基于分子對(duì)接和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的中藥治療慢性腎病的分子對(duì)接和靶標(biāo)相互作用研究

基于分子對(duì)接和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的中藥治療慢性腎病的分子對(duì)接和靶標(biāo)相互作用研究

1中藥的臨床研究對(duì)藥物療效的影響慢性腎病嚴(yán)重危害人類健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約1%的慢性腎病患者最終將病情轉(zhuǎn)化為尿毒癥，只能通過分析和腎移植生存。臨床實(shí)踐表明，中醫(yī)治療可以有效改善腎功能，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，緩解腎功能衰竭。然而，中醫(yī)的化學(xué)成分是復(fù)雜多樣的，不同的作用機(jī)制也不同?，F(xiàn)在合成的雷公藤和大黃酸最早是出于臨床的意外發(fā)現(xiàn)，這顯然是不符合臨床需要。以往的藥物開發(fā)強(qiáng)調(diào)藥物分子目標(biāo)的特異性，但臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高特定單通標(biāo)藥物的臨床療效并不令人滿意。根據(jù)系統(tǒng)生物學(xué)的研究，人體信號(hào)的傳遞路徑是復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，其中一條路的操作路徑是必要的。由于這種方法，其他路的反映性或自我激活是必要的。因此，單一目標(biāo)基準(zhǔn)的檢測(cè)是不夠的。根據(jù)最新的實(shí)驗(yàn)室和臨床研究，“多組復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)偏差”藥物的組合超過了單一標(biāo)準(zhǔn)偏差藥物[4.8]。中醫(yī)注重臨床療效的基礎(chǔ)是“多組復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)偏差”。分散的十多萬顆藥丸和分散的流行食譜是藥物的簡(jiǎn)單來源。復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析技術(shù)的發(fā)展為研究中藥化學(xué)成分與體內(nèi)靶點(diǎn)之間的關(guān)系提供了新的研究方法。在這項(xiàng)工作中，我們使用分子化合物、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和分析方法，研究和開發(fā)慢性腎臟藥物的藥物及其靶點(diǎn)，并快速選擇這些誘導(dǎo)化合物。我們需要從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度解釋古老的中醫(yī)藥理論。2實(shí)驗(yàn)方法62種治療慢性腎病中藥來源于中華人民共和國(guó)藥典-1mol-1.3中藥中活性成分的確定傳統(tǒng)的中醫(yī)理論將中藥按照功效主治的不同分為補(bǔ)益藥和攻逐藥.補(bǔ)益藥是以補(bǔ)益人體氣血陰陽(yáng)、增強(qiáng)體質(zhì)、改善虛弱癥狀為主要作用,主治各種虛證.而攻逐藥的主要作用是祛除人體內(nèi)部的各種外邪,用于實(shí)證的治療.這種分類方法無疑是粗線條的,如何通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重大的理論意義.信息可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)的分析和提取,以圖形、圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)等易為人們所認(rèn)識(shí)、可視的方式,展示數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系、潛在信息和發(fā)展趨勢(shì),以便更好地掌握和利用信息資源.我們把聚類分析的結(jié)果導(dǎo)入Pajek網(wǎng)絡(luò)分析軟件,將同一聚類(cluster)的分子與聚類中心(clustercenter)連接繪制藥物-藥物網(wǎng)絡(luò)圖.聚類分析是一種無監(jiān)督分類,目標(biāo)是將數(shù)據(jù)劃分為有意義的簇或類,每個(gè)聚類簇中的成員之間具有較大的相似性,而聚類簇之間的成員具有較小的相似性.如圖1所示,補(bǔ)益類中藥、攻逐類中藥的化學(xué)成分和西藥分子的藥物-藥物網(wǎng)絡(luò)圖并不是均勻分布的,里面分布著眾多的簇.中藥的化學(xué)成分和西藥分子的分布具有明顯的區(qū)域特征.補(bǔ)益類中藥的化學(xué)成分多集中在中心,與西藥分子相似,而攻逐類中藥的化學(xué)成分分布相對(duì)分散.這提示補(bǔ)益類中藥的化學(xué)成分的生理活性與西藥分子相似,而攻逐類中藥的化學(xué)成分具有更為廣泛的生理活性.目前大多數(shù)中藥研究都遵循傳統(tǒng)的研究策略:即先化學(xué)分離、后分析鑒定,再結(jié)合藥理實(shí)驗(yàn)以確定主成分的活性導(dǎo)向方法.這樣的分離、分析操作繁瑣、周期長(zhǎng)、盲目性較大,花費(fèi)巨大.計(jì)算機(jī)藥理學(xué)是整合化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物數(shù)據(jù)、發(fā)展計(jì)算模擬方法及建立模型預(yù)測(cè)藥理學(xué)性質(zhì),我們之前的工作顯示:利用已知信息,通過計(jì)算藥理學(xué)研究探討中藥可能的作用機(jī)理,對(duì)中藥現(xiàn)代化研究可能是一條有效的新途徑[14~19].中藥藥理作用的基礎(chǔ)是中藥中化學(xué)成分與人體內(nèi)靶標(biāo)之間的相互作用總和,屬于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)范疇,具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大量的節(jié)點(diǎn).從20世紀(jì)90年代開始,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究逐步形成了一個(gè)自我完備的學(xué)科,甚至被稱為“網(wǎng)絡(luò)的新科學(xué)”.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域,已經(jīng)成為近10年來全世界在不同學(xué)科領(lǐng)域中的科學(xué)家們的研究熱點(diǎn).Jeong等利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究代謝網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦?為在系統(tǒng)水平上研究生物網(wǎng)絡(luò)提供了新的研究策略.我們將分子對(duì)接結(jié)果中存在相互作用的小分子化學(xué)成分和靶標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)(node),以兩者之間的相互作用為網(wǎng)絡(luò)的連接(edge),導(dǎo)入cytoscape軟件進(jìn)行小分子化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,見圖2.每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都存在其特有的拓?fù)涮卣?其中某些特征對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能有很大影響.定量地比較不同復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在某方面的拓?fù)湫再|(zhì),可以對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入地分析和比較.表2的數(shù)據(jù)顯示除網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性相似外,補(bǔ)益類中藥、攻逐類中藥與西藥中化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的其他參數(shù)均有較大差異.網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)結(jié)構(gòu)可用網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)和節(jié)點(diǎn)度的相關(guān)性來度量,在許多真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中,隨著度k的增大,聚合系數(shù)C(k)一般會(huì)按照冪律衰減.這說明網(wǎng)絡(luò)具有明顯的層級(jí)性,即低度節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)互連的概率大,而高度節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)互連的可能性則較小.補(bǔ)益類中藥和攻逐類中藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)中心度明顯高于西藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò),這可能是造成補(bǔ)益類中藥和攻逐類中藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長(zhǎng)度、最短路徑長(zhǎng)度比西藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)大的原因,并進(jìn)而導(dǎo)致西藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)層次性較差.另外一個(gè)用來衡量真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是平均相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù),它所表示的是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度和它的相鄰節(jié)點(diǎn)度之間的相關(guān)性.補(bǔ)益類中藥、攻逐類中藥和西藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的平均相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)大小按順序排列依次為:補(bǔ)益類中藥>攻逐類中藥>西藥.這說明西藥分子靶標(biāo)特異性要高于中藥的化學(xué)成分.為了進(jìn)一步比較補(bǔ)益類中藥和攻逐類中藥的異同,我們將作用于同一靶標(biāo)的化學(xué)成分作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),以兩者之間的相互聯(lián)系為網(wǎng)絡(luò)的連接導(dǎo)入cytoscape軟件進(jìn)行小分子化學(xué)成分-小分子化學(xué)成分相互聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,見圖3.圖3的結(jié)果顯示補(bǔ)益類中藥的有效成分比攻逐類中藥的有效成分有更為廣泛的作用靶標(biāo).我們還將與同一化學(xué)成分有相互作用的靶標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),以兩者之間的相互聯(lián)系為網(wǎng)絡(luò)的連接導(dǎo)入cytoscape軟件進(jìn)行靶標(biāo)-靶標(biāo)相互聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,見圖4.圖4的結(jié)果顯示補(bǔ)益類中藥的主要作用靶標(biāo)和攻逐類中藥的主要作用靶標(biāo)有很顯著的不同.補(bǔ)益類中藥和攻逐類中藥只有一個(gè)共同的主要作用靶標(biāo),即CC趨化因子2(C-Cmotifchemokine-2).趨化因子是一類70至100個(gè)氨基酸組成的小分子分泌蛋白,是控制單核巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞及NK細(xì)胞等免疫細(xì)胞定向移動(dòng)的細(xì)胞因子.趨化因子與其受體的相互作用控制著各種免疫細(xì)胞在循環(huán)系統(tǒng)和組織器官間定向遷移,在病原體的清除、炎癥反應(yīng)、病原體感染、移植免疫排斥等方面起著重要作用.趨化因子募集特定的白細(xì)胞達(dá)到炎癥區(qū)域,執(zhí)行機(jī)體防御等功能,這種作用在防御微生物感染和創(chuàng)傷修復(fù)等是非常有用的.但是在慢性腎炎等涉及自身免疫系統(tǒng)功能紊亂的疾病中,趨化因子的高水平持續(xù)不適當(dāng)?shù)谋磉_(dá),會(huì)使募集的白細(xì)胞大量增加形成破壞性的損傷.白細(xì)胞介導(dǎo)的損傷又進(jìn)一步使趨化因子高水平表達(dá)或使其他類型的趨化因子表達(dá)增加,產(chǎn)生更廣泛的組織損傷,這樣使白細(xì)胞對(duì)機(jī)體的保護(hù)作用被破壞而引起疾病加重.CC趨化因子2受體的特異性抑制劑spiropiperidines早在20世紀(jì)90年代就被發(fā)現(xiàn),但直至今日仍未見上市,可能與其嚴(yán)重的副作用有關(guān),相反中藥的化學(xué)成分由于作用緩和,在臨床上得到廣泛的使用.本研究還發(fā)現(xiàn):大部分的藥物分子或靶標(biāo)只參加一種或兩種相互作用,但是有少數(shù)藥物分子或靶標(biāo)分子會(huì)參與較多的相互作用(具體見表3),確定這些治療慢性腎病中藥的有效成分群及關(guān)鍵作用靶標(biāo)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.眾所周知,中藥治療某一病或證時(shí),并非其所含所有化學(xué)成分都發(fā)揮治療作用或參加協(xié)調(diào)作用,其中的一些成分可能是強(qiáng)效的,一些成分可能是弱效的,也有許多成分是無效的甚至是有害的.鑒于此,有學(xué)者提出“組分中藥”的概念,即以中醫(yī)藥理論為基礎(chǔ),遵循中藥方劑的配伍理論與原則,由有效組分或有效部位配伍而成的現(xiàn)代中藥.本研究結(jié)果有助于治療慢性腎病組分中藥的研發(fā),實(shí)現(xiàn)由天然藥物組方向有效成分群組方的轉(zhuǎn)化.4中藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)系統(tǒng)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)許多小分子化學(xué)成分并不像先前認(rèn)為的那樣具有靶標(biāo)特異性,而是與人體內(nèi)許多靶標(biāo)存在相互作用,這些相互作用構(gòu)成了小分子化學(xué)成分的生理活性基礎(chǔ),開展這方面系統(tǒng)的研究可以充分利用已知的信息,快速發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物,是一條省時(shí)省力的研究策略[25~27].但化學(xué)成分與靶標(biāo)之間的相互作用構(gòu)成的系統(tǒng)規(guī)模大,且相互作用十分復(fù)雜,運(yùn)用傳統(tǒng)的研究方法研究難度很大.不少學(xué)者提出復(fù)雜動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)研究方法作為復(fù)雜系統(tǒng)建模手段,可以順利解決這一難題[28~31].我們的研究結(jié)果顯示與西藥分子-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)相比,補(bǔ)益類中藥、攻逐類中藥的化學(xué)成分-靶標(biāo)相互作用網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長(zhǎng)度、最短路徑長(zhǎng)度的數(shù)值明顯要高很多.特征路徑長(zhǎng)度、最短路徑長(zhǎng)度的數(shù)值可以反映信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞快捷程度.特征路徑長(zhǎng)度和最短路徑長(zhǎng)度短提示西藥分子具有起效快的特點(diǎn),相比之下,中藥的化學(xué)成分發(fā)揮藥效作用則顯得緩慢而溫和,這對(duì)于研究中藥的化學(xué)成分的藥理作用具有重要意義.中藥的性能是古人在長(zhǎng)期實(shí)踐中反復(fù)驗(yàn)證,然后歸納和總結(jié)出來的,是從性質(zhì)上對(duì)中藥多種醫(yī)療作用的高度概括.它作為整個(gè)中醫(yī)學(xué)理論體系中的一個(gè)重要組成部分,對(duì)于認(rèn)識(shí)各種藥物的共性和個(gè)性,以及臨床用藥都有實(shí)際指導(dǎo)意義.對(duì)中藥藥性理論進(jìn)行深入的現(xiàn)代研究有助于推動(dòng)中藥現(xiàn)代化進(jìn)程,