吳姣姣,劉 東,張 莉,夏 佳,楊 雨,唐 飛,陳 璐,敖 慧
成都中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,成都 611137
中藥材普遍存在多基原、多產(chǎn)地等復(fù)雜情況,質(zhì)量差異較大,亟待建立科學(xué)合理的中藥質(zhì)量保障體系。目前多數(shù)中藥材質(zhì)量控制指標(biāo)選擇多為其含有的化學(xué)成分,但其與藥物功效關(guān)聯(lián)不足[1]?;诖?劉昌孝院士提出用“中藥質(zhì)量標(biāo)志物”的概念[2]。中藥質(zhì)量標(biāo)志物是與中藥的功能屬性密切相關(guān)的化學(xué)物質(zhì),反映了中藥質(zhì)量控制的發(fā)展方向[1-3]。故研究中藥質(zhì)量標(biāo)志物是提升我國(guó)中藥質(zhì)量控制水平,為臨床提供安全有效中藥產(chǎn)品的重要手段。
白術(shù)是常用大宗中藥材,具有健脾燥濕、利水止汗等功效,廣泛應(yīng)用于中醫(yī)臨床。然而,目前白術(shù)并沒(méi)有業(yè)內(nèi)公認(rèn)的質(zhì)量標(biāo)志物[4],這將影響白術(shù)的質(zhì)量提升和進(jìn)一步開發(fā)利用?,F(xiàn)有研究表明揮發(fā)油和多糖是白術(shù)的主要有效成分[5,6]。多糖由于結(jié)構(gòu)特殊,目前很難作為質(zhì)量標(biāo)志物或質(zhì)量控制成分[7]。研究表明白術(shù)揮發(fā)油具有調(diào)節(jié)胃腸道、修復(fù)胃黏膜、抑菌、保肝等藥理作用,與白術(shù)藥理作用基本類似[8,9],并且可用GC-MS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)定性定量檢測(cè)[10]。故從白術(shù)揮發(fā)油中篩選白術(shù)質(zhì)量標(biāo)志物是可行有效的思路。但白術(shù)揮發(fā)油受產(chǎn)地、土壤、氣候、采收等因素影響,化學(xué)成分種類差異較大[10,11],因此有必要建立白術(shù)揮發(fā)油GC-MS指紋圖譜尋找其共有化學(xué)特征,初步確定候選質(zhì)量標(biāo)志物。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)具有系統(tǒng)性和整體性的特點(diǎn),是一種建立在系統(tǒng)生物學(xué)和網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)基礎(chǔ)上的新興研究方法,已被廣泛應(yīng)用于單味藥及復(fù)方藥治療疾病的物質(zhì)基礎(chǔ)和多靶點(diǎn)作用機(jī)制預(yù)測(cè)[12]。將指紋圖譜與網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相結(jié)合尋找中藥質(zhì)量標(biāo)志物的方法已成功應(yīng)用于江枳殼、連翹、白花蛇舌草、山銀花等中藥的質(zhì)量標(biāo)志物預(yù)測(cè)[12-17],但尚未見(jiàn)GC-MS指紋圖譜和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相結(jié)合的方法應(yīng)用于白術(shù)揮發(fā)油質(zhì)量標(biāo)志物預(yù)測(cè)分析。因此,本研究采用GC-MS對(duì)白術(shù)揮發(fā)油成分進(jìn)行分析和指紋圖譜建立,并結(jié)合利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法對(duì)白術(shù)揮發(fā)油成分、靶點(diǎn)、通路進(jìn)行系統(tǒng)性分析,并預(yù)測(cè)白術(shù)揮發(fā)油的潛在質(zhì)量標(biāo)志物,旨在為全面控制和評(píng)價(jià)白術(shù)片質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。
1.1.1 藥材
本研究11批白術(shù)藥材(編號(hào)S1~S11)均購(gòu)于成都國(guó)際商貿(mào)城荷花池中藥材市場(chǎng),經(jīng)成都中醫(yī)藥大學(xué)陳璐副教授鑒定為菊科植物白術(shù)AtractylodesmacrocephalaKoidz.的干燥根莖,樣品信息詳見(jiàn)表1。
表1 樣品信息Table 1 Sample information
1.1.2 試劑
正己烷(分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司,批號(hào):2017112401);無(wú)水硫酸鈉(分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司,批號(hào):2020033101);水為蒸餾水。
1.1.3 儀器
輕油提取器(四川蜀牛玻璃儀器有限公司);Agilent氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Agilent GC-MSD工作站(7890A-5975C,美國(guó)安捷倫公司);Sartorius電子天平(BP211D AG,德國(guó)賽多利斯公司);高速中藥粉碎機(jī)(HX-200型,浙江省永康市溪岸五金藥具廠)。
1.2.1 白術(shù)揮發(fā)油提取
采用水蒸氣蒸餾法提取白術(shù)揮發(fā)油,稱取白術(shù)粗粉80 g,裝入1 000 mL圓底燒瓶,加入8倍量水浸泡3 h,電熱套加熱至微沸,回流提取6 h;經(jīng)無(wú)水硫酸鈉脫水后,收集揮發(fā)油于已稱重的EP管中,再次稱重,密封后置于4 ℃冰箱保存。按公式(1)計(jì)算揮發(fā)油含量。
揮發(fā)油提取率=
揮發(fā)油質(zhì)量(g)/藥材質(zhì)量(g)×100%
(1)
1.2.2 供試品溶液制備
取揮發(fā)油30 μL溶于1 mL正己烷中,微孔濾膜過(guò)濾,濾液裝入進(jìn)樣瓶,為GC-MS測(cè)定樣品。
1.2.3 GC-MS條件
色譜條件:色譜柱為Agilent 19091S-433色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm);載氣為氦氣(He),載氣速度1 mL/min;采取程序升溫,初始柱溫60 ℃,保持2 min,以5 ℃/min升至160 ℃,保持5 min,再以4 ℃/min升至200 ℃,保持8 min,然后以6 ℃/min升至250 ℃,保持10 min;分流進(jìn)樣,分流比為20∶1;進(jìn)樣量:1 μL;溶劑延遲:3 min。
質(zhì)譜條件:電子轟擊(EI)離子源,電子能量為70 eV,離子源溫度:230 ℃,四級(jí)桿溫度:150 ℃,數(shù)據(jù)采集掃描模式為全掃描。
1.2.4 定性定量方法
各色譜峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜圖經(jīng)聯(lián)用儀的計(jì)算機(jī)譜庫(kù)檢索進(jìn)行定性,質(zhì)譜數(shù)據(jù)為NIST14.0譜庫(kù)。各組分的相對(duì)含量是根據(jù)總離子流圖由計(jì)算機(jī)采用峰面積歸一化法計(jì)算獲得。
樣品S1~S11揮發(fā)油得量及提取率見(jiàn)表2。
表2 11批白術(shù)藥材揮發(fā)油提取率Table 2 Extraction rate of 11 batches of AMO
取11批白術(shù)揮發(fā)油,按“1.2.2”項(xiàng)下條件制備供試品溶液,按“1.2.3”項(xiàng)下GC-MS條件依次進(jìn)樣,并記錄色譜峰面積,11批白術(shù)揮發(fā)油指紋圖譜見(jiàn)圖1。
圖1 11批白術(shù)揮發(fā)油指紋圖譜和共有峰標(biāo)記Fig.1 The fingerprints and common peak markers of 11 batches of AMO
將11批白術(shù)揮發(fā)油總離子流圖導(dǎo)入中藥指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)系統(tǒng),以S8為參照?qǐng)D譜,采用平均數(shù)法,時(shí)間寬度設(shè)為0.1 min,確定了10個(gè)共有峰,峰序及所對(duì)應(yīng)的化合物見(jiàn)圖1和表2。以共有成分的色譜峰為參照進(jìn)行多點(diǎn)校正,對(duì)11批白術(shù)揮發(fā)油整體相似度進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示11批白術(shù)樣品相似度均大于0.992,表明11批白術(shù)樣品揮發(fā)油相似度較高,質(zhì)量較為穩(wěn)定,但各樣品揮發(fā)油中同一色譜峰的峰面積不同,說(shuō)明所含成分的含量存在一定差異,如浙江產(chǎn)白術(shù)的揮發(fā)油中蒼術(shù)酮整體含量高于其他產(chǎn)區(qū),欖香醇含量整體低于其他產(chǎn)區(qū),詳見(jiàn)表3、表4。
表3 11批白術(shù)揮發(fā)油共有成分信息及相對(duì)含量Table 3 Common components and relative content of 11 batches of AMO
表4 11批白術(shù)揮發(fā)油GC-MS指紋圖譜相似度評(píng)價(jià)Table 4 Similarity of GC-MS fingerprints of 11 batches of AMO
采用帕諾米克分析平臺(tái)(http://v2.biodeep.cn/)對(duì)11批白術(shù)揮發(fā)油GC-MS共有成分含量信息[16,17]進(jìn)行PCA主成分分析,相應(yīng)得分結(jié)果見(jiàn)圖2。由PCA分析可見(jiàn),批次S2、S4、S10分布于第一象限,S1、S3、S9分布于第二象限,S11在第三象限,S5~S8浙江產(chǎn)白術(shù)揮發(fā)油主要分布在第四象限。
圖2 11批白術(shù)揮發(fā)油PCA得分圖Fig.2 PCA score of the 11 batches of AMO注:A:安徽;C:四川;J:江西;Y:云南;Z:浙江,下同。Note:A:Anhui;C:Sichuan;J:Jiangxi;Y:Yunnan;Z:Zhejiang,the same below.
采用帕諾米克分析平臺(tái)(http://v2.biodeep.cn/)對(duì)11批白術(shù)樣品揮發(fā)油中共有成分含量[16,17]進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,聚類結(jié)果見(jiàn)圖3。由聚類分析可見(jiàn)當(dāng)分類距離為15時(shí),樣品被分為2類,S4、S5~S8及S10為第一類,S1~S3、S9、S11為第二類。
圖3 11批白術(shù)揮發(fā)油聚類分析結(jié)果Fig.3 Cluster analysis results of the 11 batches of AMO
根據(jù)GC-MS指紋圖譜確定的10個(gè)共有成分,采用峰面積歸一化法計(jì)算得到共有成分分別占S1~S11批次白術(shù)樣品揮發(fā)油總量的90.42%、90.2%、90.21%、87.96%、95.75%、92.02%、91.09%、89.26%、85.99%、87.93%、92.97%。表明這10個(gè)共有成分在白術(shù)揮發(fā)油中的代表性較強(qiáng)[15-18],可作為白術(shù)揮發(fā)油Q-Marker的候選成分。
利用Pub Chem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)、TCMSP (https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)、Swiss Target Prediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)和PharmMapper(http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)白術(shù)揮發(fā)油10個(gè)Q-Marker候選成分進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)搜索和靶點(diǎn)信息搜集,Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫(kù)中取Probability大于0的靶點(diǎn)。除24-noroleana-3,12-diene無(wú)符合條件靶點(diǎn)外,共搜集了9個(gè)白術(shù)揮發(fā)油成分靶點(diǎn),除去重復(fù)靶點(diǎn)后使用uniprot轉(zhuǎn)化為基因名,得到173個(gè)相關(guān)靶點(diǎn)。
將獲得的173個(gè)相關(guān)靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING11.5(https://cn.string-db.org/)數(shù)據(jù)庫(kù)中,選擇“Homo sapiens”物種,去除單一節(jié)點(diǎn),導(dǎo)出結(jié)果為.tsv格式,并將建立的蛋白相互作用關(guān)系導(dǎo)入 Cytoscape 3.9.1軟件進(jìn)行可視化分析,得到蛋白互作(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò),結(jié)果見(jiàn)圖4(圖中degree 值越大,節(jié)點(diǎn)越大,顏色越深);選取網(wǎng)絡(luò)中degree值大于2倍中位數(shù)的靶點(diǎn)作為關(guān)鍵靶點(diǎn)[16,17],結(jié)果共獲得19個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),結(jié)果見(jiàn)表5。
圖4 靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)圖 Fig.4 Target PPI network diagram
表5 關(guān)鍵靶點(diǎn)篩選結(jié)果Table 5 Key target screening results
利用DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)(https://david.ncifcrf.gov/)對(duì)獲得的173個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)富集分析。選擇“Homo sapiens”物種下的“Gene_Ontology”進(jìn)行富集分析,根據(jù)P<0.05對(duì)富集結(jié)果進(jìn)行篩選,得到397個(gè)生物過(guò)程(biological process,BP)條目,55個(gè)細(xì)胞組成(cellular component,CC)條目,和116個(gè)分子功能(molecular function,MF)條目,按P值從小到大選取排名前20的條目,得到圖5。如圖5所示,BP主要與藥物反應(yīng)、G蛋白偶聯(lián)受體、突觸傳遞、激素信號(hào)傳導(dǎo)、脂質(zhì)代謝等有關(guān);CC主要涉及細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜組成、染色質(zhì)等;MF主要與RNA轉(zhuǎn)錄因子活性、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、鋅離子結(jié)合、DNA結(jié)合、G蛋白偶聯(lián)受體活性、氧化還原酶活性等相關(guān)。
圖5 GO功能富集分析結(jié)果Fig.5 GO function enrichment analysis results
利用DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行KEGG_PATHWAY富集分析,并根據(jù)P<0.05,篩選得到KEGG信號(hào)通路66條,按P值從小到大選取排名前20的通路繪制得到圖6。圖6表明白術(shù)揮發(fā)油主要通過(guò)神經(jīng)活性配體-受體相互作用、代謝途徑、化學(xué)致癌-受體激活、血清素能突觸、氮代謝、PPAR信號(hào)通路、花生四烯酸代謝、類固醇激素生物合成、鈣信號(hào)通路、膽汁分泌、膽堿能突觸等發(fā)揮作用。
圖6 KEGG通路富集結(jié)果Fig.6 Enrichment results of KEGG pathway
將9個(gè)搜集到靶點(diǎn)的白術(shù)Q-Marker候選成分、19個(gè)degree值大于2倍中位數(shù)[16,17]的關(guān)鍵靶點(diǎn)和20條通路導(dǎo)入Cytoscape 3.9.1軟件中構(gòu)建“白術(shù)揮發(fā)油 Q-Marker候選“成分-靶點(diǎn)-通路”網(wǎng)絡(luò),詳見(jiàn)圖7(圖中三角形節(jié)點(diǎn)代表活性成分,菱形節(jié)點(diǎn)代表關(guān)鍵靶點(diǎn),方形節(jié)點(diǎn)代表通路,節(jié)點(diǎn)大小代degree值大小)。
圖7 “成分-靶點(diǎn)-通路”網(wǎng)絡(luò)圖 Fig.7 "Composition-target-pathway" network diagram 注:BZ1:纈草醇;BZ2:(-)-異喇叭烯;BZ3:γ-欖香烯;BZ4:β-桉葉醇;BZ5:棕櫚酸;BZ6:反式戊烯醇醋酸酯;BZ7:欖香醇;BZ8:蒼術(shù)酮;BZ9:4-環(huán)己基苯乙酮。Note:BZ1:Valerenol;BZ2:(-)-Isotrumpetene;BZ3:γ- Elemene;BZ4:β-Eucalyptol;BZ5:Palmitic acid;BZ6:trans-Valerenyl acetate;BZ7:Elemental alcohol;BZ8:Atractylone;BZ9:4-Cyclohexylacetophenone.
以化合物、靶點(diǎn)蛋白、信號(hào)通路之間的連接度degree值為參考(圖中degree 值越大,節(jié)點(diǎn)越大,顏色越深),發(fā)現(xiàn)棕櫚酸、β-桉葉醇、γ-欖香烯、欖香醇和蒼術(shù)酮等成分的連接度相對(duì)較高,提示這些成分可能是白術(shù)揮發(fā)油中發(fā)揮藥效的主要活性物質(zhì);靶點(diǎn)MAPK1、PTGS2、RXRA、CYP19A1、PPARA、NOS3、TNF、CYP2C19的連接度較高,可能是白術(shù)揮發(fā)油發(fā)揮作用的關(guān)鍵靶點(diǎn);代謝途徑(Metabolic pathways)、化學(xué)致癌-受體激活(chemical carcinogenesis-receptor activation)、PPAR信號(hào)通路(PPAR signaling pathway)、血清素能突觸(serotonergic synapse)、雌激素信號(hào)通路(estrogen signaling pathway)的連接度較大,提示這些通路可能是白術(shù)揮發(fā)油發(fā)揮作用的關(guān)鍵信號(hào)通路。
本研究通過(guò)GC-MS的方法建立了11批次不同產(chǎn)地白術(shù)揮發(fā)油類成分的指紋圖譜,并指認(rèn)了10個(gè)共有峰,共有成分的總含量均占揮發(fā)油總量的85%以上。共有成分PCA分析結(jié)果顯示浙江產(chǎn)白術(shù)揮發(fā)油與安徽產(chǎn)白術(shù)揮發(fā)油有明顯區(qū)分,浙江白術(shù)分布更集中;聚類分析顯示當(dāng)分類距離為15時(shí),4批浙江白術(shù)可被聚為一類,這表明與安徽白術(shù)相比,浙江白術(shù)揮發(fā)油類化學(xué)成分含量更為相似穩(wěn)定,而四川、云南、江西產(chǎn)區(qū)白術(shù)由于批次單一,暫無(wú)法確定其整體分布以及與浙江、安徽白術(shù)的差異。
此外,本研究以11批白術(shù)飲片揮發(fā)油共有成分為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的分析方法,構(gòu)建白術(shù)揮發(fā)油“成分-靶點(diǎn)-通路”作用網(wǎng)絡(luò),預(yù)測(cè)白術(shù)揮發(fā)油的主要作用通路及靶點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)果顯示棕櫚酸、β-桉葉醇、γ-欖香烯、欖香醇和蒼術(shù)酮可能是白術(shù)揮發(fā)油的潛在質(zhì)量標(biāo)志物。白術(shù)揮發(fā)油具有調(diào)節(jié)胃腸道、修復(fù)胃黏膜、抑菌、保肝等作用[8,9]。現(xiàn)代研究表明棕櫚酸、β-桉葉醇、γ-欖香烯、欖香醇和蒼術(shù)酮等成分具有抗菌[17,18]、鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛[19]、調(diào)節(jié)胃腸運(yùn)動(dòng)[20,21]、降壓[22]、保肝抗炎[23]、抗病毒[24]、抗感染[25]等藥理作用,與白術(shù)揮發(fā)油具有相似之處,故這些成分可能是白術(shù)揮發(fā)油發(fā)揮藥理作用的主要物質(zhì)基礎(chǔ),與中藥的功能屬性密切相關(guān)?!俺煞?靶點(diǎn)-通路”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果顯示,MAPK1、PTGS2、RXRA、CYP19A1、PPARA、NOS3、TNF、CYP2C19和代謝途徑、化學(xué)致癌-受體激活、PPAR信號(hào)通路、血清素能突觸和雌激素信號(hào)通路則可能是白術(shù)揮發(fā)油發(fā)揮作用的關(guān)鍵靶點(diǎn)和信號(hào)通路。
綜上所述,我們的研究發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的白術(shù)飲片揮發(fā)油類成分的組成以蒼術(shù)酮、(-)-異喇叭烯、γ-欖香烯、β-桉葉醇、 棕櫚酸、trans-valerenyl acetate、欖香醇、4-cyclohexylacetophenone等為主,但含量有所不同。GC-MS指紋圖譜結(jié)合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)確定棕櫚酸、β-桉葉醇、γ-欖香烯、欖香醇和蒼術(shù)酮可能是白術(shù)揮發(fā)油的潛在質(zhì)量標(biāo)志物。本研究進(jìn)一步完善了白術(shù)的質(zhì)量控制體系,為白術(shù)的質(zhì)量控制提供理論依據(jù),也為其他類似中藥材的質(zhì)量標(biāo)志物研究提供了理論參考。