王可 ,樓燁亮 ,高倩 ,徐水凌
(1.嘉興學(xué)院 醫(yī)學(xué)院,浙江嘉興314001;2.麗水市人民醫(yī)院,浙江麗水323000)
缺血性腦血管病為常見(jiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病,以腦血液循環(huán)障礙為主要特征.具有高發(fā)生率、高死亡率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率等特征,嚴(yán)重危害人體健康,目前,西醫(yī)治療腦缺血的臨床效果仍難以讓人滿意.[1]中藥由于可多靶點(diǎn)、多途徑整體干預(yù)腦缺血的發(fā)生發(fā)展,在腦缺血治療中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力.脈絡(luò)寧源自著名醫(yī)方“四妙勇安湯”,由玄參、牛膝、石斛、金銀花等組成,化學(xué)成分包括香豆素類、苯丙素類、昆蟲變態(tài)激素、三萜皂苷等,具有養(yǎng)陰清熱、活血化瘀的功效.[2-3]臨床上廣泛用于治療缺血性腦血管病,[4]療效可靠,副作用小.有研究表明,脈絡(luò)寧注射液能明顯縮小MCAO大鼠的腦梗死范圍.[5]另外,脈絡(luò)寧抗腦缺血與保護(hù)線粒體功能相關(guān),但具體機(jī)制尚未完全清晰.本文利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,同時(shí)構(gòu)建PC12細(xì)胞氧糖剝奪模型,探討脈絡(luò)寧抗腦缺血的作用機(jī)制,為后續(xù)研究提供支持.
從TCMSP中檢索篩選玄參、牛膝、石斛及金銀花的化學(xué)成分,將符合口服生物利用度(OB)>30%、類藥性(DL)>0.18的化合物確定為潛在的活性成分;[6]通過(guò)Pubchem數(shù)據(jù)庫(kù)檢索所含成分對(duì)應(yīng)的SMILES號(hào),借助Swiss Target Prediction 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè),[7]獲得脈絡(luò)寧活性成分合集及對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)合集.
利用疾病數(shù)據(jù)庫(kù) Genecards 、DisGeNET 和 CTD,以“Cerebral ischemia”為檢索詞條,對(duì)腦缺血的靶點(diǎn)進(jìn)行檢索收集,獲取腦缺血相關(guān)作用靶點(diǎn).將 1.1 項(xiàng)獲得的脈絡(luò)寧活性成分靶點(diǎn)與腦缺血疾病靶點(diǎn)導(dǎo)入 Venny 2.1 在線工具繪制 Venny 圖,獲得脈絡(luò)寧-腦缺血共同靶點(diǎn).
將脈絡(luò)寧-腦缺血共同靶點(diǎn)導(dǎo)入 STRING 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析,設(shè)置條件:物種=Homo sapiens,最低相互作用閾值=medium confidence(0.4),[8]獲得蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系,利用Cytoscape 3.9.0 軟件中的插件 CytoNCA 進(jìn)行關(guān)鍵靶點(diǎn)的篩選.
基于 DAVID 6.8 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交集靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體(Gene Ontology,簡(jiǎn)稱GO)功能注釋和通路富集(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,簡(jiǎn)稱KEGG)分析.[9]最后,將分析得到的靶點(diǎn)、信號(hào)通路相對(duì)應(yīng),運(yùn)用Cytoscape 3.9.0軟件構(gòu)建靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)模型.
根據(jù) KEGG 通路富集結(jié)果,利用autodock vina將相關(guān)通路涉及靶點(diǎn)與脈絡(luò)寧活性成分進(jìn)行分子對(duì)接.Vina半柔性分子對(duì)接后的結(jié)合能越低,表明活性成分與靶點(diǎn)存在相互作用的可能性越大.當(dāng)結(jié)合能小于-5.0 kcal·mol-1時(shí),表明脈絡(luò)寧潛在活性分子與核心靶點(diǎn)結(jié)合得比較好;當(dāng)結(jié)合能小于-7.0 kcal·mol-1時(shí),表明脈絡(luò)寧潛在活性分子與核心靶點(diǎn)之間的結(jié)合極為強(qiáng)烈.[10]
1.6.1 細(xì)胞
PC12細(xì)胞株由浙江中醫(yī)藥大學(xué)提供.
1.6.2 藥物與試劑
脈絡(luò)寧注射液(南京金陵制藥廠,批號(hào):20210412);依達(dá)拉奉(MCE,批號(hào):34266);MTT(Sigma-Aldrich,批號(hào):EZ7890B255);線粒體膜電位檢測(cè)試劑盒(碧云天,批號(hào):032421211103);RT-PCR反應(yīng)試劑盒引物購(gòu)自上海生物工程公司;RNA 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(日本 TaKaRa 公司,批號(hào):AK3017).
1.6.3 PC12細(xì)胞氧糖剝奪模型(OGD)的建立
通過(guò)OGD方法模擬腦缺血神經(jīng)細(xì)胞損傷模型.培養(yǎng)至對(duì)數(shù)培養(yǎng)期的PC12細(xì)胞,再在37℃下全部換成無(wú)糖Earle's 緩沖液,最后通95%N2+5%CO2的混合氣6 h后取出缺氧盒進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).
1.6.4 MTT檢測(cè)
按MTT實(shí)驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)步驟操作.脈絡(luò)寧預(yù)保護(hù)48 h,OGD后每孔加 MTT(5 mg/m1)20 μl,置于37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)4 h,吸去上層清液,每孔加入 DMSO 150 μl,以空白對(duì)照調(diào)零,用酶標(biāo)儀檢測(cè)570 nm波長(zhǎng)處各孔 OD 值.計(jì)算細(xì)胞的存活率.
1.6.5 線粒體膜電位檢測(cè)
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的PC12細(xì)胞,以每孔 1×105個(gè)細(xì)胞密度接種于24孔板,脈絡(luò)寧組干預(yù)48 h,依達(dá)拉奉組干預(yù)24 h,吸出每孔培養(yǎng)液,用JC-1孵育30 min后在熒光顯微鏡下檢測(cè).
1.6.6 qRT-PCR 檢測(cè)靶基因
TaKaRa 試劑盒提取總 RNA.使用逆轉(zhuǎn)錄—聚合酶鏈RT-PCR反應(yīng)試劑盒,將 mRNA 逆轉(zhuǎn)錄為 cDNA,并對(duì)Real-time PCR 進(jìn)行擴(kuò)增.反應(yīng)條件:94°C 預(yù)變性 5 min,94°C 變性 30 s,60°C 退火 45 s,72°C 延伸 30 s,35 個(gè)循環(huán)后在72°C下延伸 7 min.最后用熒光定量 PCR 儀檢測(cè)常規(guī)溶解曲線,分析測(cè)定Ct值,以 2-ΔΔCt的計(jì)算值作為相對(duì)表達(dá)水平.
1.6.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
采用 GraphPad Prism 9 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析,定量資料以χ±s表示,同時(shí)采用單因素方差分析、多重比較法進(jìn)行分析.以P值表示:P<0.05 表示有顯著性差異,P<0.01 表示有極顯著性差異.
通過(guò)檢索各文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)并采用Swiss ADME平臺(tái)預(yù)測(cè)和Swiss Target Prediction對(duì)各個(gè)成分進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測(cè),共獲得存在靶點(diǎn)的脈絡(luò)寧活性成分58個(gè)(見(jiàn)表1),共獲得活性成分的靶點(diǎn)1 051個(gè),刪除重復(fù)靶點(diǎn)后最終獲得317個(gè)靶點(diǎn).
表1 脈絡(luò)寧活性成分
通過(guò)Genecards和CTD對(duì)腦缺血治療靶點(diǎn)進(jìn)行檢索,篩選整理后共獲得腦缺血治療相關(guān)靶點(diǎn)276個(gè),將腦缺血與脈絡(luò)寧活性成分的靶點(diǎn)輸入 Venny 2.1.0 軟件,繪制韋恩圖,取其交集后獲得脈絡(luò)寧-腦缺血共同靶點(diǎn)84個(gè),見(jiàn)圖1.
圖1 脈絡(luò)寧活性成分——腦缺血交集基因韋恩圖
根據(jù)2.2項(xiàng)分析得到的潛在作用靶點(diǎn)及靶點(diǎn)與活性成分之間的關(guān)系,應(yīng)用cytoscape軟件構(gòu)建脈絡(luò)寧活性成分——抗腦缺血靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖(見(jiàn)圖2A).該網(wǎng)絡(luò)中包含115個(gè)節(jié)點(diǎn)及215條邊,其中31個(gè)節(jié)點(diǎn)表示脈絡(luò)寧活性成分(不同形狀代表來(lái)自不同藥物),84個(gè)長(zhǎng)方形節(jié)點(diǎn)表示腦缺血靶點(diǎn),203條邊代表脈絡(luò)寧活性成分與腦缺血靶點(diǎn)間的相互作用.各活性成分按度值大小進(jìn)行排序,選取排名靠前的5個(gè)活性成分并篩選相對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)構(gòu)建脈絡(luò)寧活性成分——腦缺血靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖2 B),該網(wǎng)絡(luò)中包含73個(gè)節(jié)點(diǎn)和133條邊,其中活性成分節(jié)點(diǎn)5個(gè),靶點(diǎn)節(jié)點(diǎn)128個(gè).核心網(wǎng)絡(luò)包含的活性成分分別為槲皮素、蘆丁、山奈酚、漢黃芩素、β胡蘿卜素,表明這五種成分是脈絡(luò)寧治療腦缺血時(shí)發(fā)揮作用的關(guān)鍵性成分.
圖2 脈絡(luò)寧活性成分——腦缺血靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖
注:六邊形為石斛成分;箭頭為金銀花成分;圓形為牛膝成分;菱形為玄參成分;三角形為共同成分;長(zhǎng)方形為腦缺血靶點(diǎn)
將脈絡(luò)寧活性成分治療腦缺血的潛在作用靶點(diǎn)導(dǎo)入STRING平臺(tái),應(yīng)用Cytoscape軟件繪制成一個(gè)包含84個(gè)節(jié)點(diǎn)和1547條邊的PPI網(wǎng)絡(luò)圖,獲得蛋白相互作用的關(guān)系.將結(jié)果進(jìn)一步導(dǎo)入Cytoscape 3.7.3軟件進(jìn)行拓?fù)浞治?,并?gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3).最終得到PPI核心網(wǎng)絡(luò)中排名靠前的蛋白,分別為ALB、AKT1、IL6、CASP3、VEGFA、JUN、PTGS2、MMP9,這些靶點(diǎn)與其他靶點(diǎn)關(guān)聯(lián)密切,可能在治療腦缺血的過(guò)程中占據(jù)重要地位.
圖3 PPI網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鰣D
GO和KEGG分析的主要區(qū)別在于它們所依據(jù)的數(shù)據(jù)不同.GO分析是基于序列信息,而KEGG分析則是通過(guò)對(duì)基因的表達(dá)信息進(jìn)行分析來(lái)確定基因的功能的.本文利用 DAVID 6.8 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)交集靶點(diǎn)進(jìn)行生物富集分析,得到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)的 GO 功能富集條目 602 條,其中生物過(guò)程(biological process,BP)466 條,分子功能(molecular function,MF)74 條,細(xì)胞組分(cellular component,CC)62 條.對(duì) GO 富集條目按照P進(jìn)行排序,P越小表示富集程度越高,分別選取 BP、CC 和 MF 中排名前 10 的條目繪制圖形,如圖 4.GO分類富集結(jié)果表明,脈絡(luò)寧活性成分是通過(guò)多種生物學(xué)過(guò)程的作用來(lái)治療腦缺血的.
KEGG 通路富集結(jié)果顯示,共涉及 140 條通路,將P排序前20名的繪制成KEGG 通路氣泡圖,由圖 5可知,脈絡(luò)寧活性成分對(duì)腦缺血的防治主要分布在TNF信號(hào)通路、IL-17信號(hào)通路、HIF-1信號(hào)通路、松弛素信號(hào)通路等,表明脈絡(luò)寧活性成分可通過(guò)多條信號(hào)通路發(fā)揮治療腦缺血的作用.
圖5 脈絡(luò)寧活性成分治療腦缺血的相關(guān)通路KEGG富集結(jié)果
將排名前20的KEGG信號(hào)通路及相對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)導(dǎo)入 Cytoscape 3.9.0 軟件中構(gòu)建腦缺血靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖6),該網(wǎng)絡(luò)中共包含35個(gè)節(jié)點(diǎn)和145條邊,其中三角形為信號(hào)通路節(jié)點(diǎn),長(zhǎng)方形為靶點(diǎn)節(jié)點(diǎn).結(jié)果顯示,脈絡(luò)寧活性成分是通過(guò)多靶點(diǎn)、多途徑的共同作用下治療腦缺血的.該網(wǎng)絡(luò)中度值排名靠前的靶點(diǎn)為RelA、AKT1、CASP3、MAPK1、MAPK8、NFκb,CASP8、JUN等,分別調(diào)控了多條信號(hào)通路,表明該8個(gè)靶點(diǎn)在脈絡(luò)寧活性成分治療腦缺血的過(guò)程中起到了重要的作用.
圖6 脈絡(luò)寧活性成分治療腦缺血靶點(diǎn)-信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)模型注:三角形為信號(hào)通路節(jié)點(diǎn),長(zhǎng)方形為靶點(diǎn)節(jié)點(diǎn)
由2.4項(xiàng)可知,PPI核心網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵蛋白為ALB、AKT1、IL6、CASP3、VEGFA、JUN、PTGS2、MMP9,靶點(diǎn)-信號(hào)通路中的核心基因?yàn)镽elA、AKT1、CASP3、MAPK1、MAPK8、NFκb、CASP8、JUN,結(jié)合2.3項(xiàng)中獲得的關(guān)鍵活性成分,利用autodock vina對(duì)上述基因與可作用于這些基因的活性成分進(jìn)行半柔性分子對(duì)接.
表2顯示,活性成分與其對(duì)應(yīng)的靶點(diǎn)分子對(duì)接的結(jié)合能均小于-5.0 kJ/mol,表明活性成分與靶點(diǎn)具有較好的結(jié)合活性.選取結(jié)合能最高(MOL000173與JUN)和最低(MOL000006與PTGS2)的進(jìn)行對(duì)接,結(jié)果見(jiàn)圖7.
表2 分子對(duì)接驗(yàn)證結(jié)果
圖7 結(jié)合能最高和最低的分子對(duì)接結(jié)果圖
2.8.1 脈絡(luò)寧對(duì)PC12細(xì)胞存活率的影響
與 control 組相比,OGD 損傷組的神經(jīng)元吸光度明顯下降,細(xì)胞存活率降低(P<0.05);與 OGD 組相比,PC12細(xì)胞經(jīng)濃度為0.2 μmol/L、0.02 μmol/L 的脈絡(luò)寧干預(yù)后,吸光度明顯增加,說(shuō)明脈絡(luò)寧能顯著改善經(jīng)OGD后PC12細(xì)胞的存活率,并呈濃度依賴性,對(duì)PC12細(xì)胞有保護(hù)作用,如表3、圖8所示.
表3 脈絡(luò)寧對(duì)PC12細(xì)胞存活率的影響(χ±s,n=9)
圖8 脈絡(luò)寧對(duì) OGD 損傷后PC12細(xì)胞存活率的影響(χ±s,n=9)
2.8.2 脈絡(luò)寧對(duì)OGD誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞線粒體膜電位水平的影響
與假手術(shù)組相比,OGD組細(xì)胞線粒體膜電位顯著降低(P<0.01);與OGD組相比,脈絡(luò)寧0.2 μmol/L、0.02 μmol/L劑量組和依達(dá)拉奉0.1 μmol/L細(xì)胞線粒體膜電位均顯著增加 (P<0.05,P<0.01)(見(jiàn)表4,圖 9).
表4 脈絡(luò)寧對(duì)OGD誘導(dǎo)PC12 細(xì)胞線粒體膜電位的影響(ˉχ±s,n=3)
圖9 脈絡(luò)寧對(duì)OGD誘導(dǎo)的PC12 細(xì)胞線粒體膜電位的影響
2.8.3脈絡(luò)寧關(guān)鍵靶點(diǎn)基因變化對(duì)OGD誘導(dǎo)PC12細(xì)胞的影響
RT-PCR 結(jié)果顯示,與control 組相比,OGD組的Caspase3、Caspase8、RelA、NFκb、MAPK1、MAPK8、Jun mRNA 表達(dá)顯著上調(diào)(P<0.05,P<0.01),而 AKT1 mRNA 水平則下調(diào)(P<0.01);與OGD組比較,脈絡(luò)寧組與依達(dá)拉奉組的Caspase3、Caspase8、RelA、NFκb、MAPK1、MAPK8、Jun mRNA 表達(dá)顯著下調(diào)(P<0.05,P<0.01),而AKT1 mRNA 表達(dá)上調(diào)(P< 0.01),見(jiàn)表5.
表 5 脈絡(luò)寧對(duì)OGD誘導(dǎo)PC12細(xì)胞關(guān)鍵靶點(diǎn)基因mRNA 表達(dá)的影響(χ ±s,n=3)
本研究利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究方法,搜集脈絡(luò)寧注射液中中藥成分共含58種,對(duì)應(yīng)276個(gè)靶點(diǎn),與腦缺血交集的靶點(diǎn)84個(gè),核心靶點(diǎn)8個(gè),分別為RelA、AKT1、CASP3、MAPK1、MAPK8、NFκb、CASP8、JUN.核心靶點(diǎn)的 GO 富集分析結(jié)果表明,脈絡(luò)寧注射液抗腦缺血主要在細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)通路、對(duì)脂多糖的反應(yīng)、基因表達(dá)的正向調(diào)節(jié)、細(xì)胞凋亡過(guò)程的負(fù)向調(diào)節(jié)、細(xì)胞對(duì)鎘離子的反應(yīng)等;細(xì)胞組分主要涉及細(xì)胞外空隙、胞外區(qū)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔、膜筏等;分子功能主要涉及酶結(jié)合、蛋白結(jié)合、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、血紅素結(jié)合等.KEGG 富集分析前 20 項(xiàng)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有研究報(bào)道顯示:TNF信號(hào)通路、IL-17信號(hào)通路、HIF-1信號(hào)通路、松弛素信號(hào)通路等都與腦缺血相關(guān).[11-14]由此可見(jiàn),脈絡(luò)寧注射液可能通過(guò)上述多個(gè)生物過(guò)程、靶點(diǎn)和通路共同參與抗腦缺血,其機(jī)制主要涉及抗炎、保護(hù)線粒體功能及改善血流動(dòng)力學(xué)相關(guān)的信號(hào)通路.
為驗(yàn)證脈絡(luò)寧通過(guò)保護(hù)線粒體活性抗腦缺血的有效性,本研究通過(guò)OGD構(gòu)建體外腦缺血模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.依達(dá)拉奉是一種自由基清除劑,被廣泛應(yīng)用于腦血管病的治療,[15]故本研究使用依達(dá)拉奉作為陽(yáng)性對(duì)照藥物進(jìn)行干預(yù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)寧的PC12細(xì)胞OGD損傷明顯下降,說(shuō)明可明顯改善因OGD誘導(dǎo)的線粒體膜電位下降,表明脈絡(luò)寧的抗腦缺血作用與保護(hù)線粒體活性相關(guān).
為進(jìn)一步探討脈絡(luò)寧抗腦缺血可能的機(jī)制,本研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測(cè)的8個(gè)關(guān)鍵靶基因RelA、AKT1、CASP3、MAPK1、MAPK8、NFκb、CASP8、JUN進(jìn)行驗(yàn)證.RelA是NFκB通路的主要功能亞基,翻譯后修飾能有效調(diào)控NFκB的轉(zhuǎn)錄激活,進(jìn)而在炎癥反應(yīng)及腦缺血的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用.[16]近年來(lái),許多研究證明MAPK8信號(hào)通路與腦缺血損傷后的神經(jīng)細(xì)胞凋亡有密切關(guān)系.[17-19]JUN屬于核轉(zhuǎn)錄基因,腦缺血時(shí)被激活,調(diào)控目的基因的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡,[20]這與本研究RT-PCR結(jié)果趨勢(shì)相同.大量證據(jù)表明,腦缺血后導(dǎo)致的線粒體功能障礙最終可引起細(xì)胞自噬或凋亡,[21-23]腦缺血時(shí),PI3K/Akt磷酸化水平顯著降低,Caspase3、Caspase8表達(dá)增加,通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)引起線粒體途徑的細(xì)胞凋亡.[24-26]研究還發(fā)現(xiàn),AKT1在急性中風(fēng)病、阿爾茨海默病等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中,可通過(guò)線粒體途徑抗凋亡機(jī)制保護(hù)神經(jīng)元,對(duì)神經(jīng)元存活起促進(jìn)作用.[27]本研究中,經(jīng)OGD后,脈絡(luò)寧可顯著上調(diào)AKT1 mRNA,下調(diào)Caspase3、Caspase8、mRNA.進(jìn)一步證實(shí)了脈絡(luò)寧可通過(guò)線粒體途徑抗腦缺血損傷.結(jié)合關(guān)鍵靶基因的相關(guān)研究報(bào)道和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,脈絡(luò)寧治療腦缺血可能與通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路抑制炎癥反應(yīng)、進(jìn)而抑制線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有關(guān),這為進(jìn)一步研究其作用機(jī)制提供了參考.