基于网络药理学探讨黄芪-麻黄调控AKR1C3/KYNU治疗儿童肥胖相关性哮喘的机制与靶点

《Scientific Reports》：Network pharmacology identifies AKR1C3 and KYNU as potential targets of Astragalus Membranaceus and Ephedra in pediatric obesity-associated asthma

本研究针对儿童肥胖相关性哮喘这一复杂临床表型，常规疗法效果不佳的难题，研究人员综合运用生物信息学与网络药理学方法，系统分析了黄芪和麻黄的活性成分及其作用靶点。研究成功鉴定出AKR1C3与KYNU为关键靶基因，构建了高精度的疾病风险预测模型，并通过分子对接和RT-qPCR实验验证了黄芪活性成分（山奈酚、芹菜素）和麻黄活性成分（刀豆氨酸）与靶点的强结合亲和力及靶基因的异常高表达。该研究为阐释中药复方治疗儿童肥胖相关性哮喘的分子机制提供了新视角，并为开发靶向治疗策略奠定了理论基础。

　　

在当今社会，儿童肥胖已成为一个日益严峻的全球性公共卫生问题。它不仅影响孩子的生长发育，更与多种慢性疾病密切相关，其中，哮喘便是备受关注的一种。值得注意的是，肥胖与哮喘的相遇并非简单的“1+1=2”，而是形成了一种独特的临床表型——肥胖相关性哮喘。这类患儿往往表现出更严重的症状，对常规哮喘治疗药物的反应却不尽如人意，这给临床管理带来了巨大挑战。为什么肥胖会加重哮喘？其背后的分子机制是什么？能否找到更有效的干预靶点？这些问题亟待解答。

传统中医药在防治呼吸系统疾病和代谢性疾病方面积累了丰富的经验。黄芪（Astragalus membranaceus）和麻黄（Ephedra）作为两味经典中药，前者以补气固表、增强免疫力见长，后者则以宣肺平喘著称。现代药理学研究也证实，黄芪中的黄芪多糖、黄芪甲苷等成分，以及麻黄中的麻黄碱等，具有抗炎、免疫调节和改善代谢等多种活性。然而，它们是如何在分子水平上协同作用，从而干预儿童肥胖相关性哮喘的，其具体靶点和通路仍如“黑箱”一般模糊不清。

为了揭开这个“黑箱”，由高明东博士领导的研究团队开展了一项深入的研究，其成果发表在《Scientific Reports》期刊上。研究人员巧妙地运用了整合生物信息学与网络药理学的研究策略。他们首先从公共基因表达数据库（GEO）中收集了儿童肥胖和哮喘相关的基因表达数据集。接着，通过筛选黄芪和麻黄的活性成分及其潜在作用靶点，并与肥胖和哮喘的差异表达基因进行交叉比对，初步锁定了候选基因。随后，利用支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）等机器学习算法进一步精炼，确定了关键基因。为了评估这些关键基因的预测能力，研究人员构建了列线图（Nomogram）预测模型，并进行了校准和受试者工作特征（ROC）曲线分析。此外，研究还涵盖了功能富集分析、免疫细胞浸润分析、转录因子-微小RNA-长链非编码RNA（TF-miRNA-lncRNA）调控网络构建以及分子对接模拟。最终，通过逆转录定量PCR（RT-qPCR）实验，在临床采集的儿童外周血样本中（包括12例对照和13例肥胖相关性哮喘患儿）对关键基因的表达水平进行了验证。

3.1 Candidate genes ascertained

研究人员通过分析GSE205668（儿童肥胖）和GSE147878（哮喘）数据集，分别识别出3275个和1124个差异表达基因（DEGs）。将两者中共同上调的26个基因和共同下调的34个基因合并，得到60个肥胖与哮喘共享的差异表达基因。再将这60个基因与从TCMSP、BATMAN-TCM和HERB三个数据库中整合得到的1693个黄芪-麻黄作用靶点取交集，最终筛选出11个候选基因。这些基因可能是连接中药成分与疾病病理生理过程的关键桥梁。

3.2 Functions and pathways of candidate genes

对这11个候选基因进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析发现，它们显著富集于“细胞酮代谢过程”、“钠钾交换ATP酶复合物”、“氧化还原酶活性”等生物过程、细胞组分和分子功能，以及“化学致癌-活性氧物种”、“类固醇激素生物合成”和“辅因子生物合成”等信号通路。这提示候选基因可能通过影响代谢和氧化应激等过程，在肥胖相关性哮喘中发挥作用。

3.3 AKRIC3 and KYNU deemed as key genes

为了从候选基因中找出最核心的靶点，研究团队采用了SVM-RFE机器学习算法进行特征基因筛选。在儿童肥胖数据集（GSE205668）中筛选出5个特征基因，在哮喘数据集（GSE147878）中筛选出8个特征基因，两者交集得到4个最终特征基因。随后，通过在独立的验证数据集（GSE104815用于肥胖，GSE143303用于哮喘）中进行表达趋势一致性分析，最终锁定醛酮还原酶家族1成员C3（AKR1C3）和犬尿氨酸酶（KYNU）为关键基因。RT-qPCR实验结果显示，与健康对照组相比，肥胖相关性哮喘患儿外周血中AKR1C3和KYNU的mRNA表达水平均显著升高（P < 0.01），这从实验层面证实了这两个基因与疾病的强关联性。

3.4 Nomogram models constructed

基于AKR1C3和KYNU这两个关键基因，研究人员分别构建了用于预测儿童肥胖风险（基于GSE205668数据集）和哮喘风险（基于GSE147878数据集）的列线图模型。校准曲线和Hosmer-Lemeshow检验（P值均大于0.05）表明模型预测值与实际观测值吻合良好。ROC曲线分析显示，肥胖预测模型的曲线下面积（AUC）为0.770，哮喘预测模型的AUC为0.809，均在0.7以上，证明了模型具有良好的预测效能。在独立数据集（GSE29718和GSE143303）上的再次验证也进一步支持了列线图的可靠性。

3.5 Enrichment pathways of key genes

基因集富集分析（GSEA）揭示了AKR1C3和KYNU在肥胖和哮喘背景下可能参与的不同生物学通路。在肥胖环境中，两基因共同富集于“同种异体移植排斥”和“肠道IgA免疫网络”等通路，暗示其与免疫排斥和黏膜免疫相关。在哮喘环境中，它们则共同富集于“萜类骨架生物合成”和“原发性免疫缺陷”等通路，提示其与代谢和免疫调节功能紊乱有关。

3.6 Immune infiltration status of pediatric obesity and asthma

免疫细胞浸润分析显示，在儿童肥胖样本中，有18种免疫细胞的浸润水平与对照组存在显著差异；在哮喘样本中，有5种免疫细胞存在差异浸润。相关性分析发现，在肥胖背景下，AKR1C3与CD56^dim自然杀伤（NK）细胞呈正相关，KYNU与中央记忆CD8⁺T细胞呈强正相关。而在哮喘背景下，AKR1C3与活化的B细胞等呈负相关，KYNU则与γδ T细胞等呈正相关。这表明AKR1C3和KYNU可能通过调节不同的免疫细胞亚群，在肥胖和哮喘的免疫失衡中扮演着复杂而重要的角色。

3.7 Molecular regulatory mechanism of key genes

为了探索AKR1C3和KYNU的上游调控机制，研究构建了转录调控网络。预测发现分别有12个和20个差异表达的转录因子（TF）可能靶向调控AKR1C3和KYNU。同时，还构建了lncRNA-miRNA-mRNA调控网络，其中hsa-miR-155-5p被预测可共同靶向AKR1C3和KYNU，而XIST、MIR17HG、NEAT1等功能重要的长链非编码RNA（lncRNA）也参与其中，勾勒出一个多层次、精细的基因表达调控图谱。

3.8 Active ingredients and their binding affinity with key genes

通过网络分析，研究人员将中药活性成分、关键基因及其富集通路整合，构建了“活性成分-关键基因-通路”网络。分子对接模拟结果显示，黄芪的活性成分山奈酚（kaempferol）和芹菜素（apigenin）与AKR1C3蛋白的结合自由能均低至-9.5 kcal/mol，表明结合非常稳定。麻黄的活性成分刀豆氨酸（canavanine）与KYNU蛋白的结合自由能为-5.3 kcal/mol，也显示出良好的结合潜力。这为黄芪和麻黄通过其活性成分直接作用于AKR1C3和KYNU靶点，从而发挥治疗作用提供了理论依据。

综上所述，这项研究通过系统性的生物信息学分析结合实验验证，成功鉴定出AKR1C3和KYNU是儿童肥胖相关性哮喘的关键分子靶点。研究不仅揭示了这两个基因在疾病发生发展中的潜在作用，包括参与免疫代谢调节、影响特定免疫细胞功能等，还首次将传统中药黄芪和麻黄的活性成分（山奈酚、芹菜素、刀豆氨酸）与这些靶点联系起来，并通过分子对接预测了其强结合能力。这项工作的意义在于，它为理解儿童肥胖相关性哮喘这一复杂疾病的分子机制提供了新的视角，为阐释黄芪-麻黄药对的作用原理提供了现代科学依据，并为开发针对该疾病的新型靶向治疗策略（尤其是基于中药活性成分的干预）奠定了重要的理论基础，展现了中医药现代化研究的巨大潜力。当然，作者也指出，后续仍需通过更深入的细胞和动物实验来验证这些靶点的具体功能机制以及中药成分的体内药效，从而推动研究成果向临床应用的转化。