氯雷他定的生物信息学分析及其对COVID-19的潜在治疗意义

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本站小编 Free考研考试/2021-12-04

氯雷他定的生物信息学分析及其对COVID-19的潜在治疗意义

陈浩然¹,徐和福²,陈熙勐³,张皓旻³,张钧栋³,智鹏¹,李卓阳¹,刘格良¹,王毅兴⁴,卢学春¹

(1．山西医科大学管理学院,太原 030000;2. 天津康复疗养中心检验病理科,天津 300381;3. 解放军总医院第二医学中心血液科国家老年疾病临床医学研究中心,北京 100853;4. 同济大学附属东方医院中医科,上海 200120)

摘要:

为探讨氯雷他定对新型冠状病毒肺炎的潜在治疗作用。从基因表达谱数据库(Gene expression omnibus,GEO)获取氯雷他定数据,分别进行差异分析、基因本体学(GO)富集分析、京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析、蛋白质相互作用(Protein-protein interaction,PPI)网络分析并筛选关键基因,使用本课题组前期建立的表观精准治疗预测平台(Epigenomic Precision Medicine Prediction Platform,EpiMed)进行关联分析,筛选出负相关疾病、正相关药物及体内作用靶点,并在中、英文数据库中检索冠状病毒与关键基因作用的相关文献加以验证。共筛选出差异基因642个,其中上调230个,下调412个。其中,GO富集的基因大多参与炎症反应、激素作用和糖脂代谢等过程,KEGG通路富集主要和多种病毒感染、炎症介质、补体和凝血、消化道损伤、心律失常和氧化应激等过程或功能相关。结合EpiMed的预测结果,发现氯雷他定对全基因组表达谱的影响复杂,在PPI中,共得到642个蛋白,筛选出10个关键基因(Hub gene),主要与神经信号传导、磷酸化和炎症反应等功能相关,在EpiMed的结果中,预测出氯雷他定可能具有潜在治疗作用的疾病,包括严重急性呼吸综合征(SARS)、流行性感冒、社区获得性肺炎、严重脓毒症、呼吸道合胞病毒感染等,预测出对COVID-19可能具有治疗作用的药物,包括泛昔洛韦、奈韦拉平、氟伐他汀、磷酸氯喹、TNF-α抑制剂、金银花、虎杖、柴胡和知母等。通过文本挖掘,共检索到14篇冠状病毒与关键靶点作用相关的文献,验证了关键靶点的有效性。得出如下结论:氯雷他定对心脏调节,免疫反应,氧化应激和病毒感染等过程或通路具有调控作用,其可能在抗病毒的同时,还具有免疫调节和器官保护功能,对COVID-19危重症患者有潜在的治疗意义。

关键词: 氯雷他定冠状病毒基因表达谱临床生物信息学 EpiMed

DOI：10.12113/202005005

分类号:Q93

文献标识码:A

基金项目:2017 年度国家老年疾病临床医学研究中心招标课题(No.NCRCG-PLAGH-2017011) ; 解放军总医院转化医学项目(No.2017TM-020).

Bioinformatics analysis of loratadine and its potential therapeutic significance for COVID-19

CHEN Haoran¹, XU Hefu², CHEN Ximeng³, ZHANG Haomin³, ZHANG Jundong³, ZHI Peng¹, LI Zhuoyang¹, LIU Geliang¹, WANG Yixing⁴,LU Xuechun¹

(1. School of Management, Shanxi Medical University, Taiyuan 030000,China; 2. Department of Laboratory Pathology, Tianjin Rehabilitation and Sanatorium Center, Tianjin 300381, China; 3. Department of Hematology, Second Medical Center, PLA General Hospital, Beijing 100853, China; 4. Department of Traditional Chinese Medicine, Oriental Hospital of Tongji University, Shanghai 200120, China)

Abstract:

To explore the potential therapeutic effect of loratadine on new coronavirus pneumonia (COVID-19), loratadine data was obtained from Gene Expression Omnibus (GEO). Differential analysis, gene ontology (GO) enrichment analysis, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analysis, Protein-Protein Interaction (PPI) network analysis were conducted,and key genes were screened. Using the Epigenomic Precision Medicine Prediction Platform (EpiMed) established earlier by the research group for correlation analysis, the negatively related diseases, positive relevant drugs, and targets in vivo were screened out, and the literature of coronavirus and key targets in Chinese and English databases were studied for verification. Results show that a total of 642 differential genes were screened out, including 230 up-regulated and 412 down-regulated. Among them, most of the genes enriched in GO were involved in the processes of inflammatory reaction, hormone action, and metabolism of glycolipids. The KEGG pathway was mainly enriched with various viral infections, inflammatory mediators, complement and coagulation, digestive tract damage, arrhythmia, and oxidative stress. Combined with the prediction results of EpiMed, it was found that the effect of loratadine on the genome-wide expression profile was complex. In PPI, a total of 642 proteins were obtained, and 10 hub genes were selected, mainly related to nerve signal transduction, phosphorylation, inflammatory response, and other functions. EpiMed results indicate that loratadine may have potential therapeutic effects, including severe acute respiratory syndrome (SARS), influenza, community-acquired pneumonia, severe sepsis, respiratory syncytial virus infection, etc. Drugs that may have a therapeutic effect on COVID-19 were predicted, including etanercept, famciclovir, nevirapine, fluvastatin, chloroquine phosphate, polygonum cuspidatum, houttuynia cordata, forsythia, liquorice, and common anemarrhena rhizome. Through text mining, a total of 14 articles related to the role of coronaviruses and key targets were retrieved, which verified the effectiveness of the key targets. Therefore, loratadine can regulate heart regulation, immune response, oxidative stress, viral infections, and other processes or pathways. It may have anti-viral, immune regulation, and organ protection functions at the same time. The results have potential therapeutic significance for COVID-19 critically ill patients.

Key words: Loratadine Coronavirus Gene expression profile Clinical bioinformatics EpiMed

陈浩然, 徐和福, 陈熙勐, 张皓旻, 张钧栋, 智鹏, 李卓阳, 刘格良, 王毅兴, 卢学春. 氯雷他定的生物信息学分析及其对COVID-19的潜在治疗意义[J]. 生物信息学, 2021, 19(2): 92-104. DOI: 10.12113/202005005. 复制到剪切板

CHEN Haoran, XU Hefu, CHEN Ximeng, ZHANG Haomin, ZHANG Jundong, ZHI Peng, LI Zhuoyang, LIU Geliang, WANG Yixing, LU Xuechun. Bioinformatics analysis of loratadine and its potential therapeutic significance for COVID-19[J]. Chinese Journal of Bioinformatics, 2021, 19(2): 92-104. DOI: 10.12113/202005005. 复制到剪切板

基金项目 2017年度国家老年疾病临床医学研究中心招标课题(No.NCRCG-PLAGH-2017011); 解放军总医院转化医学项目(No.2017TM-020) 通信作者卢学春，男，教授，研究方向：内科血液病学，临床生物信息学.E-mail: luxuechun@126.com 作者简介陈浩然，男，本科生，研究方向：信息管理与信息系统(医药方向).E-mail; chr991004@163.com 文章历史收稿日期: 2020-05-18 修回日期: 2020-08-10

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氯雷他定的生物信息学分析及其对COVID-19的潜在治疗意义
陈浩然¹, 徐和福², 陈熙勐³, 张皓旻³, 张钧栋³, 智鹏¹, 李卓阳¹, 刘格良¹, 王毅兴⁴, 卢学春¹
1. 山西医科大学管理学院，太原 030000;
2. 天津康复疗养中心检验病理科，天津 300381;
3. 解放军总医院第二医学中心血液科国家老年疾病临床医学研究中心，北京 100853;
4. 同济大学附属东方医院中医科，上海 200120

收稿日期: 2020-05-18; 修回日期: 2020-08-10
基金项目: 2017年度国家老年疾病临床医学研究中心招标课题(No.NCRCG-PLAGH-2017011); 解放军总医院转化医学项目(No.2017TM-020)
作者简介:陈浩然，男，本科生，研究方向：信息管理与信息系统(医药方向).E-mail; chr991004@163.com
通信作者: 卢学春，男，教授，研究方向：内科血液病学，临床生物信息学.E-mail: luxuechun@126.com

摘要: 为探讨氯雷他定对新型冠状病毒肺炎的潜在治疗作用。从基因表达谱数据库(Gene expression omnibus，GEO)获取氯雷他定数据，分别进行差异分析、基因本体学(GO)富集分析、京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析、蛋白质相互作用(Protein-protein interaction，PPI)网络分析并筛选关键基因，使用本课题组前期建立的表观精准治疗预测平台(Epigenomic Precision Medicine Prediction Platform，EpiMed)进行关联分析，筛选出负相关疾病、正相关药物及体内作用靶点，并在中、英文数据库中检索冠状病毒与关键基因作用的相关文献加以验证。共筛选出差异基因642个，其中上调230个，下调412个。其中，GO富集的基因大多参与炎症反应、激素作用和糖脂代谢等过程，KEGG通路富集主要和多种病毒感染、炎症介质、补体和凝血、消化道损伤、心律失常和氧化应激等过程或功能相关。结合EpiMed的预测结果，发现氯雷他定对全基因组表达谱的影响复杂，在PPI中，共得到642个蛋白，筛选出10个关键基因(Hub gene)，主要与神经信号传导、磷酸化和炎症反应等功能相关，在EpiMed的结果中，预测出氯雷他定可能具有潜在治疗作用的疾病，包括严重急性呼吸综合征(SARS)、流行性感冒、社区获得性肺炎、严重脓毒症、呼吸道合胞病毒感染等，预测出对COVID-19可能具有治疗作用的药物，包括泛昔洛韦、奈韦拉平、氟伐他汀、磷酸氯喹、TNF-α抑制剂、金银花、虎杖、柴胡和知母等。通过文本挖掘，共检索到14篇冠状病毒与关键靶点作用相关的文献，验证了关键靶点的有效性。得出如下结论：氯雷他定对心脏调节，免疫反应，氧化应激和病毒感染等过程或通路具有调控作用，其可能在抗病毒的同时，还具有免疫调节和器官保护功能，对COVID-19危重症患者有潜在的治疗意义。
关键词: 氯雷他定    冠状病毒    基因表达谱    临床生物信息学    EpiMed
Bioinformatics analysis of loratadine and its potential therapeutic significance for COVID-19
CHEN Haoran¹, XU Hefu², CHEN Ximeng³, ZHANG Haomin³, ZHANG Jundong³, ZHI Peng¹, LI Zhuoyang¹, LIU Geliang¹, WANG Yixing⁴, LU Xuechun¹
1. School of Management, Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China;
2. Department of Laboratory Pathology, Tianjin Rehabilitation and Sanatorium Center, Tianjin 300381, China;
3. Department of Hematology, Second Medical Center, PLA General Hospital, Beijing 100853, China;
4. Department of Traditional Chinese Medicine, Oriental Hospital of Tongji University, Shanghai 200120, China

Abstract: To explore the potential therapeutic effect of loratadine on new coronavirus pneumonia (COVID-19), loratadine data was obtained from Gene Expression Omnibus (GEO). Differential analysis, gene ontology (GO) enrichment analysis, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analysis, Protein-Protein Interaction (PPI) network analysis were conducted, and key genes were screened. Using the Epigenomic Precision Medicine Prediction Platform (EpiMed) established earlier by the research group for correlation analysis, the negatively related diseases, positive relevant drugs, and targets in vivo were screened out, and the literature of coronavirus and key targets in Chinese and English databases were studied for verification. Results show that a total of 642 differential genes were screened out, including 230 up-regulated and 412 down-regulated. Among them, most of the genes enriched in GO were involved in the processes of inflammatory reaction, hormone action, and metabolism of glycolipids. The KEGG pathway was mainly enriched with various viral infections, inflammatory mediators, complement and coagulation, digestive tract damage, arrhythmia, and oxidative stress. Combined with the prediction results of EpiMed, it was found that the effect of loratadine on the genome-wide expression profile was complex. In PPI, a total of 642 proteins were obtained, and 10 hub genes were selected, mainly related to nerve signal transduction, phosphorylation, inflammatory response, and other functions. EpiMed results indicate that loratadine may have potential therapeutic effects, including severe acute respiratory syndrome (SARS), influenza, community-acquired pneumonia, severe sepsis, respiratory syncytial virus infection, etc. Drugs that may have a therapeutic effect on COVID-19 were predicted, including etanercept, famciclovir, nevirapine, fluvastatin, chloroquine phosphate, polygonum cuspidatum, houttuynia cordata, forsythia, liquorice, and common anemarrhena rhizome. Through text mining, a total of 14 articles related to the role of coronaviruses and key targets were retrieved, which verified the effectiveness of the key targets. Therefore, loratadine can regulate heart regulation, immune response, oxidative stress, viral infections, and other processes or pathways. It may have anti-viral, immune regulation, and organ protection functions at the same time. The results have potential therapeutic significance for COVID-19 critically ill patients.
Key Words: Loratadine    Coronavirus    Gene expression profile    Clinical bioinformatics    EpiMed
2019年12月，武汉发生多起不明原因肺炎。目前，已确认该病的爆发是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起，此病毒与引起严重急性呼吸综合征(SARS)和中东呼吸综合征(MERS)的病毒高度同源。此前临床观察认为，细胞因子升高诱发的细胞因子风暴可能是导致患者病情加重的原因，但这一认识存在局限性，并不能解释全部临床症状^[1-3]。目前对于危重型COVID-19患者除对症支持治疗外，缺乏有效的干预措施，尽快确定药物治疗方案对于防止轻型、普通型患者转为重型、改善危重型患者预后具有关键作用。氯雷他定作为新一代抗组胺药物，不仅能够拮抗组胺受体，而且对其他免疫细胞和免疫因子均有抑制作用^[4]。既往研究表明，氯雷他定作为抗组胺药物，能够减少炎症递质如白三烯的释放，抑制细胞间粘附分子的表达以及降低IL-6，IL-8等细胞因子产生^[5]，并且与热毒宁联用具有降低病毒易感性和严重程度的作用^[6]，推测其对COVID-19可能具有潜在的治疗作用。鉴于SARS-CoV-2的组学数据分析尚不完善，为进一步探明氯雷他定的体内分子机制，我们运用临床生物信息学方法，以本课题组前期建立的EpiMed平台为基础，通过分析氯雷他定对全基因组表达谱的影响，进行临床生物信息学分析，并结合EpiMed平台的预测结果，探讨其抗SARS-CoV-2的潜在分子机制，为后续制定和优化含氯雷他定的COVID-19治疗方案提供理论依据。

1 材料和方法1.1 材料1.1.1 数据来源以“Loratadine”为检索词在GEO数据库中进行检索，在条目类型中选择“series”，共得到10个检索结果，为进一步提高数据的准确性和可靠性，对检索结果进行二次筛选，筛选条件为：①物种：人或与人基因同源性高的物种(小鼠、大鼠等)。②实验设计：三组或三组以上的重复实验。③数据类型：转录组数据或全基因组表达谱数据③数据质量：数据完整以及对应的平台注释文件标准、规范。在经过仔细筛选后，选出符合条件的数据：GSE59927。GSE59927数据集的作用对象均为大鼠，其中包含了超过600种不同药物或化合物样本的表达矩阵，涵盖了氯雷他定作用于大鼠心脏和原代肝细胞的全基因组表达谱数据。

1.1.2 实验设计首先，根据氯雷他定的作用部位、作用时间以及药物剂量，将筛选后的数据分为5组(见表 1)。将正常大鼠的心脏(或原代肝细胞)作为对照组，经过氯雷他定处理的大鼠心脏(或原代肝细胞)作为实验组，进行差异分析。氯雷他定作用部位、作用时间以及药物剂量皆为GSE59927中的原始信息，考虑到药物在不同细胞系、剂量以及时间的影响不同，去除5组差异基因中调控作用相反的交集基因，并使用R语言程序对5组差异基因调控作用相同的基因表达量取平均值，得到的结果用于后续分析。

表1(Table 1)

表 1 样本分组情况表Table 1 Sample grouping table 组号器官剂量时间(d)样本类型(正常/药物)

1心脏10 mg/kg33/13

2心脏10 mg/kg53/13

3心脏2 000 mg/kg33/13

4肝62.25 μM0.673/40

5肝62.25 μM13/41

表 1 样本分组情况表Table 1 Sample grouping table

1.2 方法1.2.1 数据处理及差异表达分析在Bioconductor(http://www.bioconductor.org/)网站下载R语言程序包，用于数据处理和差异分析^[7]。首先使用Impute程序包估算表达矩阵中的缺失值^[8]，使用biomaRt包对基因进行同源转化^[9]，然后使用limma程序包对数据进行标准化，并筛选差异基因^[10]。差异基因筛选设定阈值为log2(Fold Change)>1，P < 0.05。

1.2.2 差异分析结果整理使用Venny 2.1(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)^[11]在线工具，去除5组差异基因中调控作用相反的交集基因，并使用R语言程序对5组差异基因调控作用相同的基因表达量取平均值。

1.2.3 构建差异基因的蛋白互作网络将差异基因上传至STRING v11.0(https://string-db.org/)在线分析网站进行蛋白质相互作用(protein-protein interaction，PPI)网络分析，以置信度>0.7作为阈值进行筛选^[12]。关键基因是指PPI网络中具有高度相关的基因。在本研究中，关键基因为在PPI网络关系中出现频次最高的前10个基因，使用R软件，通过Degree算法筛选出关键基因，结果输出得分排名前10的基因^[13]。

1.2.4 富集分析使用R语言clusterProfiler包对差异基因进行GO富集分析以及KEGG通路富集分析^[14]，并使用R语言程序对聚类结果进行可视化处理。

1.2.5 疾病与药物关联分析使用本研究团队基于“整合多组学分析”算法建立的临床生物信息学表观精准治疗预测平台(EpiMed)，对差异基因进行多组学关联分析^[15]。以|关联系数|>0.1，P < 0.05作为阈值，筛选与氯雷他定负相关的疾病以及与氯雷他定正相关的药物、化合物或中药，并预测相关作用靶点。

1.2.6 文本验证为了验证氯雷他定作用靶点的有效性，将10个关键基因作为关键靶点，以‘关键靶点’ AND ‘coronavirus’为检索词，在英文数据库中进行检索，以‘关键靶点’ AND ‘冠状病毒’为检索词，在中文数据库中进行检索，并记录相关检索结果。

2 结果2.1 数据处理及差异表达分析通过limma程序包对5组数据进行差异分析，以|log₂FC|>1，P < 0.05，为阈值，得到5组差异结果，差异基因个数依次为223个、130个、169个、207个、202个，其中上调表达的基因个数依次为79个、35个、60个、86个、69个，下调表达的基因个数依次为144个、95个、109个、121个、133个(见图 1)。

图 1(Figure 1)
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图 1 各组差异表达分析结果Figure 1 Results of differential expression analysis in each group

2.2 差异分析结果整理使用Venny 2.1工具和R语言脚本，将5组差异结果汇总，去除交集基因并求平均值后，共得到差异基因642个，其中上调230个，下调412个。

2.3 蛋白互作调控网络的构建将差异表达基因导入STRING v11.0在线分析网站进行蛋白互作网络分析，共得到642个蛋白，1 087条相互关系，平均点度为5.56。导入Cytoscape软件进行PPI网络可视化处理^[16](见图 2)。

图 2(Figure 2)
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图 2 差异表达基因蛋白互作网络结果Figure 2 Results of differentially expressed gene PPI networks

利用R语言脚本，使用Degree算法对PPI网络中的基因进行节点得分计算，筛选得到排名前10位的关键基因(见图 3)。

图 3(Figure 3)
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图 3 排名前10位的关键基因Figure 3 Top 10 hub genes注: 其中包括与心脏保护相关的基因，例如ADCY2、BDKRB2、BDKRB1、CASR；与免疫相关的基因，例如CCR5、TACR1、ANXA1；与激素和跨膜信号相关的基因，例如PIK3R1、GNG8；与脂质代谢相关的基因，例如APOB.

2.4 富集分析使用R程序语言clusterProfiler包对差异基因进行GO功能富集和KEGG通路富集。GO富集分析共得到311条结果，其中包括生物学过程(Biological Process，BP)241条，细胞组分(Cellular Components，CC)29条，分子功能(Molecular Function，MF)41条(见图 4)。在生物学过程方面，富集的基因大多与免疫反应、细胞因子、趋化因子、激素作用、糖脂代谢有关，如IL18、IFNG、LRP1、TNF、TGFB1、KCNA4、GCGR、APOB、LDLR等。在细胞组分方面，富集的基因大多参与炎症调节过程，如C1S、CD3D、CD4等。在分子功能方面，富集的基因大多与免疫反应、激素调节和跨膜运输有关，如CCR5、GCGR、SLC4A1、SLC5A5、SLC5A7、SLC18A3、SLC38A2等。

图 4(Figure 4)
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图 4 GO富集分析结果Figure 4 Results of GO enrichment analysis注: 富集基因主要参与免疫反应，趋化因子作用，激素作用，分子代谢调节和药物代谢等过程.

KEGG通路共富集通路305条，富集的通路主要与补体和凝血系统，炎症反应，心律失常，氧化应激和病毒感染等相关功能或过程。(见图 5，图 6)。

图 5(Figure 5)
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图 5 KEGG通路富集分析结果Figure 5 Results of KEGG pathway enrichment analysis注: 其富集途径主要与补体和凝血系统、免疫调节、炎症反应、心律失常、氧化应激和病毒感染等有关.

图 6(Figure 6)
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图 6 部分重要信号通路Figure 6 Some significant signal pathways

2.5 疾病关联分析与药物关联分析使用EpiMed平台对疾病与药物进行关联分析，以关联系数 < -0.1，P < 0.05作为阈值，筛选出与氯雷他定负相关的疾病，预测结果多集中于炎症疾病、病毒性疾病、免疫相关疾病，包括SARS、流行性感冒、全身炎症反应综合征、呼吸道合胞体病毒感染和社区获得性肺炎，同时，以关联系数> 0.1，P < 0.05作为阈值筛选出与氯雷他定正相关的药物，预测结果包括TNF-α抑制剂(Etanercept)、抗病毒药物泛昔洛韦(Famciclovir)、奈韦拉平(Nevirapine)，免疫调节药物氟伐他汀(Fluvastatin)以及抗炎药磷酸氯喹(Chloroquine)等，预测出与氯雷他定正相关的中药，包含虎杖(Polygonum cuspidatum)，鱼腥草(Houttuynia cordata)，连翘(Forsythia)，甘草(Liquorice)，知母(Common anemarrhena rhizome)(见表 2)。

表2(Table 2)

表 2 氯雷他定的正负相关分析的部分结果Table 2 Partial results of loratadine positive and negative correlation analysis 名称类型关联系数P值关联靶点

严重急性呼吸综合征(SevereAcute Respiratory Syndrome)疾病-0.388 63.92×10^-15CP, NUPR1, MAL2, GABRP, PLAU, CD4, RPL18, LDHB, S100A9, S100A4, SOD1, F3, DYNLL1, SLC2A1, PSMB4, PSMA4, AREG, ANXA1, C15orf48, G0S2, HCN2, FDFT1, RPS11

流感(Influenza)疾病-0.827 01.58×10^-13EPHX1, OAS1, CCND2, IRF7, LSP1, OAS1, GMFG, IFIT1B, NDUFS6, SBK1, CXCL10, PSMA4, IFI35, IRF1, CTSH, MAP2K1, RASA3, SERPINA3, KIAA0930, IL2RG, BCAP31, VIM

全身炎症反应综合征(Systemic Inflammatory Response Syndrome)疾病-0.437 08.96×10^-14CD48, RHOA, IFIT1B, STAT5A, NAP1L4, CCL5, LITAF, RPL18, SELENBP1, WBP2, NFE2, FDFT1, VIM, ALAS2, LGALS1, ABCA1, GMFG, SLC7A5, BCL2L1, S100A4, SLC4A1, PDZK1IP1, CIB1, LCP1, BCAP31, CEBPD, MAFB, IRF1, ANXA1, RGS2, IL18, FCN1, FGL2, S100A9

呼吸道合胞体病毒感染(Respiratory Syncytial Virus Infections)疾病-0.562 22.42×10^-13LGALS1, STK38, AIF1, SOD1, RGS2, LCP1, FCN1, FGL2, CIB1, STAT5A, RPL18, S100A9, IL18, HSD17B7, CD3D, CCL5, BCL2L1, DYNLL1, CUTA, LITAF, RPS11, OGT, VIM, FKBP5, NAP1L4, S100A4, SLC4A1, SLC44A4, ALAS2, CEBPD, CCND2, WBP2, PSMA4, IFIT1B, NFE2

社区获得性肺炎/严重脓毒症(Communityacquired pneumonia/severe sepsis)疾病-0.307 04.79×10^-7HERPUD1, VIM, ARHGAP4, G0S2, SPARC, GZMA, ALAS2, TIMP2, CEBPD, GMFG, DUSP2, S100A9, RPS11, LGALS1, C15orf48, ZFP36L2, DYNLL1, MAFB, RPL18, RHOA, PLAUR, AREG, WDR1, NFE2, FCER1A, SPON2, AIF1, FCN1, FGL2, RGS2, HCN2, F5, PSMB4, S100A4, PLAU, JUNB, LGALS2

NF-α抑制剂(Etanercept)西药0.211 61.51×10^-14LGALS1, FGL2, ALAS2, PPM1F, CIB1, MAFB, IL18, PDXK, CEBPD, LCP1, VIM, RPL18, HSD17B7, CBX7, SOD1, SLC4A1, LITAF, DYNLL1, IRF1, BCL2L1, FCN1, S100A9, RPS11, S100A4, LDHB, WBP2, SELENBP1, PLOD1, CTSH, MBP, NAP1L4, FCER1A, CCL5

泛昔洛韦(Famciclovir)西药0.615 11.77×10^-15PSMA4, C1S, KCNA2, LRPAP1, HAO2, SERPIND1, CYP2F1, G0S2, FADS1, CIB1, TNFSF12, AIF1, FGB, RPS11, MVD, DIO1, CYP7A1, C4BPB, CRYM, ENPP2, NFE2L2, GCHFR, ORM1, NREP, AKR7A3, ITIH4, RPL18, HRG, CYP2E1, DGAT2, ACLY, NUPR1, GCK, FKBP5, CXCL12, PFKFB1, AKAP4, PECR, ADH6, REEP6, HSD17B2, BCAP31, PAH, SOD1, BAAT, RAI14, OTC, HAL, NIPSNAP1, DNAJA2, CP, TAT, FASN, SULT1B1, CA3, KLKB1, RBP1, FDFT1, PLAU, FADS2, DPYS, ALB, AK3, DDC, PEMT, HERPUD1, CBS, SELENBP1, KHK, GRPEL1, HMGCS1, ACOX2, ADIPOR2, HPN, EPHX1, ALAS2, IDI1, SERPINA3, CDO1, CTH, CTSH, FABP1, PON1, TACR1, AVPR1A, KYNU

奈韦拉平(Nevirapine)西药0.395 11.45×10^-17POM121C, DIO1, PON1, GRPEL1, PKLR, BAAT, SERPIND1, SELENBP1, HMGCS1, KHK, PSMB4, TFRC, CHST10, HRG, GCK, AADAC, FGB, SLC6A13, RELN, CTH, ITIH4, CXCL12, INHBE, DDC, HSD17B6, KCNA2, SCN4A, PLAU, RBP1, ABCC2, PPP2R1B, F5, FBP1, LRPAP1, NIPSNAP1, ENPP2, TARBP2, CYP2E1, NFE2L2, ARG1, ACLY, G0S2, WBP2, TNF, HAO2, ALB, CA3, TM4SF4, FASN, MAG, SPARC, CP, EPHX1, TCEA3, ACAT1, TACR1, HSD17B2, FABP1, MVD, ALDH6A1, FMO1, RPL18, OTC, CRYM, RPS11, NAP1L4, AKR7A3, PAH, CYP7A1, MAL2, POM121, CDO1, CTSH, C4BPB, FADS1, CSRP1, DGAT2, ADORA3, ALAS2, REEP6, TAT, FADS2, AVPR1A, SOD1, PFKFB1, AKAP4, ALDH3A2, PECR, PSMA4, GCLM, AOX1, NREP

氟伐他汀(Fluvastatin)西药0.306 21.64×10^-18AADAC, DIO1, CYP2F1, RPS11, HAO2, COL5A1, SPARC, HPN, ACLY, PPM1F, OTC, HSPB3, HAL, ABTB2, AP2M1, EPHX1, PAH, FBP1, SLC38A2, GDA, PLAU, MAG, AIF1, PFKFB1, TNF, ADIPOR2, RPL18, CYP2E1, ADORA3, KYNU, PON1, ADORA1, C8B, ATRN, MFN2, NFE2L2, MVD, BAAT, DUSP2, FDFT1, IDI1, ELN, TM4SF4, SERPIND1, PECR, AACS, INHBE, RELN, ALB, CBS, MASP2, ENPP2, NUPR1, LSS, PEMT, LRPAP1, ORM1, F5, SOD1, RAI14, GRPEL1, SQLE, AVPR1A, LRP1, PSMA4, HSD17B7, DPYS, C4BPB, HRG, CP, SPON2, HSD17B6, KHK, HERPUD1, SCN4A, HSD17B2, AKAP4, ITIH4, FABP1, FGB, CLDN3, FASN, ARG1, ALDH3A2, CYP7A1, SELENBP1, CA3, KCNA2, ADH6, RBP1, NREP

磷酸氯喹(Chloroquine Phosphate)西药0.201 27.93×10^-8PON1, PSAT1, BAAT, KHK, HMGCS1, HRG, ALDOC, TFRC, SELENBP1, SQLE, FDFT1, ASNS, IDI1, SLC3A2, AGRN, ITIH4, RBP1, RHOA, NR0B2, IFRD1, NDRG1, NME3, KCNA2, CLDN3, GBE1, HAVCR1, CP, EPHX1, CYP2E1, SLC38A2, PSPH, IRF7, ORM2, ORM1, WBP2, TM4SF4, VEGFB, NAP1L4, G0S2, ACTA1, SLC2A1, GPNMB, LITAF, DPP7, ACLY, CUTA, NFE2L2, CA3, RPS11, FABP1, AKR7A3, FASN, ALB, DUSP2, ABCF1, GDA, TCEA3, NUPR1, AP2M1, MAP2K1, TACR1, LRPAP1, PAH, MAL2, HAO2, AOX1, GTPBP2, LSS, ADORA3, SOD1, PECR, NREP, FADS1, CSRP1, CDO1, DGAT2, GCLM, REEP6, ALDH3A2, PSMA4, AVPR1A, NQO1

虎杖(Polygonum cuspidatum)中药0.445 73.11×10^-20IL18, TNF, LEPR, ABCA1, TNF, ABCA1, VIM

鱼腥草(Houttuynia cordata)中药0.674 76.97×10^-15TNF, JAK2

连翘(Forsythia)中药0.152 93.51×10^-08TGFB1, TNF, LEPR, IGFBP2, PDGFRB, COL1A1, HTR2A

甘草(Liquorice)中药0.127 16.25×10^-09TNF

知母(Common anemarrhena rhizome)中药0.375 24.51×10^-13SELENBP1, IL18

表 2 氯雷他定的正负相关分析的部分结果Table 2 Partial results of loratadine positive and negative correlation analysis

2.6 文本验证为了验证EpiMed平台预测出的氯雷他定相关作用靶点的有效性，我们选取10个关键靶点，包括PIK3R1、GNG8、ANXA1、CASR、BDKRB1、BDKRB2、ADCY2、TACR1、APOB、CCR5，分别在中、英文数据库中检索冠状病毒与上述靶点作用相关的文献(见表 3)。结果表明，上述关键靶点在冠状病毒感染患者中，主要参与抗病毒反应、炎性因子的抑制、趋化因子调控、跨膜信号传导、糖脂代谢、磷酸化等过程，对冠状病毒感染及其造成的免疫损伤有一定的抑制作用。

表3(Table 3)

表 3 文本验证结果Table 3 Results of text mining for verification 靶点相关文献

PIK3R1^[17-18]

GNG8^[19]

ANXA1^[20]

CASR^[21]

BDKRB1^[22]

BDKRB2^[23]

ADCY2^[24-25]

TACR1^[26]

APOB^[27-28]

CCR5^[29-30]

表 3 文本验证结果Table 3 Results of text mining for verification

3 讨论目前，全球为遏制SARS-CoV-2已做出了巨大努力，但病毒的传播已经达到了大流行的水平。遗憾的是，治疗新冠病毒的疗法和疫苗开发仍处于早期阶段，已有研究表明，一些药物对COVID-19患者的治疗有效，但缺乏相关临床证据，可能会导致不可预测的临床预后效果，因此，快速筛选目前已经过批准的以及效果良好的药物可能是一种更实用的方法^[31]。

本研究以氯雷他定的基因表达谱数据为研究对象，经临床生物信息学分析发现，氯雷他定对COVID-19的治疗作用是个多靶点的组学网络调控，关键的基因如PIK3R1、GNG8、ANXA1、CASR、BDKRB1、BDKRB2、ADCY2、TACR1、APOB、CCR5等，与以往研究结果一致^[17-30]，这些基因主要参与跨膜信号传导、胰岛素的代谢、免疫监视、炎症反应、器官保护、维持钙稳态、调控细胞周期、补体和凝血等过程。Sille等^[32]研究发现，GNG8参与控制白细胞跨内皮细胞迁移的趋化因子信号，并在神经系统谷氨酸能、胆碱能、GABA能和多巴胺能突触的几条通路中发挥作用。Fox等^[33]研究发现，CCR5是一种表达在白细胞上的趋化因子受体，趋化因子刺激CCR5触发了趋化因子结合的CCR5分子的内在化，使CCR5下调，有助于趋化因子的抗病毒活性。Zhang等^[34]研究发现，CASR下调有助于减轻缺氧/复氧(A/R)心肌细胞的钙超载，具有一定的心脏保护功能。Zhou等^[35]研究发现，肝细胞AKR7A通过减少恶性肝细胞对脂质的利用来调节APOB的表达，对AFB1诱导的细胞毒性具有保护作用。综上所述，关键基因的调控在氯雷他定治疗COVID-19患者过程中可能发挥着重要作用，一方面氯雷他定上调GNG8等基因，下调CCR5等基因，可能具有控制白细胞迁移、降低中性粒细胞浸润程度、抑制细胞因子表达、防止因大量细胞因子趋化造成的细胞因子风暴，抑制炎症反应等作用。另一方面，氯雷他定通过下调CASR、APOB等基因，可能具有清除免疫复合物、减轻免疫应答、抑制钙紊乱的功能，在清除病毒、抑制免疫反应的同时，起着一定的器官保护的作用。

在GO富集分析结果中，生物学过程方面，氯雷他定主要参与细胞外刺激反应，糖脂代谢，钙离子稳态调节等过程；在细胞组分方面，主要影响跨膜转运复合物，离子通道复合体以及顶端质膜、基底外侧质膜、突触膜等多种膜的构成；在分子功能方面，主要与多种离子通道转运蛋白活性，激素调节，糖蛋白结合等功能相关。本研究认为，氯雷他定可能通过阻断跨膜运输，调控糖脂代谢，调节多种激素作用和趋化因子活性来减轻病毒引起的炎症反应与免疫失调，维持钙离子稳态并起到一定的器官保护作用。

在KEGG通路富集方面，氯雷他定主要作用于机体补体和凝血系统，氧，炎症反应，心律失常，氧化应激和病毒感染等相关功能或过程。Hunto等^[36]研究发现，氯雷他定抑制诱导型一氧化氮合酶、IL-1、TNF-α和IL-6的表达，并抑制Syk/Src介导的NF-κB通路，从而抑制变态反应，并作为抑制剂，调节炎症反应中的蛋白活性。Zhou等^[37]研究发现，氯雷他定能有效抑制氧化低密度脂蛋白诱导的单核细胞与内皮细胞的粘附、活性氧和血管黏附分子的产生以及VCAM-1、E-选择素、TNF-α、IL-6和IL-8等细胞因子的诱导，有效地阻断了氧化低密度脂蛋白(LDL)诱导的JNK的激活，以及AP-1和NF-κB信号通路，提示了氯雷他定在内皮保护中的作用。Tontonoz等^[38]研究发现，激活PPARG可以促进单核细胞和巨噬细胞分化，减少LDL的摄取。PPARG激动剂具有抑制心肌细胞肥大和心肌炎症反应的作用，在ACE2突变小鼠中PPARG信号的激活导致心肌损伤减轻，丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路在此过程中起着关键作用。总之，本研究认为，氯雷他定不仅具有传统的抗组胺作用，其作用于机体后，可能会激活PPAR信号通路、MAPK信号通路等通路，抑制NF-κB信号通路，AP-1信号通路等通路，从而抑制了IL-1、IL-6等多种细胞因子以及其他分子的表达，阻断了JNK、AP-1等通路的激活，减少对LDL的摄取，具有一定的抑制炎症，减少器官损伤的作用。

为了进一步验证氯雷他定相关作用靶点的可靠性，我们选取10个关键基因(PIK3R1、GNG8、ANXA1、CASR、BDKRB1、BDKRB2、ADCY2、TACR1、APOB、CCR5) 在中英文数据库中分别进行检索，结果显示10个关键基因均与冠状病毒密切相关，López-Cortés等^[17]研究发现，在免疫系统相关蛋白和SARS-CoV-2相关的人类蛋白之间建立PPI网络，中心度最高的为UBA52，其次为GNB1、APP、FPR2、NCBP1、NCBP2、KNG1、PIK3CA、PIK3R1。Sun等^[20]研究发现，在传染性支气管炎病毒感染气管中ANXA1下调，提示ANXA1的表达降低可能与呼吸道病毒感染过程中的炎症表型有关。Chen等^[29]研究发现，感染SARS-CoV后，肺中的趋化因子受体CCR5上调，CCR5 mRNA转录增加9倍，这些受体转录本表达增强与其配体在SARS冠状病毒感染的肺中上调密切相关。因此，本研究认为，上述10个关键基因在氯雷他定治疗COVID-19中或许起着重要作用，其对炎症调节的相关机制以及对免疫调控网络作用有待进一步研究加以证实。

本研究基于前期建立的EpiMed表观精准治疗预测平台^[39]，对氯雷他定开展关联分析。在疾病关联分析方面，发现氯雷他定与SARS、流行性感冒、全身炎症反应综合征、呼吸道合胞体病毒感染和社区获得性肺炎等感染性疾病呈负相关，提示氯雷他定对COVID-19可能具有类似作用。在药物关联分析方面，发现TNF-α抑制剂依那西普、抗病毒药物泛昔洛韦、奈韦拉平，免疫调节药物氟伐他汀以及抗炎药氯喹等西药，虎杖，鱼腥草，连翘，甘草，知母等中药与氯雷他定正相关，提示其与氯雷他定可能具有潜在协同作用。综上所述，氯雷他定对COVID-19具有潜在治疗作用，在临床可考虑与上述正相关药物进行联合治疗，以上结果均有待进一步临床及基础研究验证。

总之，氯雷他定不仅是一种传统的抗组胺药物，其作用于机体能产生全基因组范围的影响，通过抑制多种细胞因子，可能会减轻COVID-19危、重患者体内细胞因子风暴造成的多器官损伤，在抑制炎症反应、器官保护等方面可能也有着重要作用。本研究使用课题组前期建立的EpiMed平台，分析预测了氯雷他定调控的分子靶点以及可能具有相似治疗作用的药物，对于制定包含氯雷他定的COVID-19危重症患者治疗方案具有一定的指导意义。

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