季嘉城,袁敏艷 ,張 碩,唐 麗 ,王鵬嬌 ,張 敏,3,高秀麗,3,4
(1.省部共建藥用植物功效與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/貴州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,2.貴州醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州高等學(xué)校微生物與生化藥學(xué)工程中心,4.貴州省食品營(yíng)養(yǎng)與健康工程研究中心,貴州 貴陽(yáng) 550025)
高血脂癥(hyperlipidemia)以血清脂質(zhì)或脂蛋白異常為特征,主要表現(xiàn)為總膽固醇和甘油三酯水平升高[1]。隨著現(xiàn)代飲食結(jié)構(gòu)的變化,高脂血癥的發(fā)病率出現(xiàn)了顯著提升,高血脂癥已成為一個(gè)重要的公共衛(wèi)生問題[1]。目前,主要用于高血脂癥的為他汀類藥物、膽汁酸螯合劑等藥物,但是長(zhǎng)期服用會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重如橫紋肌溶解、腹瀉等不良反應(yīng)[2-3]。因此,藥物的有效性和安全性仍有待探索,新的高血脂癥的干預(yù)或者治療策略也有待進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)。
刺梨(RosaroxburghiiTratt)作為一種藥食同源民族藥,被收載于《貴州省中藥材、民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中。刺梨富含各種營(yíng)養(yǎng)和功能成分,包括黃酮類化合物、維生素C、三萜類化合物、有機(jī)酸、多酚類化合物和超氧化物歧化酶[4]。近年來(lái),由于刺梨具有抗氧化、抗動(dòng)脈粥樣硬化和抗腫瘤的作用[5],它已引起越來(lái)越多的關(guān)注。目前,對(duì)于刺梨治療高血脂癥研究及作用機(jī)制研究比較欠缺。本研究結(jié)合藥效學(xué)實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)-分子對(duì)接,初步探索了刺梨對(duì)高血脂癥的治療作用和可能的作用機(jī)制,為深入研究藥效物質(zhì)基礎(chǔ)、作用機(jī)制以及臨床應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。
1.1 刺梨降血脂作用研究
1.1.1高血脂大鼠模型的構(gòu)建 刺梨原汁由“貴農(nóng)5號(hào)”鮮果壓榨得到,采用比色法和HPLC法(Agilent Technologies,USA)測(cè)定總多酚含量為(31.26±0.13) g·L-1、總黃酮含量為(9.59±0.15) g·L-1、總多糖含量為(14.52±0.20) g·L-1、維生素C含量為(13.45±0.09) g·L-1。雄性Sprague-Dawley大鼠(180~200 g,SPF)購(gòu)自貴州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心(許可證號(hào):SYXK(黔)2018-0001),實(shí)驗(yàn)所用刺梨均為同一型號(hào)、同一批次。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到了貴州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心和貴州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn),并按照國(guó)家實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理要求的準(zhǔn)則進(jìn)行。18只SD大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周,將18只隨機(jī)分為空白組(n=6)和高脂組(n=12),空白組喂普通飼料,高脂組大鼠高脂飼料喂養(yǎng)8周,高脂飼料(18%豬油、2%膽固醇、0.2%膽汁鹽和79.8%基礎(chǔ)飼料),血清TG、TC水平與空白組具有顯著性差異,視為造模成功。造模期間自由飲食飲水,造模成功大鼠分為2組(n=6),分別為模型組和刺梨組,根據(jù)大鼠體重調(diào)整灌胃劑量,刺梨組給予刺梨原汁灌胃10 mL·kg-1,模型組與空白組灌胃等量生理鹽水??瞻捉M給予基礎(chǔ)飼料,模型組和刺梨組給予高脂飼料。實(shí)驗(yàn)期間大鼠自由飲食飲水,每周記錄體重,治療周期為3個(gè)月。
1.1.2理化指標(biāo)測(cè)定 將血樣在室溫(24±2) ℃下放置1 h,在4 ℃下以3 000 r·min-1離心10 min,分離血清并儲(chǔ)存在-20 ℃。血清脂質(zhì)指標(biāo)包括甘油三酯(TG)、總膽固醇(TC)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-c)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-c)(南京市建成生物工程研究所,中國(guó)南京)使用商業(yè)試劑盒進(jìn)行測(cè)量。
1.1.3肝臟組織切片分析 解剖摘取各組大鼠肝臟,經(jīng)4%多聚甲醛固定、脫水、包埋、切片、染色、封片,蘇木精-伊紅染色,光學(xué)顯微鏡下觀察肝臟組織結(jié)構(gòu)。
1.2 刺梨治療高血脂癥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析
1.2.1刺梨的活性成分庫(kù)建立 由于中草藥系統(tǒng)藥理學(xué)平臺(tái)(TCMSP)數(shù)據(jù)庫(kù)未收錄“刺梨”,根據(jù)已發(fā)表的有關(guān)刺梨成分的文獻(xiàn),書籍,并結(jié)合中藥與化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)(http://www.chemcpd.csdb.cn/cmpref/main/tcm_introduce.asp),收集了刺梨的化學(xué)成分。利用PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)查找收集的化學(xué)成分的2D結(jié)構(gòu)的SDF文件,將該文件導(dǎo)入SwissADME(http://www.swissadme.ch)了解成分的胃腸道吸收性、類藥性以及能否穿透血腦屏障,篩選條件:GIabsorption為Yes、Druglikeness(包括Lipinski、Ghose、Veber、Egan、Muegge)5項(xiàng)特性中3項(xiàng)為Yes;符合篩選條件的有效成分。通過SwissTargetPrediction (http://www.swisstargetprediction.ch/)數(shù)據(jù)庫(kù)搜集的作用靶點(diǎn)。利用UniProt數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.uniprot.org/)對(duì)所有靶基因名稱進(jìn)行校正,獲得靶點(diǎn)信息。
1.2.2靶點(diǎn)庫(kù)建立 以“Hyperlipidemia”為檢索詞,對(duì)DrugBank數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.drugbank.ca)、Online Mendelian Inheritance in Man Database(OMIM)數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.omim.org)、GeneCards數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.genecards.org)進(jìn)行檢索,合并數(shù)據(jù)庫(kù)的過濾結(jié)果,刪除重復(fù)靶點(diǎn),獲得高血脂癥相關(guān)基因靶點(diǎn)。
1.2.3刺梨降血脂潛在靶點(diǎn)的預(yù)測(cè) 利用在線工具Venny2.1.0(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)對(duì)刺梨的作用靶點(diǎn)與高血脂相關(guān)基因靶點(diǎn)互相映射,得到二者的交集靶點(diǎn),即刺梨降血脂的潛在靶點(diǎn)。
1.2.4蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和關(guān)鍵靶點(diǎn)的篩選 將刺梨治療高血脂的潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫(kù)(https://string-db.org/)構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)。蛋白物種設(shè)置為“Homo sapiens”,最低相互作用閾值設(shè)置為“high confidence>0.9”,并隱藏游離的靶標(biāo),其余參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置,得到靶蛋白之間的PPI網(wǎng)絡(luò)圖及相互信息數(shù)據(jù)表,利用Cytoscape3.7.2軟件中Network Analyzer插件對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)分析。
1.2.5“中藥-活性成分-潛在靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建 將刺梨的主要活性成分與潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape3.7.2軟件中,繪制“中藥-活性成分-潛在靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)。
1.2.6關(guān)鍵靶蛋白GO富集分析和KEGG通路分析 使用DAVIDV6.8數(shù)據(jù)庫(kù)(https://david.ncifcrf.gov)對(duì)潛在的治療靶標(biāo)基因進(jìn)行基因本體(Gene Ontology,Go)功能富集分析和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,獲得刺梨治療高血脂的生物學(xué)過程、細(xì)胞組分、分子功能和相關(guān)信號(hào)通路關(guān)系。
1.2.7分子對(duì)接 通過Pubchem網(wǎng)站(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)檢索獲取化合物的SDF結(jié)構(gòu)文件,并利用Open Babel 2.3.2軟件將SDF文件轉(zhuǎn)化為PDB文件,從Protein Data Bank (http://www.rcsb.org/pdb)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索獲得受體蛋白R(shí)XRA(PDB:3NSQ)、AKT1(PDB:4EKL)、ESR1(PDB:5GS4)、PIK3R1(PDB:4WAF),利用PYMOL 2.3.4軟件對(duì)受體蛋白進(jìn)行去水、去配體等操作,采用AutoDockTools軟件對(duì)受體蛋白進(jìn)行加氫、平衡電荷等修飾,利用AutoDock Vina 1.1.2對(duì)受體蛋白與配體小分子進(jìn)行分子對(duì)接,結(jié)合能打分。
2.1 刺梨降血脂作用研究
2.1.1刺梨對(duì)血脂的影響 由Tab 1知,與空白組比,模型組血清TC水平、TG水平、LDL-C水平明顯升高(P<0.05),HDL-C水平明顯下降(P<0.05),表明高脂飼料喂養(yǎng)的大鼠出現(xiàn)血脂異常。經(jīng)刺梨治療后,與模型組比,刺梨組TC、TG、LDL-C水平明顯下降(P<0.05),HDL-C水平明顯增加(P<0.05),與空白組相比差異無(wú)顯著性(P>0.05)。以上研究結(jié)果表明,刺梨能明顯改善高脂飼料誘導(dǎo)的大鼠血脂異常、維持血脂水平穩(wěn)定。
Tab 1 Effect of Rosa roxburghii Tratt on body weight and serum biochemical index of
2.1.2刺梨對(duì)肝臟功能的影響 肝臟指數(shù)在一定程度上可以反映肝臟的健康狀況。高血脂組的肝臟指數(shù)均明顯高于空白組(P<0.05),說(shuō)明脂肪在肝臟積聚較為嚴(yán)重,給藥刺梨后,肝臟指數(shù)明顯降低,見Tab 1。HE染色顯示,模型組肝小葉結(jié)構(gòu)嚴(yán)重紊亂,只有少部分肝小葉結(jié)構(gòu)正常,脂肪空泡占整個(gè)視野區(qū)域面積小于3/4,脂肪空泡相互融合成片;脂肪空泡集中區(qū)域部分肝細(xì)胞體積增大,細(xì)胞質(zhì)著色淺,部分細(xì)胞壞死,細(xì)胞核溶解。經(jīng)過刺梨治療后肝小葉清晰可見,肝細(xì)胞間分布的大小不等的脂肪空泡減少(Fig 1)。結(jié)果表明,刺梨汁能顯著改善高脂飼料誘導(dǎo)的大鼠肝臟功能的損傷。
2.2 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)及分子對(duì)接
2.2.1刺梨活性成分及相關(guān)靶標(biāo)獲取 通過已發(fā)表的有關(guān)刺梨成分的文獻(xiàn),并結(jié)合中藥與化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)檢索得到主要活性化合物14個(gè),槲皮素、棕櫚酸、原兒茶酸、沒食子酸、丁香酸、4-羥基苯甲酸、咖啡酸、鞣花酸、山奈酚、月桂酸、β-谷甾醇、Roxburic acid、α-亞麻酸、4-羥基肉桂酸,共對(duì)應(yīng)347個(gè)靶標(biāo)。
2.2.2高血脂相關(guān)靶標(biāo)篩選和交集靶標(biāo)獲取 將Genecard數(shù)據(jù)庫(kù)、OMIM數(shù)據(jù)庫(kù)和Drugbank數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到的高血脂的靶標(biāo)結(jié)果合并,去除重復(fù)值,獲得高血脂相關(guān)基因疾病靶點(diǎn)1 489個(gè),使用Venny 2.1.0(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html)對(duì)347個(gè)刺梨藥物靶點(diǎn)與1 489個(gè)高血脂相關(guān)基因靶點(diǎn)進(jìn)行互相映射,獲得129個(gè)刺梨治療高血脂癥的交集靶點(diǎn),如Fig 2。
2.2.3“中藥-活性成分-潛在靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò) 將交集靶點(diǎn)、活性成分、中藥信息導(dǎo)入Cytoscape3.7.2軟件進(jìn)行可視化分析處理,獲得“中藥-活性成分-潛在靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖,如Fig 3。
2.2.4PPI網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵靶點(diǎn) 將刺梨治療高血脂癥的129個(gè)潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING數(shù)據(jù)庫(kù),限定物種為Homo Sapiens,設(shè)置最低置信度為0.9,同時(shí)隱藏游離的點(diǎn),靶蛋白相互作用信息導(dǎo)入Cytoscape3.7.2軟件中,進(jìn)行可視化分析,構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖,見Fig 3,該網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖中,包含104個(gè)節(jié)點(diǎn)和534條邊。利用“Analyze Network”功能對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞治?,?jì)算出各節(jié)點(diǎn)的度值(degree)、介數(shù)中心性(Between nesscentrality,BC)和接近中心性(Closeness centrality,CC),其中degree的中位數(shù)為4,BC的中位數(shù)為0.0049,CC的中位數(shù)為0.3055,以degree≥4且BC≥0.0049且CC≥0.3055為篩選出符合的靶蛋白有30個(gè),即為刺梨治療高血脂的關(guān)鍵靶點(diǎn),見Fig 4和Tab 2。按照度值對(duì)關(guān)鍵靶蛋白進(jìn)行排序,將前4個(gè)靶點(diǎn)作為核心靶點(diǎn)即RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1。
Fig 1 HE staining of liver tissues of rats(×20)A:Control;B:Model;C:Rosa roxburghii Tratt
Fig 2 Venn diagram of Rosa roxburghii Tratt hyperlipidemia target
Fig 3 Traditional Chinese medicine -active ingredients-potential therapeutic targets
2.2.5GO富集分析 為進(jìn)一步闡明交集靶點(diǎn)的潛在作用,本研究通過對(duì)交集靶點(diǎn)進(jìn)行富集分析。運(yùn)用David數(shù)據(jù)對(duì)刺梨降血脂的潛在靶點(diǎn)進(jìn)行GO生物學(xué)過程富集分析。GO包括生物學(xué)過程(BP),分子功能(MF)以及細(xì)胞組分(CC),共富集到262條GO條目,其中包括190條生物學(xué)過程,54條分子功能和18條細(xì)胞組分,見Fig 5。生物學(xué)過程涉及RNA聚合酶II啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的正向調(diào)控(positive regulation of transcription from RNA polymerase II pro-moter)、凋亡過程的負(fù)調(diào)控(negative regulation of apoptotic process)、信號(hào)傳導(dǎo)(signal transduction)、類固醇激素介導(dǎo)的信號(hào)通路(steroid hormone mediated signaling pathway)、蛋白質(zhì)磷酸化的正向調(diào)控(positive regulation of protein phosphorylation)等。
Fig 4 Protein interaction network of therapeutic targets of Rosa roxburghii Tratt
Tab 2 Key protein topological parameters of protein-protein interaction network
Fig 5 GO functional enrichment analysis
2.2.6KEGG富集分析 KEGG分析主要涉及癌癥通路(Pathways in cancer)、癌癥蛋白聚糖(Proteoglycans in cancer)、乙型肝炎(Hepatitis B)、PI3K-Akt信號(hào)通路(PI3K-Akt signaling pathway)、甲狀腺激素信號(hào)通路(Thyroid hormone signaling pathway)、非酒精性脂肪肝疾病(Non-alcoholic fatty liver disease)、FoxO信號(hào)通路(FoxO signaling pathway)、Toll樣受體信號(hào)通路(Toll-like receptor signaling pathway)、MAPK信號(hào)通路(MAPK signaling pathway)、TNF-信號(hào)通路(TNF signaling pathway)等,見Fig 6。
Fig 6 Top20 of KEGG enrichment result
2.2.7分子對(duì)接 從成分-核心靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中將基因靶點(diǎn)以 degree 值高低進(jìn)行排序,選取前4個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)(RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1),分別與刺梨治療高血脂癥的2個(gè)關(guān)鍵藥效成分(Roxburic acid和α-亞麻酸)進(jìn)行分子對(duì)接,對(duì)接結(jié)合能如表Tab 3所示。2個(gè)關(guān)鍵藥效成分與4個(gè)靶標(biāo)蛋白的結(jié)合能均小于0,其中刺梨酸與4個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)合很好,均小于-5 kcal·mol-1,提示分子間具有很好的結(jié)合活性。其對(duì)接結(jié)果進(jìn)行可視化如Fig 7所示,見Tab 3。通過Discovery Studio和 PyMOL對(duì)結(jié)合能最低的組合進(jìn)行相互作用模式分析,受體蛋白AKT1與Roxburic acid配體小分子之間的結(jié)合模式,氨基酸殘基Asp292、Asp274與Roxburic acid配體小分子形成氫鍵相互作用,氨基酸殘基Lys276、Thr312、Leu295、Gly311、Cys310、Phe309、Glu191、Phe161與Roxburic acid配體小分子形成疏水相互作用,共同維持和AKT1之間的穩(wěn)定構(gòu)象。
Tab 3 The docking score of Rosa roxburghii Tratt active component and target protein
本文通過構(gòu)建高血脂大鼠模型,研究刺梨對(duì)高血脂大鼠的治療作用,結(jié)果表明,刺梨明顯降低了高血脂癥大鼠體重,血清TC水平、TG水平、LDL-C水平明顯(P<0.05),明顯提高了HDL-C水平(P<0.05),同時(shí)刺梨顯著改善了高血脂飲食引起的肝臟功能的損傷,綜上所述,刺梨具有很好的治療高血
Fig 7 Molecular docking model of Roxburic acid with target proteinA:Docking results of AKT1-Roxburic acid;B:Docking results of ESR1-Roxburic acid;C:Docking results of RXRA-Roxburic acid;D:Docking results of PIK3R1-Roxburic acid
脂癥的作用。
本研究共篩選出刺梨活性成分14個(gè),其中主要活性成分有Roxburic acid、α-亞麻酸、山奈酚、槲皮素、鞣花酸等,α-亞麻酸是一種主要來(lái)源于植物的ω-3多不飽和脂肪酸,補(bǔ)充α-亞麻酸可明顯改善血脂水平,降低心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[6-7];山奈酚通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、增加能量消耗來(lái)改善肥胖[8-9];槲皮素對(duì)肥胖、脂代謝、糖代謝和氧化應(yīng)激均有明顯的影響[9];鞣花酸具有改善血脂異常、抗腫瘤、抗突變及抗炎等作用[10]。
通過PPI 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅贸?0個(gè)核心靶點(diǎn),涉及RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1、PIK3CA、RXRG、RXRB、TNF等30個(gè)核心靶點(diǎn),對(duì)30個(gè)核心靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和 KEGG 通路富集分析。KEGG 富集通路主要涉及PI3K-Akt信號(hào)通路、甲狀腺激素信號(hào)通路、非酒精性脂肪肝疾病、MAPK信號(hào)通路、TNF-信號(hào)通路等,這些通路在調(diào)節(jié)能量代謝中發(fā)揮著重要的作用。
本研究將篩選出的核心成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)分子對(duì)接,2個(gè)關(guān)鍵藥效成分與4個(gè)靶標(biāo)蛋白的結(jié)合能均小于0,提示刺梨中的核心成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)有著較好的結(jié)合活性,說(shuō)明它們可能是治療高血脂癥的潛在活性成分。RXRA是核配體激活轉(zhuǎn)錄因子家族成員,參與脂肪酸代謝、膽固醇代謝等多個(gè)生物過程,調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝中的穩(wěn)態(tài)[11-12]。ESR1介導(dǎo)SCL2A4基因表達(dá)來(lái)影響著脂肪的正常轉(zhuǎn)化,從而發(fā)揮調(diào)節(jié)血糖代謝紊亂的作用[13-14]。AKT1和PIK3R1通過影響PI3K/AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮著調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài),調(diào)節(jié)脂肪酸合成的作用[15-17]。分子對(duì)接結(jié)果顯示,RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1與Roxburic acid與α-亞麻酸具有很好的結(jié)合,其中Roxburic acid 與RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1具有更好的結(jié)合,Roxburic acid作為五環(huán)三萜類化合物[18],目前還缺少對(duì)它的研究報(bào)告,分子對(duì)接的結(jié)果顯示,Roxburic acid在刺梨降血脂中可能發(fā)揮著重要的作用,還需我們進(jìn)一步的研究與探索。
綜上所述,本研究通過構(gòu)建高血脂大鼠模型,研究了刺梨對(duì)高血脂癥的治療作用,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析和分子對(duì)接驗(yàn)證,預(yù)測(cè)出刺梨治療高血脂癥的作用靶點(diǎn)和主要信號(hào)通路。其中關(guān)鍵作用靶點(diǎn)有RXRA、AKT1、ESR1、PIK3R1、PIK3CA、RXRG、RXRB、TNF等,關(guān)鍵通路主要涉及PI3K-Akt信號(hào)通路、甲狀腺激素信號(hào)通路、非酒精性脂肪肝疾病、MAPK信號(hào)通路、TNF信號(hào)通路等。刺梨對(duì)高血脂癥具有很好的治療作用,同時(shí)通過影響著多靶點(diǎn)、多個(gè)相關(guān)通路來(lái)發(fā)揮降低血脂的作用,這也為我們后續(xù)的作用機(jī)制進(jìn)一步探索提供一定的參考。