TCMIO:我国学者构建的一个全面的中药免疫肿瘤学

近年来,关于中医中药的认知趋于“两极化”。一方面由于传统医学受限于过去时代认知、科技水平限制存在一些不科学之处。但是同时也应看到至少在药物分子筛选这个领域传统中草药为医药学研究提供了一个广阔的候选分子库。越来越多类似青蒿素、人参皂苷、灵芝多糖等等这样的具有实际功效的中草药化学成分被发现、鉴定,相关分子作用机理也逐渐揭开面纱。

关于肿瘤免疫检查点(Immune Checkpoint)通路(共刺激蛋白以及抑制剂)的认知是免疫肿瘤学的里程碑事件。由此带来的检查点蛋白抑制剂相关的肿瘤/癌症疗法发展迅速。为了提高检验点蛋白相关疗法的效率,多种小分子辅助调节系统相继被引入。而中草药、汤剂中包含的丰富小分子化合物为中药在免疫肿瘤疗法发挥作用提供了充分的可能性。

近日,广东省微生物研究所等机构推出一个囊括整合药草植物——药草效应化合物——免疫检查点蛋白的多层次多体系,界面友好的在线查询数据库系统。可以实现预测分析草药/汤剂包含的成分化合物、药草化合物与肿瘤免疫检验点蛋白潜在的相互作用、潜在相互作用的通路机理等功能。该数据库为中草药在肿瘤治疗中的研究提供了一个较为系统、全面的新思路。相关文章发表在期刊“Frontiers in Pharmacology”(IF= 4.4)上。

免疫肿瘤学(IO)的进展使免疫疗法成为癌症治疗的有力工具。关于免疫检查点的认知是癌症免疫治疗的里程碑事件,免疫检查点通过一个类似开关的模式控制t细胞的免疫反应。主要的免疫检查点蛋白受体有细胞毒t淋巴细胞相关蛋白4 (CTLA4)、程序化细胞死亡蛋白1 (PD-1)和程序化死亡配体1 (PDL-1)。随着体内免疫靶点的增多,许多中药或中药成分通过靶向免疫系统显示出免疫调节功能和抗肿瘤作用。然而,由于中医的复杂性,对其潜在机制的认识有限。中医药通过多种成分作用于多个靶点。为了解决这个问题,作者团队提出了一个全面的中药免疫肿瘤学数据库TCMIO,它可以用来探索中医调节癌症免疫微环境的分子机制。从公共数据库和文献中提取了超过12万个针对400个IO靶点的小分子。这些配体被进一步映射到中药的化学成分,以识别与IO靶点相互作用的草药。此外,该数据库还应用一种基于网络推理的方法来识别中药天然产物的潜在IO靶点。所有这些数据,连同化学信息学和生物信息学工具,都被整合到公开访问的数据库中(图1)。提供了化学结构挖掘工具,以探索化学成分和配体对抗IO靶点。可在线生成中药成分靶点网络,实现中药或处方的路径富集分析。该数据库可用于中药化学成分结构的挖掘和网络分析。该数据库为进一步探索中医药在癌症免疫中的作用机制,以及由中医药启发识别用于癌症免疫治疗的新药物先导物提供了全面的资源。TCMIO可以通过http:// tcmio.xielab.net公开访问。

 

1.数据概览

经过数据准备和标准化,从文献中获得了400个独特的IO靶点,可分为34个蛋白家族。TCMIO从ChEMBL中提取,包含157,195个配体-靶点相互作用,针对164个IO靶点连接126,973个配体(164/400)。每个靶点平均有958.5个配体(图2A)。此外,我们还将之前收集到的1493个中药方剂和618种中药纳入了TCMIO。共得到16,437种中药衍生成分,并计算其与配体的相似性。结果表明,68%的中草药成分至少与一个配体相似,相似度阈值为0.8。当阈值为0.7时,这个百分比增加到88%。如图2B所示,20%的成分中至少有50个相似配体,阈值为0.7,而阈值为0.8的配体有10个。中药化学成分与体内靶体配体结构的相似性表明中药及其成分在开发免疫治疗药物方面具有广阔的前景。TCMIO中的数据条目总结在表1中。

图2 数据统计 (A) ChEMBL中靶点配体数目的分布。(B)结构相似的配体对具有不同相似阈值(0.7和0.8)的成分进行计数;20%的成分至少有50个阈值为0.7的相似配体和10个阈值为0.8的相似配体。

 

 

2.网络展示界面

2.1浏览查询页面

TCMIO提供了交互式表格,用户可以在其中浏览靶点、配体、成分、草药和处方。对于每个数据条目,详细信息页面提供了更多信息。同时,还提供了公共资源链接,方便用户访问。每一个IO靶点均提供了ChEMBL (Gaulton et al., 2017)、UniProt (Bateman et al., 2015)和KEGG(Kanehisa et al., 2017)数据库中的对应收录id。可以通过一个DrugBank (Wishart et al., 2018)链接访问获取靶点药物信息。靶点的结构信息可以通过PDB(Rose et al., 2012)代码获取。同时也提供了配体的结构和化学性质,包括分子量、氢键施主、氢键受体和脂水分配系数。对于每一个药草,提供了来源、性质、风味、归经、作用和指征信息(图3)。每一个方剂则给出了中药成分、指征和作用。

                    图3浏览页面快照

2.2化合物结构查询页面

 

TCMIO旨在通过化学结构挖掘工具挖掘中药和IO之间的关系。在结构页面中,用户可以针对成分或配体进行结构搜索。此外网站也提供了广泛应用的子结构和相似度搜索功能。用户可以画出感兴趣的子结构或完整结构,然后通过结构查询来识别所有的TCMs或靶点(图4)。具有相同查询结构的TCMs都会被输出,这说明这些TCMs可能具有相同的生物学功能。输出的蛋白质列表是查询结构的潜在IO靶点,暗示了该化合物的潜在分子机制。

             图4化合物结构页面快照

2.3作用机理(MOA)页面

TCMIO基于网络药理学方法探索了TCMs在免疫肿瘤学中的作用机制。在MOA页面上,用户可以提交草药或方剂、成分及其目标信息,包括使用基于网络的方法进行实验验证和预测的IO靶点。这些靶点被提交到DAVID网络服务器进行进一步的基因富集分析。最后,TCMIO生成一个草药-成分-目标网络(图5)和交互式表(图6),以可视化它们之间的关系。

图5 药草(枸杞)-成分- MOA页面上的目标网络快照


 

图6 MOA页面的通路查询快照
 

3.示例分析

 

选择天然产物(姜黄素)和中药(枸杞)作为案例研究,展示TCMIO如何通过靶点识别和MOA探索促进中药在免疫肿瘤学方面的研究。

 

3.1姜黄素

姜黄素是一种主要从天然多效草本姜黄中分离得到的酚类化合物。越来越多的研究和临床试验(https://clinicaltrials.gov)证明了姜黄素对多种肿瘤的潜在治疗作用,如乳腺癌、前列腺癌和胰腺癌(Devassy et al., 2015;Fang et al.,2017a)。最近,姜黄素被鉴定为一种有效的免疫调节剂,可调节免疫抑制肿瘤微环境(Liao et al., 2018;Wei et al.,2018)。TCMIO从ChEMBL数据库中收集了5个已知的姜黄素IO靶点(表2)。此外,TCMIO允许用户通过子结构或指纹相似度搜索功能识别输入配体的潜在IO靶点。这里,通过设定相似度>= 0.8,预测了姜黄素在体内的3个新靶点,即核因子红样2相关因子2 (NFE2L2)、前列腺素G/H合酶2 (PTGS2)和转录信号传感器和激活因子3 (STAT3)。有趣的是,最近的一项研究表明,姜黄素对IL-6诱导的STAT3激活具有显著的抑制活性,IC50值为1.6µM,表明其有可能成为治疗与IL-6/STAT3信号通路相关的癌症的候选药物(Jang et al.,2019)。其余的预测靶点提供了新的潜在的姜黄素参与癌症免疫的蛋白,值得进一步的实验验证。

2 TCMIO鉴定的姜黄素免疫肿瘤(IO)靶点

图片

 

3.2枸杞

枸杞由于其多种药理特性,包括抗肿瘤作用,在亚洲传统上被用作药材(Tang et al., 2012)。大量体内研究证实其主要成分枸杞多糖(LBPs)具有增强免疫力和抑制肿瘤生长的作用(Cheng et al., 2015;Deng et al., 2018)。但其抗肿瘤免疫作用的机制尚未完全阐明。TCMIO在MOA页面整合了一个有用的系统药理分析功能,为揭示中医药在癌症免疫中的机制提供了方便的工具。TCMIO构建的枸杞成分-靶标网络如图5所示,共761个相互作用位点,连接242个成分和57个蛋白靶标。KEGG富集分析(补充表S2)显示枸杞与前列腺癌(P = 1.69E-08)、胰腺癌(P = 5.29E-07)、黑色素瘤(P = 1.53E-05)等多种肿瘤具有较高的相关性。在图7显示的20个富集通路中,PI3K-Akt信号通路(P = 3.08 -09)是调节免疫细胞效应功能和肿瘤微环境的重要胞内信号通路(Collins et al., 2018;O 'Donnellet al., 2018年)。治疗性抑制PI3K-Akt信号通路可通过阻止免疫抑制的激活和增强抗肿瘤免疫固有特性来增强肿瘤免疫监测(Xue et al., 2015)。此外,据报道VEGF信号通路(P = 6.28E-06)对免疫细胞包括效应T细胞、调调性T细胞(Tregs)、骨髓源性抑制细胞(MDSCs)、肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和肥大细胞具有调节作用。靶向VEGF信号通路的药物正成为恢复抗肿瘤免疫的一种有前途的治疗策略(Yang et al., 2018)。总体而言,TCMIO进行的KEGG富集分析表明,枸杞可能介导了潜在的癌症免疫通路。

TCMIO获得的枸杞的P值最低的KEGG富集的前20条途径

4.结果展望

小分子已经显示出巨大的潜力来刺激免疫系统对各种癌症作出反应。广泛应用的传统中药已显示出免疫调节功能和广泛的抗肿瘤作用,这表明探索传统中药与免疫肿瘤学的关系将拓展我们对传统中药的免疫调节功能的认识,并促进以传统中药为灵感的治疗癌症的天然产物药物的发现。此研究开发了一个集成了中医数据(处方、草药和成分)和免疫肿瘤数据(IO靶点及其小分子配体)综合数据库——TCMIO。此外,还为数据分析开发了化学信息学和生物信息学服务。为挖掘传统草药成分和IO靶向配体的结构提供多种结构搜索方法,帮助用户探索草药和设计多靶点药物。提供了中药或方剂的中药成分目标网络和途径富集分析,为阐明中药的作用机理提供了依据。目前,由于TCMIO中的中药材仅来源于《中国药典》(2015年版),许多具有免疫调节功能的药用植物不在本文之列。这可能是TCMIO未来的发展方向,需进一步完善。TCMIO是全球首个免疫肿瘤学中草药综合数据库,相信该数据库将为传统中草药和免疫肿瘤学的研究社区带来效益。

 


 

 

扫描二维码分享到微信