没有作为黄精抗糖代谢的活性成分，目前 黄精干扰糖代谢以黄精多糖研究为主[3-6]。

黄精化学成分作为降糖的活性物质如黄芩素、甘草素、薯蓣皂苷元在降糖方面效果突出。黄芩素是黄酮类化合物之一，其治疗能使糖尿病大鼠的血糖降低，并增加其胰岛细胞分泌胰岛素，其机制可能与黄芩素可降低胰腺氧化应激水平，抑制胰岛细胞凋亡有关[10]。甘草素是一种黄酮类化合物，具有重要的抗氧化、抗炎和抗糖尿病特性。此外，甘草素全阻止高血糖鱼显示晚期糖基化终产物（AGEs）和甲状旁腺激素水平增加代谢改变[11]。薯蓣皂苷元是一种非常具有生物活性的天然甾体皂苷元，其治疗糖尿病及其并发症的研究已被广泛报道，最新报道发现其能够改善 STZ 糖尿病动物的认知缺陷，并可能改善胆碱能功能以及其神经保护潜力[12]。

本研究发现黄精与2型糖尿病共同的药效靶点基因共68个，包括 AKT1、JUN、FOS、VEGFA、CASP3、MMP9 等，这些药效靶点基因与介导炎症的发生、癌症及血脂升高及糖尿病肾病发生发展等有密切相关。其中GO 分子功能分析显示，药效靶点基因主要涉及在分子层面这类靶点基因与蛋白质结合，蛋白激酶活性，神经递质活性，类固醇激素受体活性等分子功能，提示黄精抗糖尿病的发生发展与这些生物学过程密切相关，是共同作用的结果。同时KEGG 通路分析也显示黄精治疗2型糖尿病通路众多，也是包括这些病变，如炎症感染（乙型肝炎、人类巨细胞病毒感染）、癌症通路、AGE-RAGE 信号通路、TNF 信号通路、脂质和动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗、雌激素信号通路、IL-17 信号通路、HIF-1 信号通路等。

有研究显示作为糖尿病肾病发生发展重要的一环，AGE-RAGE 信号通路激活可以刺激 NF-κB、VEGF、TGF-β1 的产生，从而导致细胞凋亡、炎症、血管重建[13]。目前乙型肝炎促进T2DM发病的研究众多，普遍认为其发病机制乙型肝炎病毒感染后，其抑制胰岛素信号转导和胰岛素靶细胞葡萄糖摄取以及糖原合成，从而引起血糖升高，导致糖尿病[14]。糖尿病（DM）是众所周知的乳腺癌（BC）发展的危险因素之一，并且还与 BC 患者的不良临床结果相关[15]，可以说糖尿病与乳腺癌互为因果。有学者研究发现的血脂指标、炎症状态和微量白蛋白尿之间的关系证实了糖尿病患者中高脂血症、炎症和肾病的相互影响。并证明了对糖尿病患者进行早期降血脂治疗以防止微血管并发症的发生和进展[16]。

综上所述，本文基于网络药理学的方法，对黄精治疗2型糖尿病进行了研究，发现其具有“多成分-多靶点-多通路”的特点，同时初步阐述了黄精治疗2型糖尿病的主要活性成分、潜在靶点基因、靶点之间的相互作用关系以及其所涉及的分子功能及信号通路，为临床应用黄精治疗2型糖尿病提供了参考价值。中药网络药理学作为一种新方法，是对中药化学成分药理作用进行预测，为全面认识中药与疾病的关系提供了思路，为中医药现代化作出贡献。

参考文献：

[1]International Diabetes Federation.Press R，elease：New IDF figures show continued increase indiabetes across the globe，reiterating the need for urgent action.14 November 2017.

[2]國家药典委员会.中华人民共和国药典一部[M].北京：中国医药科技出版社，2020：235-236.

[3]汪光军，李九九，何立峰，等.黄精多糖预防小鼠糖脂代谢紊乱的作用研究[J].食品安全质量检测学报，2020，11（21）：7829-7836.

[4]刘智君，徐锦，梁志敏，等.滇黄精多糖对低浓度链脲佐菌素所致的肾病小鼠的影响[J].中医药导报，2021，7（1）：12-15.

[5]王秋丽，童小慧，李小东，等.多花黄精多糖对STZ诱导的Ⅰ型糖尿病小鼠影响作用研究[J].云南中医学院学报，2019，42（1）：1-7.

[6]王艺.黄精、滇黄精多糖的结构表征与降血糖活性分析[D].西安：陕西师范大学，2019.

[7]黄秀芳，庾国桢，童晶晶.基于网络药理学分析陈皮的药理作用机制[J].中成药，2019，41（12）：3038-3045.

[8]王易芬，穆天慧，陈纪军，等.滇黄精化学成分研究[J].中国中药杂志，2003（6）：47-50.

[9]李晓，来国防，王易芬，等.滇黄精的化学成分研究（Ⅱ）[J].中草药，2008（6）：825-828.

[10]魏雪芳，林绍彬，熊红萍，等.黄芩素对糖尿病大鼠胰岛功能的影响及 其机制探讨[J].中西医结合心脑血管病杂志，2019，17（19）：2933-2935.

[11]Marta Carnovali，Livio Luzi，Ileana Terruzzi，et al.Liquiritigenin Reduces Blood Glucose Level and Bone Adverse Effects in Hyperglycemic Adult Zebrafish[J].Nutrients，2019，11（5）：1042.

[12]Mahmoudi Narges，Kiasalari Zahra，Rahmani Tayebeh，et al.Diosgenin Attenuates Cognitive Impairment in Streptozotocin-Induced Diabetic Rats：Underlying Mechanisms[J].Neuropsychobiology，2020：25-35.

[13]杨超茅，杨志新，马晓玲.AGEs-RAGE信号通路在糖尿病肾病中的作用机制及中医药研究进展[J].中医学报，2019，34（9）：1864-1868.

[14]覃超梅，刘永明，苏何玲.乙型肝炎和丙型肝炎与2型糖尿病的关系[J].临床肝胆病杂志，2021，37（4）：921-924.

[15]Durrani Ilhaam Ayaz，Bhatti Attya，John Peter.The prognostic outcome of ‘type 2 diabetes mellitus and breast cancer association pivots on hypoxia-hyperglycemia axis[J].Cancer Cell International，2021，21（1）：351.

[16]N Musina Nadezhda，V Saprina Tatiana，S Prokhorenko Tatiana，et al.Correlations between Iron Metabolism Parameters，Inflammatory Markers and Lipid Profile Indicators in Patients with Type 1 and Type 2 Diabetes Mellitus[J].Journal of personalized medicine，2020，10（3）：70.

（收稿日期：2021-09-16）