姜明言,饒凱瑞,廖彩岑,劉 歡,李洪梅,李蓉濤,劉 丹
昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,昆明 650500
炎癥是對(duì)刺激、組織損傷和感染做出的一種正常保護(hù)性反應(yīng),是維持免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和愈合所必需的生理過(guò)程[1]。在炎癥過(guò)程中,免疫系統(tǒng)產(chǎn)生高水平的促炎介質(zhì)在宿主細(xì)胞防御中發(fā)揮重要作用[2,3]。然而,不受控制或長(zhǎng)時(shí)間的炎癥反應(yīng)是產(chǎn)生機(jī)體損傷或慢性疾病如癌癥、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和血管疾病等的重要原因。單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是天然免疫的重要防線也是一系列促炎細(xì)胞因子的重要來(lái)源。當(dāng)巨噬細(xì)胞受到病原體或內(nèi)源刺激時(shí),它們分泌包括腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細(xì)胞介素(IL-1、IL-6和IL-12)[4]在內(nèi)的多種細(xì)胞因子,以及趨化因子、前列腺素、白三烯和補(bǔ)體等,所有這些炎癥介質(zhì)協(xié)同作用,增強(qiáng)血管通透性和招募免疫細(xì)胞。目前常用的非甾體抗炎藥(NSAIDs)尚存在胃損傷、支氣管痙攣、腎臟和心臟損傷等不良反應(yīng)[5]。因此,從傳統(tǒng)中藥中發(fā)掘新的低毒副作用的天然抗炎藥物具有重要的意義。
蜘蛛香ValerianajatamansiJones,系敗醬科(Valerianaceae)纈草屬(ValerianaL.)植物,主要分布于中國(guó)云南、貴州、四川等地,是我國(guó)多民族常用的傳統(tǒng)草藥。其根莖具有鎮(zhèn)靜安神、理氣止痛、消炎止瀉、祛風(fēng)除濕等多重功效,可用于脘腹脹痛,跌打損傷,嘔吐泄瀉,風(fēng)濕痹痛,月經(jīng)不調(diào),瘡癤等癥的治療[6-8]。研究發(fā)現(xiàn),其化學(xué)成分主要有環(huán)烯醚萜類,黃酮類,揮發(fā)油等[9-11]。藥理學(xué)研究表明,主要成分之一環(huán)烯醚萜類化合物具有抗菌、抗氧化、抗病毒等作用。我們?cè)谇捌谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)蜘蛛香中分離得到的環(huán)烯醚萜類化合物具有一定的抗流感病毒活性[12]。為了進(jìn)一步尋找其中的活性物質(zhì),我們對(duì)該部位進(jìn)行了系統(tǒng)的化學(xué)研究,對(duì)從中分離得到的14個(gè)環(huán)烯醚萜類化合物進(jìn)行了抗炎活性檢測(cè),并對(duì)具有明顯抗炎活性化合物的相關(guān)作用機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。
蜘蛛香的干燥根與根莖于2017年10月購(gòu)自昆明市新螺螄灣藥材市場(chǎng),由昆明理工大學(xué)鐘金棟副教授鑒定為蜘蛛香ValerianajatamansiJones,標(biāo)本存放于昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院資源藥物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(標(biāo)本號(hào)為KUMST20171001)。
羥丙基葡聚糖凝膠(Sephadex LH-20)(Pharmacia公司);MCI CHP-20P(75~150 μm,日本Mitsubishi公司);脂多糖(LPS)(Sigma公司);胎牛血清(Hyclone公司);DMEM培養(yǎng)基(Thermofisher公司);Griess試劑、一氧化氮合酶抑制劑(L-NMMA)(碧云天公司);MTT、DMSO(Solarbio公司);ELISA試劑盒:IL-6、IL-1和TNF-α(R&D生物試劑公司,Minneapolis,USA);單克隆一抗和山羊抗兔二抗(Cell Signaling Technology,Beverly,MA,USA)。Agilent 1200型高效液相色譜儀(Agilent公司);VG Autospec-3000質(zhì)譜儀(英國(guó)VG公司);CO2恒溫培養(yǎng)(Thermofisher公司產(chǎn)品);Spectra Max M2多功能讀板機(jī)(美國(guó)Moleccular Devices 公司)。
1.2.1 提取和分離
干燥的蜘蛛香根及根莖20 kg,粉碎,在室溫下95%乙醇冷浸提取3次(25 L×3),每次浸泡24 h。合并提取液,減壓蒸餾濃縮將乙醇除去,分別用石油醚、乙酸乙酯和正丁醇萃取3次,合并得到相應(yīng)的石油醚相(48.0 g)、乙酸乙酯相(64.0 g)和正丁醇相(58.0 g)。
乙酸乙酯相經(jīng)80~100目硅膠65 g 拌樣,200~300目硅膠290 g裝柱,以石油醚-乙酸乙酯(80∶1、60∶1、40∶1、20∶1、10∶1、5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0∶1)進(jìn)行梯度洗脫,得到4個(gè)部分,即Fr.1~Fr.4。Fr.1(21.4 g)用硅膠柱層析(石油醚-乙酸乙酯 40∶1)進(jìn)行洗脫,進(jìn)一步分為4個(gè)組分:Fr.1.1~Fr.1.4。Fr.1.1(460.0 mg)通過(guò)反復(fù)硅膠柱色譜并結(jié)合Sephadex LH-20(氯仿-甲醇1∶1)以及HPLC半制備(甲醇-水68%)純化得到化合物4(5.0 mg,tR= 17.5 min)、5(2.5 mg,tR= 17.0 min)、7(13.1 mg)和10(6.2 mg)。Fr.1.2(320.0 mg)經(jīng)反復(fù)硅膠柱色譜并結(jié)合Sephadex LH-20(氯仿-甲醇1∶1)得到化合物化合物1(5.0 mg)、3(3.1 mg)、8(9.0 mg)、9(4.0 mg)。Fr.1.3(420.0 mg)通過(guò)反復(fù)硅膠柱色譜并結(jié)合Sephadex LH-20(氯仿-甲醇1∶1)和HPLC半制備(68%甲醇-水)得到化合物2(6.5 mg)、6(9.0 mg,tR= 16.5 min)、11(20.0 mg)。Fr.2(10.8 g)通過(guò)硅膠柱層析(石油醚-乙酸乙酯20∶1)進(jìn)行洗脫,進(jìn)一步得到2個(gè)組分,即Fr.2.1和Fr.2.2。化合物14(34.5 mg)經(jīng)硅膠柱層析(石油醚-丙酮 30∶1)從組分Fr.2.1(5.6 g)中純化得到。Fr.2.2(4.4 g)經(jīng)反復(fù)硅膠柱色譜得到化合物12(6.3 mg)和13(7.2 mg)。
1.2.2 細(xì)胞培養(yǎng)
小鼠單核巨噬細(xì)胞RAW264.7使用DMEM培養(yǎng)基(添加10%胎牛血清和1%青/鏈霉素雙抗溶液)置于37 ℃,5% CO2培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng),每日觀察細(xì)胞生長(zhǎng)情況,取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.2.3 化合物配置及毒性檢測(cè)
取適量化合物干燥粉末溶于DMSO溶劑中,配置成濃度為50 mmol/L的母液保存于-20 ℃,使用時(shí)用培養(yǎng)基稀釋配置成所需濃度,并保證DMSO終濃度不超過(guò)1‰。
將RAW264.7細(xì)胞以3×104/孔的密度接種至96孔板,37 ℃,5% CO2培養(yǎng)24 h。加入含不同終濃度化合物的培養(yǎng)液處理24 h,同時(shí)設(shè)置調(diào)零組和對(duì)照組(添加等濃度DMSO)。每孔加入20 μL MTT(5 mg/mL)溶液培養(yǎng)4 h后吸去上清并加入150 μL DMSO,避光振搖15 min使其充分溶解,酶標(biāo)儀490 nm波長(zhǎng)檢測(cè)吸光度。
細(xì)胞存活率 =(OD實(shí)驗(yàn)組-OD調(diào)零組)/(OD對(duì)照組-
OD調(diào)零組)×100%
1.2.4 Griess法檢測(cè)一氧化氮(NO)
RAW264.7細(xì)胞以6×104/孔的密度接種于96孔板,24 h后進(jìn)行給藥處理,并將細(xì)胞分為化合物處理組、模型組、空白對(duì)照組?;衔锾幚斫M添加所需濃度化合物和終濃度為1 μg/mL的LPS,模型組添加等濃度DMSO和終濃度為1 μg/mL的LPS,空白對(duì)照組只添加等濃度DMSO,每組3個(gè)復(fù)孔,作用24 h后,取上清液加入Griess試劑測(cè)定各組一氧化氮(nitricoxide,NO)含量。
NO生成抑制率 =(OD模型組-OD化合物處理組)/
(OD模型組-OD對(duì)照組)×100%
1.2.5 ELISA檢測(cè)炎癥因子的分泌
RAW264.7細(xì)胞以8×105個(gè)/孔接種于12孔板,分組處理方式同“1.2.4”。不同濃度的化合物預(yù)處理1 h后,加入1 μg/mL的LPS共同作用細(xì)胞18 h,收集細(xì)胞上清液,使用ELISA試劑盒檢測(cè)上清溶液中TNF-α、IL-6 和IL-1β細(xì)胞因子的含量。
1.2.6 Western blotting分析
RAW264.7細(xì)胞以8×105個(gè)/孔接種于12孔板中培養(yǎng)24 h,分組處理方式同“1.2.4”。不同濃度的化合物預(yù)處理1 h,用LPS(1 μg/mL)分別刺激18 h(檢測(cè)iNOS、COX-2、STAT3、NLRP-3)和30 min(檢測(cè)MAPKs、NF-κB)后,加入裂解液進(jìn)行細(xì)胞裂解。蛋白樣品經(jīng)10% SDS-PAGE凝膠電泳分離并轉(zhuǎn)膜,4 ℃封閉1 h,一抗低溫孵育過(guò)夜,之后室溫孵育二抗1 h,加入ECL化學(xué)發(fā)光試劑,化學(xué)發(fā)光凝膠成像分析系統(tǒng)進(jìn)行顯影。
用SPSS 21.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(Oneway Anova),圖表中數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。當(dāng)P<0.05時(shí),認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異。
經(jīng)NMR數(shù)據(jù)[12]與文獻(xiàn)報(bào)道比對(duì),確定化合物的結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 蜘蛛香中分離得到的化合物1~14的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of compounds 1-14 isolated from Valeriana jatamansi
本文利用Griess法檢測(cè)NO生成評(píng)估了14個(gè)化合物的體外抑制NO活性(見(jiàn)表1),化合物1、2、3、5、8、9對(duì)NO的生成具有明顯的抑制作用,IC50分別為0.88、0.62、5.57、18.78、4.07、26.99 μmol/L。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們選擇化合物1和2作為進(jìn)一步的研究對(duì)象。
表1 化合物1~14對(duì)RAW264.7細(xì)胞的細(xì)胞活力及NO生成的影響
在測(cè)定化合物的抗炎活性之前,首先評(píng)估了化合物對(duì)細(xì)胞活力的影響。如圖2所示,與空白對(duì)照組相比,化合物1和2濃度在0.4~3.2 μmol/L時(shí)對(duì)細(xì)胞存活率均無(wú)明顯影響。而當(dāng)化合物2達(dá)到6.4 μmol/L濃度時(shí),RAW264.7巨噬細(xì)胞活性下降(P<0.05),在此濃度下化合物1沒(méi)有表現(xiàn)出細(xì)胞毒性。
圖2 化合物1和2對(duì)RAW264.7細(xì)胞活力的影響Fig.2 Effect of compounds 1 and 2 on cell viability in RAW264.7 cells注:與模型組對(duì)比,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。Note: Compared with model proup,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001.
當(dāng)致炎因子如LPS刺激巨噬細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致iNOS的高表達(dá),進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生大量的NO,同時(shí),還能直接將COX-2催化位點(diǎn)硝基化而促使COX-2的活化[13]。如圖3所示,與空白對(duì)照組相比,模型組RAW264.7細(xì)胞中NO的生成量顯著增加(P<0.001);與模型組相比,化合物處理組(0.2、0.4、0.8、1.6和3.2 μmol/L)NO產(chǎn)生量受到明顯抑制(P<0.05),呈劑量依賴性,IC50分別是0.88和0.62 μmol/L。同時(shí)免疫印跡研究結(jié)果表明,與空白對(duì)照組相比,模型組中關(guān)鍵蛋白酶iNOS、COX-2的表達(dá)顯著上調(diào)(P<0.001),確認(rèn)了炎癥模型成立;而與模型組相比,化合物1和2(0.8、1.6、3.2 μmol/L)處理組iNOS、COX-2的表達(dá)均被顯著抑制,并呈現(xiàn)良好的劑量依賴關(guān)系。
圖3 化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞NO生成及iNOS和COX-2蛋白表達(dá)的影響Fig.3 Effects of compounds 1 and 2 on NO production,iNOS and COX-2 protein expression in LPS-induced RAW264.7 cells注:與空白對(duì)照組比較,#P<0.05,##P<0.01,###P<0.001;與模型組比較,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。下同。Note: Compared with control,#P<0.05,##P<0.01,###P<0.001; Compared with model group,*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001.The same below.
IL-6、TNF-α作為巨噬細(xì)胞分泌的重要的炎癥因子,介導(dǎo)多種生物功能,參與對(duì)感染、損傷和炎癥的應(yīng)答。在LPS誘導(dǎo)的RAW264.7炎癥模型中,化合物對(duì)炎癥因子IL-6和TNF-α生成的影響是評(píng)價(jià)其抗炎活性的重要指標(biāo)。如圖4所示,與空白對(duì)照組相比,LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞中,IL-6、TNF-α的產(chǎn)生量均顯著升高(P<0.001);而化合物1和2在0.8~3.2 μmol/L濃度范圍內(nèi)均顯著抑制IL-6和TNF-α的產(chǎn)生,且呈劑量依賴性。
圖4 化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞中IL-6和TNF-α生成量的影響Fig.4 Effects of compounds 1 and 2 on IL-6 and TNF-α production in LPS-induced RAW264.7 cells
IL-1是吸引中性粒細(xì)胞,促進(jìn)炎癥介質(zhì)釋放以及引起發(fā)熱的重要炎癥介質(zhì)。炎癥小體NLRP3激活可通過(guò)活化caspase-1促進(jìn)炎癥因子IL-1β的分泌。如圖5所示,LPS刺激導(dǎo)致IL-1β水平顯著升高(P<0.001),而化合物處理組IL-1β的產(chǎn)生和分泌被顯著抑制,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。進(jìn)一步的,對(duì)炎癥小體NLRP3表達(dá)的檢測(cè)結(jié)果顯示,與空白對(duì)照組相比,LPS處理的細(xì)胞模型能顯著誘導(dǎo)NLRP3蛋白的表達(dá)(P<0.01),而化合物1、2處理組NLRP3表達(dá)水平顯著降低。提示了化合物對(duì)炎癥小體生成的抑制作用。
圖5 化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞IL-1β分泌和NLRP3蛋白表達(dá)的影響Fig.5 Effects of compounds 1 and 2 on IL-1β secretion and NLRP3 protein expression in LPS-induced RAW264.7 cells
免疫印跡檢測(cè)化合物對(duì)LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞中蛋白信號(hào)通路NF-κB、MAPK的影響。如圖6所示,與空白對(duì)照組相比,LPS誘導(dǎo)的模型組能夠顯著上調(diào)細(xì)胞IκBα磷酸化水平(P<0.01),引起NF-κB信號(hào)通路的激活;化合物處理組對(duì)IκBα磷酸化水平表現(xiàn)出一定程度的抑制作用。同時(shí),LPS刺激顯著上調(diào)了ERK、p38MAPK和JNK的磷酸化水平,不同濃度的化合物處理均對(duì)p38MAPK、ERK、JNK的磷酸化和表達(dá)沒(méi)有明顯影響。
圖6 化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞中NF-κB和MAPKs信號(hào)通路的影響Fig.6 Effects of compounds 1 and 2 on NF-κB and MAPKs signaling pathways in LPS-induced RAW264.7 cells
通過(guò)免疫印跡實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢測(cè)化合物對(duì)mTOR和STAT3表達(dá)和激活的影響。與對(duì)照組相比,模型組mTOR和STAT3的磷酸化水平顯著升高,提示該通路在LPS作用下發(fā)生了激活;而各劑量組的化合物1、2處理均可明顯下調(diào)mTOR和STAT3的磷酸化水平(P<0.05),說(shuō)明通路的激活受到明顯抑制,且化合物對(duì)于STAT3磷酸化的抑制效果更為顯著,如圖7所示。
圖7 化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞中STAT3、mTOR表達(dá)和磷酸化的影響Fig.7 Effects of compounds 1 and 2 on expression and phosphorylation of STAT3 and mTOR protein in LPS-induced RAW264.7 cells
巨噬細(xì)胞在免疫及炎癥反應(yīng)中扮演著至關(guān)重要的角色,在內(nèi)、外界刺激激活時(shí),誘導(dǎo)細(xì)胞MAPKs、NF-κB等相關(guān)信號(hào)通路的活化,進(jìn)而調(diào)節(jié)下游的多種炎癥相關(guān)基因的表達(dá),推動(dòng)級(jí)聯(lián)瀑布反應(yīng),釋放大量炎癥因子進(jìn)行防御[14]。而過(guò)度的免疫激活往往造成機(jī)體損傷,最終導(dǎo)致疾病進(jìn)一步惡化。
iNOS、COX-2均為誘生型酶,在大多數(shù)組織中不表達(dá)或低表達(dá),但在一些炎性細(xì)胞因子作用下可呈現(xiàn)高表達(dá)。iNOS廣泛參與趨炎因子的表達(dá)以及反應(yīng)性氮化、氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生,在炎癥病理發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。COX-2是催化花生四烯酸轉(zhuǎn)化為前列腺素的一種關(guān)鍵酶,故在炎癥誘導(dǎo)及維持過(guò)程中也具有重要作用。以上兩者的表達(dá)以及炎癥因子TNF-α和IL-1的產(chǎn)生均受轉(zhuǎn)錄因子NF-κB及STAT3的調(diào)控[15,16]。
非激活狀態(tài)下,NF-κB與阻抑蛋白IκBα在細(xì)胞質(zhì)中以復(fù)合體形式存在。許多細(xì)胞外配體(如TNF-α、IL-1、LPS等)可快速觸發(fā)經(jīng)典的NF-κB信號(hào)通路并進(jìn)一步激活下游激酶,使IκBα發(fā)生磷酸化并進(jìn)而泛素化降解,游離NF-κB轉(zhuǎn)位入核,激活一系列的促炎靶基因,促進(jìn)炎癥因子及iNOS、COX-2的表達(dá)。STAT3在調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化和凋亡等方面起重要作用,可被多種細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子激活,如IL-6和EGF/EGFR等,其兩個(gè)關(guān)鍵的磷酸化位點(diǎn)705位酪氨酸和727位的絲氨酸,受mTOR、MAPKs、PKC多通路的調(diào)節(jié)。mTOR作為一種參與蛋白和脂質(zhì)合成、自噬、糖酵解和炎癥在內(nèi)的多種生命進(jìn)程的重要調(diào)控因子[17],其磷酸化可顯著激活STAT3,而活化的STAT3進(jìn)一步誘發(fā)下游炎癥基因的表達(dá),釋放IL-6、C3等,進(jìn)一步反饋刺激STAT3信號(hào)通路,形成持續(xù)的炎癥微環(huán)境[18],是造成炎癥遷延和細(xì)胞因子風(fēng)暴的重要原因。
此外,炎癥小體作為一類胞漿蛋白復(fù)合物,是人體天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分,在多種炎癥相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其中NLRP3炎癥小體是目前研究最為廣泛的炎癥小體類型。而炎癥小體NLRP3的激活失控可通過(guò)活化caspase-1促進(jìn)炎癥因子IL-1的過(guò)量分泌,是造成炎性機(jī)體損傷的重要原因之一[19]。
因此,以上介質(zhì)和信號(hào)通路均被認(rèn)為是預(yù)防及治療炎癥性疾病[20]的藥物靶點(diǎn)并且相互之間存在著密切的聯(lián)系和協(xié)同作用。本研究對(duì)從蜘蛛香中分離獲得的14個(gè)環(huán)烯醚萜類化合物進(jìn)行了抗炎活性篩選,發(fā)現(xiàn)化合物1、2、3、5、8、9具有明顯的抗炎活性,我們重點(diǎn)關(guān)注了巨噬細(xì)胞炎癥模型中環(huán)烯醚萜類化合物1和2的負(fù)性調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)化合物1、2明顯減輕LPS誘導(dǎo)的炎癥因子NO、IL-1、IL-6及TNF-α的分泌,導(dǎo)致iNOS、COX-2、NLRP3的表達(dá)量降低。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示,化合物1、2處理抑制了LPS刺激的IκBα磷酸化,從而有效的抑制NF-kB信號(hào)通路被激活。同時(shí)化合物對(duì)于mTOR、STAT3磷酸化的抑制進(jìn)一步減輕了炎癥介質(zhì)的分泌及其后續(xù)產(chǎn)生的反饋?zhàn)饔谩?/p>
綜上所述,化合物1和2對(duì)LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)具有負(fù)向調(diào)控作用,其通過(guò)下調(diào)NF-κB及mTOR/STAT3信號(hào)通路,抑制炎癥小體生成并顯著降低iNOS、COX-2的表達(dá)從而調(diào)控NO和各種炎癥因子的釋放,表現(xiàn)出良好的抗炎活性。本研究表明蜘蛛香中以化合物1和2為代表的環(huán)烯醚萜類化合物具有顯著的抗炎活性,很可能是蜘蛛香在傳統(tǒng)用藥中良好抗炎作用的主要活性成分。本研究為蜘蛛香在抗炎方面功效的綜合開(kāi)發(fā)與利用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和科學(xué)理論依據(jù)。
天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā)2021年6期