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基于“質譜分析-網絡藥理學預測-活性驗證”的牛黃解毒丸抗炎作用研究

2022-06-02 13:11伊博文趙潔賴華清唐力英陳攀龍柴興云高小力吳宏偉
世界中醫藥 2022年7期
關鍵詞:靶標網絡藥理學抗炎

伊博文 趙潔 賴華清 唐力英 陳攀龍 柴興云 高小力 吳宏偉

摘要 目的:基于“質譜分析-網絡藥理學預測-活性驗證”整合研究思路,解析牛黃解毒丸抗炎潛在作用機制解析及其活性成分。方法:通過高分辨質譜技術分析牛黃解毒丸化學成分,將分析出的成分;利用中藥生物信息學分析工具(BATMAN-TCM)尋找對應的靶標;以“inflammation”作為關鍵詞利用人類孟德爾遺傳數據庫(OMIM)獲得炎癥相關靶標;取成分靶標與疾病靶標交集,利用蛋白質-蛋白質相互作用(PPI)數據庫(STRING)對共同靶標進行PPI分析,并采用Cytoscape軟件對靶標進一步篩選,得到核心靶標;利用生物信息分析工具(DAVID數據庫),對核心靶標進行京都基因和基因組百科全書(KEGG)通路富集分析,構建“藥物-成分-靶標-通路”網絡圖;采用AutoDock 4.2.6軟件,對關鍵靶標及相關藥物分子進行分子對接驗證,并針對前列腺素內過氧化物合酶2(PTGS2)這一靶標與其對應化學成分進行體外實驗驗證。結果:經高分辨質譜技術分析出牛黃解毒丸中236個成分,對應456個靶標,炎癥相關靶標158個,二者交集靶標21個,PPI分析及網絡拓撲分析后,獲得核心靶標11個,活性成分14個,涉及腫瘤壞死因子(TNF)、核因子κB(NF-κB)、Toll樣受體(TLR)和趨化因子等27條通路,分子對接結果顯示,PTGS2、白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-13(IL-13)和C-C基序趨化因子配體2(CCL2)等靶標與其對應的大黃酸,蟲漆酸D,齊墩果酸等成分結合活性較高,在體外活性實驗中,大黃酸對于其對應的PTGS2這一靶標具有較好的抑制作用。結論:本研究構建了牛黃解毒丸抗炎的調控網絡,解析了牛黃解毒丸抗炎有效成分和作用機制,發現了大黃酸對PTGS2這一抗炎靶標具有較好的抑制作用。

關鍵詞 牛黃解毒丸;抗炎;網絡藥理學;靶標

Analysis of Anti-Inflammatory Mechanism of Bezoar Antidotal Pill Based on “Mass Spectrometry Analysis-Network Pharmacology Prediction-Activity Verification”

YI Bowen1,ZHAO Jie2,LAI Huaqing2,TANG Liying2,CHEN Panlong3,CHAI Xingyun3,4,GAO Xiaoli3,4,WU Hongwei2

(1 Xiyuan Hospital,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100091,China; 2 Institute of Chinese Materia Medica,China Academy of Chinese Medical Sciences,Beijing 100700,China; 3 School of Chinese Materia Medica, Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 102488,China; 4 Center for Modern Research of Chinese Materia Medica,School of Chinese Materia Medica,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100102,China)

Abstract Objective:To analyze the potential mechanism of anti-inflammatory action of Bezoar Antidotal Pill and its active components based on the integrated research idea of “mass spectrometry analysis-network pharmacology prediction-activity verification”.Methods:High-resolution mass spectrometry was used to analyze the components in Bezoar Antidotal Pill,and the analyzed components were used to find the corresponding targets by using the bioinformatics analysis tool of molecular mechanism of traditional Chinese medicine(BATMAN-TCM).Inflammation-related targets were obtained from the Mendelian Inheritance Database(OMIM) database,and the intersection of component targets and disease targets was taken.The protein interaction analysis of common targets was performed using the Protein Interaction Database(STRING) database,and the targets were further screened by Cytoscape software.Using the DAVID database,the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG) pathway enrichment analysis was performed on the core targets,and a “drug-component-target-pathway” network diagram was constructed; AutoDock 4.2.6 software was used to conduct molecular docking verification on key targets and related drug molecules,and for prostaglandin endoperoxide synthase 2(PTGS2) target and its corresponding chemical constituents for in vitro verification.Results:A total of 236 components in Bezoar Antidotal Pill were analyzed by high-resolution mass spectrometry,corresponding to 456 targets,158 inflammation-related targets,and 21 intersection targets.After protein interaction analysis and network topology analysis,11 core targets and 14 active ingredients were obtained,involving 27 pathways including tumor necrosis factor(TNF),nuclear factor kappa-B(NF-κB),Toll-like receptors(TLR) and chemokines.The docking results showed that the targets of PTGS2,interleukin-1β(IL-1β),interleukin-13(IL-13) and chemokine 2(CCL2) and their corresponding rhubarb Acid,laconic acid D,oleanolic acid and other components had higher binding activities.In vitro activity experiments,rhein had a good inhibitory effect on their corresponding PTGS2 target.Conclusion:In this study,the anti-inflammation regulatory network of Bezoar Antidotal Pill was constructed,and the active ingredients and mechanism of action of Bezoar Antidotal Pill were analyzed.It was found that rhein had a good inhibitory effect on the anti-inflammatory target PTGS2.

Keywords Bezoar Antidotal Pill;Anti-inflammation;Network pharmacology;Target

中圖分類號:R285;R284.1文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1673-7202.2022.07.006

炎癥是機體受到多種炎癥介質刺激以后由體內的核巨噬細胞、中性粒細胞及嗜酸性細胞等吞噬細胞參與的一系列復雜的防御反應[1-2],往往會有紅、腫、熱、痛和功能障礙等一些表現。通常情況下,適度的炎癥可以幫助機體激活免疫系統清除病原體,促進組織愈合,但是一旦反應過度,將會帶來嚴重的炎癥損傷,隨之而來的還會有多種疾病,大大增加了疾病的發病率和病死率[3]。

牛黃解毒丸是我國一種傳統的中成藥,由牛黃(人工牛黃)、大黃、雄黃、黃芩、生石膏、冰片、桔梗及甘草8味藥組成,其具有瀉火通便,清熱解毒的功效,在臨床上主要應用于咽喉腫痛,頭痛牙痛,口舌生瘡等癥[4],由于其清熱力比較強,在臨床中還可以治療因熱毒內盛、風火上攻所致的急性咽炎、急性口炎、復發性口瘡、急性牙齦(周)炎、急性結膜炎等疾病。相關實驗研究表明,牛黃解毒丸中牛黃,大黃,黃芩,桔梗等這些成分都具有抗炎,抗菌,抗氧化,保護肝腎的作用[5-8]。牛黃解毒丸可以顯著降低炎癥水平,但是其有效作用成分和作用機制卻還不清楚。

本研究以經典名方牛黃解毒丸為研究對象,從證候對應的關鍵病理環節炎癥入手,采用“質譜分析-網絡藥理學預測-活性驗證”的整合研究策略進行研究。為使得臨床應用成分與網絡分析后的成分一致,先借助高分辨質譜技術,分析牛黃解毒丸中的成分,然后采用網絡藥理學方法,借助BATMAN-TCM這個平臺,搜索成分相關的靶標,再用人類孟德爾遺傳數據庫(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM)這個數據平臺,搜索炎癥相關靶標,并對得到的成分和靶標做分子對接和體外活性驗證,以此幫助明確牛黃解毒丸抗炎機制,為臨床使用提供理論和實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器 超高效液相色譜儀(Agilent,美國,型號:HPLC 1290);5600+質譜儀(AB Sciex Instruments,美國,型號:Triple TOF 5600+);多功能酶標儀(ThermoFisher,美國,型號:SpectraMax iD5);電子天平(梅特勒-托利多集團,瑞士,型號:Toledo PL402-L)。

1.1.2 試劑 質譜級甲醇(賽默飛世爾科技有限公司,美國,批號:A456-4);質譜級乙腈(賽默飛世爾科技有限公司,批號:A955-4);色譜純甲醇(賽默飛世爾科技有限公司,美國,批號:643023256);娃哈哈純凈水(杭州娃哈哈集團有限公司,批號:GB17323);環氧化酶-2抑制劑篩選試劑盒(上海碧云天生物技術有限公司,批號:052421210531)

1.1.3 分析樣品 牛黃解毒丸[北京同仁堂(集團)有限責任公司,批號:18010695];阿司匹林(廣東九明制藥有限公司,批號:H44021139);大黃酸(成都克洛瑪生物科技有限公司,貨號:CHB-D-006,純度≥98%)、齊墩果酸標準品(成都克洛瑪生物科技有限公司,貨號:CHB-Q-002,純度≥98%)。

1.2 供試品制備 取牛黃解毒丸(大蜜丸)1粒(3 g),用剪刀剪碎,并加入適量硅藻土與丸劑一起研磨,分散均勻后,精密加入質譜甲醇100 mL,超聲提取45 min,放冷,濾過,即得供試品溶液,將制得的樣品進樣進行化學成分分析。

1.3 色譜與質譜條件 色譜柱為ACQUITY UPLC Xbridge C18 Column(2.5 μm,2.1 mm×150 mm),流動相A為0.1%的甲酸水,B為乙腈,洗脫程序見表1。柱溫為35 ℃,進樣器溫度為4 ℃,進樣量為5 μL,流速為0.3 mL/min。質譜條件:質譜采用正/負離子模式(ESI+/-),采集范圍為5~1 200 Da,采用獨立數據采集(Independent Data Acquisition,IDA)模式,碰撞電壓為35 V,毛細管電壓為4 500 V(負離子)和5 500 V(正離子),離子源溫度為400 ℃(負離子)和550 ℃(正離子),去簇電壓為60 V。氣簾氣流量為25 L/min,Gas1和Gas2氣流量均為50 L/min,所有氣體均為氮氣。

1.4 牛黃解毒丸化學成分及炎癥相關靶標搜集?? 基于生物信息學分析平臺BATMAN-TCM(http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/)根據結構相似性(得分>20分)對經過液質分析后牛黃解毒丸中的成分進行藥物靶標預測。采用OMIM平臺(www.omim.org),以炎癥(inflammation)為檢索詞,搜索炎癥相關靶標。

1.5 牛黃解毒丸抗炎核心靶標篩選 將牛黃解毒丸液質分析所得化學成分靶標與炎癥相關靶標取交集,利用STRING數據庫(https://string-db.org/),構建蛋白質-蛋白質相互作用(Protein-protein Interaction,PPI)網絡(PPI score>0.4),然后將這些靶標導入到Cytoscape 3.7.2軟件中進行可視化分析,利用連接度(Degree),介度(Betweenness),緊密度(Closeness)3個拓撲參數進行篩選,篩選條件為同時大于等于這3個參數值的中位數,以此進一步縮小牛黃解毒丸抗炎核心靶標的范圍。在可視化分析得到的核心靶點的關系圖中,靶點圖標的形狀越大,表明該靶標在網絡中與其相關的其他靶點越多、在網絡中的作用越重要;靶點間的連接線越粗,表明相關靶點蛋白間的Degree值越大,二者間的生物關聯度越高。

1.6 通路富集分析 將上述分析的核心靶點使用DAVID(https://david.ncifcrf.gov/)數據庫進行京都基因和基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析。以P<0.05為閾值,從中篩選牛黃解毒丸抗炎潛在的信號通路,并且P值越小表明富集得到的通路的可信度越高;“數量”表示該條通路富集的靶標數。利用Cytoscape軟件,將富集到的通路、核心靶點以及其對應的化學成分繪制成“藥物-成分-靶標-通路”網絡圖,全面闡明牛黃解毒丸抗炎的機制。

1.7 分子對接驗證 為驗證牛黃解毒丸抗炎潛在靶點準確性,將部分核心靶標與其對應的成分進行分子對接。在PDB蛋白數據庫(http://www1.rcsb.org/)下載核心靶標蛋白結構,并保存為*.pdb格式文件;將藥物成分分子式導入Chem 3D軟件(18.0)進行能量優化后保存為*.pdb格式,然后利用Auto Dock軟件(4.2.6)進行對接,找到最佳構象后然后利用Pymol軟件可視化分析。一般認為,結合能<0,則認為該成分與靶點能夠結合在一起,結合能越低,則二者結合能力越強,形成的構象也就越穩定。

1.8 體外實驗驗證 利用環氧合酶-2(Cyclooxygenase-2,COX-2)抑制劑篩選試劑盒檢測其有效成分的抗炎活性,阿司匹林為陽性藥。試劑盒中提供了人重組COX-2(Recombinant Human COX-2,rhCOX-2)、底物(Substrate)、輔助因子(Cofactor)及可以被COX-2催化產生熒光的熒光探針(Probe)反應生成的強熒光探針,檢測時的激發波長為560 nm,發射波長為590 nm。COX-2抑制率的計算,抑制率(%)=(RFU100%酶活性對照-RFU樣品)/(RFU100%酶活性對照-RFU空白對照)×100%。

2 結果

2.1 牛黃解毒丸化學成分分析 通過液質聯用技術共鑒定出236種化合物:其中黃酮60種,類黃酮18種,查耳酮6種,色原酮2種,蒽醌45種,蒽酮4種,萜類35種,甾體10種,香豆素6種,苯乙醇苷5種,二苯乙烯類6種,油脂3種,有機酸5種,其他31種。見圖1~2,表2。

2.2 牛黃解毒丸成分靶標及疾病靶標分析結果?? 基于液質分析后得到的236個成分,利用BATMAN-TCM數據庫,分析這些成分作用的靶標,提取評分大于20的成分靶標作為潛在的藥物成分靶標,去除重復值以后共得到456個化合物靶標。利用OMIM數據庫,共篩選得到158個與炎癥相關的疾病靶標。

2.3 核心靶標篩選 將分析到的藥物成分靶標與炎癥相關靶標取交集,共得到21個共有的靶標,將這21個靶標導入到STRING數據庫,構建蛋白質-蛋白質相互作用(Protein-protein Interaction,PPI)網絡,去除沒有相互作用關系的邊緣靶標蛋白,將剩下的靶標導入到Cytoscape中,以Degree、Betweenness、Closeness這3個拓撲參數的中位數(分別為9.500 0、0.015 3、0.613 5)作為篩選條件,最終獲取牛黃解毒丸抗炎的11個核心靶標,并且在11個核心靶標中,IL-10、CCL2、IL-1β和PTGS2這4個靶點的形狀最大,表明與其發生直接(或間接)生物信息關聯的其他蛋白靶標最多,在網絡中的作用更為重要。見圖3。

2.4 KEGG通路分析和藥物-成分-靶標-通路網絡構建 基于11個核心靶標,通過KEGG通路富集分析,發現并得到27條信號通路,根據通路富集顯著度評價參數P值的大小,現出了排名靠前的10條通路。其中細胞因子受體相互作用通路(Cytokine-cytokine Receptor Interaction)、TNF信號通路(TNF Signaling Pathway)、核因子κB信號通路(NF-kappa B Signaling Pathway)、Toll樣受體信號通路(Toll-like Receptor Signaling Pathway toll)、趨化因子信號通路(Chemokine Signaling Pathway)、NOD樣受體信號通路(NOD-like Receptor Signaling Pathway)等,均與炎癥有著緊密的關系,并為牛黃解毒丸發揮抗炎作用的潛在信號通路。見表3。

此外,在“藥物-成分-靶標-通路”網絡圖中涉及PTGS2,IL-1β,IL-10,CCL2,IL-13等11個靶標和大黃酸,齊墩果酸,白藜蘆醇等14個成分,以及TNF信號通路(TNF signaling pathway)、NF-κB信號通路(NF-kappa B Signaling Pathway)、Toll樣受體信號通路(Toll-like Receptor Signaling Pathway)、趨化因子信號通路(Chemokine Signaling Pathway)等27條信號通路。其中核心靶點對應的成分中,白藜蘆醇(89)、大黃酸(90)、大黃酚(107)、表兒茶素5,3′-O-β-D-葡萄糖苷(187)與蟲漆酸D(188)5種成分源于大黃,甘草醇C(113)、光甘草定(157)、Glyasperin C(165)和光甘草素(171)4種成分源于甘草,派立托胺(84)源于黃芩,齊墩果酸(227)和鄰苯二甲酸二(2-乙基己)酯(234)源于桔梗,麥角甾醇(196)源于人工牛黃,硬脂酸(233)源于桔梗。以上結果從網絡藥理學預測的角度整體上揭示了牛黃解毒丸抗炎潛在物質基礎及作用機制。見圖4。

2.5 分子對接分析 選取牛黃解毒丸抗炎作用核心靶標網絡中(圖3)最為重要的4個靶標PTGS2,IL-1β,CCL2,IL-10及與其對應的化學成分進行分子對接實驗,從計算的角度驗證以上預測的準確性。將每個靶點與其對應成分對接的結果按照結合能大小依次排列。結合能小于0代表靶點與成分可以結合到一起,值越小則說明結合能力越強。其中PTGS2與齊墩果酸(-10.55 kcal/mol)、蟲漆酸D(-9.6 kcal/mol)、大黃酸(-8.2 kcal/mol)均具有較好的結合能力;IL-1β與蟲漆酸D(-8.36 kcal/mol)、大黃酸(-8.09 kcal/mol)的結合能力最佳;IL-13與蟲漆酸D(-8.23 kcal/mol)、大黃酸(-7.83 kcal/mol)結合能力最佳;CCL2與硬脂酸的結合能為-4.08 kcal/mol (1 kcal=4.184 J)。見表4。

2.6 體外實驗驗證 基于分子對接的結果,選取炎癥介質前列腺素合酶2(Prostaglandin Synthase,PTGS2)及其對應的化學成分大黃酸和齊墩果酸,進行體外活性驗證。利用環氧化酶-2(COX-2)抑制劑篩選試劑盒檢測其有效成分的抗炎活性,阿司匹林為陽性藥。抑制COX-2的劑量反應曲線結果見圖5,與陽性藥阿司匹林(IC50=1 063.4 nmol/L)比較,大黃酸(IC50=250 nmol/L)有較好的COX-2抑制活性,齊墩果酸抑制COX-2活性稍弱,但阿司匹林的最大抑制率要高于大黃酸和齊墩果酸。體外實驗進一步證實了分子對接的部分結果以及牛黃解毒丸中抗炎的活性成分。

3 討論

本研究先通過高分辨質譜技術,得到牛黃解毒丸中的236個成分,然后利用網絡藥理學技術,分析得到11個核心靶標,對應14個化學成分,經KEGG分析發現有27條相關通路。其中涉及的核心靶標有PTGS2、IL-10、IL-1β、CCL2、IL-13等11個核心靶標,與之相對應的有大黃酸,齊墩果酸,白藜蘆醇等這些成分。

大黃酸具有顯著抗炎作用,有實驗證明,大黃酸及其前體藥物雙醋瑞可以下調高熱幼鼠腹腔液和非肥胖型糖尿病小鼠血清中IL-1β、IL-12和TNF-α細胞因子的濃度[9-10]。齊墩果酸屬于五環三萜類化合物,具有抗炎、抗病毒等許多藥理作用,連俊江等[11]在研究齊墩果酸對SW982細胞的毒性作用時發現齊墩果酸可以通過調節促分裂原活化的蛋白激酶(Mitogen Activated Protein Kinase,MAPK)、磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶B(Phosphatidylinositol-3-kinase-protein Kinase B ,PI3K/AKT)和核因子κB信號通路而抑制IL-1β刺激的炎癥介質的表達。白藜蘆醇,一種多酚類化合物,王鵬[12]在對白藜蘆醇抗急性痛風性關節炎療效及機制研究中發現,白藜蘆醇能抑制IL-1β的分泌,緩解關節組織中炎性細胞的浸潤。

核心靶標中,PTGS2又稱COX-2,是前列腺素內過氧化物合酶其中的一個亞型,參與細胞生長,發育以及多種炎癥反應[13],在正常情況下,COX-2在組織細胞中幾乎不表達,而當處于病理狀態時,表達量就會上調[14]。CCL2是趨化因子的一種,在炎癥反應、損傷修復等生理病理過程中發揮著重要作用[15],炎癥反應會引導細胞發生定向遷移,加速釋放炎癥介質,并形成惡性循環[16]。IL-13是一種具有免疫調節作用的多效性細胞因子,是引起氣道炎癥反應的始動因子,在哮喘及過敏性氣道炎癥的發生發展中起重要作用[17]。IL-1β是針對真菌感染的炎癥反應中至關重要的炎癥介質[18-19]。在體外活性實驗中,通過網絡藥理學分析,選取PTGS2靶標對應的大黃酸和齊墩果酸這2個成分進行驗證,進一步證實了大黃酸和齊墩果酸對于炎癥介質PTGS2均有一定的抑制作用。

KEGG通路富集分析結果顯示,涉及NF-κB,TNF,Toll樣受體等27條信號通路。NF-κB是核蛋白因子,在參與炎癥反應,細胞增殖、分化與凋亡,免疫反應等相關的基因轉錄調控中起著重要作用[20]。Toll樣受體信號通路,趨化因子信號通路。腫瘤壞死因子包含兩大主要成員,TNF-α和TNF-β,其中TNF-α參與全身炎癥和免疫反應[21]。Toll樣受體是介導天然免疫的重要模式識別受體,它在炎癥的發生和發展過程中極其重要,控制著脂多糖炎癥信號的細胞內轉導和NF-κB的激活,以及眾多炎癥介質的釋放[22-23]??梢?,多條通路都參與炎癥反應,這同時也揭示了牛黃解毒丸抗炎機制。

綜上所述,基于網絡藥理學分析結果,牛黃解毒丸通過大黃酸,白藜蘆醇,齊墩果酸等化合物,作用于PTGS2,CCL2,IL-1β,IL-13等這些靶點上,通過NF-κB,Toll樣受體,趨化因子等這些通路發揮抗炎作用。

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(2022-03-10收稿 本文編輯:王明)

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