魏 露,吳淑輝,張 曦,吳欣桐,劉 娟,朱明芳
(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)研究生院 長沙 410208;2.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院皮膚科 長沙 410005)
痤瘡是一種常見的累及毛囊皮脂腺單位的慢性炎癥性皮膚病,青少年發(fā)病率高達79%-95%,且發(fā)病人群有向中年擴展的趨勢[1]。痤瘡病因復(fù)雜,皮脂穩(wěn)態(tài)失衡、炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、激素分泌等參與痤瘡的進程[2]。痤瘡不僅危害皮膚健康,對患者的社交、心理健康也造成了極大的影響??股仡悺⒕SA酸類等為痤瘡治療的常規(guī)藥物,它們在一定程度上可緩解痤瘡癥狀,但抗生素導(dǎo)致耐藥現(xiàn)象嚴重;維A酸有皮膚黏膜刺激和致畸性等副作用。鑒于目前痤瘡治療效果不理想、難以根治的現(xiàn)狀,開發(fā)新型抗痤瘡藥物迫在眉睫。
痤瘡屬于中醫(yī)“肺風(fēng)粉刺”范疇,《內(nèi)經(jīng)》中載“肺者……其華在毛,其充在皮”。因此歷代醫(yī)家?;凇耙云ぶ纹ぁ崩碚撝委熎つw病。“以皮治皮”是根據(jù)中醫(yī)象思維,在辨證論治的基礎(chǔ)上,運用植物藥材的皮部或動物的皮膚入藥,治療某些皮膚病的方法。石榴皮(Pomegranate peel)首載于《雷公炮炙論》,系石榴科植物石榴的干燥果皮,味酸、澀,性溫,有小毒,歸大腸經(jīng),有澀腸止瀉、止血、驅(qū)蟲等功效,其在皮膚病的治療中應(yīng)用廣泛[3]?!夺t(yī)學(xué)正宗》曰“石榴皮治腳肚生瘡,初起如粟,搔之漸開,黃水浸淫,癢痛潰爛,遂致繞脛而成痼疾:酸榴皮煎湯冷定,日日掃之,取愈乃止”。《得配本草》云“石榴皮,酸、澀、溫……除目流冷淚,洗腳瘡濕爛”。同時,其在銀屑病[4]、扁平疣[5]的治療中也有應(yīng)用?,F(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn),石榴皮具有抑菌[6-7]、抗炎[8]、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道菌群[9]等藥理作用,但其作用機制尚不明確。同時,石榴提取物可通過抑制痤瘡丙酸桿菌(Cutibacterium acnes,C.acnes)及金黃色葡萄球菌生長、降低脂肪酶活性、抗角質(zhì)細胞增殖和抗炎發(fā)揮治療痤瘡的作用[10]。課題組基于“以皮治皮”理論,利用皮類中藥石榴皮治療痤瘡,療效顯著,并申請了以石榴皮為主要組成的中藥面膜專利—一種中草藥面膜及其制備方法(申請?zhí)枺篊N201510648316.6),獲得了良好的社會效益[11,12]。
如何理解中藥方劑配伍形成的復(fù)雜化學(xué)體系與病證復(fù)雜生物系統(tǒng)的相互作用是當(dāng)前中藥研究面臨的重要挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)通過將方藥、病證映射于生物分子網(wǎng)絡(luò),建立方藥與病證的關(guān)聯(lián)機制,使得方劑現(xiàn)代研究由描述轉(zhuǎn)為預(yù)測,充分發(fā)揮了方劑配伍的特色與優(yōu)勢,為躋身藥物的前沿研究創(chuàng)造了有利條件[13-15]。本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法篩選石榴皮的活性成分、作用機制,并通過動物實驗驗證上述預(yù)測結(jié)果,為闡明石榴皮治療痤瘡的作用靶點及機制提供參考,同時為“以皮治皮”理論在中醫(yī)皮膚科的應(yīng)用提供現(xiàn)代理論依據(jù)。
通過TCMSP數(shù)據(jù)庫(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)、SymMap數(shù)據(jù)庫(http://www.symmap.org/)篩選中藥石榴皮的所有活性成分,以口服生物利用度(OB)≥30%,中藥類藥性(DL)≥0.18[16]作為篩選條件。利用SymMap數(shù)據(jù)庫獲得中藥的活性成分后,將OB≥30%的活性成分依次導(dǎo)入TCMSP數(shù)據(jù)庫,若DL≥0.18則將其納入結(jié)果。
采用Perl軟件對相關(guān)活性成分作用靶點進行預(yù)測。利用Perl軟件(https://www.perl.org/get.html)和UniProt數(shù)據(jù)庫(http://www.uniprot.org/)查找靶點“蛋白名”對應(yīng)的“基因名”,并對重復(fù)作用靶點及無對應(yīng)基因名的靶點進行整合。以“acne”“acne vulgaris”和“common acne”作為關(guān)鍵詞,通過GeneCards數(shù)據(jù)庫(https://genealacart.genecards.org/)、OMIM數(shù)據(jù)庫(https://www.omim.org/)獲取疾病相關(guān)靶點。利用R語言軟件(https://www.r-project.org/)將痤瘡相關(guān)靶點與石榴皮靶點取交集,初步獲得石榴皮治療痤瘡的潛在作用靶點。
將中藥與疾病的交集靶點導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/),設(shè)置物種為人,得到潛在作用靶點之間的相互關(guān)系,導(dǎo)出為.tsv格式。將上述結(jié)果導(dǎo)入Cytoscape3.6.1軟件,并利用“Network Analyzer”插件對網(wǎng)絡(luò)的拓撲參數(shù)進行分析,以節(jié)點大小及顏色深淺反映其degree值大小。
采用David生物信息學(xué)資源平臺6.8(https://david.ncifcrf.gov/summary.jsp)對上述篩選的靶點進行KEGG信號通路富集分析,限定研究物種為人,以P<0.05為閾值,從中篩選石榴皮治療痤瘡的潛在信號通路。值得一提的是,雖然David數(shù)據(jù)庫功能全面且易操作,但限于其覆蓋范圍及更新速度,其預(yù)測結(jié)果可能存在假陽性現(xiàn)象,故本研究以P<0.05為閾值,篩選前20條通路,并結(jié)合計算機檢索CNKI、WanFang和PubMed數(shù)據(jù)庫,搜索痤瘡發(fā)病機制相關(guān)信號通路,將兩者結(jié)果進行整合,剔除無文獻報道通路,增加文獻報道較多的通路。所有中英文數(shù)據(jù)庫檢索時限均為2018年1月1日-2020年12月31日。中文檢索詞包括:“痤瘡”“尋常痤瘡”“通路”英文檢索詞包括“acne”“acne vulgaris”“common acne”“signaling pathway”。匯 總 檢索文獻的基本信息,包括:作者、年份、標題等。
將上述所有分析結(jié)果導(dǎo)入Cytoscapev3.6.1軟件,并通過Merge插件將“靶點-通路”網(wǎng)絡(luò)與“成分-靶點”網(wǎng)絡(luò)進行整合及可視化分析,構(gòu)建石榴皮“成分-靶點-通路”網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的成分、靶點、信號通路采用節(jié)點(node)表示,節(jié)點之間的相互作用通過邊(edge)表示。
SPF級金黃地鼠18只,雄性,體質(zhì)量(110-130)g,由中南大學(xué)實驗動物學(xué)部購自北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司[實驗動物許可證號:SCXK(京)2016-0011,動物實驗倫理審查編號:2019sydw0136],實驗前動物適應(yīng)性飼養(yǎng)1周。動物實驗按照中南大學(xué)實驗動物學(xué)部福利和倫理原則操作。
70%石榴皮多酚提取物(西安瑞盈生物科技有限公司);自制石榴皮多酚乳膏,制作方法及步驟參考課題組的前期研究[17]。10%水合氯醛(上海山浦化工有限公司),0.025%維A酸乳膏(商品名:迪維,規(guī)格:15g/支,國藥準字:H50021817,生產(chǎn)廠家:重慶華邦制藥有限公司),PI3K兔多克隆抗體(美國Proteintech公司)。
將受試動物按隨機數(shù)字表分為3組,即空白對照組、基質(zhì)組、石榴皮多酚乳膏組[0.32g生藥/(kg·天),通過體表面積換算[18],相當(dāng)于等效劑量的2倍],每組6只,給藥方法為外用,給藥部位為雙側(cè)皮脂腺斑處,2次/天,連續(xù)用藥4周。
空白組不予任何藥物處理。給藥前及末次給藥24 h后,用剃須刀剔除金黃地鼠雙側(cè)側(cè)腹部毛發(fā),使皮脂腺斑充分暴露,在強光照射下,用游標卡尺測量并記錄皮脂腺斑的最大橫徑(DT)、最大縱徑(DL),計算
DT*DL。
剪下各組金黃地鼠左側(cè)另一半皮脂腺斑,置于-80℃環(huán)境中保存,檢測皮脂腺斑組織中PI3K的表達情況,在放大20倍視野下隨機挑選5個測定區(qū)域,按一定域值分割陽性細胞,測定皮脂腺斑中PI3K表達的平均積分光密度。
使用SPSS21.0統(tǒng)計軟件包對數(shù)據(jù)進行處理,計量資料采用(xˉ±s)表示。用藥前后比較采用配對資料的t檢驗,組間多重比較采用單因素方差分析,并以LSD法進行兩兩比較。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
在TCMSP數(shù)據(jù)庫、SymMap數(shù)據(jù)庫中輸入“SHILIUPI”,以O(shè)B≥30%且DL≥0.18為篩選條件,共得到29種活性成分及相關(guān)信息。通過閱讀相關(guān)文獻,發(fā)現(xiàn)安石榴苷[19,20]、安石榴林[21,22]這兩種化學(xué)成分雖不滿足上述OB、DL篩選標準,但臨床藥理學(xué)實驗驗證有效,故亦納入活性成分進行研究(表1)。
表1 TCMSP數(shù)據(jù)庫篩選的石榴皮活性成分
利用R語言軟件共收集到石榴皮活性成分靶點193個,痤瘡相關(guān)靶點1371個,將疾病相關(guān)靶點與藥物靶點取交集,共獲得79個石榴皮治療痤瘡的潛在靶點(見圖1)。
圖1 中藥-疾病靶點
潛在靶點互作網(wǎng)絡(luò)見圖2,節(jié)點越大、顏色越深,其對應(yīng)的Degree值越大。結(jié)果顯示該網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點主要包括Akt1、IL-6、VEGFA、PTGS2、JUN、IL-1B、CXCL8、MMP9、MAPK1等,可能是石榴皮實現(xiàn)藥理效應(yīng)的核心靶點。
圖2 潛在靶點互作網(wǎng)絡(luò)
通過對候選靶點進行通路富集分析,得到TNF signaling pathway、PI3K-Akt signaling pathway等7條信號通路。通過檢索數(shù)據(jù)庫,共檢索到75篇文獻,其中英文文獻25篇,中文文獻50篇,排除與David數(shù)據(jù)庫檢索結(jié)果重合通路后,共選用3篇文獻[23-25],得到4個痤瘡發(fā)病機制相關(guān)通路,包括FoxOsignaling pathway、Ras signaling pathway、Insulin resistance、MAPK signaling pathway。將無文獻報道通路剔除,添加以上4個通路映射到富集分析結(jié)果中,共得到11條主要的生物信號通路,按富集的靶標總數(shù)(n)排序如表2。
表2 通路富集分析信息
利用Cytoscape v3.6.1軟件繪制“活性成分-靶點-通路”網(wǎng)絡(luò)(圖3)。在網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的度值代表和此節(jié)點相連接的邊的條數(shù),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲學(xué)原理篩選度值較大的化合物節(jié)點進行分析,度值排名前3的藥物成分為槲皮素(132)、木犀草素(49)、山奈酚(48),其可能是石榴皮治療痤瘡關(guān)鍵活性成分。由圖3可見,PTGS2、PTGS1、KCNH2、AR、Akt1、MAPK1等靶點與藥效成分互作次數(shù)顯著高于其他節(jié)點,提示以上靶點在網(wǎng)絡(luò)中較重要,這與潛在靶點互作網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果相符;根據(jù)通路富集分析結(jié)果的P值大小,可知PI3K-Akt信號通路、TNF信號通路、T細胞受體信號通路、FoxO信號通路等成為有效信號通路的可能性和準確性較高。
圖3 石榴皮“成分-靶點-通路”網(wǎng)絡(luò)
給藥前,3組皮脂腺斑大小經(jīng)方差檢驗,差異無統(tǒng)計學(xué)意義,具有可比性。給藥后,各組皮脂腺斑大小較給藥前均有增大,考慮與飼養(yǎng)致體表面積增大有關(guān)。給藥后,與空白組、基質(zhì)組相比,石榴皮多酚乳膏組同側(cè)皮脂腺斑面積明顯縮小,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)(表3)。
表3 治療前后各組金黃地鼠雙側(cè)皮脂腺斑面積的比較(±s;n=6)
表3 治療前后各組金黃地鼠雙側(cè)皮脂腺斑面積的比較(±s;n=6)
注:與空白組比較,*P<0.05;與基質(zhì)組比較,#P<0.05。
組別空白組基質(zhì)組石榴皮多酚乳膏組給藥前左側(cè)/mm2 35.67±3.87 35.34±2.72 36.20±2.43右側(cè)/mm2 36.94±3.11 37.03±2.64 37.87±2.98給藥后左側(cè)/mm2 48.05±2.62 46.20±4.88 41.43±3.39*#右側(cè)/mm2 48.34±3.68 47.88±5.45 41.40±4.43*#
免疫組化顯示,PI3K主要分布在皮脂腺細胞的細胞漿上(圖6)。與空白組相比,基質(zhì)組皮脂腺斑PI3K表達無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);與空白組相比,石榴皮多酚乳膏組皮脂腺斑PI3K表達降低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);與基質(zhì)組相比,石榴皮多酚乳膏組皮脂腺斑PI3K表達明顯降低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。以上表明,石榴皮多酚乳膏可使金黃地鼠皮脂腺斑PI3K的表達降低(表4)。
表4 各組金黃地鼠皮脂腺斑PI3K表達情況的平均積分光密度值比較(±s;n=6)
表4 各組金黃地鼠皮脂腺斑PI3K表達情況的平均積分光密度值比較(±s;n=6)
注:與空白組比較,*P<0.05;與基質(zhì)組比較,#P<0.05。
組別空白組基質(zhì)組石榴皮多酚乳膏組PI3K 0.42±0.03 0.41±0.03 0.37±0.03*#
中醫(yī)認為痤瘡是由于外受風(fēng)邪,肺經(jīng)蘊熱、濕熱蘊結(jié),痰濕互結(jié)、毒熱互結(jié),肝腎陰虛、沖任失調(diào)而發(fā)病[26]。根據(jù)“整體觀念”和“取類比象”思維,中醫(yī)學(xué)認為人體皮膚的病變是相應(yīng)臟腑或局部皮膚病變的結(jié)果。皮類藥物取自于動植物器官表皮,與人體皮膚一樣為身體之藩籬、衛(wèi)外之屏障[27]?!吨兴巿D譜》和《食物本草》中記載:石榴皮水煎液可用于治療各種皮膚疥癬?!队耖彼幗狻吩啤笆衿に釢諗浚蜗吕z精、脫肛便血、崩中帶下之病,點眼止淚,涂瘡拔毒”。石榴皮提取物中多酚總量與其多種生物活性呈明顯的正相關(guān)[28]。顧政一等[29]研究表明,石榴皮多酚可促進大鼠急性皮膚創(chuàng)傷部位傷口愈合。課題組前期研究表明,石榴皮多酚對兔耳粉刺模型具有抗角化、抗炎的作用[30]。同時,Boo YC等[31]認為石榴或石榴皮中的酚類具有抗氧化、抗炎的作用,對尋常痤瘡、特應(yīng)性皮炎等皮膚病均有改善作用。
圖4 PI3K在皮脂腺斑組織中的分布
本研究對獲取的31種具有相關(guān)生物活性的化學(xué)成分進行分析,其中有較多作用靶點的成分主要有槲皮素、山奈酚、木犀草素,其可能是石榴皮發(fā)揮治療作用的重要成分。槲皮素具有抗氧化、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、心血管保護等藥理作用。痤瘡發(fā)病與人皮脂腺細胞的脂質(zhì)分泌、代謝紊亂密切相關(guān)。而在人原始脂肪細胞中,槲皮素具有抗炎、改善胰島素抵抗的作用[32]。山奈酚具有良好的抗炎、抗癌、改善胰島素抵抗等作用,抑制腫瘤生長形成等藥理活性。研究表明,槲皮素、山奈酚通過抑制痤瘡丙酸桿菌生長,增強紅霉素的抗炎作用,從而發(fā)揮治療痤瘡的作用[33]。而以木犀草素為主要成分的疤痘霜具有活血清熱解毒的作用,適用于各類尋常痤瘡[34]。由此可見石榴皮防治痤瘡的活性成分主要通過抗炎、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、改善胰島素抵抗發(fā)揮作用。
石榴皮的31種活性成分共涉及193個靶點。潛在靶點互作網(wǎng)絡(luò)結(jié)果顯示石榴皮可能通過Akt1、IL-6、VEGFA、PTGS2等靶點實現(xiàn)藥理效應(yīng)。研究表明白藜蘆醇主要通過抑制Akt表達,降低皮脂生成,從而治療痤瘡[35]。IL-6基因啟動子多態(tài)性可能與痤瘡的易感性有關(guān),但與痤瘡患者的嚴重程度無關(guān)[36]。一項臨床研究表明,異維甲酸可顯著升高痤瘡患者血清sVEGFR3水平,并降低血清sVEGFR1水平,而對血清sVEGFR2水平無明顯影響[37]。PTGS2又名環(huán)氧合酶-2(Cyclo-oxygenase 2,COX-2),其通過調(diào)節(jié)皮脂腺細胞增殖、脂質(zhì)合成,及毛囊皮脂腺單位炎癥反應(yīng)參與痤瘡的發(fā)生[38]。石榴皮活性成分通過調(diào)節(jié)這些靶點起到防治痤瘡的作用。
通過KEGG通路富集分析及文獻檢索,初步獲得石榴皮治療痤瘡的11條潛在通路:PI3K-Akt信號通路、TNF信號通路、T細胞受體信號通路、FoxO信號通路等。Mastrofrancesco A等[39]的研究表明,激活PI3KAkt信號通路可誘導(dǎo)SZ95人皮脂細胞脂質(zhì)合成,促進細胞生長、增值,導(dǎo)致痤瘡加重。Mirdamadi Y等[40]發(fā)現(xiàn)IGF-1和胰島素在作用于初始T細胞15 min后,能夠促進其細胞質(zhì)p-Akt的表達,且將SZ95人皮脂腺細胞與T細胞共培養(yǎng)后p-Akt表達上調(diào),因此猜測IGF-1和胰島素刺激后的SZ95能夠分泌某些因子,減少T細胞增殖,誘導(dǎo)p-Akt的表達,最終導(dǎo)致痤瘡發(fā)生。一項薈萃分析顯示,TNF-α基因的多態(tài)性與不同人種的痤瘡易感性相關(guān)[41]。Choi JJ等[42]的研究表明,TNF-α通過作用于PI3K-Akt信號通路促使SZ95細胞脂質(zhì)合成。Agak GW等[43]的研究表明,與健康皮膚相比,痤瘡患者皮膚表面C.acnes可以誘導(dǎo)產(chǎn)生不同表型的Th17細胞。Shi G等[44]發(fā)現(xiàn)IGF-1可能通過PI3K-Akt-FoxO1信號通路抑制角質(zhì)形成細胞分化,而異維甲酸對痤瘡的治療作用可能與增強FoxO1表達有關(guān)。文獻證明這些信號通路大都涉及皮脂分泌、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、免疫應(yīng)答等環(huán)節(jié),它們參與了痤瘡基本病理生理過程。
本研究使用的TCMSP數(shù)據(jù)庫雖存在局限性,如無法提供藥物體內(nèi)外成分的變化,但其整合了藥物化學(xué)、藥代動力學(xué)、網(wǎng)絡(luò)靶點預(yù)測等信息,構(gòu)建的中藥化學(xué)分子庫較為全面,提供了ADME參數(shù)、成分作用靶點等關(guān)鍵信息,準確性和查全性可靠,是目前中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)領(lǐng)域較為公認的數(shù)據(jù)庫[45]。口服和經(jīng)皮給藥藥物的生物利用度不同,但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫無經(jīng)皮吸收藥物的生物利用度指標,這在一定程度上增加了進行相關(guān)藥物網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究的難度。鑒于外治法在中醫(yī)外科學(xué)應(yīng)用的廣泛性,有必要在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中增加經(jīng)皮吸收藥物的生物利用度評價指標。
結(jié)合痤瘡的文獻研究[42,46]:PI3K信號通路參與痤瘡皮脂穩(wěn)態(tài)失衡的發(fā)生與發(fā)展,課題組重點研究了PI3K蛋白在金黃地鼠皮脂腺斑中的表達情況。為了驗證網(wǎng)絡(luò)藥理的部分預(yù)測,本研究進一步研究了石榴皮多酚對金黃地鼠皮脂腺斑增生、皮脂腺斑組織PI3K表達水平的影響。結(jié)果表明:石榴皮多酚乳膏能使金黃地鼠皮脂腺斑面積縮小,降低皮脂腺斑組織中PI3K蛋白的表達,此結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的預(yù)測結(jié)果一致。
綜上所述,石榴皮治療痤瘡的活性成分可能是槲皮素、山奈酚、木犀草素等,上述活性成分主要作用于Akt1、IL-6、VEGFA、PTSG2等靶標基因,參與調(diào)節(jié)PI3K-Akt信號通路、TNF信號通路、T細胞受體信號通路、FoxO信號通路等調(diào)控皮脂穩(wěn)態(tài)、抑制炎癥反應(yīng)等,從而發(fā)揮治療痤瘡的作用。本研究從理論預(yù)測、整體分析角度,初步揭示了石榴皮治療痤瘡的潛在活性成分及其可能的作用機制,進一步經(jīng)實驗證實,石榴皮多酚乳膏能夠抑制金黃地鼠皮脂腺斑組織中PI3K蛋白的表達,抗皮脂腺斑增生,進而發(fā)揮治療痤瘡的作用。本研究可為實驗研究石榴皮治療痤瘡的作用機制提供參考,同時為“以皮治皮”理論在中醫(yī)皮膚科的應(yīng)用提供現(xiàn)代理論依據(jù)。