2024年10月9日，太行本草研究院师生在科研楼202会议室开展组会学习，本次由2022级硕士研究生程美玲进行“虎杖中虎杖苷调节糖尿病大鼠肝脏糖脂代谢：网络药理学结合多组学的多维度分析”文献精读。

背景介绍

2型糖尿病（T2DM）是由胰岛素分泌受损、胰岛素抵抗或两种因素共同引起的疾病，表现为碳水化合物、脂质和蛋白质代谢失调，为糖尿病主要形式，占90%以上。改善血糖水平有利于延缓T2DM的发病，并降低相关并发症的严重程度，但目前用于治疗T2DM的多数西药都有不良副作用。研究表明虎杖在调节糖脂代谢方面具有很大应用潜力，但其化学基础和作用机制尚不明确。因此，本文作者以高脂饲料喂养，并腹腔注射STZ（G-CLONE）造模糖尿病大鼠，利用网络药理学筛选出虎杖苷作为虎杖特异性成分给药，通过测试每周血糖水平、进行葡萄糖耐量试验、检测肝损伤指标和脂质状态指标、计算肝脏系数和脂肪系数、对肝组织切片做HE及ORO染色进行药效学研究。再用肝组织进行代谢组及转录组学研究，二者结合寻找到虎杖苷治疗糖尿病的关键通路，最后以qPCR测试关键通路上相关基因表达水平进行验证，结果表明虎杖苷能通过胆汁分泌、PPAR及AMPK信号通路调节糖尿病大鼠肝脏糖脂代谢。

结果与讨论

作者利用网络药理学找到虎杖成分和糖尿病疾病的交集靶点，并对这些交集靶点做蛋白-蛋白互作网络，找到最关键的三个靶点为IL-1β、IL-6和TNF，而与这三个靶点关联的成分主要为槲皮素和虎杖苷，故选择虎杖苷为虎杖特异性成分给药。对交集靶点做KEGG及GO富集分析，KEGG富集结果显示脂质和动脉粥样硬化通路以及糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路为关键通路。GO富集结果显示凋亡过程和细胞迁移的正调控是关键的生物学过程，质膜外侧和含胶原的细胞外基质是关键的细胞组分，而核受体活性和蛋白酶结合是重要的分子功能。

检测大鼠1～4周的血糖水平，进行葡萄糖耐量试验，检测肝损伤指标（ALP、ALT、AST、CHE）和脂质状态指标（HDL、LDL、TG、CHOL），结果表明虎杖苷给药第三周开始降糖作用变得明显，能减轻糖尿病大鼠的糖耐量受损，肝功能以及脂质代谢相关指标均显著改善，证明虎杖苷确实起到了缓解糖尿病的作用。

作者还检测了肝脏系数和脂肪系数，并对肝组织做了HE和ORO染色，实验结果表明，虎杖苷显著降低了T2DM大鼠的肝脏系数和脂肪系数，能减轻肝细胞肿胀和细胞质疏松现象，使肝细胞中的脂滴分散，染色较浅，脂滴数量显著减少。

为了研究不同组间肝脏代谢功能的整体变化，对肝脏代谢组学数据进⾏多元统计分析（图A-F），对代谢物做了火山图（图G-H）以直观查看差异代谢物，后以P＜0.05，VIP＞1筛选差异代谢物，并对两组间的差异代谢物做KEGG富集分析（图I-J），找到了正负离子模式下虎杖苷治疗糖尿病的可能通路。将两组间的差异代谢物取交集（图K），得到41个交集差异代谢物，并对这些差异代谢物进行热图分析（图L）。

作者随后检测了20个关键差异代谢物的相对丰度，结果发现虎杖苷能显著调节这20个差异代谢物含量。

接下来，作者通过转录组学分析了虎杖苷对肝脏表达的脂质和糖代谢相关基因的影响，并以P＜0.05，|Log2FC|＞1为条件筛选差异基因，并对这些差异基因做GO和KEGG富集分析，发现可能通路上上调和下调的基因。

随后做了加权基因共表达网络分析，结果显示绿色和黄绿色模块特征基因与虎杖苷组具有显著相关性，粉色和绿松色模块特征基因与模型组呈显著相关，棕色和黄色模块特征基因与对照组显著相关。并对这些特征模块基因做KEGG富集分析，寻找通路。

同时还做了基因集富集分析，结果显示，模型组与对照组的脂肪生成，细胞凋亡，胆汁酸代谢，脂肪酸代谢、氧化磷酸化和P53途径呈显著正相关，在虎杖苷组与模型组中，脂肪生成、脂肪酸代谢和氧化磷酸化呈显著负相关。

通过代谢组学和转录组学获得差异代谢物、差异基因和相关KEGG通路后，使用Pearson相关系数进行相关性分析，以评估鉴定的差异基因和代谢物之间的关联程度。

多组学联合，对差异代谢物和差异基因进行KEGG富集分析并做了通路-通路相互作用网络，结果显示，负离子模式下，模型组与对照组主要富集在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解、丁酸代谢、卵巢类固醇生成等途径，虎杖苷组与模型组主要富集在β-丙氨酸代谢、类固醇激素生物合成、精氨酸生物合成等途径；正离子模式下，模型组与对照组主要富集在氧化磷酸化、胆固醇代谢、AMPK信号通路等途径，虎杖苷组与模型组主要富集在β-丙氨酸代谢、丙酸代谢、化学致癌作用、色氨酸代谢等途径。

然后以KEGG全局代谢网络为背景，使用iPath可视化差异代谢物和基因共富集途径，结果表明，模型组与对照组相比，脂质代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢、核苷酸代谢、辅因子和维生素C代谢以及其他次级代谢物的生物合成受到影响（图A）。而虎杖苷组对模型组主要影响脂质代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢和其他氨基酸的代谢（图B）。

为了阐明虎杖苷在治疗糖尿病中的机制作用，评估了参与胆汁分泌、PPAR和AMPK信号通路的相关基因的表达水平。结果表明，虎杖苷能回调相关基因表达水平。

总结

综上所述，为了解决对虎杖治疗T2DM的物质基础和作用机制认识上的空白，作者采用网络药理学初步预测其潜在的活性成分和调控机制。在众多成分中，虎杖苷在发挥抗糖尿病活性方面发挥了关键作用。随后，作者在糖尿病大鼠中进行了实验，证实了虎杖苷显著改善了与糖尿病相关的各种生理指标。通过整合代谢组学、转录组学和多组学联合分析，阐明了虎杖苷抗糖尿病的作用机制，这可能通过协同调节胆汁酸代谢、AMPK和PPAR信号通路来发挥作用。