基于数据挖掘及网络药理学方法探讨中药复方抗上呼吸道感染的用药规律及作用机制

何海 张小荣 赵沙沙 邵晶

摘要 [目的]研究中藥复方治疗上呼吸道感染的用药规律及核心中药的作用机制。[方法]通过CNKI数据库收集临床用于上呼吸道感染的中药复方，采用Excel 2010及SPSS 24.0 软件对纳入标准的中药进行频次、性味归经、四气五味及功效统计，并对频数大于40的中药进行聚类分析;使用中药系统药理学分析平台数据库（TCMSP）对频数较高且在聚类分析中聚为一类的配伍中药进行成分、靶点筛选，将其靶点与在 GeneCards 数据库和Malacards数据库中筛选得到的上呼吸道感染的疾病靶点进行匹配，获取高频中药治疗上呼吸道感染的关键靶点;采用STRING 平台对关键靶点进行蛋白相互作用（PPI）网络分析;采用DAVID 数据库对关键靶点进行京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析;通过Cytoscape 3.6.1软件构建“中药-活性成分-关键靶点-通路”网络，并进行拓扑分析。[结果]共获得符合标准的中药复方464首，涉及中药414味;其中以补虚药、清热药较多见，归肺、胃经居多，以寒温、苦辛为主;累计频次最高且聚为一类的是黄芪、防风、白术。获得活性成分共32个，核心成分包括槲皮素、山柰酚、异鼠李素、汉黄芩素、β-谷甾醇、5-O-甲维阿斯米醇、防风色原酮等;关键靶点175个，核心靶点包括AKT1、MAPK1、TNF、RELA、JUN、TP53、IL6等;通路137条，主要通路包括癌症通路、PI3K-Akt信号通路、TNF信号通路、Toll样受体通路等。[结论]治疗上呼吸道感染的中药复方中以补虚药多见，常配伍清热药、止咳化痰平喘药、消食药等。组方中以黄芪、防风、白术配伍频次最高，其作用机制可能是通过槲皮素、山柰酚、异鼠李素、汉黄芩素、β-谷甾醇、5-O-甲维阿斯米醇、防风色原酮等活性成分，作用于AKT1、MAPK1、TNF等关键靶点，及PI3K-Akt信号通路、TNF信号通路、Toll样受体通路等，共同发挥治疗作用。

关键词 上呼吸道感染;中药复方;数据挖掘;网络药理学;用药规律;作用机制

中图分类号 R 285  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）03-0178-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.048

Exploring the Rule of Medication and Mechanism of Traditional Chinese Medicine Compound Prescription Against Upper Respiratory Tract Infection Based on Data Mining and Network Pharmacology Methods

HE Hai，ZHANG Xiao-rong，ZHAO Sha-sha et al

（Gansu University of Traditional Chinese Medicine，Lanzhou，Gansu 730000）

Abstract [Objective]To explore the medication rule of traditional Chinese medicine compound against upper respiratory tract infection （URTI） and the mechanism of action of core traditional Chinese medicine （TCM）.[Method]All compounds of clinical research treating upper respiratory tract infection were collected from CNKI database. Excel 2010 and SPSS 24.0 software were used to make statistics of the frequency， nature， taste， meridian tropism， four properties and five flavors and their efficacy of the TCM， and systematic cluster analysis was carried out on the Chinese medicines with frequency more than 40 times. The TCM with higher frequencies and being clustered together were searched for their components and targets through the TCMSP database， and those matched with the disease targets of URTI screened in GeneCards database and Malacards database， so as to obtain the key targets of high-frequency TCM against URTI. The key targets were then used to construct and analyze PPI network and KEGG pathway with STRING and DAVID database. “The network of traditional Chinese medicine-active ingredient-key target-pathway” was constructed by Cytoscape 3.6.1 software， and the topology analysis was carried out. [Result]A total of 464 Chinese herbal compounds were obtained， involving 414 Chinese herbal medicines. Among them， TCM that restoring deficiency and heat-clearing drug， with lung and stomach tropism， cold， warm and bitter and pungent in flavor， were shown the most common;The Astragali radix， radix sileris and Atractylodes macrocephala Koidz were the most frequently used and being clustered together. A total of 32 active components were obtained， and the core components included quercetin， kaempferol， isorhamnetin， wogonin， β-sitosterol， 5-O-Methylvisamminol， divaricatol and so on. There are 175 key targets against URTI， and the core targets include AKT1， MAPK1， TNF， RELA， JUN， TP53， IL6， etc. There are 137 pathways involved， including cancer pathway， PI3K-Akt signaling pathway， TNF signaling pathway， toll-like receptor pathway and so on. [Conclusion]Commonly used TCM for the traditional Chinese medicine compound were those restore deficiency， and they are often combined with heat-clearing drugs， drug for relieving cough， phlegm and asthma， and digestant drugs. The compatibility of the astragali radix， radix sileris and Atractylodes macrocephala Koidz is the most common compound， it may be mainly through quercetin， kaempferol， isorhamnetin， wogonin， β-sitosterol， 5-O-Methylvisamminol， divaricatol and other active ingredients to act on key targets such as AKT1， MAPK1， TNF， and PI3K-Akt signal pathway， TNF signal pathway and Toll-like receptor and other signaling pathways，to take effects together.

Key words Upper respiratory tract infection;Traditional Chinese medicine compound prescription;Data mining;Network pharmacology;Rule of medication;Mechanism of action

基金项目 兰州市城关区科技计划项目（2020-2-2-2）;甘肃省中药制药工艺工程研究中心开放课题（ZYGY202004）;甘肃中医药大学科学研究与创新基金项目（2020KCZD-2）;中医药公共卫生服务补助专项子课题（2305191901）。

作者简介 何海（1997—），男，甘肃山丹人，硕士研究生，研究方向：中药药效物质基础及质量控制。

通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事中药药效物质基础及质量控制研究。

收稿日期 2021-04-19

呼吸道感染是当前世界导致人类死亡的主要原因之一，全世界有超过10亿人受到影响[1-2]。其中，上呼吸道感染（upper respiratory tract infection，URTI）是由细菌、病毒、自身免疫缺陷等因素诱发[3-4]，在临床上发病率较高，且治疗控制不及时就容易使炎症深入蔓延，鼻炎、咽炎、喉炎、扁桃体炎等都属于上呼吸道感染的类型[5]。临床常用抗生素作为治疗上呼吸道感染的首选药物，但由于使用抗生素产生的不良反应、耐药性以及滥用抗生素导致的问题，补充和替代疗法在预防和治疗上呼吸道感染中成为研究热点[6]。中医是一种基于临床实践的经验性医学，从中医角度来说，上呼吸道感染属于感冒的范畴，病因多为“正虚邪恋”[7]，许多相关的基础试验和临床用药都表明中医药在治疗上呼吸道感染方面具有优势。为了更好地继承众医家的用药经验，该研究借助数据挖掘与网络药理学分析方法，对治疗上呼吸道感染的中药复方进行整理分析，挖掘中药治疗上呼吸道感染的用药规律，并探索高频中药的可能作用机制，从而为提高中医药治疗上呼吸道感染的有效性和科学性提供依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

通过中国知网（https：//www.cnki.net/），将“上呼吸道感染”和“中医药”作为主题词，检索有关中医药治疗上呼吸道感染的相关文献（1991年10月—2020年12月）。获得文献626篇，内含相关组方700余首。

1.2 处方纳入标准

明确被诊断为上呼吸道感染的患者用药处方，组方完整、疗效确切且以口服入药为主要用药手段的处方。

1.3 处方排除标准

联合用药或用于动物和细胞试验的处方，交叉重叠的处方，只录入一篇。

1.4 数据处理

共筛选得到相关组方464首，将所有组方涉及的中药按全国中医药行业高等教育“十三五”规划教材《临床中药学》及2020年版《中华人民共和国药典》中所述，对其名称、性味归经、功效进行规范化处理，如将“仙灵脾”规范为“淫羊藿”，将“恶实”规范为“牛蒡子”，将“羚羊角粉”规范为“羚羊角”等，并将处理过的数据录入Excel表格中，整个录入过程由双人核对完成。

1.5 数据分析

利用Excel对已录入的中药及其性味归经、功效等分别进行频数统计。运用Excel对上述中药信息进行处理，并以矩阵的形式导入SPSS 24.0软件中进行聚类分析，根据分析结果制作相关图表。然后通过中药系统药理学分析平台数据库（TCMSP，http：//lsp.nwu.edu.cn/tcmspsearch.php）、Malacards数据库（https：//www.malacards.org/）、 GeneCards 數据库（https：//www.genecards.org/）等对聚类分析后所得的频数较高且聚为一类的共性较大的中药进行成分和靶点的筛选。将筛选得到的靶点与上呼吸道感染的疾病靶点相匹配，获取高频中药作用于上呼吸道感染的关键靶点。通过STRING 平台（https：//string-db.org/）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG）对关键靶点进行蛋白相互作用（protein-protein interaction，PPI）网络分析和通路富集分析。最后，通过Cytoscape 3.6.1软件构建“中药-活性成分-关键靶点-通路”网络图，并进行拓扑分析。

2 结果与分析

2.1 用药频次统计

对筛选得到的464首处方进行用药统计，共涉及中药414味，累计应用频次4 439次。其中，使用频次≥40次的中药共有24味，使用频次最多的是甘草，共计203次。排名靠前的中药包括甘草、黄芪、防风、白术、桔梗等。详见表1。

2.2 性味归经统计

经统计（表2），414味中药的属性中，性寒的药物最多，占37.44%;五味属苦的药物最多，占46.86%;归肺经的药物最多，占53.14%。

2.3 主要功效统计

根据2020版《中华人民共和国药典》和《临床中药学》教材，对414味中药进行主要功效分类统计。结果发现（表3），使用频次较高的是清热药和补虚药，均占19.08%，解表药和止咳平喘药次之，各占10.39%和8.70%。补虚药中又以补气药居多，占44.30%。

2.4 高频中药系统聚类分析

运用 SPSS 24.0 软件对频次≥40次的中药进行系统聚类分析，共分为6类，如图1所示。黄芪、防风、白术聚为一类且出现次数最高。

2.5 高频药组抗上呼吸道感染作用机制研究

2.5.1 成分及靶点筛选。

在TCMSP数据库中，以生物利用度（oral bioavailability，OB）≥30%、类药性（drug like，DL）≥0.18为筛选条件[8]，得到黄芪、防风、白术的活性成分数量分别为20、18、7。删除各自无靶点的成分，最终得到黄芪、防风、白术活性成分分别为11、17、4个，共计32个;对应靶点218个。

2.5.2 抗上呼吸道感染关键靶点的筛选 。

在GeneCards数据库和Malacards数据库中检索得到与上呼吸道感染相关的疾病靶点分别为79、6 798个，合并删除重复项共得到疾病靶点5 331个。将5 331个疾病靶点与黄芪、防风、白术的218个活性成分靶点匹配映射，得到共同靶点175个，即为黄芪、白术、防风抗上呼吸道感染的关键靶点。

2.5.3 “中药-活性成分-关键靶点”网络构建。

将中药、活性成分、关键靶点导入Cytoscape 3.6.1 软件，初步构建“中药-活性成分-关键靶点”网络。其中网络中有210个节点，该网络的平均度值为3.75。将Select选择为Degree Filter，以度值≥3.75为界构建出最终的“中药-活性成分-关键靶点”网络，见图2。其中网络中有49个节点（3味中药、22个核心活性成分、24个核心靶点），180条边。大于平均度值的核心成分见表4。其中槲皮素（quercetin）、汉黄芩素（wogonin）、山柰酚（kaempferol）、β-谷甾醇（beta-sitosterol）、异鼠李素（isorhamnetin）等化合物的度值较大，表明这些化合物可能在含抗上呼吸道感染的复方中发挥关键作用。

2.5.4 关键靶點PPI网络构建。

将黄芪、防风、白术作用于上呼吸道感染的175个关键靶点输入STRING数据库，将Organism 设置为“Homo Sapiens”、combined-score值设置为 0.9，将得到的数据以TSV格式导出，将得到的TSV文件导入Cytoscape 3.6.1软件中，得到蛋白互作网络，见图3。度值越大说明靶点在PPI网络中的位置越重要，表明黄芪、防风、白术治疗上呼吸道感染的核心靶点包括AKT1、MAPK1、TNF、RELA、JUN、TP53、IL6等，具体见表5。

2.5.5 关键靶点KEGG通路。

将175个关键靶点基因导入DAVID 数据库中获取KEGG数据文件。获得的数据文件通过文本文档导入Excel表格，结果显示，175个关键靶点基因涵盖了137条通路。根据靶点基因数目及P值将前 20 条通路绘制气泡图（图4），发现黄芪、防风、白术作用上呼吸道感染的通路主要有癌症通路、TNF 信号通路、HIF-1信号通路等。

2.5.6 “活性成分-关键靶点-通路”网络构建。

采用Cytoscape软件构建“活性成分-关键靶点-通路”网络，见图5。所选择的通路为KEGG 通路分析结果的前20条通路，共包含93个靶点，20条通路中靶点所对应的中药活性成分有26个，其中来自黄芪、防风、白术的活性成分分别有 8、15、3 个。网络中度值靠前的活性成分有槲皮素（quercetin）、汉黄芩素（wogonin）、山柰酚（kaempferol）、β-谷甾醇（beta-sitosterol）等;度值靠前的靶点有PTGS2、PIK3CG、MAPK1、AKT1等;度值靠前的通路有癌症通路、PI3K-Akt 信号通路、TNF信号通路等。

3 讨论

3.1 药味性味归经分析

通过对筛选得到的464首处方所含中药进行统计分析，结果表明，临床应用于上呼吸道感染的中药多归肺、胃经。其中，肺为清虚之体，易受邪气入侵，

不耐寒热，故有“肺为娇脏，难调而易伤”的特点[9]。中医认

为，外感六淫，以风为首，风性数变，可夹寒热致使肺脏发生病变。另外，饮食不当，食积肠胃，蕴而化热，会造成上呼吸道感染的反复发生[10]。因此，治疗上呼吸道感染的中药常归肺、胃经。四气五味分析表明，治疗上呼吸道感染的中药以寒温，苦辛为主。其中，寒性中药多具有清热、滋阴、解毒等功效，温性中药多具驱寒、助阳、温里等功效，两者都可以调节机体的偏性，抵御外邪入侵[11]。苦味药多具有清热、泻火、燥湿等功效，辛味药多具有解表、发散、行气等功效，现代药理学研究表明两者多具有抗炎、抗菌、抗病原微生物等作用[12]。这与上呼吸道感染的病因相一致。

3.2 药味主要功效分析

通过对筛选得到的中药进行功效分析发现，治疗上呼吸道感染的中药使用频次较高的是补虚药和清热药，解表药和止咳平喘药次之，其中补虚药中又以补气药居多。其主要原因：中医认为疾病是由机体正气不足和体质颇偏，外邪入侵产生，如《素问·评热病论篇》中云“邪之所凑，其气必虚”[13]。上呼吸道感染病位在肺，肺主一身之气，当病邪入肺，机体正虚而邪恋[14]，产生咳嗽、喉痛、鼻涕、鼻塞等一系列临床症状[15]。另外，脾主运化，脾胃虚弱，土不生金，肺的卫外功能受到损伤，易导致反复上呼吸道感染。本病病因关键在于机体正气虚弱[16]，御邪必先防卫固表，因此治疗多以补气药为主，并根据其症候的不同配伍解表药或清热药达到标本兼治的效果。小儿发病率高，病例多，纳入分析的处方较多是导致治疗上呼吸道感染的中药以补虚药为主的又一重要原因。相关文献表明成年人每年发生 2～4 次上呼吸道感染，而儿童发生6～8 次[17]。儿童的肌肤较为娇嫩，卫外功能较差，较成年人更容易患病[18]。另外由于儿童脏腑娇嫩，发病率高，用药不宜发散太过且需兼顾久病体虚，所以用药多以补气药为主，解表药为辅，达到扶正祛邪的目的[19]。上呼吸道感染尤其是急性病毒性上呼吸道感染多会诱发机体产生发热、头痛、痄腮、喉痛音哑等症状，属于风热、感冒等范畴，故治疗应以清热解毒、发散表邪、化痰止咳等为主[20]。因此清热药与化痰止咳药在治疗上呼吸道感染的处方中同样占有较大比例。

3.3 系统聚类分析

为了进一步分析上述所得高频使用中药之间的配伍关系及规律，该研究使用系统聚类分析进行研究，通过配伍频率分析，结果显示治疗上呼吸道感染的24味高频中药被聚为6组，其中配伍频次最高的一组是黄芪、防风、白术，表明此药组在上呼吸道感染的预防和治疗上表现出积极的作用。方中黄芪主要起补脾益肺的作用，白术可健脾养胃，两者配伍，增强了黄芪补脾益肺的功效，契合中医“培土生金”的思想;另外，黄芪配伍防风，补中兼散、散中有补，有利于散邪而不伤正气，3药配伍益气祛风、扶正祛邪，可有效改善上呼吸道感染症状[21]。通过文献调研发现，上述3味药乃玉屏风散的组成[22]。宋代黎民寿在《简易方》中记载：“《究原方》玉屏风散：治腠理不密，易于感冒”。明代朱橚在《普济方》中记载：“玉屏风散：治腠理不密，易感风寒，头昏眩，甚则痛，项强，肩背拘急，喷嚏不已，鼻流清涕，续续不断，经久不愈”。表明黄芪、防风、白术常用于治疗腠理不密、机体气虚引起的感冒，与该研究所得的治疗上呼吸道感染多以补气药和解表药为主的观点相一致。由于黄芪、防风、白术3味药的配伍出现频次最高且聚为一类，且有文献表明3味药配伍后对上呼吸道感染反复发作的有效率为100%[23]。为了更好地通过网络药理学研究对中药复方抗上呼吸道感染的作用机制进行预测分析，因此选取此药组进行下一步分析。

3.4 高频药组抗上呼吸道感染的作用机制分析

3.4.1 关键成分分析。

研究表明，黄芪可调控细胞因子（T细胞和B细胞）以及免疫球蛋白IgG[24]，从而对反复发作的小儿上呼吸道感染进行预防和治疗[25-26]。防风具有解热、镇痛、抗炎、增強体液免疫等药理作用[27]，与其降低血清中IL-1β、IL-6和TNF-α的水平有关[28]。白术可通过促进淋巴细胞转化、改善免疫细胞的机能[29]以及抑制MAPK和NF-κB通路，抑制炎症反应[30]而发挥治疗上呼吸道感染的作用。该研究通过“中药-活性成分-关键靶点”网络分析发现，在治疗上呼吸道感染的中药复方中，黄芪（槲皮素、山柰酚、异鼠李素）、防风（汉黄芩素、β-谷甾醇、5-O-甲维阿斯米醇、防风色原酮）和白术（3β-乙酰氧基苍术酮）的活性成分均是其发挥治疗上呼吸道感染作用的可能活性成分。通过文献调研发现，槲皮素具有较强的抑菌作用，且抗菌谱较广[31]，可通过抑制炎症细胞因子、炎症酶[32]，调控PI3K/AKT/NF-B信号通路发挥抗炎作用[33]。山柰酚具有抗菌、抗炎、增强免疫力的作用，与其改变细胞周期[34]，抑制p38 MAPK信号通路[35]，降低炎症因子水平有关[36]。异鼠李素可通过抑制蛋白激酶、PI3K/AKT/NF-B信号通路发挥抗炎作用[37]。汉黄芩素可抑制NF-κB信号通路和TGFβ1/Smad3通路减轻炎症因子的表达[38]。β-谷甾醇具有抗炎、增强免疫力的作用，其作用机制与提高抗炎活性因子、降低炎症细胞因子、抑制巨噬细胞、增强淋巴细胞增殖等有关[39]。研究表明[28，40-41]，5-O-甲维阿斯米醇和防风中的其他色原酮成分具有解热、抗炎的作用，其作用机制与降低细胞炎症因子有关。白术中的苍术酮可降低细胞ERK、JNK、NF-κB等蛋白的表达并抑制炎症通路，从而表现出显著的抗炎作用[42]。综上分析，黄芪、防风、白术可能通过解热、镇痛、抗菌、抗炎、免疫调节等途径共同发挥抗上呼吸道感染的作用。

3.4.2 关键靶点分析。

该研究通过PPI网络分析发现，黄芪、防风、白术治疗上呼吸道感染的核心靶点包括 AKT1、MAPK1、TP53、JUN、RELA、TNF、IL6、MAPK14、EGFR、MAPK8等。其中AKT1属于AKT组织特异性的亚型之一，可通过磷酸化NF-κB蛋白诱导细胞存活[43]。Liu等[44]研究发现小檗碱可以通过AKT 1/SOCS 1/NF-κB信号通路，预防DSS诱导的结肠炎。MAPK1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在多种细胞的增殖、生存、黏附、迁移和分化过程中起着至关重要的作用[45]。HU等[46]研究发现，MAPK1可以通过激活p38信号通路，启动级联反应来调节机体的免疫应答。TP53是具有激活免疫反应和炎症反应相关基因（趋化因子、细胞因子、细胞外基质调节因子）功能的一种基因靶点[47]，其突变可显著增加免疫检查点（调节系统性免疫稳态与耐受的信号通路），并激活T-效应器和干扰素信号[48]。JUN是转录因子AP-1家族成员[49]，在炎症的表达过程中起重要作用，Chu等[50]研究表明JNK/c-Jun信号通路可启动协同信号级联，提高小球胶质细胞炎性小体NLRP3的炎症活性。NF-κB家族成员RELA是一种广泛表达的转录激活因子，可通过接触病原体和炎性细胞因子，激活多种炎症和免疫应答基因的表达[51]。据此推断，黄芪、白术、防风中的有效成分作用于上述靶点，通过调节炎症细胞的增殖、分化、消亡，增加细胞免疫检查点，激活T-效应器和干扰素信号等一系列途径抑制炎症反应，到达治疗上呼吸道感染的目的。

3.4.3 关键通路分析。

KEGG 通路分析发现，黄芪、防风、白术抗上呼吸道感染的主要通路有癌症通路、PI3K-Akt信号通路、TNF信号通路、Toll样受体通路等。其中PI3K-Akt信号通路在细胞的增殖、生长、凋亡等过程中起重要作用，当上呼吸道感染病原微生物时，PI3K-Akt通路被激活，通过B细胞和T细胞受体的免疫应答调节机体的免疫功能[52-53]。TNF信号通路与机体的炎症反应和免疫应答密切相关[54]，可激活NF-κB信号通路，释放炎性因子，诱导炎症反应[55]。Toll样受体通路与机体的先天性免疫和适应性免疫有关[56]，同时，其还可以调节NF-κB信号通路，加速炎症因子的释放。分析结果显示，黄芪、防风、白术改善上呼吸道感染的状况可能是通过调控上述相关信号通路，减轻炎症反应、调节免疫应答实现的。

4 总结

该研究总结了中医药治疗上呼吸道感染的用药规律及高频药组的作用机制，发现治疗上呼吸道感染的中药多以补虚药为主，常配伍解表药、清热药等，既体现了上呼吸道感染“正虚邪恋”的病因特点，又体现了中医扶正祛邪、标本兼治的用药原则。补虚药中又以补气药为主，体现了补气药在上呼吸道感染的治疗过程中发挥的重要作用。治疗上呼吸道感染的处方中最常见的基础配伍为黄芪、防风、白术（玉屏风散）。但目前有关玉屏风散治疗上呼吸道感染的“活性成分-关键靶点-通路”的综合机制研究资料较少，该研究通过处方挖掘和数据处理得出，其可能主要是通过槲皮素、山柰酚、异鼠李素、汉黄芩素、β-谷甾醇、5-O-甲维阿斯米醇、防风色原酮、3β-乙酰氧基苍术酮等活性成分，作用于AKT1、MAPK1、TP53、JUN、RELA等关键靶点，以及PI3K-Akt信号通路、TNF信号通路、Toll样受体通路等，共同发挥预防和治疗上呼吸道感染的作用。

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