焦春偉,鐘 靜,黃海勇,梁慧嘉,鄭嬌吉,陳家明,謝意珍,
(1.廣東粵微生物科技有限公司,廣東肇慶 512000;2.廣東粵微食用菌技術(shù)有限公司,廣東廣州 510525;3.廣東南粵藥業(yè)有限公司,廣東廣州 510530)
咳嗽是健康人體清除呼吸道異物和過(guò)量支氣管分泌物的生理防御機(jī)制,在宿主防御中具有一定有益作用[1]。然而,持續(xù)性的咳嗽會(huì)導(dǎo)致機(jī)體衰弱,提高慢阻肺、哮喘及呼吸衰竭等疾病的發(fā)病率,嚴(yán)重影響患者身心健康和生活質(zhì)量[2]。
化橘紅,即化州橘紅,是化州柚(Citrus grandisTomentosa)或柚(Citrus grandis(L.)Osbeck)的未成熟或近成熟的干燥外層果皮,含柚皮素、芹黃素及橙皮苷等活性成分[3]。蛹蟲(chóng)草(Cordyceps militarisL.Link),又被稱為北冬蟲(chóng)夏草,含蟲(chóng)草酸、蟲(chóng)草素等活性成分[4]。臨床調(diào)查研究顯示,多個(gè)止咳平喘中醫(yī)驗(yàn)方中含化橘紅與蛹蟲(chóng)草兩種成分,其中化橘紅在驗(yàn)方中發(fā)揮“化痰降氣”功效;蛹蟲(chóng)草在驗(yàn)方中發(fā)揮“益腎”作用[5?7]。同時(shí),藥理試驗(yàn)研究表明化橘紅具有治療咳嗽、咳痰及流涕等活性[8];蛹蟲(chóng)草具有抗炎、緩解氣管敏感及降低咳嗽反射等活性[9]??忍蹬c炎癥是咳嗽的兩大主要特征,化橘紅與蛹蟲(chóng)草分別對(duì)兩種特征具有緩解作用,截止目前,暫未見(jiàn)兩種原料復(fù)配的功能和機(jī)制研究報(bào)道。
基于中藥成分多、作用靶點(diǎn)多和作用途徑復(fù)雜等特點(diǎn),本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法研究復(fù)方止咳的的物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制,為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方功能產(chǎn)品和保健食品的研發(fā)提供理論依據(jù)。
化橘紅水提物和蛹蟲(chóng)草水提物 均由廣東粵微食用菌技術(shù)有限公司提供,兩種水提物按1:1 的比例進(jìn)行混合,實(shí)驗(yàn)時(shí)使用純化水稀釋至所需濃度;TNF-α、IL-1α和IL-1β的ELISA 檢測(cè)試劑盒 武漢華美生物工程有限公司;SPF 級(jí)健康成年昆明小鼠70 只,雌雄各半,體質(zhì)量14~18 g 購(gòu)自南方醫(yī)科大學(xué)(許可證號(hào):SCXK(粵)2016-0041),飼養(yǎng)于廣東省微生物研究所動(dòng)物中心,飼養(yǎng)環(huán)境條件為溫度18~29 ℃,相對(duì)濕度40%~70%,12 h/12 h 明暗交替,自由攝食和飲水。動(dòng)物經(jīng)適應(yīng)性飼養(yǎng)1 周后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。
402B 超聲霧化器 江蘇魚(yú)躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司;BS200S 分析天平 北京賽多利斯天平有限公司;JJ1000 型電子天平 江蘇常熟市雙杰測(cè)試儀器廠;ML-1600 平板顯微鏡 武漢塞維爾生物技術(shù)有限公司;L535R 臺(tái)式離心機(jī) 湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司;Infinite M200 Pro 多功能酶標(biāo)儀 瑞士Tecan 公司。
1.2.1 小鼠氨水引咳試驗(yàn) 參考謝偉娜等[10?11]研究對(duì)昆明小鼠進(jìn)行引咳篩選試驗(yàn),噴霧為濃氨水,噴霧時(shí)間2.5 min,測(cè)定小鼠10 min 內(nèi)的咳嗽次數(shù),剔除10 min 內(nèi)咳嗽次數(shù)<10 次的小鼠。將測(cè)試合格的48 只小鼠隨機(jī)分成四組,每組12 只(雌雄各半),分別是空白對(duì)照組、模型組、復(fù)方低劑量組、高劑量組。本試驗(yàn)從生產(chǎn)運(yùn)用角度出發(fā),考慮產(chǎn)品加工工藝、市售片劑、粉劑規(guī)格、產(chǎn)品提取物含量等多個(gè)因素,并參考《保健食品檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,確定復(fù)方低劑量與高劑量分別為200 mg/kg/d 和400 mg/kg/d。各組小鼠每日按0.1 mL/10 g 體積進(jìn)行灌胃給藥,空白組和模型組小鼠灌胃純水,復(fù)方低劑量組與復(fù)方高劑量組小鼠灌胃對(duì)應(yīng)劑量的提取物溶液,每日灌胃1 次,連續(xù)給藥7 d。在末次給藥1 h 后,將小鼠放入引咳儀器中,按上法,噴霧2.5 min,測(cè)定小鼠10 min內(nèi)的咳嗽次數(shù)。
1.2.2 血清指標(biāo)檢測(cè) 小鼠咳嗽試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)束后,對(duì)小鼠進(jìn)行摘眼球取血。血樣室溫靜置分層后,在設(shè)置為4 ℃,3000 r/min 的離心機(jī)中離心10 min,小心吸出上層血清。采用ELISA 試劑盒檢測(cè)各組小鼠血清中TNF-α、IL-1α和IL-1β的含量。
1.2.3 活性成分及對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)收集 在TCMSP(http://tcmspw.com/tcmsp.php)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索搜集化橘紅的化學(xué)成分信息,篩選出OB≥20%和DL≥0.1 的化合物。在CNKI 與Web of Science 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中以化橘紅和蛹蟲(chóng)草作為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索,查找與咳嗽相關(guān)藥理作用的活性成分,匯總后得到復(fù)方的主要活性成分。隨后在TCMSP 數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得化橘紅候選化合物對(duì)應(yīng)的潛在靶標(biāo)。在PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取蛹蟲(chóng)草主要化學(xué)成分的SMILES 信息用于化合物的靶點(diǎn)預(yù)測(cè)。將候選化合物的SMILES 導(dǎo)入到Swiss Target Prediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)與 Pharm-Mapper(http://www.Lilab-ecust.cn/pharmmapper/)數(shù)據(jù)庫(kù),物種選“Homosapiens”,收集并整理出“Probability”>0 的潛在靶點(diǎn)。將獲得的靶點(diǎn)名稱導(dǎo)入到Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.uniprot.org/),其中物種被選為“homo sapiens”,可將靶標(biāo)名稱進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,獲得對(duì)應(yīng)的Gene name。
1.2.4 咳嗽相關(guān)靶點(diǎn)收集 在Genecards(http://www.genecards.org/)數(shù)據(jù)庫(kù)中以“cough”為關(guān)鍵詞,檢索獲得咳嗽相關(guān)靶點(diǎn)。以相關(guān)性評(píng)分>1.8 分作為篩選條件,獲得與咳嗽相關(guān)性較高的疾病靶點(diǎn)。
1.2.5 “復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 將咳嗽疾病靶點(diǎn)、化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方活性成分及其對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape 軟件,構(gòu)建“復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞治觥?/p>
1.2.6 PPI 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 繪制韋恩圖(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)獲得化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方治療咳嗽的相關(guān)靶點(diǎn)。應(yīng)用String 平臺(tái)對(duì)篩選出的交集靶點(diǎn)構(gòu)建蛋白作用網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置靶點(diǎn)間相互作用分值大于0.9,即得蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)。然后將得到的蛋白網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Cytoscape3.6.0 軟件中,根據(jù)得分值和節(jié)點(diǎn)度值設(shè)定對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)和邊的顏色和粗細(xì)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
1.2.7 GO 與KEGG 富集分析 運(yùn)用Metascape 對(duì)復(fù)方與咳嗽交集靶點(diǎn)進(jìn)行GO 與KEGG 富集分析,按P值大小排序,篩選P值最小的前10 條GO 條目與信號(hào)通路,用于繪制氣泡圖。
采用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,本文中的定量參數(shù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()的形式表示。兩組間比較采用t檢驗(yàn),多組間比較采用單因素方差分析,P<0.05 表示組間差異顯著,P<0.01 表示組間差異極顯著。
本試驗(yàn)構(gòu)建了氨水引咳模型,通過(guò)測(cè)定給藥前后10 min 內(nèi)模型動(dòng)物的咳嗽次數(shù)對(duì)比分析復(fù)方對(duì)咳嗽的改善作用。試驗(yàn)期間,空白組老鼠均未咳嗽,與模型組差異顯著(P<0.05)。由表1 可知,給藥前10 min 內(nèi),三組小鼠咳嗽次數(shù)無(wú)顯著性差異(P>0.05);而給藥后,復(fù)方低、高劑量組小鼠的咳嗽次數(shù)較模型組均極顯著下降(P均<0.001),說(shuō)明化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方低、高劑量組對(duì)氨水引起小鼠的咳嗽均有一定改善作用。已有研究表明,蛹蟲(chóng)草對(duì)慢性支氣管炎具有良好治療作用,能明顯減輕患者咳嗽、咳痰及喘息等不良癥狀[12?13]。此外,侯秀娟等[14]研究發(fā)現(xiàn)化橘紅提取物能明顯延長(zhǎng)濃氨水刺激引起的咳嗽潛伏期,減少2 min 內(nèi)的咳嗽次數(shù)。以上結(jié)果與本研究結(jié)果相似,說(shuō)明本復(fù)方能夠一定程度減少咳嗽次數(shù)。
表1 化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方對(duì)小鼠咳嗽次數(shù)的影響(n=10)Table 1 The effect of Citri grandis Exocarpium-Cordyceps militaris compound on the number of cough in mice (n=10)
由圖1 的ELISA 測(cè)定結(jié)果可知,與空白組對(duì)比,模型組小鼠的TNF-α、IL-1α和IL-1β水平均顯著增加(P<0.05)。與模型組相比,復(fù)方低劑量組小鼠血清TNF-α、IL-1α及IL-1β水平均降低;復(fù)方高劑量組小鼠血清TNF-α與IL-1β水平顯著降低(P<0.05),IL-1α水平極顯著降低(P<0.01)。炎癥是咳嗽的重要病理特征之一,其產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致氣道狹窄,呼吸功能低下,誘發(fā)咳嗽[15]。因此,植物提取物的抗炎活性對(duì)咳嗽的緩解具有一定的促進(jìn)作用[16?17]。王春燕等[18],王紅霞等[19]研究顯示,咳嗽小鼠血清炎癥因子水平顯著高于健康小鼠,補(bǔ)充百合、生地黃、沙參等復(fù)方提取物或柚皮素等天然成分后,炎癥因子水平明顯降低,同時(shí)咳嗽得到緩解。上述結(jié)果表明,化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方對(duì)咳嗽模型小鼠血清炎癥因子水平升高現(xiàn)象具有一定抑制作用。
圖1 化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方對(duì)小鼠血清炎癥因子水平的影響(n=10)Fig.1 The effect of Citri grandis Exocarpium-Cordyceps militaris compound on the levels of serum inflammatory factors in mice (n=10)
在明確化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方具有一定止咳活性的基礎(chǔ)上,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)進(jìn)一步研究該復(fù)方發(fā)揮止咳活性的作用機(jī)制。首先,運(yùn)用多個(gè)在線數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)有文獻(xiàn)收集復(fù)方的活性成分及其對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)。在TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)與文獻(xiàn)檢索共收集到化橘紅活性成分44 種,以O(shè)B≥20%和DL≥0.10 為篩選條件初篩后,獲得化橘紅活性成分17 種,除去3 種沒(méi)有靶點(diǎn)的化合物,得到14 種化橘紅活性成分。此外,柚皮苷做為化橘紅的主要組成成分,雖然其OB 值和DL 值不滿足篩選條件,但已有文獻(xiàn)報(bào)道證明柚皮苷具有止咳作用,故直接將其納入分析,最終共獲得15 種化橘紅活性成分,對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)139 個(gè)。通過(guò)文獻(xiàn)檢索確定蛹蟲(chóng)草的有效成分為蟲(chóng)草素和蟲(chóng)草酸,從Swiss Target Prediction 和PharmMapper 數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選得到83 個(gè)蟲(chóng)草素靶標(biāo)和88 個(gè)蟲(chóng)草酸靶標(biāo)。具體結(jié)果如表2所述。
表2 化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方活性成分與靶點(diǎn)信息Table 2 Active compositions and potential targets of Citri grandis Exocarpium-Cordyceps militaris compound
通過(guò)Genecards 數(shù)據(jù)庫(kù)共獲得699 個(gè)咳嗽相關(guān)靶點(diǎn)。Venn 圖顯示(如圖2),將咳嗽對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)與化橘紅-蛹蟲(chóng)草活性成分對(duì)應(yīng)的265 個(gè)靶點(diǎn)取交集后,共獲得78 個(gè)交集靶點(diǎn),提示復(fù)方對(duì)咳嗽的治療作用與其對(duì)78 個(gè)交集靶點(diǎn)的調(diào)控有關(guān)。
圖2 化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方靶點(diǎn)與咳嗽相關(guān)靶點(diǎn)韋恩圖Fig.2 Venn diagram of Citri grandis Exocarpium-Cordyceps militaris compound targets and cough related targets
運(yùn)用Cytoscape 軟件構(gòu)建“復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò),建立活性成分、潛在靶點(diǎn)及疾病三者之間的聯(lián)系。結(jié)果如圖3 所示,其中黃色節(jié)點(diǎn)代表活性成分,綠色節(jié)點(diǎn)代表疾病靶點(diǎn),共包括95 個(gè)節(jié)點(diǎn)(17 個(gè)活性成分節(jié)點(diǎn),78 個(gè)疾病節(jié)點(diǎn))和164 條邊。從活性成分角度分析(如表3 所述),通過(guò)Degree、Betweenness Centrality 及Closeness Centrality 值排序,發(fā)現(xiàn)排名前5 的活性成分為蟲(chóng)草酸(D-Mannitol)、蟲(chóng)草素(Cordycepin)、芹菜素(Apigenin)、β-谷甾醇(Betasitosterol)、柚皮素(Naringenin)。從靶點(diǎn)角度分析,排名前4 的靶點(diǎn)為PTGS2、PTGS1、SCN5A 及ADRB2,分別與15、13、11、8 種化合物發(fā)生相互作用。“復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò)中有17 種有效成分作用于78 個(gè)靶點(diǎn),說(shuō)明復(fù)方治療咳嗽具有多成分、多靶點(diǎn)的作用特點(diǎn)。柚皮素的止咳活性已被多篇研究報(bào)道,該成分能顯著延長(zhǎng)枸櫞酸引咳豚鼠的咳嗽潛伏期,并能顯著減少豚鼠咳嗽次數(shù)[20?21],其作用機(jī)制可能與該成分通過(guò)抑制NF-κB 活性與抑制CD4 T 細(xì)胞產(chǎn)生Th2 細(xì)胞因子兩種途徑,來(lái)減輕氣道炎癥因子與粘液產(chǎn)生有關(guān)[22?23]。蟲(chóng)草素、芹菜素及β-谷甾醇三種物質(zhì)未被證明其對(duì)咳嗽次數(shù)具有直接抑制作用,但這三種成分能有效調(diào)節(jié)炎癥因子與細(xì)胞因子水平,緩解氣道炎癥[24?26]。這對(duì)后期開(kāi)展天然成分止咳活性研究提供了理論參考。
表3 “復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鯰able 3 Network topology analysis of “Compound-targets-cough”
圖3 “復(fù)方-靶點(diǎn)-咳嗽”網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network of “Compound-targets-cough”
蛋白質(zhì)交互作用網(wǎng)絡(luò)(Protein-protein interaction network,PPI)是以蛋白質(zhì)為節(jié)點(diǎn),不同蛋白間的交互作用為邊所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),對(duì)分析蛋白質(zhì)功能和關(guān)系具有重要意義[27]。本研究中,將得到的78 個(gè)交集靶點(diǎn)上傳至String 數(shù)據(jù)庫(kù),物種選擇“Homo sapiens”構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡(luò)(設(shè)置最低交互作用得分為0.90,隱藏網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的節(jié)點(diǎn))。將得到的蛋白交互作用網(wǎng)絡(luò)圖導(dǎo)入Cytoscape 軟件進(jìn)行可視化處理后得到圖4。圖中節(jié)點(diǎn)大小與顏色深淺代表節(jié)點(diǎn)度值,即節(jié)點(diǎn)越大,顏色越深,則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的degree 值越大。分析結(jié)果顯示,該網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點(diǎn)度值為7.75,聚類系數(shù)為0.52。交互網(wǎng)絡(luò)中degree 值排名前5 的靶點(diǎn)分別是JUN、IL6、MAPK3、TNF 和MAPK1,提示這幾個(gè)靶點(diǎn)是交集靶點(diǎn)相互作用網(wǎng)絡(luò)中的核心靶點(diǎn)。JUN 是炎癥基因的主要激活劑,能夠直接影響IL-1β、IL-6 及TNF-α等細(xì)胞因子的表達(dá)[28],大量的細(xì)胞因子,會(huì)激活MAPKs,引起氣道與肺部炎癥。TNF 是在炎癥大鼠模型體內(nèi)早期表達(dá)的炎癥細(xì)胞因子,而IL6 可能對(duì)炎癥的進(jìn)一步發(fā)展有促進(jìn)作用[29]。
圖4 PPI 網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 PPI network diagram
運(yùn)用Metascape 對(duì)交集靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG 與GO富集分析,核心過(guò)程如圖5 所述。GO 富集分析結(jié)果顯示,化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方治療咳嗽共涉及575個(gè)GO 條目,包括生物學(xué)過(guò)程(biological processes,BP)424 條,分子功能(molecular function,MF)89 條及細(xì)胞組成(cellular component,CC)62 條,核心條目包括對(duì)脂多糖的反應(yīng)(response to lipopolysaccharide)、細(xì)胞質(zhì)囊泡腔(cytoplasmic vesicle lumen)及細(xì)胞因子受體結(jié)合(cytokine receptor binding)等。KEGG 富集分析結(jié)果顯示,該復(fù)方治療咳嗽共涉及272 條信號(hào)通路,核心信號(hào)通路包括IL-17 信號(hào)通路(IL-17 signaling pathway)及TNF 信號(hào)傳導(dǎo)途徑(TNF signaling pathway)及AGE-RAGE 糖尿病并發(fā)癥途徑(AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications)等。臨床調(diào)查研究顯示,慢性氣道炎癥患者中存在IL-17 信號(hào)通路基因表達(dá)異?,F(xiàn)象,該通路能夠通過(guò)促進(jìn)氣道平滑肌收縮驅(qū)動(dòng)氣道高反應(yīng)性,促進(jìn)中性粒細(xì)胞引發(fā)肺部炎癥,對(duì)多種炎癥性疾病都存在廣泛的影響[30]。TNF 信號(hào)通路由多種誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的細(xì)胞因子組成,能夠直接影響機(jī)體炎癥、免疫、細(xì)胞凋亡及存活等[31]。AGE-RAGE 糖尿病并發(fā)癥途徑由機(jī)體中晚期糖基化終末產(chǎn)物與其受體RAGE 相互作用而激活,引起多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路激活,如包括NADPH 氧化酶、蛋白激酶C 和MAPKs,然后導(dǎo)致NF-κB 活性[32]。NF-κB 能夠促進(jìn)多種促炎細(xì)胞因子,如IL-1β、IL-6 及TNF-α的表達(dá),從而誘發(fā)機(jī)體炎癥[33]。KEGG 富集分析結(jié)果顯示,化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方治療咳嗽作用機(jī)制中涉及對(duì)多條炎癥相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)控,說(shuō)明該復(fù)方的止咳活性可能與其通過(guò)多種途徑改善機(jī)體炎癥相關(guān)。
圖5 KEGG 與GO 富集分析核心生物過(guò)程Fig.5 KEGG and GO enrichment analysis of core biological processes
本研究結(jié)果表明,化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方能顯著減少引咳模型小鼠咳嗽次數(shù),調(diào)節(jié)機(jī)體炎癥因子水平異常,展現(xiàn)出良好的止咳活性。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)對(duì)其止咳作用機(jī)制進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方的止咳活性源于多種活性成分對(duì)多靶點(diǎn)、多通路綜合作用的結(jié)果,其中蟲(chóng)草酸、蟲(chóng)草素、芹菜素、β-谷甾醇及柚皮素是其重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。該結(jié)論為化橘紅-蛹蟲(chóng)草復(fù)方止咳作用機(jī)制研究提供了一定的理論依據(jù),后續(xù)可繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)對(duì)活性成分、核心靶點(diǎn)及通路進(jìn)行驗(yàn)證,以揭示該復(fù)方止咳的分子機(jī)制,推動(dòng)相關(guān)保健食品的研發(fā)。