基于HPLC-Q-TOF-MS/MS技術的蒲公英化學成分分析及其抗癌機制的網(wǎng)絡藥理學研究

張松保，孔令婕，谷 巍，李 超，邱蓉麗，巢建國，裴凌峰，郭彥芳

1南京中醫(yī)藥大學，南京210023；2正大天晴藥業(yè)集團股份有限公司，南京 211122； 3江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023；4濟川藥業(yè)集團有限公司，泰州 225441

蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)為菊科蒲公英屬多年生草本植物，味苦、甘，性微寒，歸肝、胃經(jīng)，具清熱解毒、消腫散結和利尿通淋之功效。在中醫(yī)上多用于治療疔瘡腫毒、乳癰、瘰疬、目赤腫痛、咽痛、肺癰、腸癰、濕熱黃疸和熱淋澀痛等癥[1]。蒲公英含有豐富的酚酸類、黃酮類、萜類等多類物質，現(xiàn)代研究表明，蒲公英具有抗炎、抗菌、抗氧化、抗腫瘤等多種藥理作用[2-4]。

近年來，癌癥已久居我國致死病因的首位，嚴重危害人民的健康。蒲公英消腫散結功效常被認為可以用來治療腫瘤?，F(xiàn)代研究表明蒲公英具有一定的抗腫瘤效果，能夠有效抑制多種腫瘤細胞的增殖。Takasaki等[5]進行了蒲公英根提取物抗小鼠皮膚腫瘤研究，結果表明蒲公英提取物具有有效的抑制作用。Zhan等[6]研究發(fā)現(xiàn)蒲公英提取物可能有降低胃癌細胞p53的陽性表達的能力。Zhu等[7]進行了蒲公英根提取物對胃癌的治療作用，發(fā)現(xiàn)蒲公英根提取物可通過抑制腫瘤細胞的增殖和遷移對胃癌進行治療。還有多名學者研究結果均表明蒲公英具有良好的抗腫瘤作用[8,9]。綜上所述，蒲公英具有顯著的抗腫瘤活性，可用于開發(fā)抗腫瘤藥物。

中藥具有成分多樣，作用靶點眾多，并且不同靶點間還存在協(xié)同作用，如何闡述中藥的作用機制，成為了阻礙中藥發(fā)展的重大問題。網(wǎng)絡藥理學是采用高通量篩選，運用網(wǎng)絡可視化及網(wǎng)絡分析等多種技術，用以揭示藥物、靶點、疾病間復雜的網(wǎng)絡關系，從多維度理解藥物的作用機制，這為中藥研究中的多成分多靶點作用機制研究提供新的研究思路，近年來被廣泛用于中藥研究中，而蒲公英相關研究未見報道。蒲公英中化學成分眾多，采取傳統(tǒng)的分析手段對其化學成分進行分析，分析步驟繁瑣、時間長[10]。HPLC-Q-TOF-MS/MS具有高分辨率、高分離度、高靈敏度等優(yōu)點，該方法先通過液相色譜對蒲公英中的化合物進行分離，后通過質譜對分離的化合物進行分析，最后根據(jù)質譜信息對化合物進行定性，實現(xiàn)中藥成分的快速分析。

因此，本研究首先通過采用HPLC-Q-TOF-MS/MS技術，對蒲公英化學成分快速分析。在此基礎上，充分利用網(wǎng)絡藥理學分析技術，從藥物、化學成分、靶點、疾病間相互作用的整體性和系統(tǒng)性出發(fā)，探究蒲公英的抗癌作用機制，為蒲公英在癌癥預防及治療研究中提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試藥

LC-20ADXR高效液相色譜儀(日本SHIMADZU公司)；Triple-TOF5600質譜儀(美國AB SCIEX公司)；TD5002A電子天平(天津市天馬儀器廠)；KQ-500B超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)；3-18K離心機(德國Sigma公司)；Q Direct8超純水儀(美國MerckMilli公司)。甲醇(色譜純)中國TEDIA公司、甲酸(色譜純)上海aladdin公司、乙腈(色譜純)中國Meker公司：超純水自制。

木犀草素對照品(批號：JBZ-0772)、異綠原酸A對照品(2450-53-5；批號：JBZ-1451)、異鼠李素對照品(批號：JBZ-1422)、綠原酸對照品(批號：lw18022809)、咖啡酸對照品(批號：lw18013006)、菊苣酸對照品(批號：lw18011501)、蘆丁對照品(批號：Iw18012501)。其中，木犀草素、異綠原酸A、異鼠李素(南京金益柏生物科技有限公司)；綠原酸、咖啡酸、菊苣酸、蘆丁(南京良緯生物科技有限公司)。實驗選取產(chǎn)于甘肅的蒲公英藥材，經(jīng)南京中醫(yī)藥大學谷巍教授鑒定為菊科植物蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)干燥全草，相關樣品已留樣存于南京中醫(yī)藥大學植物標本館。

1.2 方法

1.2.1 供試品溶液制備

取蒲公英藥材干燥樣品，粉碎，過60目篩。精密稱取樣品粉末1.0 g，置50 mL具塞錐形瓶中，加入60%的甲醇30 mL，稱重。超聲60 min(功率500 W，頻率40 kHz)。取出，放置冷卻后，補足失重。取樣品溶液1 mL置于1.5 mL離心管中，離心(轉速12 000 rpm)10 min，吸取上清液，過0.22 μm微孔濾膜，即得。

1.2.2 色譜條件

色譜柱：島津ODS C18色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，洗脫程序：乙腈(A)和0.1%甲酸水(B)。梯度洗脫程序：0～2 min，5%→10%A；2～20 min，10%→21%A；20～36 min，21%→25%A；36～44 min，25%→40%A；44～55 min，40%→50%A。流速1 mL/min；柱溫35 ℃；進樣量10 μL。

1.2.3 質譜條件

電噴霧離子源(ESI)，負離子模式采集數(shù)據(jù)；質量掃描范圍m/z50～1 500；噴霧電壓4.5 kV；霧化氣壓力60 psi；輔助氣壓力60 psi；氣簾氣壓力40 psi；離子源溫度600 ℃；錐孔電壓為100 V；碰撞室射出電壓40 eV。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 化學成分鑒定

通過Peakview1.2軟件對得到的圖譜文件進行分析，獲得相應色譜峰對應化合物的精確相對分子質量及二級質譜信息，通過查詢相關數(shù)據(jù)庫及文獻并結合標準品對化合物進行定性分析，然后在Pubchem數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中查詢相關成分的Canonical SMILES號。

1.3.2 蒲公英作用靶點預測

通過在SwissADME數(shù)據(jù)庫(http://www.swissadme.ch/)中輸入相關化合物的Canonical SMILES號，選取胃腸吸收度高，類藥性優(yōu)的化合物作為目標化合物，再將目標化合物的Canonical SMILES號上傳到SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫(http://www.swisstargetprediction.ch/)，選擇物種為“Homo Sapiens”，篩選其中probability>0.7的靶點為目標靶點。

以癌癥(cancer)為關鍵字在Genecards數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org/)中查詢與癌癥相關的靶點信息，刪去其中relevance score<1的靶點，剩余作為癌癥的作用靶點。再把化合物的目標靶點和癌癥的作用靶點進行比對，篩選出蒲公英主要活性成分抗癌的潛在靶點。

1.3.3 蛋白相互作用網(wǎng)絡構建(PPI)及核心靶點篩選

將所得蒲公英抗癌的潛在靶點導入String數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/)，選擇“Multiple protein”，物種選擇為“Homo Sapiens”進行分析，將數(shù)據(jù)導入Cytoscape 3.7.2軟件，獲得PPI網(wǎng)絡圖，并根據(jù)節(jié)點連接數(shù)目degree值，篩選出核心靶點。

1.3.4 GO功能與模塊分析、KEGG富集通路分析

將比對所得的靶點輸入DAVID數(shù)據(jù)庫(https://david.ncifcrf.gov/)中進行蒲公英抗癌癥靶點GO分類富集分析和KEGG通路富集分析。通過FDR值篩選相關通路，并通過在線繪圖平臺(http://www.ehbio.com/ImageGP/)進行可視化繪圖。

1.3.5 成分、靶點、通路作用網(wǎng)絡構建。

將分析得到的靶點、信號通路和蒲公英成分相對應，運用Cytoscape 3.7.2軟件構建活性成分-靶點-信號通路網(wǎng)絡模型。

2 結果與分析

2.1 化學成分鑒定

按“1.4.1”項下方法，對蒲公英的化學成分進行分析，總離子流圖(TIC)見圖1，鑒定出其中29個化合物(見表1)。這些化合物主要包括有機酸類、黃酮類和、香豆素類和萜類。蒲公英含有的有機酸類有沒食子酸、香莢蘭酸、色氨酸、酒石酸、綠原酸、原兒茶醛、對羥基苯甲酸、對羥基苯乙酸、咖啡酸、阿魏酸、3，5二羥基苯甲酸、苯甲酸、蘋果酸、異綠原酸A、菊苣酸、異綠原酸B。

表1 蒲公英化學成分鑒定信息Table 1 Identification of compounds from Taraxacum mongolicum

圖1 蒲公英樣品總離子流圖Fig.1 Total ion current diagram of Taraxacum mongolicum sample

酚酸物質結構鑒定以峰6、峰11為例。峰6m/z353.086 9[M-H]-，數(shù)據(jù)庫匹配出的分子式為C16H18O9，二級質譜圖中(見圖2A)，有奎寧酸特征碎片離子m/z191.054 6[M-H-caffeoyl]-，結合文獻[11]及標準品初步判斷為綠原酸。峰11m/z179.034 8[M-H]-，數(shù)據(jù)庫匹配出的分子式為C9H8O4，二級質譜圖(見圖2B)中有特征碎片離子m/z135.043 2[M-H-CO2]-和m/z134.035 7[M-H-CHO2]-，結合文獻[12]及標準品判斷該成分為咖啡酸。

蒲公英含有的黃酮類物質有異葒草素、蘆丁、槲皮素-3-O-葡萄糖苷、木犀草素-7-O-葡萄糖苷、木犀草素-7-半乳糖醛酸苷、木犀草素、槲皮素、芹菜素、異鼠李素、白楊素。黃酮類物質結構鑒定以峰25、峰27為例。峰25m/z285.034 9，數(shù)據(jù)庫匹配出分子式為C15H10O6，二級質譜圖(見圖2C)中發(fā)現(xiàn)m/z151.003 6[M-H-C8H6O2]-、m/z133.029 9[M-H-C7H4O4]-兩個典型的黃酮C環(huán)裂解碎片離子峰，結合文獻[13]及標準品判斷化合物為木犀草素。峰27m/z269.004 9[M-H]-，數(shù)據(jù)庫匹配出的分子式為C15H10O5，二級質譜圖中，此物質在m/z269處產(chǎn)生大量[M-H]-，并在m/z151.002 6[M-H-C8H6O]-和m/z117.033 6[M-H-C7H4O4]-處存在與木犀草素相同裂解方式的特征碎片離子，結合文獻[14]初步判斷為芹菜素。

圖2 綠原酸(A)、咖啡酸(B)、木犀草素(C)和芹菜素(D)的二級質譜Fig.2 The secondary mass spectra of chlorogenic acid (A),caffeic acid (B),luteolin (C)and apigenin (D)

此外蒲公英中還鑒定出秦皮甲素、秦皮乙素兩個香豆素類成分及萜類成分蒲公英酸-1′-β-D-葡萄糖苷。

續(xù)表1(Continued Tab.1)

2.2 活性成分靶點預測

按“1.4.2”項下方法對上述29個化合物進行分析，通過swissADME數(shù)據(jù)庫分析，篩選出17個化合物。進一步在Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫中篩選，符合篩選條件的化合物有槲皮素、木犀草素、芹菜素、白楊素、咖啡酸、異鼠李素、沒食子酸、對羥基苯甲酸、阿魏酸、3，5-二羥基苯甲酸，這些化合物涉及93條相關靶點信息。在Genecards數(shù)據(jù)庫以癌癥(cancer)為關鍵詞，篩選得到14 701條癌癥相關靶點，將篩選得到的癌癥相關靶點與藥物靶點進行比對，共計得到84個共有靶點。

2.3 核心靶點篩選和蛋白-蛋白相互作用網(wǎng)絡構建

按“1.4.3”項下方法進行PPI網(wǎng)絡構建，結果如圖3所示，圖中共有82個節(jié)點，393條邊，平均節(jié)點度值為8.93。選取節(jié)點度值前30繪制柱狀圖(見圖4)，以兩倍平均度值篩選核心靶點，即度值大于17.86的靶點為核心靶點，如圖4所示，包括AKT1、EGFR、SRC、ESR1、PTGS2、MMP9、KDR、MMP2、PIK3R1共9個靶點。

圖3 靶點間相互作用網(wǎng)絡Fig.3 Interaction network between targets注：圖中節(jié)點表示作用靶點，顏色表示靶點度值，紅色越深靶點度值越高，藍色越深度值越低。Note:The node in the figure represents the target point,and the color represents the value of the target point.The deeper the red,the higher the target value,and the lower the blue,the lower the depth value.

圖4 蒲公英治療癌癥的核心靶點(排名前30)Fig.4 Taraxacum mongolicum’s core target for cancer treatment (top 30)

2.4 GO分類富集分析

將蛋白相互作用網(wǎng)絡中的82個蛋白靶點導入DAVID數(shù)據(jù)庫中進行GO分類富集分析，選取其中FDR<0.05的通路。其中生物過程(biological process，BP)52條，細胞成分(cellular component，CC)7條，分子功能(molecular function，MF)38條。根據(jù)FDR選擇BP、CC、MF富集前10個靶點進行可視化并生成氣泡圖(見圖5)。從圖中可以看出在生物過程層面主要對氧化-還原、負調控凋亡、蛋白質自磷酸化、蛋白質磷酸化、細胞增殖、肽絲氨酸磷酸化等過程影響較大；在細胞成分層面主要對細胞質膜、細胞質基質、胞外外泌體、細胞外間隙等部位影響較大；在分子功能層面，主要對ATP結合、蛋白激酶活性、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性、酶結合、蛋白酪氨酸激酶活性、激酶活性等分子功能影響較大。

圖5 GO富集分析氣泡圖(排名前10)Fig.5 Bubble diagram of GO analysis (top 10)

2.5 KEGG通路富集分析

將蛋白相互作用網(wǎng)絡中的82個蛋白靶點進行KEGG通路富集分析，以FDR<0.05為篩選條件，得到與癌癥相關的信號通路共計24條，對這些通路繪制可視化氣泡圖(見圖6)。從圖中可以看到相關通路信息，其中包括癌癥通路、癌癥蛋白聚糖、PI3K-Akt信號通路、局灶粘連、癌癥中的MicroRNAs、癌癥轉錄失調、膀胱癌等多條癌癥相關通路。

2.6 蒲公英活性成分-靶點-信號通路網(wǎng)絡模型

將富集得到的24條通路對應蒲公英抗癌的靶點及成分，構建“活性成分-靶點-信號通路”網(wǎng)絡模型(見圖7)。該網(wǎng)絡圖中包括116個節(jié)點，634條邊，其中10個紅色三角形節(jié)點表示蒲公英中的活性成分，82個綠色正方形節(jié)點表示潛在靶點、24個黃色菱形節(jié)點表示信號通路。成分中，槲皮素的度值最高為59；后面依次為木犀草素28、芹菜素26，表明其具有較強的抗癌作用。通路節(jié)點度值中，癌癥途徑(hsa05200)、癌癥中的蛋白多糖(hsa05205)、PI3K-Akt信號通路(hsa04151)、腫瘤中的MicroRNAs(hsa05206)、局灶粘連(hsa04510)等排名靠前，推測其相關通路是蒲公英抗癌作用的主要通路。

圖7 蒲公英“活性成分-靶點-通路”網(wǎng)絡Fig.7 Taraxacum mongolicum “active ingredient-target-pathway”network注：圖中紅色三角形節(jié)點表示活性成分；綠色正方形節(jié)點表示潛在靶點；黃色菱形節(jié)點表示信號通路。Note:The red triangle node in the figure represents the active ingredient;The green square node represents the potential target;The yellow diamond node represents the signal pathway.

3 討論與結論

HPLC-Q-TOF聯(lián)用技術具有高分辨率、高通量及高靈敏度等特點，結合文獻和相關數(shù)據(jù)庫，可以較為準確且快速對化學成分進行定性分析，廣泛應用于中藥成分的分析中。蒲公英全草入藥，不同部位中各類成分分布差異較大，同時在不同的提取條件下，所得成分及含量存在差異。在本研究中通過對濃度為50%、60%、70%、80%、90%、100%的甲醇溶液、5%甲酸的甲醇溶液等提取溶劑對蒲公英全草進行提取考察，發(fā)現(xiàn)在60%甲醇提取條件下，峰形及出峰情況整體較優(yōu)。因此，本實驗選用60%甲醇對蒲公英全草進行提取分析，通過一級質譜推測成分的分子式，通過二級質譜結合相關文獻及標準品推測化合物結構，最終從蒲公英中分析鑒定出了29個化學成分，其主要為有機酸類和黃酮類成分，是目前蒲公英發(fā)揮多種功效的主要研究的大類物質。本研究實現(xiàn)了對蒲公英化學成分的快速分析，為蒲公英的質量控制、藥理作用等研究提供了參考。

蒲公英具有清熱解毒、消腫散結等功效，被認為可以用來治療腫瘤。現(xiàn)代研究表明蒲公英具有良好的抗癌效果，能夠有效抑制肝癌、肺癌、宮頸癌、胰腺癌和乳腺癌等癌細胞的增殖，并且對正常細胞無細胞毒性[15]。為進一步探究蒲公英的抗癌作用機制，本研究對分析得到的29個化學成分進行了抗癌網(wǎng)絡藥理學分析，發(fā)現(xiàn)其中槲皮素、木犀草素、芹菜素、白楊素、咖啡酸、異鼠李素、沒食子酸、對羥基苯甲酸、阿魏酸、3，5-二羥基苯甲酸可能為蒲公英抗癌成分，其中槲皮素、木犀草素、芹菜素的抗癌作用較強。后續(xù)可結合各物種在蒲公英中的含量及分布情況對蒲公英抗癌的開發(fā)作進一步研究。

已有多名學者對相關化合物的抗癌作用機制進行研究。Song等[16]研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素可通過使前列腺癌細胞PC-3細胞中的PI3K、Akt、mTOR信號通路失活而誘導自噬。Wu等[17]研究發(fā)現(xiàn)，槲皮素可通過ROS-NUPR1途徑介導誘導自噬來致使骨肉瘤細胞死亡。Li等[18]發(fā)現(xiàn)，槲皮素通過抑制PTHR1減少了人類轉移性骨肉瘤細胞的侵襲，粘附，增殖和遷移。Hashemzaei等[19]對多種腫瘤細胞系通過MMT分析，發(fā)現(xiàn)槲皮素能誘導所有測試的癌細胞系的凋亡。Seo等[20]研究發(fā)現(xiàn)，木犀草素能下調鈣激活的氯離子通道(ANO1)來起到抗癌作用。Chen等[21]研究發(fā)現(xiàn)木犀草素和槲皮素可能通過阻斷Akt、mTOR、c-Myc信號傳導途徑來抑制RPS19激活的EMT信號傳導，從而抑制癌細胞的轉移。Yang等[22]研究發(fā)現(xiàn)，芹菜素可通過抑制PI3K、Akt、mTOR途徑抑制細胞增殖并誘導自噬。

由靶點蛋白相互作用網(wǎng)絡圖，根據(jù)度值篩選出AKT1、EGFR、SRC、ESR1、PTGS2、MMP9、KDR、MMP2、PIK3R1共9個核心靶點。AKT1是AKT三個亞型之一，在多種生物效應中發(fā)揮作用，包括細胞增殖，存活和代謝調節(jié)。AKT的失調，會引發(fā)癌癥、糖尿病、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)疾病[23]。EGFR是一種跨膜糖蛋白，會通過各種機制異常激活，例如受體過度表達，突變，配體依賴性受體二聚化，配體非依賴性激活，并且與多種人類癌癥的發(fā)生有關[24]。MMP是一類蛋白水解酶，可降解細胞外基質的多種成分。大量的實驗和臨床證據(jù)表明MMP參與了腫瘤的侵襲，新血管的生成和轉移，是癌癥治療的理想藥理學靶標。

GO富集分析結果表明，蒲公英對氧化-還原過程、負調控凋亡過程、蛋白質自磷酸化等生物過程，細胞質膜、細胞質基質、胞外外泌體、細胞外間隙等部位，ATP結合、蛋白激酶活性、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性、酶結合等分子功能影響較大。癌癥細胞生長中需要大量能量，癌癥細胞的代謝過程增強，氧化還原反應變得旺盛，同時癌癥細胞會利用代謝過程產(chǎn)生的ATP，因此ATP結合也是癌癥的一個重要反應過程。其他相關過程也都涉及癌癥過程中。KEGG通路分析結果表明，相關靶點涉及癌癥通路、癌癥蛋白聚糖、PI3K-Akt信號通路、局灶粘連、癌癥MicroRNAs、癌癥轉錄失調、膀胱癌等多條癌癥通路上。其中癌癥蛋白聚糖通路中癌細胞分泌的蛋白聚糖誘發(fā)癌癥轉移，通過抑制該通路，可降低癌癥的轉移[25]；PI3K-Akt 信號通路具有調節(jié)細胞周期、蛋白質合成的作用，在癌癥發(fā)病中 PI3K-Akt信號通路通過多方面抑制細胞凋亡，促進細胞增殖、腫瘤轉移及新生血管生成[26]。上述結果表明篩選出來的相關生物過程及通路與蒲公英抗癌機制息息相關。

前列腺癌病理類型上包括腺癌、導管腺癌、尿路上皮癌、鱗狀細胞癌、腺鱗癌，其中前列腺腺癌占95%以上，在世界范圍內，男性惡性腫瘤中前列腺癌的發(fā)病率排名第2位，死亡率排名第5位，如何對前列腺癌進行研究是一項熱點話題。多位學者研究表明，蒲公英具有對前列腺癌具有良好的抑制作用[27]?，F(xiàn)代研究表明針對前列腺癌靶向治療中較為成熟且具有明顯研究價值的途徑之一是磷脂酰肌 3-羥激酶(PI3K)/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(AKT)信號通路，該信號通路的異?；罨c疾病的發(fā)展和轉歸有顯著相關性，在機體細胞的生長、增殖、凋亡以及炎癥反應、血管生成以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展中都起到了重要的參與調節(jié)作用[28]。在本研究中發(fā)現(xiàn)蒲公英中的多種功效物質可作用于AKT及PI3K等相關作用靶點上，結果表明，蒲公英可用于開發(fā)治療前列腺癌。上述網(wǎng)絡藥理學結果為模擬推測結果，存在不足，后續(xù)須進一步通過想過藥理實驗對該結果進行推測，以為蒲公英進一步開發(fā)提供數(shù)據(jù)。

綜上所述，本研究通過HPLC-Q-TOF-MS對蒲公英化學成分進行分析，共鑒定出29個化學成分，包括16個有機酸、10個黃酮類成分、2個香豆素類成分和1個萜類成分。運用網(wǎng)絡藥理學的方法研究蒲公英的抗癌作用機制，結果發(fā)現(xiàn)蒲公英中槲皮素、木犀草素、芹菜素等成分通過作用AKT1、EGFR、SRC、ESR1等核心靶點，參與氧化-還原過程、負調控凋亡過程、蛋白質自磷酸化、ATP結合、蛋白激酶活性、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶活性、酶結合等生物過程，繼而在癌癥中的通路、癌癥中的蛋白聚糖、PI3K-Akt信號通路等通路中的發(fā)揮抗癌作用。