基于網絡藥理學挖掘玉米須干預糖尿病的機制研究

高 瑩 ，張晶璇 ，黃 羚

（1.中國中醫科學院望京醫院，北京 100102；2.北京中醫藥大學，北京 100029）

玉米須是禾本科植物玉蜀黍（Zea mays L.）的花柱和柱頭，味甘、淡，性平，歸膀胱、肝、膽經，具有利尿消腫，清肝利膽的功效[1]。明代醫藥家蘭茂最先記載其于《滇南本草》，2010版《中華人民共和國藥典》將其收入為利尿中藥，《浙江民間草藥》等地方藥志記載其有治療水腫，糖尿病等作用。因其價格低廉、無不良反應[2]，亦食亦藥，受到越來越多的關注。目前，玉米須在糖代謝疾病中的應用報道日漸增多[3]，多數研究多停留在藥效學研究層面，對于其干預糖尿病的活性成分的研究仍是一片空白，且其作用機制的研究尚未深入，不利于玉米須的進一步開發利用。

糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病。糖尿病病因復雜多樣，包括遺傳因素、環境因素等，是最常見的“生活方式疾病”。全球約有4.25億糖尿病患者[4]，他們當中許多人面臨著病情進展帶來的腎臟、心臟、血管、眼部、神經等損害，胰島素是目前治療糖尿病的最有效方法，但胰島素療法無法逆轉疾病的發展過程，更無法徹底治愈，同時存在不良反應大等弊端，因此，從中醫藥寶庫中挖掘干預糖尿病的有效方劑從而達到中西醫結合使用減少西藥副作用，提高糖尿病臨床療效變得尤有意義。本研究借助網絡藥理學的方法挖掘玉米須的主要活性，探討活性成分的作用靶標與糖尿病的關聯性，探討玉米須對糖尿病的多成分-多靶標-疾病的干預作用機制，為其開發利用提供參考。

1 資料與方法

1.1 玉米須的活性成分和靶標 運用中藥系統藥理學數據庫和分析平臺（TCMSP），以“玉米須”為關鍵詞檢索其活性成分及靶標。以口服生物利用度（OB）≥30%，類藥性（DL）≥0.18為標準篩選出活性成分，提取玉米須各活性成分的靶標，形成中藥-靶標網絡。

1.2 疾病-靶標網絡構建 運用人類表型術語集（HPO）、毒性與基因比較數據庫（CTD）和 TCMSP，以“diabetes mellitus”為關鍵詞檢索其靶標，用于完成疾病及靶標間關系網絡的構建工作。并通過全球蛋白質資源數據庫（UniProt）翻譯成相應基因。

1.3 各靶標間相互作用關系的構建 將交集后中藥-疾病靶標在相互作用基因/蛋白質的檢索工具網站（STRING）中，選擇“multiple proteins”后，輸入相關靶標名稱，在“organism”中選擇“homo sapiens”進行檢索，得到相應蛋白關系圖，選擇“molecular action”進行分析，記錄蛋白間相互作用類型及得分。

1.4 GO功能富集和KEGG信號通路分析 在STRING平臺進行京都基因和基因組百科全書（KEGG）的信號通路富集分析和基因本體（GO）的生物過程富集分析，以P＜0.05進行靶基因篩選，分析玉米須發揮藥理作用的主要信號通路及生物過程。

2 結果

2.1 玉米須主要活性成分 篩選出玉米須主要活性成分12種，使用化學文摘社（CAS）以及化學信息搜索（Pubmed Chemicalbook，Pubchem）進行結構和化合物類型確認，共有主要為黃酮類、甾體衍生物、玉米黃素和脂肪酸類。見表1。

表1 玉米須主要活性成分Tab.1 Main active components of Maydis Seigma

2.2 各靶標間的相互作用 通過檢索，得到玉米須的靶標基因為92個，糖尿病的靶標基因為102個，經交集顯示，藥物-疾病交集靶標基因為8個。玉米須的潛在靶標與糖尿病疾病靶標之間的蛋白質-蛋白質相互作用信息（PPI）通過STRING獲得。網絡中包含8個節點，平均度值為1.75。見圖1。其中，有7項相關靶標的相互作用，見表2。

圖1 基于STRING的藥物—疾病靶標相互作用圖Fig.1 Drug-disease target interaction map based on STRING

表2 玉米須干預糖尿病的相關靶標相互作用（關系系數≥0.455）Tab.2 PPI of Maydis Seigma intervention in diabetes mellitus（correlation coefficient≥ 0.455）

2.3 玉米須干預糖尿病的GO功能富集 對交集靶標基因進行GO生物過程富集，篩選到P＜0.05的GO條目87個，按照P值由小到大排列的前20條主要生物過程見表3。結果顯示，其GO基因生物功能主要涉及：血糖穩態；對體內外多種有機物、無機物的反應例如細胞對有機氮化合物的反應、細胞對有機環化合物的反應、對氧的反應、對脂肪酸的反應、肽類激素刺激的細胞反應、細胞對含氧化合物的反應；脂肪代謝相關生物過程包括棕色脂肪細胞分化、脂肪細胞分化的正調控、脂肪酸代謝過程的調節、脂代謝過程的正調節、前體代謝物和能量生成調控；一氧化氮生物合成過程的正調控；細胞增殖的正調控、細胞增殖調控；飲食誘導發熱；運輸的正調控；生殖發育過程、生殖結構發育。

2.4 玉米須干預糖尿病的KEGG信號通路分析 篩選出P＜0.05的信號通路共37條，按照P值由小到大排列的前20條主要KEGG信號通路見圖2。糖尿病相關通路2條：胰島素信號通路、腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）信號通路；循環系統相關信號通路4條：腎上腺素在心肌細胞信號轉導、擴張型心肌病、VEGF信號通路、cGMP-PKG信號通路；癌癥相關通路3條：癌癥的途徑、小細胞肺癌、Ras信號通路、HIF-1信號通路；內分泌相關信號通路3條：卵巢類固醇激素分泌、雌激素信號轉導通路、孕酮介導的卵母細胞成熟；炎癥相關信號通路1條：TNF信號通路；神經遞質通路1條：膽堿能突觸。另有通訊連接、細胞凋亡、唾液分泌、蛋白質的消化和吸收等通路可能是玉米須干預糖尿病的途徑。

圖2 玉米須干預糖尿病的KEGG主要相關通路注釋圖Fig.2 Chart of KEGG major related pathways of Maydis Seigma intervention in diabetes mellitus

其中，結果顯示RAC-α絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（AKT1）、胰島素受體（INSR）和 cAMP 依賴性蛋白激酶催化亞單位α（PRKACA）參與了胰島素信號通路。過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARG）和AKT1、INSR參與了AMPK信號通路。見圖3。

3 討論

圖3 胰島素信號通路參與2型糖尿病的過程Fig.3 Insulin signaling pathway involved in the process of type 2 diabetes mellitus

玉米須有“食物中的降糖藥”之稱，在2015年之前一直被作為利尿類中藥寫入《中華人民共和國藥典》，其利尿消腫，清肝利膽的功效明確，臨床運用廣泛[5-7]。本研究篩選出玉米須最主要的活性成分為黃酮類、甾體衍生物、玉米黃素和脂肪酸類。文獻支持黃酮類為玉米須降血糖的主要活性成分，也是被研究最多、運用范圍最廣的玉米須成分[8]。研究發現[9]，黃酮類成分除了有降血糖的作用以外，還有抗氧化作用、清除自由基、抗病毒等藥理作用。研究者認為[10]玉米須的抗氧化作用能夠減輕四氧嘧啶對胰島β-細胞損傷程度，從而提高胰島的分泌功能達到降血糖作用。這與本研究GO富集預測得出的玉米須可能通過對氧的反應、細胞對含氧化合物的反應等生物過程干預糖尿病密切相關。玉米黃素也具有很強的抗氧化性，同時又是構成視網膜黃斑區域的主要色素成分，在糖尿病視網膜病變的黃斑變性治療上可作為保護因素[11]。

本研究運用網絡藥理學方法篩選出玉米須主要活性成分12種及靶標92個，涉及糖尿病的靶標有8個。KEGG分析顯示靶基因主要分布于糖尿病、循環系統、癌癥、炎癥等4大類14條通路，以及其他與轉錄調控、物質代謝和細胞存活相關的通路。本研究發現與糖尿病相關通路主要是胰島素信號通路、AMPK信號通路，胰島素信號通路是一條很重要的2型糖尿病通路，根據KEGG胰島素信號通路參與2型糖尿病的過程。

AMPK是糖代謝的主要調控分子，在細胞能量穩態調節中起到關鍵作用。張利軍等人的研究表明[12]，黃酮類能夠通過激活AMPK通路使糖代謝關鍵基因PEPCK和G6Pase低表達從而抑制糖異生代謝。AMPK信號通路常被視為2型糖尿病潛在治療途徑[13]。

本研究通過PPI網絡分析發現多個多途徑參與糖尿病的重要蛋白。AKT1是細胞生長信號通路中的傳感器，AKT1作用在胰島素介導的信號轉導中，能夠防止胰島素受體去磷酸化，調節葡萄糖轉運環節。研究表明AKT1參與葡萄糖儲存環節，在血糖穩態中扮演重要的角色。本研究發現的另一個重要蛋白胰島素受體是介導胰島素的關鍵蛋白。胰島素受體參與兩條主要信號通路[14]，在PI3K-AKT/PKB通路中調節胰島素代謝，在Ras/RAF/MAP2K/MAPK通路中調節胰島素的細胞生長、存活、分化，與葡萄糖的轉運和調節密切相關，是2型糖尿病發病發展的重要環節。本研究篩選出了AKT參與的通路，也預測到了Ras信號通路，與文獻報道相符合。除此之外，還有PRKACA和PRARG蛋白分別參與了胰島素信號通路、AMPK信號通路，說明玉米須通過多種蛋白多途徑干預糖尿病。

4 結論

研究表明，玉米須的主要活性成分可針對多個靶點、多條通路發揮干預糖尿病的作用，其作用可能與胰島素信號通路、AMPK信號通路等有關，相關靶點及通路和現有的文獻報道較為一致。本研究還表明，草果知母湯的潛在作用靶點提示其在循環系統、癌癥、炎癥的治療中有一定的應用價值。盡管玉米須在最新版藥典中被剔除，市場各類以玉米須為原料的保健品、食品層出不窮，獲得了消費者的喜愛。美國食品藥品監督管理局（FDA）認為玉米須是安全、無毒的草本，玉米須提取物所制的藥品也被認為是非處方藥，受到國際認可。研究為進一步玉米須干預糖尿病作用機制相關研究提供參考依據，同時為藥食同源中藥的研究開發提供借鑒。局限性在于本研究是基于大數據網絡所做的預測，其降糖作用還需要通過進一步的實驗研究加以佐證。