基于網絡藥理學和分子對接探討藏麻黃揮發性成分對支氣管炎的作用機制

常子惠，何文佳，多杰仁青，崔小梅，衛波寧，德 吉*

1西藏大學理學院；2西藏自治區農牧科學院水產科學研究所；3西藏藏醫藥大學，拉薩 850000

支氣管炎主要是由支氣管黏膜及周圍組織的特異性反應而引起的炎癥[1]，其發病周期長，致病主要受季節變化、病毒感染、過敏性感染等外部因素及呼吸道防御系統、免疫力降低等內部因素的影響[2]。

麻黃作為中藥使用歷史悠久，具有發汗散寒、利水消腫、宣肺平喘的功效[3]，是常用于支氣管炎的中藥，其含有多個活性成分。研究發現了麻黃與桂枝中藥配伍中木犀草素、芹菜素、槲皮素等黃酮類化合物與TNF-α、LTB4靶點作用，從而起到治療支氣管炎的作用[4]，但揮發性成分是否對支氣管炎有作用目前未報道。藏麻黃為西藏特有的麻黃屬植物，其根、莖具有特殊香氣。藏醫古籍《晶珠本草》[5]記載 “才屯(麻黃)止血，清脾熱”，《中華藏本草》[6]記載“清血熱、心熱、肝熱、脾熱及新舊熱、利水、止血、止咳”。已有報道其他麻黃屬植物揮發性成分，例如，甘肅草麻黃(Ephedrasinica)揮發性主要成分為d-α-松油醇(21.4%)、十六烷酸(14.74%)、9-十六炔酸(7.51%)[7]；陜西草麻黃揮發性主要成分是l-α-萜品烯醇(28.57%)、2,3,5,6-四甲基吡嗪(7.92%)[8]；中麻黃(Ephedraintermedia)揮發性主要成分為1,4-桉葉素(12.8%)、1,8-桉葉素(9.9%)；木賊麻黃(Ephedraequisetina)的揮發性主要成分是十六烷酸(26.22%)、鄰苯二甲酸二丁酯(10.48%)[9]。藏麻黃因長期適應于高原環境，可能有特殊的藥效物質。已發現藏麻黃根、莖具有的特殊香氣有別于中藥草麻黃、中麻黃等。其揮發性成分是什么，與其他麻黃屬植物揮發性成分有何區別，麻黃根與莖的揮發性成分有何區別，目前未見報道。

利用網絡藥理學方法篩選活性物質，預測靶標蛋白，尋找信號通路，可快速預測活性成分、靶標蛋白和疾病發生發展相關通路網絡之間的相互作用。分子對接是一種運用計算機技術基于受體特性以及受體與藥物分子之間相互作用方式的藥物設計方法，其主要研究依據是配體和受體分子在結合過程中的構象變化。由于在線的TCMSP數據庫中未包括藏麻黃化學成分信息，因此，利用GC-MS推測藏麻黃揮發性成分，結合TCMSP在線數據構建小型數據庫，利用化合物CAS號查詢潛在的藥物作用靶點，實施網絡藥理學分析與分子對接，預測藏麻黃揮發性成分治療支氣管炎的作用機制。

1 材料與方法

1.1 材料

氣質聯用儀(GC-MS)(6890N+5975B，美國Agilent公司)，揮發油提取器(常規玻璃儀器)。本研究所用的藏麻黃采自西藏拉薩，海拔3 674 m，經西藏大學拉瓊教授鑒定為藏麻黃(E.saxatilis)；所用試劑有乙醚(分析純，成都金山化學試劑有限公司)、無水硫酸鈉(分析純，成都金山化學試劑有限公司)。

1.2 數據庫平臺

中藥系統藥理學分析平臺(TCMSP，http://tcmspw.com/tcmsp.php)；Uniprot數據庫(https://www.uniprot.org/)；GeneCards數據庫(http://www.genecards.org/)；STRING數據庫(http://string-db.org/)；Cytoscape 3.8.0軟件；R 4.0.5軟件及ClusterProfiler軟件包；PubChem數據庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)；蛋白質晶體數據庫PDB(http://www.rcsb.org)；CB-Dock分子對接在線平臺(http://clab.labshare.cn/cb-dock/php/blinddock.php)。

1.3 方法

1.3.1 GC-MS分析

1.3.1.1 揮發油制備

采用傳統水蒸氣蒸餾法分別提取藏麻黃根、莖的揮發油。稱取粉碎后的樣品200 g于提取器中，加適量水浸泡1 h，加熱提取6 h，冷卻至室溫后加適量乙醚萃取，待均勻分層后取出乙醚層，經無水硫酸鈉干燥，乙醚自然揮干，得到具有特殊香味的淡黃色油狀物。

1.3.1.2 GC-MS條件

美國Agilent公司6890N/5975B型氣相色譜-質譜聯用儀，GC條件：HP-5MS型色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；程序升溫：柱初始溫度60 ℃，保溫2 min，以5 ℃/min升溫速率升至250 ℃，保溫10 min；載氣He；流速1 mL/min；分流比100∶1。

MS條件：EI離子源；電子能量70 eV；離子源溫度260 ℃；掃描范圍30～500 aum；接口溫度250 ℃；四級桿溫度150 ℃；溶劑延遲3 min；進樣量1 μL。

檢索數據庫為NIST14，采用峰面積歸一化法計算揮發油各成分的相對百分含量。

1.3.2 網絡藥理學分析

1.3.2.1 檢索化合物潛在的靶點與支氣管炎相關靶點

利用GC-MS檢測出的藏麻黃揮發油化合物的CAS號在中藥系統藥理學分析平臺(TCMSP)獲得化合物的MOLID及其潛在的作用靶點及相關基因名。檢索得到的靶點再與Uniprot數據庫比對，通過Uniprot進行gene名稱標準化。在GeneCards數據庫以“Bronchitis”為檢索詞搜索支氣管炎相關靶點的gene名稱，將化合物靶點和疾病相關靶點取交集分析。用上述靶點信息可分析藏麻黃揮發油對支氣管炎的治療機制。

1.3.2.2 靶標蛋白互相作用核心網絡的構建

將所得的共同靶基因在STRING數據庫進行PPI網絡分析，隱藏游離靶點，蛋白互作分值設為0.4，導出TSV格式文件，導入Cytoscape 3.7.1軟件構建蛋白互作網絡。

1.3.2.3 化合物-靶點-通路網絡

利用Cytoscape 3.7.1軟件對化合物、靶點、通路信息進行化合物-靶點-通路網絡的構建。

1.3.2.4 靶點通路分析

將靶點通過R語言ClusterProfiler包進行GO功能富集分析，對得到的生物過程(biological process，BP)條目、細胞組成(cell composition，CC)條目、分子功能(molecular function，MF)條目以P<0.05加以篩選，各類別排名前10的GO條目繪制氣泡圖，KEGG通路富集篩選得到的前20條信號通路(P<0.05)繪制氣泡圖。

1.3.3 分子對接

在使用Cytoscape 3.7.1構建蛋白互作網絡時對數據進行“Network Analyze”分析，根據分析結果選擇degree值靠前的4個靶點作為分子對接的蛋白。在化合物-靶點-通路網絡構建時對該網絡也進行“Network Analyze”拓撲分析，選取degree值大于10的化合物與上述靶點分別進行分子對接。分別從PDB和PubChem數據庫下載上述篩選出的核心成分以及核心靶點的蛋白質晶體結構和化合物結構文件，利用CB-Dock網絡平臺對靶點與化合物進行對接。

2 結果

2.1 GC-MS檢測及結果

根據“1.3.1.2”方法對藏麻黃根、莖的揮發油進行分析，共檢出146個化合物(見圖1、圖2)。根據NIST14匹配度和RI指數，推測了67個化合物(見表1)，其中莖的揮發油中含有40個化合物，占藏麻黃莖總揮發性成分的67.91%。根揮發油中共推測了38個化合物，占藏麻黃根總揮發性成分的61.43%。藏麻黃莖中揮發油主要化合物是2,3,5,6-四甲基吡嗪(10.92%)、Z-9-十五烯醇(9.15%)、二羥基苯乙酮(7.92%)；藏麻黃根揮發油中主要化合物為亞油酸(7.81%)、紅沒藥醇(7.1%)、Z-9-十五烯醇(5.98%)。根、莖共有揮發性成分有12個，分別為苯甲醛、α-萜品醇、芳樟醇氧化物、2,3,5,6-四甲基吡嗪、香葉醇、百里香酚、α-香檸檬烯、欖香醇、Z-9-十五烯醇、棕櫚油酸、棕櫚酸、亞油酸。

圖1 藏麻黃根揮發性成分總離子流圖Fig.1 TIC of the volatile chemical compounds in E.saxatilis roots

圖2 藏麻黃莖揮發性成分總離子流圖Fig.2 TIC of the volatile chemical compounds in E.saxatilis stems

表1 藏麻黃根、莖揮發性化學成分

續表1(Continued Tab.1)

2.2 化合物潛在作用靶點與支氣管炎相關靶點

藏麻黃根、莖的67個揮發性成分，命中362個靶點，去重后34個化合物命中94個靶點。通過對94個靶點與GeneCards數據庫獲得的1 125個支氣管炎疾病靶點做韋恩交集處理，得到32個化合物與疾病的公共靶點(見圖3)。

圖3 化合物、疾病靶點交集韋恩圖Fig.3 Venny diagram between chemical targets and disease targets

2.3 靶標蛋白互相作用核心網絡

上述34個化合物與支氣管炎疾病的32個公共靶點導入STRING數據庫進行PPI網絡分析，獲得化合物靶標蛋白互作核心網絡數據。為了更直觀表示蛋白互作核心網絡關系，該數據用Cytoscape 3.7.1軟件構建蛋白互作網絡圖(見圖4)。隱藏游離節點，該網絡共有30個節點，178條邊。結果發現白細胞介素6(IL6)、腫瘤壞死因子(TNF)、前列腺素內過氧化物合成酶2(PTGS2)、白細胞介素8(CXCL8)這4個靶點可能是藏麻黃揮發性成分治療支氣管炎的關鍵靶點。

圖4 化合物靶標蛋白互作核心網絡Fig.4 Core network of compound target protein interaction注：節點表示蛋白，每條邊則表示蛋白與蛋白之間的相互作用關系。節點越大或條越粗表示關聯度越大。顏色隨著蛋白互作關聯度的減小呈現出由藍色到黃色再到橙色的漸變過程。Note:Nodes represent proteins,and each edge represent the protein-protein interaction relationship.Larger nodes or thicker bars represent a greater degree of association.The color gradually changed from blue to yellow,to orange shows the decreases the protein-interaction association.

2.4 GO分析和KEGG通路分析

用“1.3.2.4”方法對藏麻黃揮發性成分與支氣管炎的32個交集靶點做GO和KEGG富集分析。GO富集分析結果發現有173個生物過程(BP)、19個細胞組成(CC)、29個分子功能(MF)條目(見圖5)。結果上述32個靶點主要富集在脂多糖的響應、細菌源分子的響應、氧化應激反應、對毒性物質的反應及細胞對脂多糖的反應等生物過程；在細胞組成方面，主要富集在膜筏、膜微域、膜區域、漿膜外腔等；在分子功能方面體現在細胞因子受體結合、細胞因子活性、熱休克蛋白結合、蛋白酶結合等。

圖5 GO功能富集分析Fig.5 GO functional enrichment analysis注：圓點大小表示富集的基因數，圓點越大富集基因越多；顏色代表富集的顯著程度，顏色越紅富集越顯著。下同。Note:The circular dot size indicates the number of enrichment genes.The circular dot size larger,the number of genes increase.The color indicates the significance of enrichment.The more significant enrichment,the color to be redder.The same below.

KEGG富集分析結果得到55個通路，其中對前20條通路(P<0.05)進行可視化分析，結果(見圖6)顯示藏麻黃揮發性成分的靶點主要富集在乙型肝炎、脂質和動脈粥樣硬化、沙門氏菌感染、Toll樣受體信號通路等。IL6、TNF、PTGS2、CXCL8蛋白共同參與了Toll樣受體、阿米巴病、軍團菌病、恰加斯病(美洲錐蟲病)、百日咳、乙型肝炎、類風濕性關節炎、瘧疾等信號通路。

圖6 KEGG前20個通路富集分析Fig.6 The top 20 of KEGG pathway enrichment analysis

2.5 化合物-靶點-通路網絡

32個公共靶點、KEGG前20條通路(P<0.05)與對應公共靶點的21個化合物用Cytoscape軟件進行“Network Analyze”分析，獲得化合物-靶點-通路網絡關系圖。發現共有73個節點，209條邊(見圖7)。藏麻黃根、莖揮發性成分中丁子香酚(degree=28)、月桂酸(degree=17)、反式法尼醇(degree=17)、α-萜品醇(degree=13)、欖香醇(degree=12)、棕櫚酸(degree=12)為作用于支氣管炎疾病靶點的主要有效成分。

圖7 化合物、靶點和通路相互作用網絡圖Fig.7 The network of compounds interaction with targets and pathway注：紅色節點代表化合物，黃色節點代表靶點，藍色節點代表作用通路。Note:The red color nodes represent compounds,the yellow nodes represent targets,and the blue nodes represent pathways.

2.6 分子對接分析

用“1.3.3方法”將“2.3分析結果”中的4個靶點蛋白和“2.5分析結果”中的6個化合物進行分子對接。根據靶點與配體之間的結合能用Vina分值評價，得分小于0說明蛋白和化合物可以結合，得分越低靶點與配體之間結合越容易。對接結果(見表2)顯示藏麻黃揮發性成分丁子香酚、月桂酸、反式法尼醇、α-萜品醇、欖香醇、棕櫚酸與IL6、TNF、PTGS2、CXCL8這4個靶點具有良好的結合作用。圖8為對接效果較好的反式法尼醇、欖香醇、棕櫚酸、丁子香酚與PTGS2之間的分子對接示例。

表2 核心靶點與化合物的對接數值

續表2(Continued Tab.2)

3 討論與結論

本研究發現了藏麻黃莖中揮發性主要成分與中麻黃和木賊麻黃中已報道的揮發性主要成分不同。2,3,5,6-四甲基吡嗪為藏麻黃與草麻黃共有的揮發性主要成分。除了麻黃堿及偽麻黃堿以外，2,3,5,6-四甲基吡嗪亦是麻黃的主要活性成分，在食品香料添加劑中應用較廣。藏麻黃莖的其他兩個主要成分為Z-9-十五烯醇(9.15%)和二羥基苯乙酮(7.92%)。Z-9-十五烯醇被報道為白花前胡(Peucedanumpraeruptorum)莖揮發性主要成分，其揮發油具有對大腸桿菌、傷寒沙門氏菌和福氏志賀氏菌有抑菌活性[10]，但是Z-9-十五烯醇物質是否具有活性未報道。二羥基苯乙酮對慢性阻塞性肺疾病患者有降低平均肺動脈壓作用[11]，但對支氣管炎作用方面未報道。藏麻黃根揮發性主要成分為亞油酸(7.81%)、紅沒藥醇(7.1%)、Z-9-十五烯醇(5.98%)。亞油酸為不飽和脂肪酸，有降低血脂、軟化血管的作用。紅沒藥醇是西藏扁芒菊(Waldheimiaglabra)、刺蕊草屬植物(Pogostemonspeciosus)、巴西菊屬植物(Eremanthuserythropappus)和母菊(Matricariachamomilla)等植物中含有的主要成分，有抗炎、抗癌、抗菌和抗氧化等活性[12]。藏麻黃根、莖共有揮發性成分中棕櫚油酸、棕櫚酸、亞油酸都屬于不飽和脂肪酸，有重要的營養價值和經濟價值。α-萜品醇、芳樟醇氧化物、α-香檸檬烯、百里香酚、欖香醇也是植物揮發油中常見的成分，有抑菌、抗炎和抗氧化等多個活性。綜合以上，說明藏麻黃根莖揮發油在食品、藥物開發等具有應用前景。

支氣管炎多為散發性疾病，流行傾向較小，發病時間多為寒冷季節或氣候突變之時，年老體弱者易發。臨床驗證[13]表明麻黃治療急性支氣管炎、小兒毛細支氣管炎效果顯著。支氣管炎是炎癥反應機制的疾病，本研究篩選出IL6、TNF、PTGS2、CXCL8等4個核心靶蛋白，可能在藏麻黃揮發性成分治療支氣管炎的過程中起重要作用。IL-6是一種具有多種生物活性的趨化因子，可刺激多種疾病的炎癥和自身免疫過程，具有激活和調節免疫細胞等生理特性，通過參與淋巴細胞和單核細胞的分化，促進B細胞的成熟，分泌IgG、IgE、IgA等細胞因子，從而參與多種炎癥反應及疾病的發生發展過程[14]，是治療感染、炎癥、自身免疫和癌癥的藥物靶標。TNF是一種涉及系統性炎癥的細胞因子，同時也是屬于引起急性反應的眾多細胞因子中的一員，主要由巨噬細胞分泌，可誘發某些腫瘤細胞系的細胞死亡。TNF-α可以激活中性粒細胞和巨噬細胞，以增加其細胞毒性作用，釋放更多IL-6、IL-8等細胞炎性因子，進而加快炎癥反應進程[15]。PTGS2負責產生炎性前列腺素，是誘導生物活性的脂類調節物，在炎癥介質的刺激下，其水平顯著升高，且哮喘患者支氣管肺泡灌洗液中的PTGS2含量較多，表明PTGS2與哮喘的炎癥相關[16]。CXCL8是巨噬細胞和上皮細胞等分泌的細胞因子，能吸引中性粒細胞、嗜堿細胞和T細胞，還參與中性粒細胞的激活。它可從幾種類型的細胞中釋放出來，以應對炎癥的刺激，其主要生物活性是吸引和激活中性粒細胞，中性粒細胞與CXCL8接觸后發生形態變化，定向游走到反應部位并釋放一系列活性產物，這些作用可導致機體局部的炎癥反應，達到殺菌和細胞損傷的目的。此外CXCL8對嗜酸性粒細胞、嗜堿性粒細胞和淋巴細胞也有一定作用。

本研究發現了藏麻黃34個揮發性成分作用于支氣管炎32個靶點。這些靶點中包括了莖的主要成分2,3,5,6-四甲基吡嗪，根的主要成分亞油酸和根莖共有的成分苯甲醛、α-萜品醇、芳樟醇氧化物、2,3,5,6-四甲基吡嗪、香葉醇、百里香酚、欖香醇。與IL6、TNF、PTGS2、CXCL8具有良好結合作用的靶點有丁子香酚、月桂酸、反式法尼醇、α-萜品醇、欖香醇和棕櫚酸。其中丁子香酚和月桂酸是根的成分，反式法尼醇是莖的成分，α-萜品醇、欖香醇和棕櫚酸是根莖共有成分。由此可見，藏麻黃根和莖揮發油都對治療支氣管炎可能有作用。丁子香酚被認為是植物源農藥，具有殺菌作用。月桂酸有提高抗炎因子IL-10、降低促炎因子IL-6表達的作用，在一定程度上可以緩解機體的炎癥反應[17]。法尼醇有抑制變形鏈球菌(Streptococcusmutans)、嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)和放線菌(Actinomycesnaeslundii)的作用，高濃度法尼醇抑制小鼠白念感染中1L-17的表達。α-萜品醇存在于植物揮發油中，有抑菌、抗氧化和抗炎作用，其酯類化合物有驅蟲作用。上述3個物質都有抑制炎癥因子的作用，但是棕櫚酸被報道有促炎作用[18]。丁子香酚和欖香醇都是植物精油中常見的物質，與精油中的其他成分一起被報道其抑菌效果顯著[19]。由此表明月桂酸、反式法尼醇、α-萜品醇、丁子香酚和欖香醇可能通過抑菌作用參與炎癥反應。GO富集結果也顯示上述化合物的靶點顯著富集在細菌源分子的響應過程。四個靶標分子共同富集在Toll-樣受體信號通路中。Toll樣受體屬于固有免疫病源模式識別受體，可識別入侵病原微生物，在炎癥、免疫細胞調控等方面起關鍵作用。由此表明藏麻黃根莖揮發油中丁子香酚、月桂酸、反式法尼醇、α-萜品醇、欖香醇可能通過抑制TNF、IL-17、Toll-樣受體等炎癥與免疫信號通路中IL6、TNF、PTGS2、CXCL8的表達，抑制炎癥與病原微生物免疫反應，從而起到治療支氣管炎的作用。而棕櫚酸引起促炎因子的分泌，導致機體的炎癥反應。

本研究基于網絡藥理學及分子對接的方法以藏麻黃根、莖揮發性成分為研究對象，綜合分析其干預支氣管炎的生物學途徑及通路，并用反向分子對接進行驗證，得出活性成分干預支氣管炎主要呈現多分子、多靶點、多通路的特點，且各揮發性成分間存在協同效應。研究結果為藏麻黃的實驗研究和臨床應用提供參考，但本研究結果僅是通過理論推測藏麻黃揮發性成分與支氣管炎作用的機制，還需再進行藥理實驗才能進一步驗證。