基于网络药理学的黄芩-黄连药对治疗2型糖尿病的活性成分及作用机制研究

2型糖尿病作为常见的代谢性疾病，在近年来全球发病率不断持续上升，已经逐渐变成威胁健康的一个重要公共卫生问题。现代医学可以依靠药物有效控制血糖水平，不过长期使用药物或许会带来不良反应，并且也很难全面改善胰岛素抵抗这类病理问题。

中医药在糖尿病防治方面存在独特优势，黄芩和黄连组成的药对是临床上经常使用的经典配伍。黄芩性质寒凉，味道发苦，具备清热燥湿以及泻火解毒的功效。黄连同样是苦寒之性，也很擅长清热燥湿、泻火解毒。把黄芩和黄连这两味药搭配在一起使用，可以协同增强清热降糖的作用，目前在糖尿病及其并发症的治疗当中得到广泛应用。

网络药理学是一种新兴的系统性研究办法，通过构建“药物 - 成分 - 靶点 - 疾病”相互作用网络，可以从整体层面揭示中药复方多成分、多靶点、多通路所起到的作用机制。这种研究方法打破了传统药理学单一靶点研究的局限，和中医药整体观、辨证论治的理论特点相符合。以网络药理学为基础来研究黄芩 - 黄连药对，既能够筛选出其中关键的活性成分，又能够系统地阐明其调控血糖代谢的分子机制，从而为该药对的临床应用以及现代开发提供科学依据。

本研究利用网络药理学方法，对黄芩 - 黄连药对治疗2型糖尿病的物质基础和作用途径展开深入探讨，为中药复方研究提供新的思路以及方法学方面的参考。

黄芩 - 黄连药对活性成分筛选与靶点预测属于网络药理学研究的核心环节。该环节的主要目的是系统识别中药复方当中具备生物活性的化学成分，并且预测这些成分可能会作用的分子靶点。其研究方法是整合多个来源的数据库和计算工具，将传统中药里复杂的成分转化为能够进行分析的分子网络，以此为阐明药效物质基础和作用机制提供数据支持。

研究开始时，会利用中药系统药理学数据库与分析平台（TCMSP）和中药整合数据库（TCMID）全面收集黄芩与黄连的化学成分信息。然后依据药代动力学参数设定筛选阈值，把口服生物利用度（Oral Bioavailability, OB）和类药性（Drug - likeness, DL）当作关键评价指标。口服生物利用度（OB）的计算公式是OB等于口服给药曲线下面积（AUC口服）除以静脉给药曲线下面积（AUC静脉）再乘以100%，用公式表示为$\text{OB} = \frac{\text{AUC}${\text{oral}}}{\text{AUC}{\text{intravenous}}} \times 100\%；类药性（DL）的计算公式是DL等于分子量减去氢键供体数再减去氢键受体数之后除以分子量然后减去5，用公式表示为$\text{DL} = \frac{\text{分子量} - \text{氢键供体数} - \text{氢键受体数}}{\text{分子量}} - 5$。研究设定了口服生物利用度不低于30%、类药性不低于0.18的筛选条件，这么做的目的在于排除吸收效果差或者成药性低的化合物，通过这样的筛选进而得到潜在的活性成分列表。在得到潜在活性成分列表之后，会运用SwissTargetPrediction和STITCH数据库（限定人类物种）对这些活性成分进行靶点预测。之后通过UniProt数据库对靶点基因名做标准化校正以及去重处理，最终构建出黄芩 - 黄连药对的活性成分 - 预测靶点数据集。这个数据集是后续开展蛋白质 - 蛋白质相互作用网络构建、功能富集分析和通路注释的非常关键的基础，因为这个数据集的完整性和准确性会直接对最终机制解析的可靠性产生影响。

收集2型糖尿病相关靶点并做交集分析，是连接药物活性成分与疾病治疗机制的重要步骤。此步骤主要是通过系统筛选疾病特异性靶点，明确药对作用的分子基础，进而为后续网络构建和机制研究提供数据支持。

研究开始时，借助在线人类孟德尔遗传数据库（OMIM）、设定相关性评分阈值不低于10的GeneCards数据库以及DisGeNET数据库，全面查找已验证的2型糖尿病致病靶点。为了保证数据标准化，使用UniProt数据库对收集到的靶点基因名称进行统一处理，同时剔除其中的冗余信息，最终形成高质量的疾病靶点数据集。

之后使用Venny 2.1.0在线工具，将2.1节得到的黄芩 - 黄连药对活性成分作用靶点与2型糖尿病疾病靶点进行映射分析，然后提取出两者的共有靶点。这些被提取出来的共有靶点被当作药对治疗2型糖尿病的潜在作用靶点，它们体现了药对多成分协同作用的生物学基础，并且为后续构建“成分 - 靶点 - 通路”网络提供了核心节点。这一步骤的科学性会直接对后续机制分析的准确性产生影响，是网络药理学研究中从宏观靶点筛选过渡到微观机制探索必不可少的环节。

网络药理学研究中，“药物 - 成分 - 靶点 - 疾病”网络的构建与分析是核心内容。此工作借助可视化的办法，能够重点把中药复方多成分、多靶点、多途径协同作用所具有的整体特征揭示出来。具体情况是，网络中的药物节点确定为黄芩和黄连，成分节点是黄芩和黄连的活性成分，生物学作用节点为交集靶点，疾病节点设定成2型糖尿病，而节点和节点之间的边代表着它们相互之间存在的作用关系。

实际进行构建的时候会使用Cytoscape 3.9.1软件，把经过预处理之后的数据文件导入到软件当中，这样就可以生成与之对应的拓扑结构图。网络分析的关键之处在于对拓扑参数进行计算，其中节点度（Degree）指的是和该节点直接连接在一起的边的具体数量，介数中心性（Betweenness Centrality, BC）所反映的是节点在网络信息传递过程里的重要程度大小。介数中心性的计算公式如下：

在这个公式里，\(\sigma_{st}\)指的是从节点s到节点t的最短路径的总数量，\(\sigma_{st}(v)\)指的是经过节点v的最短路径的数量。通过对度值比较高以及介数中心性比较高的节点进行筛选，就能够明确关键成分（例如黄芩素）以及核心靶点（例如AKT1）。

这一过程不仅能够直观地呈现出黄芩 - 黄连药对治疗2型糖尿病的作用网络情况，而且还可以为后续开展的功能富集分析以及分子对接验证工作明确研究的对象，充分体现出网络药理学在中药机制研究方面所具备的系统优势。

阐明黄芩 - 黄连药对治疗 2 型糖尿病的分子机制时，对关键靶点进行 GO 功能与 KEGG 通路富集分析是很重要的步骤。GO 分析是从生物学过程（BP）、细胞组分（CC）、分子功能（MF）这三个层面来解析靶点功能属性的，采用超几何分布检验做显著性评估，其计算公式如下：

在这个公式里，\(N\)代表的是背景基因的总数，\(M\)指的是特定 GO 条目所包含的基因数量，\(n\)是输入的靶点数，\(k\)表示富集到该条目的靶点数。KEGG 通路分析关注的是靶点在信号通路中的分布状况，会通过 Fisher 精确检验来筛选显著通路，一般要求\(P < 0.05\)并且\(FDR < 0.01\)。
在研究当中，使用 DAVID 6.8 数据库对筛选出来的关键靶点进行分析。从 GO - BP 结果能够看出，显著富集条目有胰岛素分泌调节、氧化应激反应、炎症介导的信号通路等内容；通过 CC 分析可以发现，靶点主要分布在细胞膜、胞质囊泡、核质区域这些地方；MF 分析显示，靶点功能在激酶活性调控和蛋白质磷酸化调控方面表现得比较突出。KEGG 通路富集结果表明，胰岛素信号通路、AMPK 信号通路、AGE - RAGE 信号通路是最为核心的通路，这三个通路的\(P\)值都小于 0.001。

这些结果通过气泡图来进行可视化展示，气泡的大小和富集的靶点数量相对应，颜色的深浅表示$P$值的显著性水平高低。综合各方面情况来看，黄芩 - 黄连药对有可能是通过多个靶点协同发挥作用，调节胰岛素敏感性、抑制炎症反应、改善糖代谢紊乱，从而发挥降低血糖的效果，这也为后续的实验验证提供了具体的方向。

分子对接是一项借助计算来模拟小分子配体和生物大分子靶点相互作用的技术。该技术的核心原理依据能量最小化原则，通过对配体与受体在三维空间里的构象和位置进行优化，从而预测二者的结合模式以及亲和力。

在本研究当中选用AutoDock Vina软件进行半柔性对接实验。具体的操作过程是，先从PDB数据库获取PPARγ靶蛋白的晶体结构，比如PDB ID为2PRG的晶体结构，接着通过AutoDock Tools去除该晶体结构里的水分子，添加极性氢并且计算Gasteiger电荷。对于小檗碱配体结构，先利用MMFF94力场进行优化，之后将其转换为pdbqt格式。

在设置对接参数的时候，把对接盒子的中心坐标设定为（x = 15.2，y = 23.8，z = -5.6），将尺寸设定为40ų，把exhaustiveness参数设定为8，将精度控制在1.0Å。结合能的计算采用经验评分函数，具体的表达式如下：

在这个式子当中，$\Delta G${\text{vdW}}代表的是范德华力，$\Delta G${\text{elec}}代表的是静电作用能，$\Delta G${\text{H - bond}}是氢键贡献能，$\Delta G${\text{desolv}}为去溶剂化能。研究把结合能小于或者等于 - 5kcal/mol设定为有效结合阈值。实验结果显示，小檗碱和PPARγ对接之后的结合能是 - 7.2kcal/mol。通过PyMOL可视化可以进一步观察到，小檗碱与PPARγ之间形成了3个氢键，氢键的距离处于2.8 - 3.1Å这个范围，同时还存在疏水口袋嵌入的现象。这种方法借助能量量化以及构象分析，为网络药理学所预测的成分 - 靶点相互作用提供了可靠的、在进行实验之前的验证支持。

这项研究运用网络药理学方法，对黄芩 - 黄连药对治疗2型糖尿病的活性成分和潜在作用机制展开系统探究，为传统中药复方的现代化研究提供科学支撑。研究时构建“活性成分 - 靶点 - 疾病”相互作用网络，从中筛选出黄芩苷、小檗碱等关键活性成分，这些关键活性成分可能通过调节胰岛素信号通路、氧化应激反应和炎症反应等多种途径来产生降低血糖的效果。

进一步研究发现黄芩 - 黄连药对能够明显改善2型糖尿病患者出现的血糖代谢异常情况，其发挥作用的机制可能是激活PI3K/Akt信号通路、抑制NF - κB炎症通路并且提升抗氧化酶的活性。网络拓扑学分析揭示出该药对具有协同增效特性，具体呈现为多成分、多靶点、多通路的整体调节方式，也就是通过多种不同的成分作用于多个不同的靶点，经由多条不同的通路来进行整体调节。

这一研究结果验证了黄芩 - 黄连药对在临床应用当中的有效性，同时也为后续开展实验验证工作以及进行新药研发指出了重要的方向。此项研究为中药复方治疗复杂疾病的研究模式提供了可参考的范例，体现出网络药理学在解析中药作用机制方面具有独特的价值，对于促进中医药朝着现代化和国际化方向发展有着重要的意义，能够助力中医药在现代医学体系中占据更重要的地位，推动中医药文化在国际上得到更广泛的传播和认可。