付雪琴,蘭 瑞,鄒旭歡,王瑋瑋,王漫漫
(1.河南中醫(yī)藥大學(xué),鄭州 450000;2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,鄭州 450000)
腦卒中是一種復(fù)雜的多因素多基因疾病,是全球第二大死亡原因。缺血性腦卒中是最常見的形式,占腦卒中的87%[1]。缺血性腦卒中屬于中醫(yī)“中風(fēng)”范疇,血瘀是中風(fēng)的常見病理因素。氣血關(guān)系密不可分,王清任在《醫(yī)林改錯》中提到:“元氣既虛,必不能達于血管,血管無氣,必停留而瘀”[2],瘀血的形成阻滯氣機,致陰陽失調(diào),氣血逆亂,上沖元神之府,出現(xiàn)猝然昏仆、不省人事等癥狀。基于標(biāo)本緩急的原則,當(dāng)以活血化瘀為中風(fēng)后急則治標(biāo)之法。丹參-川芎是治療中風(fēng)使用頻率較高的藥對,具有明顯效果[3]。二藥具有抗炎、抑制細(xì)胞凋亡,減少神經(jīng)細(xì)胞損傷等作用,中藥制劑丹參川芎注射液由此藥對演變而來,且在臨床被廣泛應(yīng)用[4-5]。
丹參、川芎始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,丹參味苦,微寒,歸心、肝經(jīng),具有活血調(diào)經(jīng),祛瘀止痛等功效,川芎味辛,溫,歸肝、膽、心包經(jīng),具有活血行氣、祛風(fēng)止痛的作用。二者相須配伍,協(xié)作增效。目前對于丹參-川芎藥對治療缺血性腦卒中的作用機制,目標(biāo)靶點尚未明確。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的興起,為傳統(tǒng)中醫(yī)藥的整體觀念作用機制提供了理論預(yù)測[6]。本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)角度預(yù)測丹參-川芎配伍治療腦缺血再灌注損傷的可能機制,構(gòu)建成分信息、靶點、疾病信息三者網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,從整體論治探究藥物和疾病之間的關(guān)聯(lián)性以及共同關(guān)系。
1.1.1 試驗動物 50只健康成年雄性SD(Sprague-Dawley)大鼠,體重220~230 g,購自華興實驗動物中心(動物許可證號:SCXK(豫)2019-0002),所有動物飼養(yǎng)于河南省中醫(yī)院(河南中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院)SPF級動物實驗中心,(22±1) ℃恒溫、60%~75%恒濕、12 h循環(huán)照明,自由攝食、飲水。所有動物飼養(yǎng)及其他試驗操作均符合相關(guān)管理要求準(zhǔn)則及試驗動物倫理要求(動物倫理號:PZ-HNSZYY-2020-019)。
1.1.2 藥物與試劑 丹參、川芎均購自河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院;4%多聚甲醛、HE染色試劑盒(G1120)均購自北京索萊寶科技有限公司。
1.1.3 主要儀器 HD-300型生物脫水機;HD-310型石蠟包埋機;HD-320型生物切片機;HD-330型攤片烤片機;光學(xué)顯微鏡。
1.2.1 丹參-川芎有效活性成分收集與篩選 應(yīng)用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫與分析平臺 (traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP,http:∥tcmspw.com/tcmsp.php),以丹參、川芎為關(guān)鍵詞進行檢索,基于口服生物利用度(OB)≥30%、類藥性(DL)≥0.18為篩選條件獲得各個丹參、川芎所含化學(xué)成分,構(gòu)建丹參-川芎所含化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫。在Uniprot數(shù)據(jù)庫(https:∥www.uniprot.org)中限定人源“Human”和已認(rèn)證“Reviewed”的靶點并下載,在已收集好的丹參-川芎有效成分表格中,匹配對應(yīng)的靶點基因名稱,剔除重復(fù)值,得到完整的丹參-川芎有效成分潛在靶點列表。
1.2.2 疾病靶點的查找及共同靶點篩選 以“Ischemic stroke”為關(guān)鍵詞在GeneCards人類基因數(shù)據(jù)庫(https:∥www.genecards.org)和OMIM在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫(https:∥www.omim.org/)中檢索,得到中風(fēng)疾病靶點。
1.2.3 丹參-川芎藥對治療缺血性腦卒中潛在靶點蛋白互作(PPI)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 利用韋恩圖制作軟件Venny 2.1.0 (http:∥bioin-fogp.cnb.csic.es/tools/venny/Index.html),將所有篩選出的藥物靶點與疾病靶點輸入并得到韋恩圖,得到疾病與藥物的共有靶點,將共有靶點輸入STRING數(shù)據(jù)庫(https:∥string-db.org/cgi/input.pl)進行PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,將生物種類設(shè)定為Homosapiens,得到 PPI網(wǎng)絡(luò)圖。
1.2.4 丹參-川芎有效成分-缺血性腦卒中靶點網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 丹參-川芎是活血化瘀的常見藥對,為了更加直觀的理解丹參-川芎與缺血性腦卒中及相應(yīng)靶點之間的相互關(guān)系,納入中藥活性成分、疾病與藥物共有靶點、疾病,構(gòu)建藥物-成分-靶點-疾病網(wǎng)絡(luò)圖,導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2(https:∥cytoscape.org/)軟件中進行網(wǎng)絡(luò)圖的繪制。
1.2.5 關(guān)鍵成分GO功能與KEGG通路富集分析 將交集靶點輸入Metascape 數(shù)據(jù)庫(https:∥metascape.org),設(shè)置P<0.01,進行GO功能及KEGG通路富集分析。借助微生信(http:∥www.bioinformatics.com.cn)平臺進行可視化分析。
查閱文獻[7-9]將丹參、川芎按照1∶1的比例稱取各藥,加10倍量的蒸餾水,浸泡、武火煮沸、轉(zhuǎn)文火煎、過濾,再加水煮沸、文火煎煮、濾液,合并2次藥液,蒸發(fā)濃縮,高壓滅菌,-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
將雄性SD大鼠隨機分成5組,每組10只,分別是假手術(shù)組、模型組、丹參-川芎低劑量組、丹參-川芎中劑量組、丹參-川芎高劑量組。給藥劑量參照《人和動物間按體表面積折算的等效劑量比值表》[10],丹參-川芎高、中、低劑量組分別為8.10、4.05和2.025 g/kg,每日1次。造模前3 d丹參-川芎各劑量組予以灌胃給藥,假手術(shù)組、模型組給予等體積的雙蒸水,術(shù)后待大鼠清醒最后一次灌胃給藥,于造模后24 h取材。
參考Longa等[11]報道的線栓法制備腦缺血再灌注模型。將雄性SD大鼠用10%水合氯醛(350 mg/kg)腹腔注射麻醉,剪開左側(cè)頸部皮膚,依次分離頸部肌肉、頸總動脈、頸內(nèi)動脈、頸外動脈。微動脈夾夾閉頸內(nèi)動脈,結(jié)扎頸外動脈、頸總動脈。距頸總動脈分叉處下端剪一V形切口,將線栓球形端插入頸內(nèi)動脈,直至線栓標(biāo)記點進入血管,有輕微阻力即可。插入線栓90 min后,輕柔拔出部分線栓實現(xiàn)再灌注。假手術(shù)組僅對上述血管進行剝離。大鼠傷口均勻灑青霉素粉末防感染,回籠飼養(yǎng),正常供應(yīng)水和飼料,觀察動物狀態(tài)。
采用Zea-longa 法[11]進行神經(jīng)功能缺損評分。0分,無神經(jīng)功能缺損,可正?;顒?;1分,神經(jīng)功能輕微缺損,不能完全伸展患側(cè)的前爪;2分,神經(jīng)功能中度缺損,向患側(cè)轉(zhuǎn)圈;3分,神經(jīng)功能重度缺損,向患側(cè)傾斜;4分,不能自發(fā)行走,意識水平下降,甚至意識喪失;5分,死亡。
各組大鼠再灌注24 h后,10%水合氯醛腹腔注射麻醉,開胸經(jīng)心臟灌注生理鹽水200~300 mL,待右心耳流出清亮液體,4%多聚甲醛灌注200~300 mL,開顱取腦,4%多聚甲醛固定,石蠟包埋,進行HE染色。石蠟切片脫蠟透明復(fù)水,將切片放進蘇木素染液染10~15 min后自來水沖洗。加入伊紅染色液中15 s,蒸餾水清洗,將切片依次放入75%、85%、95%、100%乙醇梯度脫水2 min,二甲苯透明,中性樹膠封片,自然晾干。光學(xué)顯微鏡下觀察拍片,圖像采集分析。
應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù),計量資料采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布且方差齊,采用t檢驗或單因素方差分析,若呈偏態(tài)分布或方差不齊的計量資料,采用非參數(shù)秩和檢驗。兩兩比較采用LSD檢驗,P<0.05表示差異顯著。
根據(jù)TCMSP平臺,以O(shè)B≥30%、DL≥0.18為條件,篩選丹參-川芎有效成分,本研究納入72個活性成分,其中丹參活性成分65個,川芎活性成分7個,部分活性成分見表1。
表1 丹參-川芎部分活性成分
利用GeneCards、OMIM數(shù)據(jù)庫篩選疾病靶點,匯總并去除重復(fù)值,最終獲得缺血性卒中疾病靶點1 972個,將139個丹參-川芎藥物靶點與疾病靶點輸入韋恩圖在線制作軟件Venny 2.1中,發(fā)現(xiàn)共有靶點94個(圖1)。
圖1 丹參-川芎治療缺血性腦卒中共有靶點韋恩圖
采用STRING數(shù)據(jù)庫對94個丹參-川芎潛在治療缺血性卒中作用靶點進行PPI網(wǎng)絡(luò)圖分析,獲得核心靶點PPI網(wǎng)絡(luò)圖(圖2)。PPI網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點越大、顏色越深,表示該蛋白與其他蛋白的相互作用越密切。根據(jù)置信度篩選出前十位核心靶點,構(gòu)建核心靶點PPI網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。排在前十位關(guān)鍵節(jié)點分別是AKT1、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白細(xì)胞介素6(interleukin 6,IL6)、血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)、腫瘤蛋白p53(tumor protein p53,TP53)、低聚果糖(fructooligosaccharides,F(xiàn)OS)、胱天蛋白酶 3(recombinant caspase 3,CASP3)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)、雌激素受體1(estrogen receptor 1,ESR1),推測其可能為丹參-川芎藥對治療缺血性腦卒中的重要靶點。
圖2 藥物疾病PPI網(wǎng)絡(luò)圖
圖3 核心靶點PPI網(wǎng)絡(luò)圖
通過Cytoscape 3.7.2軟件,對丹參-川芎2味中藥活性成分及其94個關(guān)鍵靶點基因進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及可視化處理。結(jié)果顯示,丹參-川芎的活性成分的作用靶點均與缺血性腦卒中疾病靶點基因存在關(guān)聯(lián)(圖4)。
六邊形代表疾??;圓形代表川芎有效活性成分;三角形代表丹參有效活性成分;菱形代表94個缺血性腦卒中與藥對丹參-川芎的共同靶點
利用Metascape數(shù)據(jù)庫對潛在作用靶點進行GO功能富集分析。以P<0.01作為篩選條件,分別進行生物過程(biological processes,BP)、分子功能(molecular function,MF)、細(xì)胞組分(cellular components,CC)分析,共得到GO條目5 587條。生物過程條目4 549條,包括細(xì)胞對氮化合物的反應(yīng)、對激素的反應(yīng)、蛋白質(zhì)磷酸化的正調(diào)節(jié)、外源刺激的反應(yīng)、循環(huán)系統(tǒng)過程、MAPK級聯(lián)調(diào)節(jié)、對氧含量降低的反應(yīng)、細(xì)胞遷移的正調(diào)控等;分子功能條目627條,包括兒茶酚胺結(jié)合、激酶結(jié)合、胺結(jié)合、蛋白質(zhì)同源二聚體活性、DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、核受體活性、肽結(jié)合、泛素連接酶結(jié)合等;細(xì)胞組分條目411條,包括膜筏、突觸前膜的組成部分、感受器復(fù)合、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)復(fù)合物、核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、膜側(cè)、細(xì)胞投射膜等。富集結(jié)果前十個GO條目見圖5。
圖5 丹參-川芎作用靶點GO功能富集圖
在KEGG通路富集結(jié)果中共富集到114條相關(guān)信號通路,PI3K-Akt信號通路、神經(jīng)活性配體受體相互作用信號通路、cAMP信號通路、cGMP-PKG信號通路等與丹參-川芎治療缺血性腦卒中的作用機制緊密聯(lián)系。如AGE-RAGE信號通路、FoxO信號通路、缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)、PI3K-AKT-mTOR信號通路在后20條通路中也有體現(xiàn),也呈現(xiàn)出了一定的相關(guān)度。關(guān)系最緊密的前20條信號通路氣泡圖見圖6。
圖6 丹參-川芎治療缺血性腦卒中作用靶點參與的信號通路富集信息氣泡圖
大鼠神經(jīng)功能評分結(jié)果見圖7,模型組大鼠再灌注24 h神經(jīng)功能評分均顯著高于假手術(shù)組(P<0.05),模型組與丹參-川芎低劑量組、丹參-川芎中劑量組之間無顯著性差異(P>0.05);與模型組比較丹參-川芎高劑量組顯著降低模型大鼠再灌注24 h的Zea-longa評分(P<0.05);丹參-川芎低、中劑量組有降低腦缺血再灌注損傷24 h Zea-longa評分的趨勢。
①A,假手術(shù)組;B,模型組;C,丹參-川芎低劑量組;D,丹參-川芎中劑量組;E,丹參-川芎高劑量組。下同。②模型組與假手術(shù)組相比,*,差異顯著(P<0.05)。各劑量組與模型組相比,#,差異顯著(P<0.05);無#,差異不顯著(P>0.05)
由圖8可知,假手術(shù)組大鼠缺血半暗帶皮層神經(jīng)細(xì)胞形態(tài)基本正常,具有完整的結(jié)構(gòu),排列整齊,細(xì)胞核清晰;與假手術(shù)組大鼠比較,模型組大鼠神經(jīng)細(xì)胞減少明顯,排列紊亂,細(xì)胞核固縮深染,形成較多的空泡,周圍存在激活的小膠質(zhì)細(xì)胞;與模型組大鼠比較,丹參-川芎給藥組神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)較完整,細(xì)胞形態(tài)改變較輕,核固縮少,細(xì)胞質(zhì)較飽滿豐富,且丹參-川芎對腦組織損傷的改善程度隨著丹參-川芎藥對劑量增大而逐漸增強,提示丹參-川芎藥對可改善腦缺血再灌注大鼠的腦損傷。
圖8 各組大鼠腦組織HE染色觀察(400×)
缺血性腦卒中發(fā)病機制復(fù)雜,卒中后可引起不同程度的神經(jīng)損傷癥狀。研究表明,腦卒中后損傷的關(guān)鍵機制包括神經(jīng)細(xì)胞的凋亡、Ca2+超載、氧化應(yīng)激和炎癥等病理反應(yīng)相關(guān)[12]。針對上述病理機制,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)主要采用溶栓、鈣通道頡頏劑、自由基清除劑、谷氨酸頡頏劑、細(xì)胞膜穩(wěn)定劑等藥物對癥治療,但對于腦缺血后的損傷治療效果不佳[13]。丹參-川芎作為活血化瘀的良藥,臨床常用于治療缺血性腦卒中,但其作用機制不太明確。
丹參-川芎作為活血化瘀的常用藥對,在治療缺血性腦卒中方面發(fā)揮較好的療效。周惠芬等[14]采用氧糖剝奪-復(fù)氧法,建立體外腦缺血再灌注損傷模型,發(fā)現(xiàn)丹參-川芎有效成分配伍通過減輕氧化應(yīng)激、炎癥損傷和抑制細(xì)胞凋亡保護氧糖剝奪海馬神經(jīng)元?;葙t瑞等[15]發(fā)現(xiàn),丹參-川芎中藥制劑冠心寧片可降低腦缺血再灌注小鼠神經(jīng)功能評分、減輕腦梗死面積、改善腦組織病理學(xué)形態(tài)、神經(jīng)元損傷及細(xì)胞凋亡。楊喜忠等[16]觀察50位腦梗死患者發(fā)現(xiàn),冠心寧注射液對早期腦梗死具有較好效果。王麗萍等[17]發(fā)現(xiàn)急性腦梗死患者應(yīng)用丹參-川芎注射液聯(lián)合依達拉奉治療優(yōu)于依達拉奉的臨床療效。丹參-川芎嗪注射液[18]可能通過下調(diào)GMP-140和vWF含量,改變血瘀模型大鼠的血液流變學(xué)指標(biāo)。藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),丹參[19-20]的活性成分具有抗炎、抗氧化、保護神經(jīng)功能等作用,川芎[21]有效活性成分具有改善微循環(huán)、抗炎、抗氧化、細(xì)胞保護等作用。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)通過PPI網(wǎng)絡(luò)圖分析結(jié)果顯示,丹參-川芎有效組分配伍作用于缺血性腦卒中的重要靶點包括Akt1、TNF、IL6、VEGFA、ESR1等94個。PI3K的下游關(guān)鍵靶點是Akt,腦缺血后PI3K/Akt信號通的激活對抑制神經(jīng)元凋亡和神經(jīng)炎癥具有重要作用[22]。本課題組前期研究表明,大鼠腦缺血再灌注后,PI3K/Akt信號通路的激活,誘導(dǎo)Akt磷酸化對神經(jīng)血管單元具有保護作用[23]。TNF、IL6是介導(dǎo)炎癥級聯(lián)反應(yīng)的細(xì)胞因子,腦缺血時,炎癥因子聚集刺激引起NF-κB迅速活化促進炎性因子的表達,引起組織的炎癥反應(yīng),加重神經(jīng)元的損傷[24]。在腦缺血后,VEGFA通過促進損傷后的腦內(nèi)神經(jīng)血管單元的重構(gòu)起到保護神經(jīng)元的作用[25]。ESR1編碼雌激素受體的亞型ERα,它們與雌激素結(jié)合后發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng),腦缺血后,神經(jīng)保護和認(rèn)知功能的修復(fù)都與ESR1有關(guān),宋先兵[26]發(fā)現(xiàn)在大鼠去卵巢局灶性腦缺血模型中,雌激素具有神經(jīng)保護和認(rèn)知修復(fù)作用。
通過GO功能和KEGG通路富集分析顯示,丹參-川芎治療缺血性腦卒中涉及多種生物過程和多個信號通路,相關(guān)性較高的信號通路包括PI3K-Akt、cGMP-PKG、cAMP、VEGF等信號通路,主要在抑制炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡、保護神經(jīng)功能、促進血管內(nèi)皮生成等過程中發(fā)揮抗腦缺血損傷作用。缺血性腦卒中是一種多因素多基因的疾病,發(fā)病機制錯綜復(fù)雜,腦缺血后損傷是一種迅速而又復(fù)雜的過程,細(xì)胞的死亡在此過程中意義重大,PI3K-Akt信號通路[27]是腦卒中后細(xì)胞程序性死亡的關(guān)鍵靶點。環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)和環(huán)磷酸腺苷(cAMP)作為第二信使調(diào)節(jié)激素和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,cGMP通過cGMP依賴性蛋白激酶(PKG)對蛋白質(zhì)磷酸化的作用來介導(dǎo)細(xì)胞的生理效應(yīng),cAMP通過激活A(yù)PK使蛋白磷酸化從而調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)[28]。腦缺血情況下,腦內(nèi)的環(huán)核苷酸被激活,潘建玲等[29]發(fā)現(xiàn)在腦缺血再灌注模型大鼠中,cAMP、cGMP的含量對腦缺血后抗氧化應(yīng)激能力具有重要意義。Akt 是PI3K的下游靶標(biāo),PI3K/Akt通路在小腦神經(jīng)元中介導(dǎo)cGMP依賴性生存作用,PI3K/Akt通路的激活介導(dǎo)了來自腦室下區(qū)的成體祖細(xì)胞cGMP增強的神經(jīng)發(fā)生[30]。大鼠腦缺血再灌注損傷后,通過激活VEGF介導(dǎo)的PI3K-Akt信號通路緩解腦缺血再灌注的損傷[27,31]。
綜上所述,本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法驗證了丹參-川芎治療缺血性腦卒中的理論依據(jù),通過關(guān)鍵疾病藥物的共同靶點預(yù)測出丹參-川芎治療缺血性腦卒中的重要信號通路,主要包括PI3K-Akt、cGMP-PKG、cAMP、VEGF等信號通路,動物試驗驗證丹參-川芎藥對可改善腦缺血再灌注損傷模型大鼠的神經(jīng)功能損傷,改變腦缺血再灌注損傷后腦組織病理形態(tài)變化,從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用,并呈現(xiàn)劑量相關(guān)性,本研究體現(xiàn)了丹參-川芎多靶點的作用特點,對明確丹參-川芎抗腦缺血再灌注損傷的機制具有重要意義。這些研究結(jié)果為丹參-川芎治療腦缺血再灌注損傷的作用機制提供理論支持,但仍需通過更多的基礎(chǔ)試驗進行后續(xù)驗證。
本研究結(jié)果顯示,丹參-川芎治療腦缺血再灌注損傷可能是通過參酮ⅡA、隱丹參酮、丹參酮Ⅰ、阿魏酸等藥物活性成分,作用于AKT1、TNF、IL6、VEGFA、TP53、FOS、CASP3、STAT3、EGFR、ESR1等核心靶點,通過PI3K-Akt、cGMP-PKG、cAMP、VEGF信號通路對腦缺血再灌注損傷產(chǎn)生治療作用。丹參-川芎可減輕急性腦缺血再灌注模型大鼠神經(jīng)功能評分,改善腦缺血再灌注損傷后大鼠腦組織病理形態(tài)變化,為丹參-川芎治療急性腦缺血再灌注損傷提供有力證據(jù)。