基于图神经网络预测结直肠腺瘤治疗的中药配伍：为精准用药开辟新径

研究人员构建图神经网络（GNN）模型预测中药配伍，发现潜在药方及活性成分，为结直肠腺瘤治疗提供依据。

　　结直肠腺瘤是一种常见的癌前病变，它就像一颗隐藏在人体肠道内的 “定时炸弹”，随时可能因恶性转化，引发令人谈之色变的结直肠癌，严重威胁着全球人们的健康。在与这一疾病的对抗中，传统中医凭借其独特的整体观念和辨证论治理念，逐渐崭露头角。临床研究显示，中药复方在降低腺瘤复发率、改善患者生活质量方面效果显著。然而，中药复方犹如一个神秘的 “百宝箱”，多种草药及其成分相互交织，协同发挥作用，其复杂的药理机制和药物间的相互作用，让科研人员难以一探究竟。同时，现有的研究方法在挖掘中药复方的潜在价值时，也显得力不从心，难以捕捉到草药配伍的非线性关系和复杂网络特征，这使得新中药复方的开发困难重重。

为了攻克这些难题，来自南京中医药大学附属医院胃肠内镜中心、南京大学、南京中医药大学第一临床医学院等机构的研究人员，开展了一项基于图神经网络（Graph Neural Networks，GNN）预测中药配伍治疗结直肠腺瘤的研究。该研究成果发表在《Chinese Medicine》上，为中药治疗结直肠腺瘤提供了全新的理论依据和技术支持。

研究人员在此次研究中，主要运用了以下关键技术方法：

1. 构建异质图网络：整合 72 个治疗结直肠腺瘤的中药复方数据，构建包含草药、小分子和靶点三种节点的异质图网络，全面呈现它们之间的复杂关系。
2. 建立 GNN 模型：模型由图卷积网络（Graph Convolutional Network，GCN）和多层感知器（Multi - Layer Perceptron，MLP）组成，用于量化中药复方的潜在配伍性，并预测草药间的配伍关系。
3. 数据收集与处理：检索多个数据库获取相关文献，严格筛选后确定可用数据。从小分子数据库筛选符合条件的小分子及靶点，为后续研究提供可靠数据。
4. 多种分析方法结合：运用基因本体（Gene Ontology，GO）富集分析、蛋白 - 蛋白相互作用（Protein - Protein Interaction，PPI）网络分析、分子对接模拟和 CCK - 8 细胞活力测定等多种方法，深入探究潜在药方的作用机制和活性小分子的抗癌效果。

下面来看具体的研究结果：

1. 草药应用及成分特征分析：清热类解毒药在治疗结直肠腺瘤的中药中占比最多，这类药具有清热、解毒、抗炎等多种功效。从性味上看，苦味、寒性的草药居多。对草药中小分子成分的聚类分析发现，它们可形成四个主要簇，暗示着不同的功能分类。GO 富集分析显示，小分子靶点主要富集在受体 - 配体活性、血红素结合等生物过程，涉及炎症反应、细胞信号传导和代谢调节等多方面。
2. 高潜力草药对筛选及网络特征分析：通过多次训练，模型预测准确性不断提高，最终在第 60 个训练周期达到高拟合度（R2=0.91）。基于预测的草药组合潜力指数（Herbal Combination Potential Index，HCPI），筛选出 HCPI 值大于 0.5 的 “高潜力草药对”，并构建草药对网络。在网络中发现了关键节点草药，它们频繁配对，可能对增强治疗效果有重要作用。
3. 处方适用性分析：收集江苏省中医院胃肠病科 2022 - 2023 年相关处方数据，根据 HCPI 值对处方进行评分。结果显示，多数处方适用性集中在中等水平，但高频处方的适用性显著高于低频处方。研究还发现了一个高适用性、高使用频率的代表性处方，其草药组合可能存在协同效应。
4. 高潜力处方的靶点基因富集分析和 PPI 网络研究：找到结直肠腺瘤相关靶点基因与高潜力处方靶点基因的 28 个重叠基因。GO 富集分析表明，这些基因参与上皮细胞增殖、氧化应激反应等多个与癌症相关的生物过程，在细胞核与细胞质信号传递、基因表达调控等方面发挥作用。PPI 网络分析显示，以 IL6、MYC 等为核心节点，形成了复杂的相互作用网络。
5. 高潜力处方中活性小分子的筛选与验证：分析 TCGA 数据库发现，13 个重叠基因在结直肠癌患者组织中显著上调，其中 CHRM3 被最多小分子化合物靶向。分子对接实验表明，小檗红碱（Oxyberberine）和高丽槐素（Maackiain）与 CHRM3 结合能力较强。CCK - 8 细胞活力测定实验证实，这两种小分子对结直肠癌细胞系 HCT116 和 HT29 的增殖有抑制作用，高丽槐素的抑制效果更为明显。

研究结论表明，该研究构建的异质 GNN 模型能够系统分析中药复方治疗结直肠腺瘤的配伍模式，HCPI 可定量衡量草药配伍，研究还提出了处方疗效预测方法。研究人员发现了包含白花蛇舌草、白术和半夏等的高潜力处方，网络药理学分析显示高丽槐素可能是关键活性化合物 。不过，该模型也存在一些挑战，如预测准确性依赖数据质量和完整性，难以考虑个体差异和疾病动态变化，对草药复方中协同和拮抗作用的刻画有限等。未来研究需进一步扩大数据集，纳入个性化变量，整合更多分子药理学数据，拓展模型在其他疾病中的应用。

总的来说，这项研究为中药治疗结直肠腺瘤提供了科学依据，为后续中药复方设计和疗效优化提供了技术指导，有望推动精准中医治疗的发展，不仅在结直肠腺瘤领域，还可能在更广泛的疾病治疗中发挥重要作用，为人类健康事业做出更大贡献。