馬慶,鄔國松,陳劍洪,詹若挺,韓正洲
(1.華潤三九醫(yī)藥股份有限公司,廣東 深圳 518110;2.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院白云分院,廣東 廣州 510500;3.廣州中醫(yī)藥大學(xué),廣東 廣州 510006)
活血化瘀藥具有通利血脈、促進(jìn)血行、消散瘀血等功效,臨床可用于抗血栓、抗凝血、預(yù)防動脈硬化斑塊形成等[1-2]。兩面針為蕓香科植物兩面針Zanthoxylum nitidum(Roxb.)DC.的干燥根,具有活血化瘀、行氣止痛、解毒消腫等功效[3],可有效治療擊打損傷、氣滯血瘀所致胃痛等病癥[4]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)融合了系統(tǒng)生物學(xué)、藥理學(xué)、計算機(jī)技術(shù),從系統(tǒng)和整體的角度關(guān)聯(lián)藥物和疾病[5-6],建立成分、靶點(diǎn)和靶蛋白、基因的相互關(guān)系,提供中藥機(jī)制探索和新藥研發(fā)的新策略[7]。本研究中基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討了兩面針活血化瘀的作用機(jī)制。現(xiàn)報道如下。
基于中藥及中藥制劑的吸收-分布-代謝-排泄性質(zhì)[即藥物口服生物利用度(OB)>30%和類藥性(DL)>0.18)]及“類五藥原則”[即相對分子質(zhì)量(Mr)<500、氫鍵受體數(shù)(Hacc)<10、氫鍵供體數(shù)(Hdon)<5、油水分配系數(shù)(LogP)<5][8-9],檢索TCMSP數(shù)據(jù)庫(http//old.tcmsp-e.com/tcmsp.php),篩選兩面針的活性成分;檢索PharmMapper數(shù)據(jù)庫(http://lilab-ecust.cn/pharmmapper/submitfile.html),預(yù)測兩面針的作用靶點(diǎn),限定為人源靶點(diǎn),篩選藥效基因匹配分值排名前10的靶點(diǎn),并將靶點(diǎn)的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫編號(PDB ID)導(dǎo)入UniProt數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/),獲得各靶點(diǎn)的UniProt ID,去除重復(fù)項(xiàng),建立兩面針靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/),構(gòu)建兩面針蛋白互作網(wǎng)絡(luò)(PPI),采用Cytoscape 3.5.1軟件構(gòu)建兩面針的活性成分-預(yù)測靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
檢索OMIM數(shù)據(jù)庫(https://omim.org/)和TTD數(shù)據(jù)庫(http://db.idrblab.net/ttd/)數(shù)據(jù)庫中與凝血-抗凝和血液循環(huán)相關(guān)的靶點(diǎn),關(guān)鍵詞為“thrombus”“coagulant”,在String數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入相關(guān)靶點(diǎn)并構(gòu)建PPI。采用Cytoscape 3.5.1軟件構(gòu)建兩面針活性成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò),提取交集靶點(diǎn),即為兩面針活血化瘀的潛在作用靶點(diǎn);利用該軟件的Network Analyzer功能分析靶點(diǎn)的度值和介數(shù)中心度[10],篩選條件為≥1倍介數(shù)中心度的中位數(shù)及≥2倍度值的中位數(shù),獲得靶點(diǎn)的度值和介數(shù)中心度越大,靶點(diǎn)越關(guān)鍵。
通過DAVID數(shù)據(jù)庫(https://david.ncifcrf.gov/)對關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG通路富集,采用Cytoscape 3.5.1軟件的ClueGO插件對相關(guān)靶點(diǎn)進(jìn)行GO生物學(xué)功能分析,采用其Merge功能合并以上網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建活性成分-關(guān)鍵靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)。
檢索PDB數(shù)據(jù)庫(http://www.rcsb.org/),下載關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)構(gòu),并檢索PubChem數(shù)據(jù)庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/),獲得活性成分的3D結(jié)構(gòu)文件,分別采用AutoDock 1.5.6軟件、Discovery studio 2.5軟件對靶點(diǎn)和活性成分進(jìn)行去水、加氫、計算電荷等預(yù)處理,采用AutoDock Vina 1.2.3軟件對靶點(diǎn)和成分進(jìn)行分子對接,采用Pymol軟件繪圖。成分與靶點(diǎn)的最小結(jié)合能小于0時,表明兩者能自發(fā)結(jié)合,以最小結(jié)合能≤-5 kcal/mol作為分子對接的驗(yàn)證依據(jù)[11]。
通過TCMSP數(shù)據(jù)庫獲得兩面針化學(xué)成分59個,最終篩選出符合要求的活性成分19個,其中白屈菜紅堿、血根堿、香葉木苷、芝麻脂素為主要活性成分[12]。詳見表1。

表1 兩面針活性成分基本信息Tab.1 Basic information of active ingredients of Zanthoxyli Radix
結(jié)合PharmMapper數(shù)據(jù)庫和TCMSP數(shù)據(jù)庫,共獲得236個成分靶點(diǎn),將其導(dǎo)入String數(shù)據(jù)庫構(gòu)建PPI,并將成分-靶點(diǎn)及PPI導(dǎo)入Cytoscape 3.5.1軟件,構(gòu)建活性成分-預(yù)測靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(圖1)。通過計算可知,在該網(wǎng)絡(luò)中,每個成分平均與39.60個靶點(diǎn)有關(guān)聯(lián)作用,每個靶點(diǎn)平均與4.22個成分有關(guān)聯(lián)作用,表明兩面針中1個活性成分可作用于多個靶點(diǎn),多個活性成分也可作用于同一靶點(diǎn),提示兩面針通過多成分、多靶點(diǎn)發(fā)揮活血化瘀作用。

圖1 兩面針活性成分-預(yù)測靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Network of active ingredients-predicted targets of Zanthoxyli Radix
采用Cytoscape 3.5.1軟件構(gòu)建兩面針活血化瘀的活性成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)(圖2)。提取交集,確認(rèn)24個活血化瘀的潛在靶點(diǎn)(表2),其中22個靶點(diǎn)存在互作關(guān)系(圖3),即為潛在靶點(diǎn)。其中,血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子受體2(VEGFR2)、絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶1(AKT1)、內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)、環(huán)氧合酶2(COX-2)、凝血酶原(F2)、基質(zhì)金屬蛋白酶3(MMP3)、纖維蛋白原γ鏈(FGG)等靶點(diǎn)與血瘀所致心腦血管疾病密切相關(guān),可作為本研究的核心潛在靶點(diǎn)。在兩面針活血化瘀的活性成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)度值和介數(shù)中心度的中位數(shù)分別為9和0.020,COX-2,F(xiàn)2,AKT1的節(jié)點(diǎn)度值和介數(shù)中心度均不低于18和0.020,且介數(shù)中心度居前4的成分分別為白屈菜紅堿、芝麻脂素、香葉木苷、黃連堿,提示這些靶點(diǎn)和活性成分對兩面針的活血化瘀功效發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖3 兩面針活血化瘀的潛在靶點(diǎn)Fig.3 Potential targets of Zanthoxyli Radix for promoting blood circulation and removing blood stasis

表2 兩面針活血化瘀潛在靶點(diǎn)及其拓?fù)鋮?shù)Tab.2 Potential targets and their topological parameters of Zanthoxyli Radix for promoting blood circulation and removing blood stasis

圖2 兩面針活血化瘀的活性成分-靶點(diǎn)-疾病網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Network of active ingredients-targets-diseases of Zanthoxyli Radix for promoting blood circulation and removing blood stasis
生物通路通過不同靶蛋白間的相互作用執(zhí)行生物學(xué)功能[13],通過DAVID數(shù)據(jù)庫對上述24個潛在靶點(diǎn)進(jìn)行KEGG通路分析,結(jié)果共富集出26條通路,其中21條通路有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),詳見表3。和血瘀證密切相關(guān)的信號通路為血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、血小板活化、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、附著斑塊、腫瘤壞死因子(TNF)、磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)等信號通路,其中VEGF信號通路是兩面針活血化瘀靶點(diǎn)富集最顯著的通路,提示該通路可能是兩面針發(fā)揮活血化瘀功效的關(guān)鍵途徑。受以上通路調(diào)控的靶點(diǎn)主要參與細(xì)胞、組織、器官、代謝、免疫、應(yīng)激等過程,主要通過影響COX,eNOS,VEGFR2,F(xiàn)2,MMP3,F(xiàn)GG等靶點(diǎn)發(fā)揮活血化瘀功效。

表3 潛在靶點(diǎn)的KEGG通路富集Tab.3 KEGG pathway enrichment of potential targets
采用Cytoscape 3.5.1軟件的ClueGO插件分析相關(guān)靶蛋白的生物學(xué)功能發(fā)現(xiàn),兩面針活血化瘀靶點(diǎn)注釋為eNOS活性的調(diào)節(jié)、活性氧的生物合成、血小板活化的負(fù)調(diào)控、血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移的正調(diào)控、內(nèi)皮細(xì)胞凋亡過程的負(fù)調(diào)控等,詳見圖4。可見,兩面針活血化瘀靶點(diǎn)除了調(diào)控血管舒縮和血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移、凋亡外,還通過調(diào)控病灶的炎性反應(yīng)及血液流變等發(fā)揮功效。

圖4 兩面針抗血栓靶蛋白的生物學(xué)功能注釋Fig.4 Annotation of biological functions of antithrombotic target proteins of Zanthoxyli Radix
采用Cytoscape 3.5.1軟件中的Merge功能合并兩面針活血化瘀靶點(diǎn)PPI及KEGG通路,篩選和瘀血癥相關(guān)的通路,構(gòu)建兩面針活血化瘀的活性成分-關(guān)鍵靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)(圖5),提示兩面針的活血化瘀作用可能與干預(yù)血小板活化、細(xì)胞凋亡、血管再生、細(xì)胞粘連、炎癥調(diào)控有關(guān)。

圖5 兩面針活血化瘀活性成分-關(guān)鍵靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Network of active ingredients-key targets-pathways of Zanthoxyli Radix for promoting blood circulation and removing blood stasis
在各靶點(diǎn)的原配體位點(diǎn)設(shè)置活性成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)對接區(qū)域,并進(jìn)行對接,白屈菜紅堿、黃連堿、香葉木苷、芝麻脂素4個重點(diǎn)成分與COX-2,F(xiàn)2,AKT1(PDB ID分別為3LN1,1T5G,3O96)3個關(guān)鍵靶點(diǎn)的最小結(jié)合能均低于-5 kcal/mol,詳見表4。表明各成分與靶點(diǎn)不僅能自發(fā)結(jié)合,而且親和力較強(qiáng),各成分與靶點(diǎn)位點(diǎn)空腔結(jié)合緊密,詳見圖6。其中,芝麻脂素與上述3個靶點(diǎn)的對接結(jié)果均低于各原配體與對應(yīng)靶點(diǎn)的最小結(jié)合能,提示對接結(jié)果具有可靠性和參考價值。

圖6 重點(diǎn)成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)的分子對接Fig.6 Molecules docking of key ingredients and targets

表4 重點(diǎn)成分與關(guān)鍵靶點(diǎn)的對接結(jié)果(kcal/mol)Tab.4 Docking results of key ingredients and targets(kcal/mol)
本研究中通過對兩面針活性成分-關(guān)鍵靶點(diǎn)-通路網(wǎng)絡(luò)的搭建、分析、挖掘發(fā)現(xiàn),兩面針的生物堿類(黃連堿、血根堿、白屈菜紅堿等)、黃酮類(香葉木苷等)、木脂素類(芝麻脂素等)具有活血化瘀活性。血瘀疾病的發(fā)生、發(fā)展均與血管平滑肌細(xì)胞異常增殖、血管狹窄、冠狀動脈粥樣硬化等癥狀密切相關(guān)[14],生長因子、炎性因子、血脂異常、機(jī)械應(yīng)激[15]等也有影響。黃連堿[16]、血根堿[17]、芝麻脂素[18]等成分均能抑制PI3K/AKT的磷酸化,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,減弱細(xì)胞過度增殖,防止血管內(nèi)壁進(jìn)一步增生,防治一系列心腦血管病理癥狀;芝麻脂素可通過激活A(yù)KT/eNOS通路,增加一氧化氮(NO)的合成,從而抑制心肌細(xì)胞的凋亡,減輕大鼠心臟缺血再灌注所致心肌損傷[19]。血根堿[20]、香葉木苷[21]直接抑制VEGF的表達(dá),干預(yù)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,從而阻斷VEGF誘導(dǎo)的AKT1活化。兩面針抗炎效果顯著,且與COX-2及其誘導(dǎo)產(chǎn)物前列腺素E2(PGE2)密切相關(guān)[22];其潛在活性成分生物堿類(黃連堿[23]、血根堿[24]、白屈菜紅堿[25]、羥基磷灰石[26]等)、芝麻脂素[27]、香葉木苷[28]等成分抗炎效果顯著,主要表現(xiàn)在平衡病灶組織中PGE2、TNF-α、白細(xì)胞介素6(IL-6)等炎性介質(zhì)和促炎因子的含量,提示兩面針活性成分可能通過減輕炎癥對血管內(nèi)皮的繼續(xù)損傷,從而加速血管內(nèi)皮及其微環(huán)境恢復(fù)正常。黃連堿、血根堿、香葉木苷[29]等成分也可抑制花生四烯酸、膠原和凝血酶誘導(dǎo)的血小板聚集,其通過抑制血栓素A2的生成而發(fā)揮作用。香葉木苷還可通過抑制F2的合成和降低成纖維細(xì)胞生長因子的水平來改善心腦血管疾病。黃連堿、血根堿、芝麻脂素等成分還可激活cAMP通路,抑制鈣離子的活化,促進(jìn)eNOS表達(dá),進(jìn)而抑制血小板聚集和擴(kuò)張血管[30],故兩面針可通過干預(yù)血栓形成和心腦缺血、缺氧,治療血瘀所致疾病。由動脈粥樣斑塊破裂繼發(fā)血栓引起的心肌梗死高達(dá)90%[31],故動脈粥樣斑塊破裂被認(rèn)為是冠狀動脈血栓形成的主要觸發(fā)機(jī)制[32]。MMP3可降解局部基質(zhì)蛋白,導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定和破裂[33]。芝麻脂素可明顯降低MMP3的表達(dá)水平,表明芝麻脂素對心腦血管疾病有潛在價值[34]。
本研究結(jié)果顯示,VEGFR2,AKT1,eNOS,COX-2,F(xiàn)2,MMP3,F(xiàn)GG靶點(diǎn)與活血化瘀密切相關(guān)。血瘀類疾病多數(shù)由內(nèi)皮細(xì)胞受損,經(jīng)基底膜暴露,膠原纖維粘連,促凝物質(zhì)、炎性細(xì)胞、有害物質(zhì)釋放及透入而引起大量的血小板聚集、黏附、釋放等形成[35]。VEGFR2有促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖、分裂及修復(fù)血管的功能[36],其過度表達(dá)會導(dǎo)致一系列心血管疾病;AKT1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞存活、增殖、凋亡及血管生成,VEGFR2受AKT1的調(diào)控[37],故藥物對兩者的共同調(diào)控可起到協(xié)同作用,能從血瘀證的根源上干預(yù)其發(fā)生、發(fā)展。由內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的NO能使血管平滑肌松弛,同時抑制血小板的黏附、聚集,內(nèi)皮細(xì)胞一旦受損,會引起NO減少。內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO的限速酶為eNOS,正向調(diào)控eNOS可促進(jìn)NO生成,從而改善血管的異常收縮,并抑制血小板黏附[38]。前列腺素合成的限速酶COX-2能誘導(dǎo)花生四烯酸產(chǎn)生PGE2,從而產(chǎn)生炎性介質(zhì)和促炎因子,加重發(fā)熱、疼痛、乏力等癥狀[39];在炎性微環(huán)境中,COX-2的富集會促進(jìn)血栓素A2等下游產(chǎn)物的表達(dá),并促進(jìn)血管收縮和血小板聚集,導(dǎo)致全血黏度增高、微循環(huán)障礙等[40]。故抑制COX-2的活性能解除炎癥、散瘀止痛。F2被激活后形成凝血酶,將纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白,同時激活Ⅴ,Ⅶ,Ⅷ,ⅩⅢ因子,同血栓調(diào)節(jié)蛋白C復(fù)合,能加速血小板聚集和纖維蛋白形成血栓。MMP3是在動脈粥樣斑塊中表達(dá)的基質(zhì)金屬蛋白家族的主要成員,能降解纖維連接蛋白和層黏蛋白,Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ型明膠,Ⅲ,Ⅳ,Ⅹ,Ⅸ型膠原,軟骨蛋白聚糖,可能在斑塊裂解中起重要作用[41]。纖維蛋白的前體物質(zhì)FGG是凝血塊的主要成分,在凝血時與纖維蛋白原α和纖維蛋白原β聚合成不溶性纖維蛋白基質(zhì),促進(jìn)血細(xì)胞和纖維蛋白結(jié)合而形成牢固結(jié)構(gòu),進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定的血栓[42]。上述靶點(diǎn)可改善血流動力學(xué)、抗凝血、抗炎、調(diào)控細(xì)胞凋亡和細(xì)胞增殖,且均可與兩面針的主要活性成分產(chǎn)生相互作用,表明兩面針是通過調(diào)控該類靶點(diǎn)而發(fā)揮活血化瘀功效。

富集是同一通路中的點(diǎn)點(diǎn)相連和不同通路中的環(huán)環(huán)相扣,通路上的靶點(diǎn)被激活或被抑制均會影響整條通路的發(fā)展,在病理狀態(tài)可出現(xiàn)惡性循環(huán),從而加快病情的進(jìn)展。通過KEGG通路分析發(fā)現(xiàn),與兩面針活血化瘀密切相關(guān)的靶點(diǎn)主要富集在PI3K/AKT,cAMP,VEGF及附著斑塊、血小板活化、TNF等信號通路。血管壁損傷時,血小板活化,信號通路被激活,促進(jìn)活化劑二磷酸腺苷、腎上腺素、5-羥色胺、凝血酶和血栓素A2的釋放,誘導(dǎo)血小板活化[43];纖維蛋白原等物質(zhì)介導(dǎo)的血小板黏附和聚集,促進(jìn)血小板加速成塊,并加固血塊結(jié)構(gòu),產(chǎn)生穩(wěn)定血栓。VEGF和PI3K/AKT信號通路可調(diào)節(jié)血管細(xì)胞的增殖與凋亡,有利于血管的再生和修復(fù),以及防止血管細(xì)胞的過度增殖[44]。附著斑塊信號通路和整合素有關(guān),當(dāng)出現(xiàn)外傷血管破裂時,整合素被激活,從而促進(jìn)血小板對血管損傷部位的修復(fù)[45]。高濃度的鈣離子能誘導(dǎo)血小板聚集;eNOS誘導(dǎo)產(chǎn)生的NO可擴(kuò)張血管;cAMP能降低鈣離子水平[46],促進(jìn)eNOS表達(dá)。提示激活cAMP信號通路能干預(yù)血栓形成,擴(kuò)張血管,增加心肌供血、供氧,從而改善心肌的缺血、缺氧狀態(tài)[47]。TNF信號通路是典型的炎癥通路,通過調(diào)控COX-2、一氧化氮合酶等靶點(diǎn),促進(jìn)PGE2和NO等炎性介質(zhì)和TNF-α,IL-6等促炎因子的產(chǎn)生及釋放;炎癥會加重,且會誘發(fā)新的并發(fā)癥;當(dāng)血管受損時,炎癥可誘導(dǎo)內(nèi)皮損傷,導(dǎo)致機(jī)體缺失生理抗凝劑,增加促凝因子的釋放,抑制溶解纖維蛋白的活性,促進(jìn)血栓形成,加重血瘀證病情[48]。故可抑制炎癥和治療血瘀類疾病共同影響血瘀對機(jī)體的損傷[49]。含有丹參[50]、川芎、紅花[51]中藥的活血化瘀功效和抑制炎性反應(yīng)相關(guān),故消減炎癥能減輕、消除血瘀證引起的疼痛和腫脹癥狀。兩面針活性成分的活血化瘀相關(guān)靶點(diǎn)主要富集在上述信號通路,這些靶點(diǎn)在各自富集的通路上又可產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng),提示其活性成分對這些靶點(diǎn)的調(diào)控可起到協(xié)同增效作用。
成分和靶點(diǎn)的相互作用能激活或抑制受體的活性。計算機(jī)藥物輔助設(shè)計中常用的分子對接能闡明藥物與靶點(diǎn)的作用機(jī)制[52]。本研究結(jié)果顯示,兩面針活性成分和關(guān)鍵靶點(diǎn)間的親和力強(qiáng),驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測、分子對接驗(yàn)證結(jié)果、文獻(xiàn)研究結(jié)論的一致性,以及研究方法的科學(xué)性和可靠性。其中,芝麻脂素與COX-2,F(xiàn)2,AKT1 3個關(guān)鍵靶點(diǎn)的結(jié)合均優(yōu)于原配體與靶點(diǎn)的對接,表明芝麻脂素的活血化瘀作用較強(qiáng)。