王華,劉柏炎,陳博威,湯艷
(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,湖南 長沙 410007;2.湖南中醫(yī)藥大學(xué),湖南 長沙 410208;
3.益陽醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校,湖南 益陽 413000)
關(guān)鍵字:安化黑茶;動脈粥樣硬化;網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué);分子機(jī)制
隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們的生活方式以及飲食結(jié)構(gòu)也隨之改變,導(dǎo)致動脈粥樣硬化的發(fā)病率呈持續(xù)上升趨勢[1]。動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展較隱匿,病變的早期沒有臨床癥狀且難以檢測。因此,尋找一種藥食同源的食物防微杜漸,從源頭上延緩動脈粥樣硬化顯得十分重要。安化黑茶作為一種健康飲料,主要來源植物為山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia)茶組植物[Camellia sinensis(L.)O.Kuntze][2,3],具有良好的保健功效。課題組前期研究發(fā)現(xiàn),安化黑茶可通過降血脂,抑制氧化應(yīng)激,發(fā)揮延緩動脈粥樣硬化的作用[4,5]。然而以往的研究都是針對單一靶點(diǎn)及單一通路,無法系統(tǒng)闡明安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的分子機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)整合了系統(tǒng)生物學(xué)的思想,通過對“藥物 靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
疾病”之間的網(wǎng)絡(luò)分析,廣泛地應(yīng)用于天然產(chǎn)物藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的篩選及其作用機(jī)制的研究中[6]。因此基于前期認(rèn)識,本研究擬通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,系統(tǒng)探究安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)及相應(yīng)的分子機(jī)制,并進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以期為其新藥開發(fā)和基礎(chǔ)研究提供新思路。
本研究通過中國知網(wǎng)(https://www.cnki.net)及Pub-Med數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)檢索安化黑茶活性成分[3,7,8]。隨后將各活性成分導(dǎo)入至中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫(TCMSP,http://tcmspw.com/tcmsp.php)及STITCH數(shù)據(jù)庫(http://stitch.embl.de/),查詢其潛在作用靶點(diǎn),最后將靶點(diǎn)導(dǎo)入U(xiǎn)niprot數(shù)據(jù)庫(http://www.uniprot.org),限定物種為“human”,獲取靶點(diǎn)官方基因名。
本研究以“atherosclerosis”為關(guān)鍵詞,分別檢索人類基因數(shù)據(jù)庫(Gene Cards,https://www.genecards.org)和比較毒物基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(CTD,http://ctdbase.org),合并且刪除重復(fù)靶點(diǎn)后,構(gòu)建疾病靶標(biāo)庫。
通過jvenn在線工具,將安化黑茶的預(yù)測靶點(diǎn)與動脈粥樣硬化的預(yù)測靶點(diǎn)取交集,獲取疾病 藥物關(guān)鍵作用基因。運(yùn)用Cytoscape 3.71軟件創(chuàng)建活性成分靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖,并借助String數(shù)據(jù)庫,將物種設(shè)定為“homo sapiens”,最低互作得分設(shè)置為0.7,得到蛋白互作(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)圖。
運(yùn)用R語言“Biomanager”、“ClusterProfiler”等軟件包,將得到的靶點(diǎn)基因進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)分析及京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析。
將主要KEGG通路富集結(jié)果與活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行匯總,運(yùn)用Cytoscape 3.71軟件構(gòu)建成分-靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)圖。
1.6.1 實(shí)驗(yàn)動物 60只雄性SD大鼠,SPF級,體質(zhì)量(200±20)g,購自湖南斯萊克景達(dá)有限公司,動物生產(chǎn)許可證號:SCXK(湘)2019-0004。于湖南中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心飼養(yǎng),動物使用許可證號:SYXK(湘)2019-0009,實(shí)驗(yàn)過程中對大鼠的處置均符合湖南中醫(yī)藥大學(xué)倫理委員會善待動物的倫理學(xué)要求。
1.6.2 主要藥品與試劑 安化黑茶品種為2014年天茯茶[9](生產(chǎn)批號:GB/T9833.3-2002,規(guī)格:1 kg)、阿托伐他汀鈣膠囊(河南天方藥業(yè),批號:H20070054,規(guī)格:20 mg)、Rat IL-6 ELISA Kit(武漢博士德公司,EK0412)、Rat TNF alpha ELISAKit(武漢博士德公司,EK0526)。安化黑茶水煎劑制備方法[9]:將安化黑茶按每克茶葉加12 mL沸水,武火煮至沸騰后改文火,繼續(xù)煎煮20 min,冷卻后倒出茶水另置。第2次加水量為每克茶葉加8 mL沸水,煎煮同前。將2次茶水混合并4 000 r/min(4℃)離心15 min后,取上清液濃縮為含生藥量為0.5 mg/mL的藥液,其后放置在4℃冰箱中,冷藏備用。
1.6.3 造模與分組 大鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后,隨機(jī)分為正常組10只、造模組50只。正常組給予普通飼料,造模組給予自制高脂飼料(按參考文獻(xiàn)[10]配制),自由飲食飲水,連續(xù)喂養(yǎng)12周。同時(shí),造模各組在造模前先腹腔注射VitD3 60萬IU/kg,造模后的第3周、第6周和第9周各自補(bǔ)充VitD310萬IU/kg,建立動脈粥樣硬化大鼠模型。喂養(yǎng)12周后,根據(jù)大鼠體質(zhì)量及血清血脂水平驗(yàn)證模型是否建立成功,隨后將造模成功的模型大鼠隨機(jī)分為模型組、阿托伐他汀組和黑茶高、中、低劑量組,每組10只。
1.6.4 給藥方法 阿托伐他汀組每日給藥量為10 mg/kg,各安化黑茶組根據(jù)成人每天推薦飲用量10 g[11],按照成人體質(zhì)量60 kg換算,安化黑茶高、中、低劑量組每日給黑茶(生藥)量分別為2.03 mg/kg、1.015 mg/kg、0.507 5 mg/kg,正常組、模型組給同等體積蒸餾水灌胃。每天灌胃1次,連續(xù)4周。處死大鼠前禁食12 h,水合氯醛麻醉后進(jìn)行腹主動脈采血并收集主動脈組織。
1.6.5 HE染色 將浸泡在4%多聚甲醛中的心底及主動脈組織取出,脫水,透明并包埋。切片,厚度約為4m,將切片充分舒展后晾干,烤片,隨后依次通過二甲苯及各濃度酒精中,接著放入蘇木素中染色后用自來水充分沖洗,酸化,然后用伊紅染色,最后進(jìn)行透明及封片。
1.6.6 大鼠血清中白介素-6(Interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor-,TNF-)含量的測定腹主動脈采血后靜置2 h,將血液在12 000 r/min(4℃)離心15 min,使用移液槍小心吸取上層血清,采用酶聯(lián)免疫分析法進(jìn)行測定,嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行操作。
計(jì)量資料均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用單因素方差分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來比較多組間均數(shù),針對組間兩兩比較方差齊者的數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD檢驗(yàn)(方差不齊者先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后使之方差齊),P<0.05說明差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。運(yùn)用Graphpad Prism 8作圖軟件分析并處理。
通過檢索中國知網(wǎng)及PubMed數(shù)據(jù)庫,共計(jì)獲得30個(gè)活性成分,詳見表1。其后通過TCMSP數(shù)據(jù)庫與STITCH數(shù)據(jù)庫,獲得預(yù)測作用靶點(diǎn)296個(gè)。
表1 安化黑茶中活性成分表Table 1 List of active ingredients in Anhua dark tea
分別篩選Genecards數(shù)據(jù)庫和CTD數(shù)據(jù)庫與疾病相關(guān)的靶點(diǎn),其中Genecards數(shù)據(jù)庫獲取靶點(diǎn)2 371個(gè),CTD數(shù)據(jù)庫獲取靶點(diǎn)14 899個(gè)。運(yùn)用jvenn在線工具將兩數(shù)據(jù)庫疾病靶點(diǎn)與黑茶靶點(diǎn)進(jìn)行交集,并通過Venn圖可視化,發(fā)現(xiàn)三者共有靶點(diǎn)有175個(gè),涉及29個(gè)活性成分,詳見圖1。
圖1 安化黑茶與疾病的韋恩圖Fig.1 Venn diagram of Anhua dark tea and diseases
將安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的29個(gè)活性成分和175個(gè)關(guān)鍵作用基因?qū)隒ytoscape軟件,構(gòu)建活性成分 靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖,其中活性成分依據(jù)節(jié)點(diǎn)度排名依次為槲皮素、(-)-表兒茶素-3-O-沒食子酸酯、山柰酚、楊梅素、大黃素及(-)-表兒茶素,詳見表2及圖2。借助String數(shù)據(jù)庫,輸入上述已獲得的關(guān)鍵作用基因,獲得了一個(gè)包含175個(gè)節(jié)點(diǎn),3 824條邊的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖,見圖3 A,另外排名前10的核心作用基因依次為INS、AKT1、ALB、IL6、MAPK3、VEGFA、EGF、CASP3、EGFR及JUN,詳見圖3 B。
圖3 PPI網(wǎng)絡(luò)及核心基因節(jié)點(diǎn)度排名Fig.3 Protein-protein interactions network and core gene ranking
表2 主要活性成分的節(jié)點(diǎn)度排名Table 2 Node ranking of major active ingredients
圖2 活性成分 靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 The diagram of active ingredient-target network
將安化黑茶作用靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能與KEGG通路富集分析。其中共獲得GO功能富集分析2 572個(gè),包括生物過程2 328個(gè),細(xì)胞組成69個(gè),分子功能175個(gè)。主要的生物過程為對營養(yǎng)水平、氧化應(yīng)激和脂多糖的反應(yīng);主要的細(xì)胞組成為膜筏、膜微區(qū)及囊泡腔等,主要的分子功能為DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子活性、DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合及信號受體激活劑活性等,詳見圖4 A、4 B和4 C。共獲得622個(gè)KEGG通路富集結(jié)果,結(jié)果表明流體剪切應(yīng)力和動脈粥樣硬化、晚期糖基化終末產(chǎn)物 糖基化終末產(chǎn)物受體(advanced glycosylation end products-receptor of AGEs,AGEs-RAGE)信號通路、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)信號通路、白介素-17(IL-17)信號通路及缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor 1,HIF-1)信號通路可能在疾病的過程中發(fā)揮重要作用,詳見圖4 D。
圖4 GO功能和KEGG通路富集分析Fig.4 GO function analysis and KEGG enrichment analysis
將KEGG富集分析排名前10的主要結(jié)果與2.3得出的活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯總,得到成分 靶點(diǎn)通路網(wǎng)絡(luò)圖,其中節(jié)點(diǎn)度值靠前的活性成分依次為槲皮素、(-)-表兒茶素-3-O-沒食子酸酯、山柰酚及楊梅素,節(jié)點(diǎn)度值靠前的基因依次為PTGS2、RELA、CASP3、HSP90AA1、AKT1及IL6,提示安化黑茶能夠通過多種活性成分、多個(gè)靶點(diǎn)及多條通路協(xié)同延緩動脈粥樣硬化。
圖5 活性成分 靶點(diǎn) 通路網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 The network of active components-targets-pathways
2.6.1 HE染色 如圖6所示,正常組可見動脈管壁光滑,內(nèi)皮細(xì)胞排列連續(xù)、規(guī)則;模型組可見動脈管壁內(nèi)膜明顯增厚,內(nèi)皮細(xì)胞缺失,排列不整齊,夾雜泡沫細(xì)胞;阿托伐他汀組及安化黑茶各劑量組相對正常組而言,內(nèi)皮細(xì)胞排列不齊,動脈管壁內(nèi)膜稍增厚,但相對模型組而言,內(nèi)皮細(xì)胞排列較整齊,泡沫細(xì)胞相對減少,動脈管壁內(nèi)膜厚度降低,提示安化黑茶能夠延緩動脈粥樣硬化的形成。
圖6 主動脈組織病理學(xué)檢查(HE100)Fig.6 Histopathological examination of aorta(HE100 )
2.6.2 安化黑茶對動脈粥樣硬化大鼠血清IL-6和TNF-含量的影響 上述網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)果表明抑制炎癥反應(yīng)可能是安化黑茶的作用機(jī)制,本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了安化黑茶對動脈粥樣硬化大鼠血清相關(guān)炎癥因子的影響。如圖7所示,模型組大鼠血清中的IL-6和TNF-含量較正常組模型升高(P<0.01),另外阿托伐他汀組及安化黑茶各劑量組大鼠血清中的IL-6和TNF-含量較模型組降低(P<0.01或0.05),提示安化黑茶能降低動脈粥樣硬化大鼠血清中炎癥因子IL-6和TNF-的表達(dá)水平。
圖7 安化黑茶對動脈粥樣硬化大鼠血清IL-6和TNF-a水平的影響Fig.7 Effects of Anhua dark tea on serum IL-6 and TNF-a levels in atherosclerotic rats
動脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制尚不明確,主要考慮與脂質(zhì)代謝異常、慢性炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷及氧化應(yīng)激等有關(guān)[1]。目前,防治動脈粥樣硬化的方案常以口服他汀類藥物為主,但是隨著治療時(shí)間的延長,長期服用此類藥物會出現(xiàn)肝腎臟損傷等不同程度的副作用,嚴(yán)重降低患者在治療過程中的依從性。既往研究表明,飲用安化黑茶具有消食去肥膩、抗氧化及改善腸道菌群等功效[12],然而安化黑茶作為一種水煎劑,藥效物質(zhì)基礎(chǔ)復(fù)雜,僅靠以往的研究方法很難系統(tǒng)、全面地闡明其作用機(jī)制。
本研究發(fā)現(xiàn)安化黑茶中槲皮素、(-)-表兒茶素-3-O-沒食子酸酯、山柰酚、楊梅素及大黃素可能是延緩動脈粥樣硬化的主要活性成分。相關(guān)文獻(xiàn)亦證實(shí)了上述活性成分的作用:如槲皮素既能通過調(diào)控蛋白激酶B(Protein Kinase B,AKT1)和半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase 3,CASP3)的表達(dá),抑制動脈粥樣硬化[13],亦能通過抑制IL-6和單核細(xì)胞趨化蛋白1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)的水平,發(fā)揮消退動脈粥樣斑塊的作用[14];表兒茶素能夠通過降低C-反應(yīng)蛋白(C-reactive protein,CRP)及核因子B(nuclear factor kappa-B,NF-B)的表達(dá),改善血管內(nèi)皮功能,減輕動脈粥樣硬化[15];山柰酚能夠降低TNF-、IL-1及血管細(xì)胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的表達(dá),延緩動脈粥樣硬化的形成[16];楊梅素能通過抑制膽固醇蓄積,降低動脈粥樣硬化小鼠的體重及血脂水平[17]。此外亦有研究報(bào)導(dǎo)大黃素能夠抑制氧化應(yīng)激,阻斷單核細(xì)胞遷移[18],發(fā)揮抗動脈粥樣硬化的作用。
通過String數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的PPI網(wǎng)絡(luò)及活性成分靶點(diǎn) 通路網(wǎng)絡(luò),本研究發(fā)現(xiàn)INS、AKT1、ALB、IL6、MAPK3、VEGFA、EGF、CASP3、EGFR、JUN、PTGS2及RELA可能是靶點(diǎn)蛋白相互作用的核心集群。查閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)這些核心靶點(diǎn)主要與炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖及凋亡密切相關(guān)。如AKT1可通過參與多個(gè)與炎癥反應(yīng)、細(xì)胞周期等相關(guān)的通路如AGE-RAGE信號通路、PI3K/Akt信號通路和MAPK信號通路,對相關(guān)生物學(xué)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。MAPK3和JUN屬于MAPK家族,可通過三級激酶模式共同調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)細(xì)胞的生長、分化及應(yīng)激適應(yīng)等多種生理病理過程[19]。血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)可在細(xì)胞膜上與其受體VEGFR結(jié)合,通過促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和抑制凋亡起到促進(jìn)血管生成的作用[20]。表皮細(xì)胞生長因子(epidermal growth factor,EGF)及其受體具有阻斷CD4細(xì)胞的增殖,減少動脈粥樣硬化發(fā)生的作用[21]。CASP3是細(xì)胞凋亡過程中最主要的終末剪切酶,廣泛參與了心腦血管疾病的發(fā)展過程。PTGS2(COX-2)是一種重要的炎癥遞質(zhì),可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-6等各類炎癥因子[22]。RELA又名NFKB1,NF-B是調(diào)節(jié)炎癥和各種自身免疫性疾病的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,眾多促炎細(xì)胞因子包括TNF-、IL-1、iNOS及COX-2均可通過NF-B的激活而釋放[23]。
通過對靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析,本研究發(fā)現(xiàn)流體剪切應(yīng)力和動脈粥樣硬化、AGERAGE信號通路、TNF信號通路和IL-17信號通路可能在延緩疾病的過程中發(fā)揮重要作用。剪切應(yīng)力是指血液流動時(shí)與血管壁面摩擦產(chǎn)生的切向應(yīng)力,研究表明較低的切應(yīng)力區(qū)域有產(chǎn)生動脈粥樣硬化的可能[24],并且會誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為間充質(zhì)細(xì)胞,參與動脈粥樣硬化的形成過程,加大心腦血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。AGE-RAGE信號通路不僅能引起糖脂代謝紊亂、增強(qiáng)氧化應(yīng)激,還能激活PI3K-Akt信號通路及MAPK信號通路促進(jìn)炎癥反應(yīng),加重動脈粥樣硬化[25]。TNF信號通路是介導(dǎo)各種炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵通路,研究表明TNF-會導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞大片脫落和形態(tài)改變,表明TNF-對血管內(nèi)皮細(xì)胞具有直接的細(xì)胞毒作用,而抑制TNF-的表達(dá)能夠減輕細(xì)胞炎癥,延緩動脈粥樣硬化[26]。其他研究亦表明動脈粥樣硬化還與其他KEGG富集結(jié)果如IL-17信號通路和HIF-1信號通路密切相關(guān)。HIF-1是各種低氧誘導(dǎo)基因調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,當(dāng)組織缺血缺氧以及在多種炎癥因子的誘發(fā)下,HIF-1會被誘導(dǎo)激活,刺激血管新生,促進(jìn)斑塊的發(fā)展和重塑[27]。由此可見,安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的機(jī)制可能與調(diào)控炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及血管生成等病理生理反應(yīng)密切相關(guān)。
上述網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)果表明抑制炎癥反應(yīng)可能是安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的重要機(jī)制,因此本研究進(jìn)一步通過動物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證安化黑茶對動脈粥樣硬化大鼠主動脈及血清中炎癥因子IL-6和TNF-含量水平的影響。IL-6是一種上游炎性細(xì)胞因子,在引發(fā)AS的炎癥反應(yīng)中起核心作用。最近的臨床觀察發(fā)現(xiàn),血清中IL-6的含量水平與動脈粥樣硬化的發(fā)病率呈正相關(guān)[28],抑制IL-6的表達(dá)后能夠顯著延緩大鼠動脈粥樣硬化的形成[29],提示其可能是防治動脈粥樣硬化的潛在靶點(diǎn)。TNF-同樣作為前炎癥因子,亦為公認(rèn)的促動脈粥樣硬化因素[30],且TNF-可在血管內(nèi)皮沉積,損傷血管內(nèi)皮。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)安化黑茶能夠延緩動脈粥樣硬化的形成,并降低動脈粥樣硬化大鼠血清中的炎癥因子IL-6和TNF-含量水平,與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測結(jié)果一致,增強(qiáng)了本研究的可靠性。
綜上所述,本研究初步探討了安化黑茶延緩動脈粥樣硬化的潛在活性成分和分子機(jī)制,發(fā)現(xiàn)安化黑茶中29個(gè)活性成分及175個(gè)預(yù)測靶點(diǎn)與動脈粥樣硬化相關(guān),這些靶點(diǎn)主要與炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及血管生成等病理生理反應(yīng)關(guān)系密切,并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可為今后的藥物開發(fā)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。