基于R语言数据挖掘中药治疗糖尿病足溃疡的用药规律探析

周丁鹏 何於成 李开燕 曾昭洋

甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000

糖尿病足溃疡(diabetic foot ulcer，DFU)是糖尿病最严重的并发症之一。发病机理主要是神经和血管病变导致下肢感染和溃疡形成，造成深层组织破坏和肌腱变性坏死，致残和致死率高[1]。西医学治疗DFU主要在控制血糖的基础上以“创面床准备工作”：清创、负压治疗为主，局部容易产生抗药性，并不能完全消除创面，保湿不理想[2]。DFU属于中医“脱疽”“筋疽”等概念的范畴。临床研究[3]表明，糖尿病足溃疡初期大多以湿热毒盛证为主，中期以气血亏虚为主，后期多为气阴两虚，中医辨证论治通过整体性、多靶点施治同时配合中药外用制剂对于糖尿病足取得了一定临床疗效[4]，丰富了治疗DFU的临床手段。中药内服可提高人体正气并有效减轻DFU创面感染导致的内外毒素，发挥“减毒增效”作用进而有效促进DFU创面的愈合。但目前各医家治疗DFU方药多样化，并未有统一的标准模式，进行数据挖掘归纳分析具有重要意义。本次研究通过国内外常用文献数据库筛选出治疗DFU的方剂，借助R语言软件进行数据挖掘分析用药规律，为DFU临床治疗和新药的研发提供新的思路。

1 资料和方法

1.1 文献来源 检索知网，中国生物医学、维普、万方、PubMed共5个数据库收集中药或中成药治疗DFU的文献，通过主题词和自由词组合的方式，限定中文检索关键词为“糖尿病足溃疡”“糖尿病足”“糖尿病脚”“中药” “草药” “中成药”“汤” “散”“丸”；英文检索词为“Traditional Chinese Medicine” “Herbal Medicine” “diabetic foot ulcer” “diabetic foot” “diabetic feet”。检索年限限定为建库至2022年12月。

1.2 选择文献标准

1.2.1 文献纳入标准 ①研究类型：关于治疗DFU的临床试验和临床经验总结的文献；②研究对象：临床上明确诊断为DFU的患者；③干预措施：文献中明确以中药、草药、中成药、汤、散、丸为主要治疗手段的文献。④同一种方药信息不同文献，选取时间最近的文献选入；⑤文献中多种证型，按照证型分类记录。

1.2.2 文献排除标准 ①实验研究，综述，指南等文献；②合并其他类型并发症的文献；③文献中没有具体药物及药物不全面的文献。

1.3 药物名称规范 参照《中华人民共和国药典》[5](2020年版)和2007年版《中药学》[6]的中药名称对所有的药物名称进行规范处理，如“生黄芪”统一规范为“黄芪”，“当归尾”和“当归身”统一规范为当归；“元参”统一规范为“玄参”，对于因炮制方法不同而药效有差异的药物予以保留，如“地黄”与“熟地黄”等。

1.4 数据统计方法 本研究运用 R 语言(v3.6.1)对数据进行统计分析。运用ggplot 2函数对数据进行频次分析，运用corrplot函数对数据进行相关分析，运用GMM算法对数据进行聚类分析，选取最佳聚类数目，直观归纳总结组方规律。

2 结果

2.1 纳入文献情况 初步检索获得8710篇文献，其中有中文文献8539篇，英文文献297篇。初步筛选先删除重复文献后剩余2574篇。然后阅读题目和摘要再次删除不相关文献2218篇。进一步阅读全文进行筛选，删除不符合纳入标准的文献33篇文献，最终获得了323首方药信息。

2.2 用药频次统计 对323首方药进行分析，共涉及药物为71味，用药频次≥20的共有44味。详见表1。

表1 药物频次统计表

2.3 用药四气五味归经统计 对所使用的71味中药进行四气五味归经分析，其中四气中使用频率最高的以温(1423次，45%)，寒(1093次，35%)为主；五味中使用频率最高的以甘(1569次，34%)，辛(1258次，27%)，苦(1090次，24%)为主。归经中使用频率最高的以肝(1706次，%)，脾(1265次，17%)，心(1235次，16%)，肺(1044次，14%)为主。如图1、图2所示。

图1 处方中药四气、五味所占比重图

图2 处方中药归经统计图

2.4 药物功效分析 用药频次≥20的44味中药进行药物功效分析，其中使用频率最高以补虚药(791次，30.3%)、活血化瘀药(781次，29.9%)和清热药(630次，24.2%)为主。主要药物功效类别见表2。

2.5 关联分析 对323首方剂进行组方规律分析，对使用频次≥20次的44味药物进行关联规则分析，设置参数标准是置信度为0.9，支持度为0.2，提取排名前20条关联规则，最小提升度为1.030，各项提升度均>1，提示均为有效关联规则，详见表3。用 R包“arules”“arulesViz”对关联规则进行可视化，绘制网状图与分组矩图并予以展示。网状图反映药物提升度、置信度之间的关系；以横坐标为药物组合，置信度为纵坐标进行关联分析可得到散点图。如图3、图4所示。

表2 44味中药功效类别统计表

表3 20项有效关联规则表

表3(续)

图3 分组矩图

图4 网状图

2.6 聚类分析 本研究对使用频次>20次的44味中药进行聚类分析，运用GMM 算法来确定最佳聚类数目，GMM算法不仅对数据进行了簇集分类，同时可计算数据归于某一簇集的概率，GMM假设的模型分布与数据的真实分布一致性更强(基于集成GMM聚类的少标记样本图像分类)运用mclust 函数对高频中药进行聚类数目测试，结果提示共得到6种模型1～9组的分析结果，当聚类数目为 3 时聚类结果最佳。如图5所示。并运用pheatmap 函数通过树状图层次结构将结果进行展示，如图6所示。根据 GMM 算法将树状图分为药物特征相近的3类，第一类有5味中药，分别是当归、黄芪、丹参、牛膝、赤芍；第二类有53味中药，分别是白芷、皂角刺、柴胡、大枣、生姜、半夏、枳壳、黄精、五味子、虎杖、车前子、栀子、人参、干姜、白芥子、麻黄、土茯苓、黄芩、茵陈、大黄、延胡索、石斛、附子、细辛、山茱萸、牡丹皮、知母、全蝎、肉桂、薏苡仁、陈皮、泽泻、蜈蚣、忍冬藤、穿山甲、三七、太子参、连翘、蒲公英、紫花地丁、没药、乳香、天花粉、黄连、山药、葛根、麦冬、苍术、黄柏、白术、党参、茯苓、熟地黄；第三类有12味中药，包括川芎、桃仁、红花、白芍、桂枝、金银花、地黄、水蛭、鸡血藤、地龙、甘草、玄参。

图5 最佳聚类数目图

图6 聚类分析树状图

3 讨论

数据挖掘技术可以通过归纳总结当代医家的用药习惯，从而发现其中用药规律，为治疗糖尿病足提供思路。R语言主要应用于数据统计和作图领域[7]，相较于中医药数据挖掘领域常使用的中医传承辅助平台，R语言通过借助强大的可视化技术，可直观反映中药之间潜在的联系[8-9]。本次研究利用R语言数据挖掘平台对数据库搜集到323首方药信息进行数据分析，探讨中药治疗DFU的用药规律和其核心组方。以期发现客观规律并从中获得研究价值，为糖尿病足溃疡的诊疗提供新的思路。

对药物使用频次≥20的中药进行频次分析。结果显示用药频次最高的药物依次为当归、黄芪、牛膝、丹参、赤芍、川芎、红花、玄参、甘草、金银花10味药。当归、黄芪二者性味均甘、辛、温。其中当归活血补血，黄芪补气生血。现代药理研究表明，黄芪注射液可抑制NDC1/p53通路，可提高细胞活力的同时进一步增强细胞的抗氧化能力[10]，当归的有效成分阿魏酸和当归多糖等具有抗氧化的作用，与黄芪有效成分协同可调节免疫力、改善血液循环等。对于糖尿病及并发症病变有良好的作用[11]。牛膝性平，苦、甘、酸，逐瘀通经，具有抗炎镇痛和调节免疫的作用[12]。适用于DFU筋络不通，血瘀脉络之象。赤芍为苦寒之药，清热活血。有研究[13]表明，赤芍具有抑制炎性水肿、炎性渗出和抑制血小板聚集作用。丹参、川芎、红花同属活血调经类药物，归心、肝经，皆行气活血，散瘀止痛，配伍共奏活血化瘀之功。其中丹参主要成分丹参酮类和丹酚酸类可发挥抗炎、抗氧化及促进纤维蛋白降解和抑制胶原纤维产生等多方面作用[14]。玄参苦寒之品，具有抗炎、免疫增强等作用，玄参中的成分玄参多糖可明显降糖、成分桃叶珊瑚苷能够提高CAT、GSH-Px及SOD的活性，对SZT诱导的大鼠具有抗糖尿病作用[15-16]。金银花性甘、寒，清热解毒，现代药理学研究[17]表明，金银花可发挥抗炎、抗氧化及降血脂、降血糖等作用。甘草甘、平，益气健脾，甘草中的黄酮类化合物可抗炎，降血糖、调血脂[18]，与其他中药一起配伍有调和诸药之功，被广泛应用于治疗DFU的方剂之中。

对药物使用频次频次≥20的中药进行功效分析。糖尿病足溃疡主要使用补虚药、清热药及活血化瘀药物。补虚药中主要以补血、气药为主。清热药以清热解毒药物及清热凉血药物为主。研究表明，黄芪-当归具有抗炎及促进免疫增强的作用[19]。清热类药物可清除代谢废物，保护血液循环维持内环境平衡，有助于DFU患者的预后[20]。活血化瘀类药物主活血化瘀，疏通经络瘀血。现代研究[21-23]表明，瘀血阻络是导致糖尿病血管神经并发症产生和加重的根本原因，使用活血化瘀通络治疗方法在防治糖尿病及并发症具有重要意义。以上药物配伍符合中药内服治疗糖尿病足溃疡多为温补同时配合清热解毒、活血化瘀的治则[24]。所使用药物功效以滋补气血、活血化瘀、清热解毒为主，与临床上“虚、瘀”致毒理论具有一致性[25]。

对药物使用频次≥20的中药进行性味归经分析。所使用药物的药性主要是温、平和寒，药味主要包括甘、辛、苦。DFU病机以“本虚”为主，因此，使用药物药性多为温、平。辛能行能散，苦能收敛，所以治疗药物主要以辛温发散的辛温药和苦寒药最为多见。符合DFU病机中以血瘀、燥热等“标实”。DFU归经主要是肝、脾、肺为主，印证了中医治疗DFU从肺、脾论治的理论[26]。

对药物关联规则进行分析。结果显示{地黄，牛膝}=>{当归}，{地黄，牛膝}=>{黄芪}，{当归，党参}=>{黄芪}是支持度最高的组合。这些组合中，以黄芪、当归为主药。当归、黄芪补气生血，凸显在药物使用和搭配中的重要性。和当归、黄芪搭配使用的药物多为补虚药及清热药。在中药配伍方面，当归、黄芪、党参、地黄、牛膝是重要的配伍。它们之间具有强关联性。地黄-牛膝-当归，地黄-牛膝-黄芪两组药对在补气活血的同时，兼补益肝肾，清热解毒凉血。牛膝引血下行；地黄归心、肝、肾经，主清热凉血解毒。党参性平、甘，归脾、肺经，补中益气，健脾益肺。党参和黄芪配伍使补气之力更强。上述药物共同配伍，主要针对DFU疮疡日久，肝肾亏虚为本、燥热、血瘀，毒凝为标的基本病机，通过补气生血健脾以扶正，清热解毒活血以祛邪从而发挥作用。

对药物使用频次频次≥20的中药进行层次聚类分析，层次聚类结果为三类。聚一类为5味中药。其中黄芪味甘、性平，当归味甘、辛，性温，二者合用，补气生血、补血活血，是当归补血汤的组成成分。此方源于《内外伤辨惑论》。中医学认为疮疡溃后，久不愈合，亦为气血不足。用本方补气生血，托疮生肌，疮自收口愈合[27]。DFU发病是因为脏腑及气血阴阳的病变，导致气血亏虚及经络气血运行不畅，未能濡养肢体远端从而发生坏死。临床研究发现，DFU患者溃疡面大多合并感染，创面溃疡流脓，预后不佳。甘肃地区地道药材中陇西黄芪，岷县当归品质上乘，在DFU的治疗中二者配伍可发挥“减毒增效”的作用。现代研究[28]也表明，当归补血汤不仅可以增加外周血流量、改善微循环，还可通过抑制iNOS mRNA表达，延缓高糖状态下的足部病变，促进溃疡面的修复。聚二类共有53味中药，考虑该类53味中药与DFU的临床治疗有较小的关联性，暂不纳入的核心中药处方。聚三类为12味中药。其中川芎、红花、桃仁等活血化瘀药物多归于肝经，临床中多见DFU患者患肢脉络血瘀，血液循环受阻，加重了溃疡感染及肢端坏死。临床用方中应用活血化瘀类药物可明显改善患者的预后[29]。其中水蛭、地龙等虫类药物为血肉之品，喜攻逐走窜、破血通络，根松透邪，追拔沉混气血之邪[30]。消渴病病程较长，久病入络，络脉易瘀，故瘀血阻滞络脉是其病机的又一重点，因此虫类药物被临床广泛用于治疗糖尿病周围血管病变。同时有研究表明，李显筑等[31]研究显示予九虫丹(水蛭、地龙、桂枝、玄胡等)给糖尿病周围神经病变模型大鼠灌胃8周，大鼠血清T-SOD活性提高，MDA含量降低，可以明显改善糖尿病周围神经症状。其中甘草、金银花、玄参可与当归共同组成四妙勇安汤。该方来源于《验方新编》卷二，方中四药合用，具有清热解毒和活血通脉之功效，使毒去脓消，并收敛破溃口。中医理论认为糖尿病坏疽的病因病机多为气阴亏虚，外感邪毒，治疗当以标本兼治，化瘀通脉和去腐生肌为主，辨证分型以湿热毒盛证最为多见。四妙勇安汤是治疗热毒炽盛之脱疽的经典名方，历代医家应用于治疗脱疽屡见奇效[32]。

综上所述，本研究通过应用R语言挖掘分析DFU证治规律，DFU的病机主要为本虚标实，本虚是气血亏虚，标实多为燥热、血瘀等为主。证型以气血亏虚最为多见，方剂多为自拟方。主要治则是补益气血的同时兼活血化瘀、清热解毒凉血，常常使用的药物以补虚药、清热药、活血化瘀药为主，通过关联和聚类分析得到了2个新的处方，可以为中医药治疗DFU提供新的思路和参考依据。