【最新研究】基于分子对接法和网络药理学揭示小柴胡汤防治新型冠状病毒肺炎的活性成分及作用机制
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本文通信作者李沛波,为中山大学生命科学学院,副教授、博导,主要从事中药药理研究。
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本文为预印本论文,尚未经同行评议
基于分子对接法和网络药理学揭示小柴胡汤防治新型冠状病毒肺炎的活性成分及作用机制
谌攀1,饶鸿宇1,吴灏1,张海燕2,王永刚1,苏薇薇1,李沛波1
作者单位
1. 中山大学生命科学学院,广东省中药上市后质量与药效再评价工程技术研究中心/广东省热带亚热带植物资源重点实验室;2. 西南医科大学基础医学院
摘要
本研究旨在探索小柴胡汤防治新冠肺炎的活性成分及作用机制,为小柴胡汤在新冠肺炎防治中的应用提供参考。通过TCMSP数据库检索小柴胡汤的化学成分,将各化学成分与ACE2、MPro和PLP进行分子对接,预测其在抑制SARS-CoV-2病毒感染和复制方面的活性;采用TCMSP和CTD数据库检索小柴胡汤化学成分的靶蛋白或靶基因,使用String 数据库进行蛋白-蛋白相互作用(PPI)分析得到核心靶点,通过Cytoscape软件构建药材-活性成分-核心靶点网络,并进行拓扑分析和对核心靶点进行KEGG通路富集分析,预测小柴胡汤防治新冠肺炎的作用机制。分子对接结果表明,小柴胡汤的化学成分中与ACE2、MPro和PLP对接结果Libdockscore > 120的活性成分个数分别为86、114和105。网络拓扑分析筛选得到118个核心靶点,关键靶点涉及PTGS2、AR、MAPK14、PPARG、GSK3B、CCNA2、MAPK1、MAPK3、TP53、IL6、CHEK1、JUN、STAT3、TNF和RELA等。通路富集得到Influenza A、Small cell lung cancer、TNF、Toll-like receptor、PI3K-Akt和HIF-1等关键信号通路。结论 小柴胡汤中的活性成分能通过作用于ACE2、MPro和PLP发挥抑制病毒感染宿主细胞及自我复制的进程,也能通过多靶点多通路抑制细胞因子风暴,改善低氧血症,从而有效防治新冠肺炎。
关键词
小柴胡汤;新型冠状病毒肺炎;网络药理学;分子对接
0引言
2019年底,我国湖北省武汉市首先出现了由新型冠状病毒(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2,SARS-CoV-2)引发的肺炎,以发热、干咳、乏力为主要表现,由于该病毒具有传染性强、各类人群普遍易感的特点,疫情迅速蔓延[1,2]。截至2020年3月10日9时,我国31个省市(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团累计报告确诊80924例,累计治愈59982例,死亡3140例;全球感染病例已经超过10万。2020年1月31日,世界卫生组织(WHO)正式宣布新型冠状病毒感染的疫情构成国际关注的突发公共卫生事件,并于2月11日将新型冠状病毒感染引起的疾病正式命名为COVID-19。目前,尚无治疗COVID-19的特效药,临床上主要是以中西医结合的方式对症治疗,以减轻患者的发热、干咳、乏力等肺炎症状,并通过免疫调节以抑制细胞因子风暴,降低死亡率。中医认为COVID-19属于温病范畴的湿毒疫[3]。国家卫生健康委员会、国家中医药管理局印发的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第七版)》指出,本病属于中医疫病范畴,病因是感受疫疠之气。为充分发挥中医药在应对COVID-19中的作用,目前已有多个中药制剂获各省药监局批准用于防控COVID-19疫情。这些制剂多以经方为基础。
经方小柴胡汤由柴胡、黄芩、半夏、人参、甘草、生姜和大枣等7 味中药组成,首载于《伤寒论》,为和解少阳的代表方,具有和解表里之功效,是传统中医用于防治伤寒疫症等外感病的主方。在COVID-19防治中,小柴胡汤以及以小柴胡汤为基础方的中药方剂被应用于临床,并取得了较好的疗效。如,广州市第八人民医院以小柴胡汤为基础方组合的透解祛瘟颗粒(曾用名肺炎1号方)因具有较好的临床价值[4],获得广东省药品监督管理局的批准,可以在广东省新型冠状病毒感染的肺炎定点救治医院直接调剂使用[5]。国家中医药管理局在山西、河北、黑龙江和陕西四省试点的以小柴胡汤为基础方的清肺排毒汤,其总体有效率达90%以上[6]。2020年2月6日,国家卫生健康委员会办公厅、国家中医药管理局办公室联合印发《关于推荐在中西医结合救治新型冠状病毒感染的肺炎中使用清肺排毒汤的通知》,将清肺排毒汤推荐各地使用。可见,小柴胡汤是中药防治COVID-19的重要基础方。但是,小柴胡汤防治COVID-19的活性成分和作用机制尚不清楚。
分子对接在药物虚拟筛选中应用广泛,其实质就是利用计算机技术,通过分子的几何结构模拟分子间相互作用力,研究药物分子与靶点间的相互作用,应用于药物发现阶段的早期虚拟筛选、药物潜在作用机制研究以及药物作用靶点的预测[7]。中药网络药理学可以从整体角度系统探索药物与疾病间的关联性,构建药物-靶点-疾病 网络,为中药复方的多成分、多途径和多靶点的整体作用机制提供新的视角[8]。本研究首次采用分子对接技术及网络药理学方法研究经方小柴胡汤防治COVID-19的活性成分和作用机制,为小柴胡汤在新冠肺炎防治中的临床应用提供参考。
1方法
1.1小柴胡汤化学成分的获得
借助中药系统药理学平台(TCMSP, http://tcmspw.com/),分别以柴胡、大枣、生姜、黄芩、甘草、半夏和人参为关键词检索小柴胡汤中的化学成分。口服生物利用度(oral bioavailability, OB)表示口服药物的有效成分经吸收达到体循环的速度与程度,是筛选药物活性成分的一个重要指标。类药性(drug-likeness, DL)是通过分析现有分子药物的物理化学性质和结构特征而确定的,已被广泛用于排除一些在吸收、分布、代谢、排泄和安全性方面较差的化合物[9]。因此,本研究筛选出小柴胡汤中OB ≥ 30%且DL ≥ 0.18的化学成分[9]。
1.2化学成分-靶点分子对接
据文献报道,SARS-CoV-2是通过其S-蛋白与人体内血管紧张素转化酶(ACE2)结合而进入宿主细胞,进而诱发疾病[10,11]。最新的研究表明,SARS-CoV-2的S-蛋白与人体ACE2结合的亲和力要远高于SARS-CoV的S-蛋白,这是其传染性强的主要原因[12,13]。SARS-CoV-2作为RNA病毒,在复制过程中首先需要编码一个多聚前体蛋白,然后再水解产生功能蛋白,该水解过程主要由3CL水解酶(3CL protease,Mpro)参与完成[14],因此, 3CL水解酶是治疗新冠肺炎的潜在靶点。冠状病毒木瓜样蛋白酶(papain-like protease,PLP) 是冠状病毒在复制过程中的重要蛋白酶之一[15]。鉴于此,本研究对小柴胡汤中的化学成分与靶点ACE2、Mpro和PLP进行虚拟对接,揭示各化学成分在小柴胡汤发挥防治COVID-19的作用。从PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)数据库中下载化合物结构(SDF格式)。在Discovery studio 2016 软件工具栏中的Minimize Ligands模块上选择 Full Minimization,批量施加CHARMm力场优化小分子结构。从RCSD 蛋白质数据库(https://www.rcsb.org/)下载ACE2 (PDB ID: 1R4L)、Mpro (PDB ID: 6LU7)和PLP (PDB ID: 4OVZ)的晶体结构,在Discovery studio 2016 软件中删去晶体结构的水分子,并通过 Prepare Protein 功能补全不完整残基、加氢以及分配相关电荷。ACE2、Mpro和PLP蛋白晶体复合结构中的原配体分别为XX5、N3和P85,是相应靶蛋白的抑制剂,并与靶蛋白有很好的结合活性。先将蛋白晶体结构中的原配体删去,选择原配体的结合位置作为对接活性口袋,采用 LibDock 模块将小分子化合物和原配体对接到对应的蛋白结构的活性口袋中。该对接方法首先会针对受体活性位点计算得到热区图(热区图包含极性和非极性部分),接着将不同构象的配体分子分别叠合至热区图以形成比较合适的相互作用,然后进行能量优化,最后保留打分较高的对接构象,并与原配体的对接结果作为参照。
1.3核心靶点的确定及药材-活性成分-核心靶点网络的构建
采用中药系统药理学平台(TCMSP, http://tcmspw.com/)和毒性与基因比较数据库(CTD, https://ctdbase.org/)分析并检索化合物的靶蛋白或靶标基因,借助Uniprot (https://www.uniprot.org/)、Drugbank (https://www.drugbank.ca/)等数据库查阅靶蛋白对应的基因名。使用String (https://string-db.org/)数据库对上述所有靶点进行蛋白间相互作用(PPI)分析,并将分析结果导入Cytoscape3.7.2软件进行网络拓扑分析,将节点的度(Degree)大于2倍中位值、紧密中心度(Closeness centrality)和间距中心度(Betweenness centrality)均大于其中位值的节点基因作为核心靶基因[16,17]。筛选到核心靶点后,运用Cytoscape3.7.2构建可视化的药材-活性成分-核心靶点网络,并分析网络的拓扑特征。
1.4核心靶点通路富集分析
为进一步分析筛选出的靶基因的功能以及在信号通路中的作用,将筛选得到的核心靶点导入DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/),并限定物种为人(Homo sapiens),进行KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)信号通路富集分析。
2结果
2.1化学成分的获得及核心靶点的筛选
通过TCMSP检索并收集到柴胡、大枣、生姜、黄芩、甘草、半夏和人参中满足OB ≥ 30%且DL ≥ 0.18的化学成分共177个,其中17个来自柴胡,26个来自大枣,5个来自生姜,33个来自黄芩,85个来自甘草,10个来自半夏,21个来自人参(表1)。从TCMSP和CTD数据库搜集到成分靶点共526个,通过PPI分析后,得到核心靶点118个,与核心靶点相关的活性成分共124个,其中13个来自柴胡,16个来自大枣,4个来自生姜,24个来自黄芩,67个来自甘草,6个来自半夏,13个来自人参,用于后续网络构建。
表1 小柴胡汤化学成分
Table 1 Chemical constituents in XCHD
注:成分后中有_qt,表示该成分的苷元,如Ginsenoside-Rh4_qt表示Ginsenoside的苷元;*表示与核心靶点相关的活性成分,共124个。
2.2分子对接结果分析
上述小柴胡汤中的177个化学成分与ACE2、MPro和PLP靶点的对接结果见表2。由表2可知,与ACE2、MPro和PLP对接结果Libdockscore > 120的化学成分数分别为86、114和105个。此外,本研究发现某些成分的结合活性与原配体接近(见表3-5),如,甘草苷E(Licorice glycoside E)与ACE2、MPro和PLP均具有较好的结合活性,柴胡中的柴胡皂苷C(Saikosaponin C)的苷元和人参中的人参皂苷rh2(Ginsenoside rh2)与ACE2有较高的结合活性,柴胡中的曲克芦丁(Troxerutin)和大枣中的原卟啉(Protoporphyrin)与MPro具有高的结合活性,柴胡中的波菜甾醇(α-Spinasterol)和黄芩中鲨烯(Supraene)与PLP具有高的结合活性。部分代表性活性成分与靶蛋白的相互作用见图1。由上可见,小柴胡汤中含有与 ACE2、MPro和PLP有较好结合活性的成分群,提示其可能具有抑制SARS-CoV-2病毒感染宿主细胞和自我复制的作用。
表2 小柴胡汤化学成分与ACE2、MPro和PLP靶点结合的筛选
Table 2 Screening of the interactions between chemical constituents in Xiaochaihu Decoction and ACE2, MPro, and PLP
来源
Libdockscore > 120的成分数
ACE2
Mpro
PLP
柴胡
9
11
7
黄芩
7
15
16
半夏
8
8
9
人参
13
14
13
甘草
48
61
57
生姜
4
5
5
大枣
9
16
9
总计
86
114
105
表3 ACE2靶点筛选获得的代表性化学成分
Table 3 Representative chemical constituents obtained by screening for ACE2 binding
来源
代表性成分
PubChem CID
Libdockscore
/
原配体(XX5)
448281
140.060
柴胡
Saikosaponin C_苷元
254770436
170.001
黄芩
Supraene
638072
146.515
半夏
Baicalin
64982
153.612
人参
Ginsenoside rh2
119307
161.610
甘草
Licorice Glycoside E
42607811
172.984
生姜
Methyl Diacetoxy-6-Gingerdiol
5319662
139.539
大枣
Mauritine D
6443026
148.043
注:XX5为N-[(1s)-1-carboxy-3-methylbutyl]-3-(3,5-dichlorobenzyl)-l-histidine。
表4 Mpro靶点筛选获得的代表性化学成分
Table 4 Representative chemical constituents obtained by screening for Mpro binding
来源
代表性成分
PubChem CID
Libdockscore
/
原配体(N3)
6323191
206.851
柴胡
Troxerutin
5486699
195.345
黄芩
2-Elucuronide
44258546
166.817
半夏
Coniferin
5280372
136.507
人参
Ginsenoside rh2
119307
147.951
甘草
Licorice Glycoside E
42607811
208.274
生姜
Methyl Diacetoxy-6-Gingerdiol
5319662
143.930
大枣
Protoporphyrin
4971
180.353
注:N3为Benzyl (E,4S)-4-[[(2S)-4-methyl-2-[[(2S)-3-methyl-2-[[(2S)-2-[(5-methyl-1,2-oxazole-3-carbonyl)amino]propanoyl]amino]butanoyl]amino]pentanoyl]amino]-5-[(3S)-2-oxopyrrolidin-3-yl]pent-2-enoate。
表5 PLP靶点筛选获得的表性化学成分
Table 5 Representative chemical constituents obtained by screening for PLP binding
来源
代表性成分
PubChem CID
Libdockscore
/
原配体(P85)
73659185
175.085
柴胡
α-Spinasterol
12960498
165.852
黄芩
Supraene
638072
156.963
半夏
Cyclo(L-Tyr-L-Phe)
11438306
141.028
人参
Deoxyharringtonine
285342
150.772
甘草
Licorice glycoside E
42607811
188.059
生姜
Methyl Diacetoxy-6-Gingerdiol
5319662
150.902
大枣
Stigmast-4-Ene-3beta,6beta-Diol
10550610
142.977
注:P85为N-[(4-Fluorophenyl)methyl]-1-[(1r)-1-Naphthalen-1-Ylethyl]piperidine-4-Carboxamide。
图1 代表性化学成分与ACE2、MPro和PLP分子对接模式
Fig. 1 Interaction of representative chemical constituents with ACE2, MPro, and PLP
2.3药材-活性成分-核心靶点网络分析
利用Cytoscape 建立的药材-活性成分-核心靶点网络见图2。由图2可见,该网络共有249个节点(7味药材,124个成分,118个核心靶点),2030条边。在118个核心靶点中,Degree值前15的靶点为PTGS2、AR、MAPK14、PPARG、GSK3B、CCNA2、MAPK1、MAPK3、TP53、IL-6、CHEK1、JUN、STAT3、TNF和RELA。Degree值前5的成分是槲皮素(Quercetin)、汉黄芩素(Wogonin)、山柰酚(Kaempferol)、异鼠李素(Isorhamnetin)和儿茶素(Catechin),说明这些成分可以作用于多个靶点。
绿色六边形代表药材,红色圆代表成分作用的核心靶点,蓝色正方形代表活性成分,图形的大小代表了节点的Degree值。
Green hexagons, blue squares, and red circles represent the herbs, the active constituents, and the key targets, respectively. The size represents nodes degree value.
图2药材-活性成分-核心靶点网络图
Fig.2 The herb-active constituent-key target network.
2.4核心靶点通路富集分析
通过对小柴胡汤作用的118核心靶点进行KEGG 通路富集,得到 119条通路(筛选了P < 0.05的通路,P值越小,富集程度越高)。图3列举了前 30条相关通路,主要包括与病毒性疾病相关的Hepatitis B、Influenza A,Epstein-Barr virus infection、Viral carcinogenesis通路;与呼吸系统疾病相关的Pertussis、Small cell lung cancer、Tuberculosis通路;与炎症免疫调控相关的TNF、Toll-like receptor 信号通路;此外,还包括在炎症因子调控及低氧浓度或缺氧应答中发挥重要作用的HIF-1 信号通路,以及在某些病毒复制过程中必须激活的PI3K-AKT信号通路。
图3 小柴胡汤核心靶点KEGG通路富集分析结果
Fig. 3 Pathway enrichment analysis of the key targets
3讨论
本研究采用分子对接法对小柴胡汤中作用于ACE2、MPro和PLP靶点的活性成分进行预测和筛选,然后利用TCMSP和CTD 等数据库进行靶点检索,通过PPI分析筛选得到核心靶点,构建药材-活性成分-核心靶点网络,对核心靶点进行 KEGG 通路富集分析,探讨小柴胡汤防治COVID-19的活性成分和作用机制。
ACE2、MPro和PLP是SARS-CoV-2病毒感染宿主细胞或自我复制的关键蛋白,被认为是抗SARS-CoV-2病毒药物筛选的重要靶点。本研究表明,小柴胡汤中含有与 ACE2、MPro和PLP有较好结合活性的成分群,在抑制SARS-CoV-2病毒感染宿主细胞或自我复制方面具有潜在的作用。一些代表性活性成分已经有相关抗病毒活性的文献报道,如,柴胡皂苷C(Saikosaponin C)[18]有抑制丙型肝炎病毒复制的活性,人参皂苷rh2(Ginsenoside rh2)[19,20]和黄芩苷(Baicalin)[21-23]则对多种病毒有抑制作用。
细胞因子风暴(Cytokine release syndrome,CRS)是一种全身性炎症反应,可由感染等因素引发,表现为多种炎症因子水平急剧升高。CRS多见于免疫系统相关疾病或病毒感染[24]。已有研究表明,COVID-19重症患者存在不同程度的细胞因子风暴,相较于非重症监护患者,重症监护(ICU)患者的血浆中存在更高的IL-2、IL-6、IL-7、IL-10、G-SCF、IP10、MCP-1、MIP-1A和TNF-α浓度[25,26]。其中,TNF-α和IL-6是引发COVID-19患者CRS的关键炎症因子,IL-6的进行性上升已作为新型冠状病毒肺炎重型、危重型病例病情恶化的临床警示指标。目前,临床用于治疗COVID-19的药物氯喹可抑制TNF-α和IL-6的产生,具有较好的疗效[27]。环氧化酶2 (Cyclooxygenase-2, Cox-2/PTGS2)在机体炎症反应过程中起着十分重要的作用,主要功能之一就是催化花生四烯酸产生前列腺素E2,广泛参与机体多个组织和器官的炎症反应。本研究结果表明,小柴胡汤能作用于PTGS2、TNF-α和IL-6等与炎症调控密切相关的多个靶点以及作用于TNF、Toll-like receptor 等多个信号通路,提示其可能具有抑制COVID-19引起的CRS的作用。此外,COVID-19低氧血症重症患者多在发病一周后出现呼吸困难和/或低氧血症,本研究通路富集结果显示,HIF-1信号通路也是小柴胡汤作用的关键通路之一,提示小柴胡汤对COVID-19患者的低氧血症可能也有改善作用。
网络药理学是基于整体和系统的角度去研究中药复方的作用机制,这与中医的整体观念相一致,但该方法也存在一些不足,如,目前还无法将活性成分进入血循环的量考虑进去,也没有考虑到从数据库收集的各靶点的权重差异。分子对接作为一种虚拟研究手段,能快速预测药物靶点,但有可能出现假阳性结果。因此,本研究预测的结果还需要后续的实验验证。
综上所述,小柴胡汤中的活性成分群可能通过作用于ACE2、MPro和PLP靶点抑制病毒感染宿主细胞及自我复制的进程,也可能抑制细胞因子风暴,或改善低氧血症,进而在防治COVID-19中发挥积极作用。小柴胡汤防治COVID-19的活性成分及作用机制的阐明为小柴胡汤的临床应用提供了科学的参考依据。
参考文献
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