楊陽,曹俊陽,周協(xié)琛,李濤,李炎,趙蕊
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),大慶 163319)
腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一中常見的功能性胃腸道疾病,其臨床特征為慢性間歇性腹痛并伴有排便習(xí)慣改變或排便性狀的改變[1]。根據(jù)羅馬Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)以及患者疼痛部位、糞便稠度的不同,IBS 主要分為腹瀉型腸易激綜合征(IBS with diarrhea,IBS-D)、便秘型腸易激綜合征(IBS with constipation,IBS-C)、腹瀉和便秘交替型腸易激綜合征(IBS with mixed symptomology,IBS-M)及未分類型腸易激綜合征(IBS-unclassified)四種亞型[2]。IBS-D 作為IBS 的主要亞型,占據(jù)IBS 病例的23.3%~65%[3]。IBS-D 在中、青年中多見,但近年來IBS-D 老年患者數(shù)量也在攀升。反復(fù)發(fā)作的IBS-D 可誘發(fā)多種慢性疾病,并嚴(yán)重影響患者情緒健康和生理功能,對(duì)生活質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。
中醫(yī)有“無濕不成泄”之說。歷代醫(yī)者多認(rèn)為IBS-D 的病發(fā)主要與濕熱、肝郁、脾瀉相關(guān)。馬齒莧(Portulaca oleracea Linn,POL)形似馬齒,全草可入藥,由清熱祛濕、健脾止瀉、涼血止血之功[4]。作為一種傳統(tǒng)治療腸炎及腹瀉的中藥材,馬齒莧早在北宋時(shí)期就已被發(fā)現(xiàn)并得到運(yùn)用?!妒セ莘健吩鴳?yīng)用馬齒莧煮粥以治血痢,馬齒莧治紅痢癥也早記載于《生草藥性備要》中[5]?,F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,馬齒莧可通過抑制腸粘膜的氧化應(yīng)激及腸上皮細(xì)胞的凋亡發(fā)揮對(duì)腸道的保護(hù)作用[6-7]。馬齒莧因其富含黃酮、有機(jī)酸、多糖等多種抗菌成分而被譽(yù)為“天然抗生素”[8-10]?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明馬齒莧具有抗氧化、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血糖等生物學(xué)功能[11-13]。目前,馬齒莧已成為治療急、慢性細(xì)菌性痢疾的要藥,但其治療IBS-D 的作用機(jī)制研究還不深入。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是一個(gè)融合了生物學(xué)、藥學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的新興學(xué)科。因?yàn)榧繕?biāo)化合物篩選、多靶點(diǎn)預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建于一體,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)已成為探究中藥潛在活性成分及防治疾病作用機(jī)制的綜合工具[14]。研究以馬齒莧為對(duì)象,通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)手段探究馬齒莧治療IBS-D 潛在的作用機(jī)制,為馬齒莧治療IBS-D 提供理論依據(jù)。
利用中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺(tái)TCMSP(http://tcmspw.com/tcmsp.php)檢索中草藥馬齒莧的有效化學(xué)成分。設(shè)置口服利用度(OBioaval,OB)和類藥性(drug-likeness,DL)為篩選條件。以“馬齒莧”為關(guān)鍵詞,篩選出OB≥30%及DL≥0.18 的化學(xué)成分即為馬齒莧的有效成分。
以“Diarrhea irritable bowel syndrome”“Diarrheairritable bowel syndrome”“D -irritable bowel syndrome”“irritable bowel syndrome-Diarrhea”“irritable bowel syndrome-D”“IBS-D”“D-IBS”為關(guān)鍵詞在GeneCard 數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org/)中查找腹瀉型腸易激綜合征的相關(guān)靶點(diǎn),匯總并刪除重復(fù)靶點(diǎn)。以IBS 為關(guān)鍵詞在CTD 數(shù)據(jù)庫中查找腸易激綜合征相關(guān)的靶點(diǎn)。CTD 數(shù)據(jù)庫與GeneCard 數(shù)據(jù)庫的交集靶點(diǎn)即為IBS-D 對(duì)應(yīng)的疾病靶點(diǎn)。
借助Venny 分析工具(http://jvenn.toulouse.inra.fr/app/index.html)獲取馬齒莧與IBS-D 的交集靶點(diǎn)。將交集靶點(diǎn)蛋白導(dǎo)入STRING(https://string-db.org/)數(shù)據(jù)庫,在參數(shù)欄中設(shè)定置信分?jǐn)?shù)高于0.9,去掉游離節(jié)點(diǎn)后導(dǎo)出PPI(Protein-protein interaction,PPI)蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖。將網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2,根據(jù)度值對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)分析并利用cytoscape 中cytohubba 插件篩選核心治療靶點(diǎn),根據(jù)篩選結(jié)果繪制POL 治療IBS-D 核心靶點(diǎn)的PPI 網(wǎng)絡(luò)圖。
利用DAVID 數(shù)據(jù)庫(https://david.ncifcrf.gov/)對(duì)核心靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體(Gene ontology,GO)富集分析。將核心靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID 數(shù)據(jù)庫,設(shè)置物種為“Homo sapiens”,運(yùn)行并保留核心靶點(diǎn)生物學(xué)過程(Biological Process,BP)、細(xì)胞組分(Cellular Component,CC)及分子功能(Molecular Function,MF)三方面的分析結(jié)果。將分析結(jié)果上傳至Bioinformatics 平臺(tái)(http://www.bioinformatics.com.cn/),以基因數(shù)為縱坐標(biāo)繪制BP、CC、MF 三合一條形圖。
使用Cytoscape 中的clueGO 插件對(duì)核心靶點(diǎn)進(jìn)行京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)信號(hào)通路富集分析。上傳馬齒莧治療IBS-D 的核心靶點(diǎn),將物種設(shè)為“Homo sapiens”,以p-value<0.01 為篩選條件進(jìn)行KEGG 富集分析并利用CluePedia 插件調(diào)整ClueGO分析網(wǎng)絡(luò)圖。
在TCMSP 數(shù)據(jù)庫下載馬齒莧活性成分mol2 格式的結(jié)構(gòu)。從PDB 數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/)獲取核心蛋白的3D 結(jié)構(gòu)。利用分子對(duì)接軟件AMDock 計(jì)算分子對(duì)接的結(jié)合能并借助Pymol 軟件將對(duì)接結(jié)果可視化。
以O(shè)B≥30%、DL≥0.18 為條件在TCMSP 數(shù)據(jù)庫對(duì)馬齒莧活性成分進(jìn)行篩選。如表1 所示,篩選后共得到10 個(gè)馬齒莧活性化合物,包括花生四烯酸(Arachidonicacid)、環(huán)阿喬醇(Cycloartenol)、β-胡蘿卜素(Beta-carotene)、β-谷甾醇(Beta-sitosterol)、山柰酚(Kaempfero)、木犀草素(Luteolin)、異甜菜素(Isobetanidin)、脫糖苷異豆素(Isobetanin_qt)、槲皮素(Quercetin)等。馬齒莧活性化合物對(duì)應(yīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。
如圖2 所示,從GeneCard 數(shù)據(jù)庫中共搜集到IBS-D 相關(guān)靶點(diǎn)2 344 個(gè),從CTD 數(shù)據(jù)庫中共搜集到IBS 相關(guān)靶點(diǎn)464 個(gè)。將GeneCard 數(shù)據(jù)庫與CTD數(shù)據(jù)庫的靶點(diǎn)取交集,共得到222 個(gè)IBS-D 疾病靶點(diǎn)。
圖2 馬齒莧與IBS-D 交集靶點(diǎn)韋恩圖Fig.2 Venn Diagram of intersection target of POL and IBS-D
通過TCMSP 數(shù)據(jù)庫獲取馬齒莧的靶點(diǎn),并利用UniProt 數(shù)據(jù)庫(https://www.Uniprot.org/)將馬齒莧靶點(diǎn)名稱標(biāo)準(zhǔn)化。利用韋恩圖分析工具對(duì)馬齒莧靶點(diǎn)與IBS-D 靶點(diǎn)取交集。如圖2 所示,馬齒莧活性成分靶點(diǎn)共194 個(gè),其中與IBS-D 相關(guān)的有68 個(gè),包括IL10、MAPK8、VEGFA 等。
將馬齒莧治療IBS-D 的68 個(gè)潛在靶點(diǎn)導(dǎo)入String 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。如圖3 所示,PPI 網(wǎng)絡(luò)由68個(gè)節(jié)點(diǎn)和219 條邊構(gòu)成,其中有6 個(gè)靶點(diǎn)與其他靶點(diǎn)無交集。將互作網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Cytoscape 軟件,刪除無交集靶點(diǎn)后依據(jù)度值對(duì)剩余靶點(diǎn)進(jìn)行排序。度值越高的靶點(diǎn)表示與該靶點(diǎn)相互作用的蛋白數(shù)量越多。由圖4 可知,JUN、RELA、IL6、TNF、IL10 度值較高,在網(wǎng)絡(luò)中起主導(dǎo)作用。
圖3 馬齒莧治療IBS-D 潛在靶點(diǎn)PPI 網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 PPI network of potential target of POL in the treatment of IBS-D
圖4 潛在靶點(diǎn)蛋白互作拓?fù)鋵W(xué)分析圖Fig.4 Topology analysis results of potential targets interaction
利用Cytoscape 軟件中CyoHubba 插件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?,獲取馬齒莧治療IBS-D 的核心靶點(diǎn)。如圖5 所示,馬齒莧治療IBS-D 的核心靶點(diǎn)包括白細(xì)胞介素-4(Interleukin-4,IL-4)、腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor,TNF)、白細(xì)胞介素-8(Interleukin-8,CXCL8/IL-8)、單核細(xì)胞趨化蛋白1(Monocyte chemotactic protein-1,CCL2/MCP-1)、白細(xì)胞介素-1B(Interleukin-1B,IL-1B)、白細(xì)胞介素-6(Interleukin-6,IL-6)、白細(xì)胞介素-1A(Interleukin-1A,IL-1A)、白細(xì)胞介素-10(Interleukin-10,IL-10)、核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB p65,RELA)等。
圖5 馬齒莧治療IBS-D 核心靶點(diǎn)PPI 網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 PPI network of POL core target in the treatment of IBS-D
GO 富集分析涵蓋BP、CC、MF 三方面。設(shè)定閾值為P<0.05,在此條件下共獲取123 個(gè)GO 條目,其中BP 111 個(gè),CC 4 個(gè),MF 8 個(gè)。如圖6 所示,前10 條BP 涉及炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控、細(xì)胞對(duì)脂多糖的反應(yīng)、細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)通路、衰老及對(duì)藥物的反應(yīng)等。CC 分析結(jié)果表明這些靶蛋白多分布在細(xì)胞外間隙、胞外區(qū)及質(zhì)膜外側(cè)上。MF 分析結(jié)果表明:這些靶蛋白的分子功能主要為細(xì)胞因子活性、生長(zhǎng)因子活性、趨化因子活性等。
圖6 GO 富集分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of GO enrichment
利用Cytoscape 軟件中ClueGO 插件對(duì)馬齒莧治療IBS-D 的核心靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG 富集分析。以P<0.01 為條件進(jìn)行篩選,共篩選出40 條POL-IBS-D潛在信號(hào)通路。ClueGO 網(wǎng)絡(luò)圖中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)term,同種顏色則表示相近的term 聚類。由圖7 所示,馬齒莧治療IBS-D 的機(jī)制主要涉及NOD 樣受體信號(hào)通路(NOD-like receptors signaling pathway)、NF-κB 信號(hào)通路(Nuclear factor-kappa B signaling pathway)、白細(xì)胞介素-17 信號(hào)通路(Interleukin-17 signaling pathway)等。這些信號(hào)通路與細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體的作用、造血細(xì)胞系、產(chǎn)IgA 的腸道免疫網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等密切相關(guān)。此外,這些信號(hào)通路也參與了脂質(zhì)動(dòng)脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、炎癥性腸病、哮喘等疾病。
圖7 KEGG 信號(hào)通路富集分析結(jié)果Fig.7 KEGG pathway enrichment analysis results
將馬齒莧活性化合物分別與RELA、CCL2、CXCL8、IL-1A 等核心靶點(diǎn)蛋白進(jìn)行分子對(duì)接驗(yàn)證。對(duì)接得分越小,表明受體蛋白與配體分子結(jié)合的越穩(wěn)定。如表2 所示,馬齒莧活性化合物與大部分核心靶點(diǎn)均有較好的結(jié)合。其中,花生四烯酸與IL-1A蛋白結(jié)合較好;環(huán)阿喬醇和β-胡蘿卜素與RELA蛋白結(jié)合效果較好;β-谷甾醇與TNF 蛋白結(jié)合較好;山奈酚、橙皮苷、木犀草素及槲皮素均與JUN 蛋白結(jié)合較好,異甜菜素及脫糖苷異豆素與IL-10 蛋白結(jié)合較好,這表明IL-1A、RELA、TNF、JUN 及IL-10 可能是馬齒莧治療IBS-D 的關(guān)鍵靶點(diǎn)。將對(duì)接結(jié)果用Pymol 進(jìn)行可視化分析并繪制分子對(duì)接模式圖。由圖8 可知,馬齒莧活性化合物多通過氫鍵作用力與核心蛋白氨基酸殘基發(fā)生相互作并結(jié)合至蛋白活性位點(diǎn)。
圖8 分子對(duì)接模式圖Fig.8 Molecular docking diagram
表2 核心靶點(diǎn)與馬齒莧化合物的分子對(duì)接結(jié)果Table 2 Molecular docking results of core active ingredients of POL
IBS-D 是一種慢性復(fù)發(fā)性胃腸道疾病,發(fā)病機(jī)制尚未明確。國(guó)外有學(xué)者指出,IBS-D 常見于細(xì)菌性胃腸炎癥后,并多伴隨腸粘膜持續(xù)的免疫激活[15]。目前,治療IBS-D 的藥物主要包括止痛類藥物及止瀉類藥物,如硝苯吡啶、苯乙哌啶等,但這些藥物均存在一定的毒副作用,不適宜長(zhǎng)期服用。傳統(tǒng)中藥因其高效低毒的特性而被廣泛應(yīng)用于治療多種疾病[16]。馬齒莧是一種民間傳統(tǒng)中草藥,多用于治療腹瀉、腹痛等癥。然而,馬齒莧的活性成分及其治療IBS-D 的作用機(jī)制目前仍不清楚。在研究中,利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)手段篩選了馬齒莧的活性成分并探究了馬齒莧治療IBSD 的分子靶點(diǎn)和機(jī)制。
通過TCSMP 數(shù)據(jù)庫檢索馬齒莧的成分并以類藥性及口服利用度為條件進(jìn)行篩選,最終得出10 種馬齒莧主要活性成分,包括β-胡蘿卜素、橙皮苷、山柰酚、木犀草素、槲皮素等。作為維生素A 的前體,β-胡蘿卜素具有明顯的自由基清除特性。臨床研究表明,服用β-胡蘿卜素可以緩解IBS-D 的炎癥狀態(tài),改善IBS-D 患者的腹痛強(qiáng)度和排便頻率[17]。Yosuke等[18]研究發(fā)現(xiàn),20 mg·kg-1木犀草素可以保護(hù)葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎并顯著抑制巨噬細(xì)胞和CD4T 細(xì)胞向結(jié)腸粘膜的浸潤(rùn),說明木犀草素具有腸道抗炎活性。此外,槲皮素、橙皮苷、山柰酚等成分也可通過抑制氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)腸粘膜功能、平衡腸道微生物等途徑維持腸道穩(wěn)態(tài)[19-20]。以上結(jié)果表明,這些成分可以作為馬齒莧的活性成分并進(jìn)行后續(xù)抗IBSD 相關(guān)機(jī)制的探究。
基于馬齒莧活性化合物篩選得到與IBS-D 相關(guān)靶點(diǎn)共68 個(gè)。對(duì)68 個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析后發(fā)現(xiàn),JUN、RELA、TNF、IL-10、IL-1B、IL-1A 等靶點(diǎn)度值較高,與其他靶點(diǎn)相互作用較為密切,為馬齒莧治療IBS-D 的核心靶點(diǎn)。富集分析結(jié)果表明核心靶點(diǎn)參與的生物學(xué)過程主要與炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、衰老、細(xì)胞增殖以及細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)相關(guān)。有研究表明,腸粘膜持續(xù)的低度炎癥可能是IBS-D 發(fā)病的重要原因[21]。在馬齒莧調(diào)節(jié)IBS-D 的核心靶點(diǎn)中,與調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)相關(guān)的靶點(diǎn)蛋白數(shù)量占據(jù)80%,主要包括IL-1A、IL-1B、TNF、CXCL8、RELA、IL-10 等。IL-1A 和IL-1B 是IL-1 家族的重要成員。作為有效的炎癥細(xì)胞因子,IL-1A 和IL-1B 可激活炎癥過程并引發(fā)局部和全身炎癥反應(yīng)[22]。然而與健康人群相比,IBSD 患者體內(nèi)IL-1A、IL-1B 水平顯著升高。腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)的紊亂被證明是IBS-D 患者腸道炎癥的基礎(chǔ)。作為一種強(qiáng)大的炎癥誘導(dǎo)劑,TNF 可通過破壞緊密連接蛋白、誘導(dǎo)上皮細(xì)胞分泌炎性因子、激活NF-κB 等方式廣泛參與細(xì)胞分化、凋亡并誘發(fā)炎癥反應(yīng)[23]。有研究表明,小檗堿能夠下調(diào)IBS-D 小鼠模型中TNF-α/NF-κB/MLCK 通路的異常激活,從而保護(hù)腸上皮緊密連接并修復(fù)IBS-D 對(duì)腸上皮屏障造成的損傷[24]。Chu Hao-Ran 等[25]在探究艾灸對(duì)IBS-D 大鼠結(jié)腸TLR4/MyD88/NF-κB 信號(hào)通路的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn),艾灸治療后血清中的TNF-α 水平顯著降低,炎癥情況明顯緩解。此外,從富集分析結(jié)果中可知,大部分核心靶點(diǎn)也與衰老密切相關(guān)。由此可見,馬齒莧可通過作用于炎癥相關(guān)靶點(diǎn)并抑制衰老相關(guān)基因表達(dá)從而對(duì)ISB-D 老年患者起到保護(hù)作用。
KEGG 通路分析結(jié)果顯示馬齒莧治療IBS-D 的關(guān)鍵通路主要包括NOD 樣受體信號(hào)通路、NF-κB 信號(hào)通路、白細(xì)胞介素-17 信號(hào)通路、TNF 信號(hào)通路、TLR 信號(hào)通路等。目前,已知宿主NOD 樣受體蛋白6(NOD-like receptor family pyrin domain containing 6,NLRP6)炎癥信號(hào)通路與IBS 密切相關(guān)。有研究結(jié)果表明,溫和灸可以通過控制NLRP6 炎性體信號(hào)傳導(dǎo)來緩解IBS 的炎癥和內(nèi)臟超敏反應(yīng)[26]。NF-κB 由一系列轉(zhuǎn)錄因子組成,可參與調(diào)節(jié)炎癥、先天免疫等多種生物反應(yīng)。通瀉藥方已被證明對(duì)IBS-D 患者有效。研究表明,通瀉藥方可增強(qiáng)腸黏膜屏障功能,其機(jī)制與抑制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)及抑制NF-κB 信號(hào)通路有關(guān)[27]。由KEGG 結(jié)果可知,馬齒莧主要通過影響炎癥信號(hào)通路、天然免疫信號(hào)通路等抵抗IBS-D。此外,可以看出同一靶點(diǎn)可參與調(diào)控多條信號(hào)通路,這也印證了中藥同病異治的治療特點(diǎn)。
將馬齒莧活性化合物與關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行分子對(duì)接并計(jì)算結(jié)合能。結(jié)合能分值≥-4.00,則表明配體與靶點(diǎn)無法自發(fā)結(jié)合;結(jié)合能分值小于-4.00 且大于-7.00,則認(rèn)為配體與靶點(diǎn)的結(jié)合活性較好;≤-7.00,則認(rèn)為配體與靶點(diǎn)結(jié)合活性更為良好。研究分子對(duì)接結(jié)合能結(jié)果表明,馬齒莧活性化合物均可與關(guān)鍵靶點(diǎn)蛋白自發(fā)結(jié)合,且結(jié)合活性較好。從分子對(duì)接結(jié)合模式圖可知,馬齒莧活性化合物多通過氫鍵作用力與靶蛋白相互作用。由于β-胡蘿卜素不存在H 供體及受體,無法形成氫鍵,因此其主要通過范德華力、疏水結(jié)合Pi-Alkyl 作用等方式與靶蛋白結(jié)合。分子對(duì)接結(jié)果進(jìn)一步說明馬齒莧主要活性成分可通過調(diào)控上述核心靶點(diǎn)對(duì)IBS-D 發(fā)揮治療作用,驗(yàn)證了上述網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)果的可靠性。馬齒莧活性成分對(duì)核心蛋白良好的結(jié)合能力也表明馬齒莧具有多靶點(diǎn)、多途徑的治療特點(diǎn)。
綜上所述,通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法預(yù)測(cè)了馬齒莧主要的活性成分、治療IBS-D 的潛在作用靶點(diǎn)及通路并利用分子對(duì)接手段進(jìn)行了驗(yàn)證,一定程度上揭示了馬齒莧治療IBS-D 的作用機(jī)制。研究后續(xù)將進(jìn)一步通過體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)對(duì)所得的馬齒莧成分及IBS-D靶點(diǎn)加以驗(yàn)證,為馬齒莧防治ISB-D 的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)2023年4期