王斯楚,孫 一,王曉溪,王 欣,蒙艷麗,王偉明
漢黃芩素對肺炎支原體肺炎小鼠肺組織中肺上皮間質形成因子表達的影響
王斯楚,孫 一,王曉溪,王 欣,蒙艷麗*,王偉明*
黑龍江省中醫藥科學院,黑龍江 哈爾濱 150036
探討漢黃芩素通過調控肺上皮間質形成因子的表達,治療肺炎支原體肺炎的作用機制。運用超高效液相色譜-質譜聯用(UPLC-Q-TOF-MS)技術檢測芩百清肺濃縮丸中的活性成分漢黃芩素,通過Biacore垂釣技術將其與轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)進行結合,動力學分析驗證其結合的特異性。采用Tripos Sybyl-X2.1.1以及Discovery Studio2016軟件對漢黃芩素和TGF-β1進行分子對接,對藥物分子與受體蛋白的結合模式進行可視化分析。通過動物實驗制作小鼠肺部病理組織切片,進行蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染色、Masson染色,觀察其病理結構形態。運用實時(real-time,RT)-PCR、免疫組化(immunohistochemistry)技術檢測漢黃芩素對小鼠肺組織中TGF-β1、表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)、波形蛋白、E-鈣黏蛋白mRNA和蛋白的表達水平的影響。Biacore垂釣得到的樣品經UPLC-Q-TOF-MS鑒定分析為漢黃芩素。漢黃芩素與TGF-β1存在較強的特異性結合。HE染色和Masson染色結果表明,漢黃芩素給藥組小鼠肺組織形態結構與對照組相似。免疫組化實驗結果表明,與模型組相比,漢黃芩素中、高劑量組TGF-β1、波形蛋白的表達均明顯減少(<0.05、0.01),EGF、E-鈣黏蛋白的表達升高(<0.05、0.01)。RT-PCR實驗結果表明,與模型組相比,漢黃芩素各給藥組小鼠肺組織波形蛋白的mRNA表達水平顯著降低(<0.05、0.001),和E-鈣黏蛋白的mRNA表達顯著升高(<0.05)。漢黃芩素能夠下調TGF-β1和波形蛋白的表達,同時上調EGF和E-鈣黏蛋白的表達,從而達到治療肺炎支原體肺炎及肺組織纖維化的目的。
肺炎支原體;漢黃芩素;上皮間質轉化;表皮生長因子;E-鈣黏蛋白;轉化生長因子β1;波形蛋白
肺炎支原體肺炎(mycoplasma pneumoniae pneumonia,MPP)是一種常見的社會獲得性肺炎,其主要發病機制為肺炎支原體經飛沫傳播,進入呼吸道后黏附于氣道上皮細胞,導致上皮細胞破壞、死亡[1],多發于學齡前和學齡期兒童,約占肺炎總數的30%,加之兒童免疫力低下可誘發混合感染,具有延綿不愈、易復發的特點,嚴重影響生活質量[2]。MPP屬于間質性肺炎,以肺間質纖維素沉積為主要病理改變,有時并發支氣管肺炎,X線可出現兩肺中、下野彌散性網狀或結節狀陰影[3]。有研究表明,肺炎支原體反復感染肺部可導致肺間質纖維素沉積[4],肺纖維細胞除了來源于肺內固有的間充質細胞外,還能由支氣管肺泡上皮細胞通過上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)而來,且在炎癥反應持續的情況下,EMT的過程也會持續存在,最終造成組織器官纖維化病變[5]。目前的臨床用藥常選用阿奇霉素等大環內酯類抗生素,但對于肺炎支原體反復發作慢性遷延導致纖維素沉積,其不具有預防和治療作用。且隨著抗生素的廣泛長期使用,患者會產生耐藥性,從而對治療效果造成不良影響,嚴重時還會導致藥物不良反應[6]。因此開發即殺滅肺炎支原體又預防和治療肺纖維素沉積的藥物顯得尤為重要。
芩百清肺濃縮丸(Qinbai Qingfei Concentrated Pills)是在臨床研究基礎上組成的具有治療肺炎支原體肺炎作用方藥[7],Ⅲ期臨床觀察明確治療小兒支原體肺炎。漢黃芩素(wogonin)又名5,7-二羥基-8-甲氧基-2-苯基-4-1-苯并呋喃-4-酮,是中藥黃芩中的活性成分之一,也是芩百清肺濃縮丸中的主要活性成分。目前已有研究表明漢黃芩素有顯著的抗炎、抗氧化應激、抗腫瘤等多種作用[8],并且能夠明顯抑制肺組織炎癥相關因子的產生[9],因此漢黃芩素很可能成為新一代治療MPP的藥物。
在EMT過程中上皮細胞喪失細胞極性,失去與基底膜的連接等上皮表型,獲得了較高的降解細胞外基質的能力等間質表型[10]。其主要的特征有細胞黏附分子E-鈣黏蛋白(E-cadherin)表達減少、波形蛋白(vimentin)表達增加。且有研究表明,表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)和轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)在EMT轉變起關鍵作用[11]。TGF-β1作為最主要的一種強效致纖維化因子,通過激活下游多個信號轉導因子,在肺組織中誘導纖維化[12]。
本研究通過驗證漢黃芩素對TGF-β1、EGF、波形蛋白、E-鈣黏蛋白表達的影響,探討漢黃芩素治療MPP的作用機制,為芩百清肺濃縮丸的臨床使用提供理論依據。
1.1.1 試劑 兔二步法檢測試劑盒(兔增強聚合物法檢測系統)購自北京諾博萊德科技有限公司(產品編號PV-9001),二抗批號2214B0114;DAB試劑購自Thermo公司(批號ZLI-9018);Trizol購自美國Invitrogen公司(批號19124-1-AP);UltraSYBR一步法熒光定量PCR試劑盒購自北京康為世紀生物科技有限公司(批號29520);Biacore T200試劑盒、CM5芯片購自GEHealthcare公司(批號10280148);蘇木素-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染液購自南京建成公司;一抗TGF-β1(批號ab64715)、EGF(批號ab77815)、波形蛋白(批號ab45939)、E-鈣黏蛋白(批號ab76055)均購自Abcam公司;引物合成自上海Invitrogen公司。
1.1.2 儀器 BIAcoreT200分子互作分析儀購自美國GE公司;Reverse Transcribe PCR儀Tc-24/H(b)購自中國博日生物公司;InfiniteM200PRO酶標儀購自瑞士TecanKD-BM公司;Waters ACQUITYTM UPLC色譜儀,美國Waters公司;AB SCEIX Triple-TOF TM5600+高分辨質譜,美國ABSCIEX公司;生物組織包埋機、KDTS3A自動組織脫水機購自浙江科迪儀器設備公司。
6周齡SPF級BALB/c小鼠,雌雄各24只。體質量20~22 g,購自哈爾濱醫科大學,動物合格證號SCXK(黑)2019-001,在GLP實驗室室溫25 ℃、濕度60%條件下飼養。本研究中的動物實驗得到黑龍江省中醫藥科學院保護和使用委員會的批準(許可證號SY3R-2020006),實驗過程依照《黑龍江省實驗動物護理和使用指南》進行。肺炎支原體(ATCC 15531)購自American Type Culture Collection。
芩百清肺濃縮丸購自天合力藥業有限公司,生產批號CXZS1000045,規格為3 g/袋(相當于生藥2.5 g);漢黃芩素對照品由黑龍江省藥品檢驗所提供(批號H01811804026),質量分數99%以上;阿奇霉素分散片購自石藥集團歐意藥業有限公司(批號274150404)。
2.1.1 預富集實驗及配體耦聯實驗 參照徐明杭等[13]的前期實驗,運用Biacore T200測試系統,用化學耦聯法將TGF-β1蛋白偶聯到CM5芯片上,在最佳pH 4的條件下,配制TGF-β1蛋白溶液200 μL注入芯片表面,體積流量10 μL/min,耦聯時間600 s。
2.1.2 Biacore垂釣法釣取親和成分 稱取20 mg研磨成粉末狀的芩百清肺濃縮丸藥粉,加入1 mL超純水中充分溶解后,用0.22 μm濾膜過濾到另一EP管中備用(芩百溶液)。將配制好的芩百溶液(20 mg/mL)注入CM5芯片表面,體積流量5 μL/min,耦聯時間180 s。取2 μL樣品回收液(0.5%甲酸溶液)注入流動池孵育20 s,使芩百溶液與TGF-β1的結合成分解離至樣品回收液中。改變傳感器表面樣品的流動方向,使其朝相反方向流動,將含有結合成分的回收液沉積到10 μL的碳酸氫銨溶液(50 mmol/L)中,循環次數20次。
使用氮吹儀將Biacore垂釣所得樣品吹干后溶解于100 μL甲醇溶液,在4 ℃、12 000 r/min條件下離心20 min,吸取上清液上機檢測。色譜條件與質譜條件參照徐明杭等[13]實驗條件。
稱取1 mg漢黃芩素對照品,加入無核酸水配制成10 mg/mL的溶液。樣品以30 μL/min經芯片表面,進樣60 s,等待60 s,再生30 s。從輸出的傳感圖結果中觀察和分析響應值(RU)。
運用Biacore軟件,根據漢黃芩素相對分子質量將其分別稀釋成24.375、48.750、97.500、195.000、390.000 nmol/L的5個濃度梯度,再將不同濃度的溶液注入Biacore系統,注射60 s,體積流量30 μL/min,再生60 s。漢黃芩素溶液濃度97.500 nmol/L實驗2次,總循環次數3次。最后利用軟件中的親和性分析模塊分析實驗結果。
利用軟件Tripos Sybyl-X2.1.1和Discovery Studio 2016模擬分析漢黃芩素與TGF-β1之間的相互作用模式,運用Surflex-Dock軟件對漢黃芩素與TGF-β1蛋白進行打分,判斷二者之間的結合活性。
2.6.1 肺炎支原體培養 在無菌環境中復蘇肺炎支原體后培養在含胎牛血清的PPLO培養基中,37 ℃孵箱培養,每隔7 d傳代1次。
2.6.2 小鼠肺炎支原體肺炎模型的建立 將48只雌雄各半的BALB/c小鼠隨機分為對照組、模型組、阿奇霉素組(陽性對照組)以及漢黃芩素高、中、低劑量組,每組8只。除對照組外,各組小鼠乙醚麻醉后鼻滴入20 μL 106CCu肺炎支原體,每天1次,持續3 d。造模完成后,根據芩百清肺濃縮丸人用劑量進行折合計算,漢黃芩素各給藥組小鼠分別ig給予148.54、74.27、37.14 μg/(kg·d) 漢黃芩素;阿奇霉素組小鼠給予阿奇霉素32 mg/(kg·d);對照組和模型組小鼠ig等體積的生理鹽水。連續給藥7 d后脫頸處死小鼠,剝離各組小鼠肺組織,一半置于10%甲醛溶液中,一半?80 ℃凍存用于后續實驗。
10%甲醛浸泡24 h后,取各組小鼠肺組織進行包埋切片,依據兔二步法檢測試劑盒說明書進行免疫組化反應。在光學顯微鏡下對比觀察各組小鼠肺組織中抗原分布,并對各組進行IHC評分。
取各組小鼠肺組織切片,二甲苯脫蠟后進行HE染色,封片后置于顯微鏡下觀察各組間肺組織病理變化。
取各組小鼠肺組織切片,二甲苯脫蠟后依次進行蘇木素染色、立春紅-酸性復紅染色、1%磷鉬酸染色和2%醋酸苯胺藍染色。梯度酒精脫水后二甲苯浸泡,中性樹脂封片后于顯微鏡下觀察。
取各組小鼠肺組織,根據RNA提取試劑盒提取各組小鼠肺組織總RNA,酶標儀檢測各組RNA濃度。依照one-step reverse transcription PCR kit說明書檢測、、波形蛋白和E-鈣黏蛋白 mRNA的表達水平。其中各引物基因序列如下:,F:5’-AGAAACGAGCAGAGGATTGAGC-3’,R:5’-CTGAAAGTGTGGCAGGGACAA-3’;,F:5’-GTCACCCACAGAAACAAT-3’,R:5’-AGGAGCGAACCTACTAAA-3’;E-鈣黏蛋白,F:5’- TAATTTTAGGTTAGAGGGTTATTGT-3’,R:5’-CACAACCAATCAACAACACA-3’;波形蛋白,F:5’-AATGGCTCGTCACCTTCG-3’,R:5’-CTAGTT- TCAACCGTCTTAATCAG-3’;β-actin,F:5’-CTGG- GACGACATGGAGAAAA-3’;R:5’-AAGGAAGGC-TGGAAGAGTGC-3’。
在前期垂釣實驗中回收到多個提取物,通過數據庫對比,發現其中1種提取物的裂解規律與漢黃芩素一致。如圖1-A、B所示,虛線部分為鏡像分割線,其上部分為樣品,下部分為漢黃芩素對照品,由圖可見,垂釣產物二級碎片均與漢黃芩素對照品一致,可以確定芩百清肺濃縮丸回收樣品中與TGF-β1蛋白結合的垂釣產物為漢黃芩素。見圖1。
如圖2所示,漢黃芩素與TGF-β1存在結合解離峰,根據binding報告,二者的結合峰值為11.2 RU,而1 RU響應值大致相當于芯片表面結合物質的濃度改變了1 pg/mm2,預估結果在2~10 RU為結合良好,說明漢黃芩素與TGF-β1能夠較好地結合。

圖1 垂釣產物正(A)、負離子(B)模式下ESI-MS2質譜圖

綠色線為2通道結合曲線;紅色線為1通道結合曲線;棕色線為2、1通道結合曲線
從圖3可以看出,信號響應強度隨著漢黃芩素溶液濃度的增加而逐漸增大,呈濃度相關性。表明漢黃芩素在體外能夠與TGF-β1蛋白進行特異性結合。
通過蛋白晶體研究及與配體相互作用研究,發現TGF-β1的活性口袋位于圖4中紅色球體所示的位置,是一個由芳香族氨基酸、非極性氨基酸和極性氨基酸組成的疏水口袋;其中有多個參與小分子藥物作用的關鍵氨基酸殘基,如Ile211、Ala230、Lys232、Leu260、Tyr282等。運用Surflex-Dock軟件對漢黃芩素與TGF-β1蛋白之間的相互作用進行打分,判斷二者之間結合活性,所得分數為5。利用軟件Tripos Sybyl-X2.1.1和Discovery Studio 2016分析漢黃芩素與TGF-β1之間的相互作用模式,如圖5所示。由圖可知,漢黃芩素與TGF-β1受體之間存在多種相互作用,例如與Asp351形成的1條氫鍵,以及與Ile211形成的疏水作用力,而這些構成相互作用的氨基酸殘基均為先前分析活性位點時找到的關鍵氨基酸殘基;同時,漢黃芩素亦與活性口袋中其他關鍵氨基酸殘基形成了多種其他非鍵相互作用力。這說明漢黃芩素確實可以有效地與TGF-β1受體結合。

圖3 梯度濃度的漢黃芩素與TGF-β1蛋白結合響應值

圖4 漢黃芩素與TGF-β1模擬分子對接示意圖
在200倍鏡下觀察各組小鼠肺組織的染色情況,每張切片隨機選取3個不同的視野,對各組進行IHC評分。評分標準:組織切片IHC評分=著色強度分×陽性細胞著色比例分;著色強度分:不著色0分,弱著色1分,中等著色2分,強著色3分;陽性細胞比例評分:0~5%陽性0分,6%~25%陽性1分,26%~50%陽性2分,51%~74%陽性3分,>75%陽性4分[14]。通過觀察,漢黃芩素中、高劑量組與模型組對比,TGF-β1、波形蛋白的表達均明顯減少(<0.05、0.01),EGF、E-鈣黏蛋白的表達均不同程度有所升高(<0.05、0.01),表現為褐色著色點加深。見圖6、7。

圖5 漢黃芩素與TGF-β1相互作用二維圖(軟件:Discovery Studio 2016)
200倍顯微鏡下觀察,結果如圖8所示,對照組小鼠肺組織形態正常,肺泡細胞排列緊密。模型組小鼠肺組織中肺泡壁有明顯增厚,且有大面積充血,肺泡腔多處塌陷。漢黃芩素各給藥組對比模型組,有少量肺泡壁充血和炎性細胞浸潤,與對照組和陽性對照阿奇霉素組的肺組織相似,且漢黃芩素高劑量組的治療效果最好。

圖6 漢黃芩素對肺組織TGF-β1、EGF、波形蛋白、E-鈣黏蛋白表達的影響(×20)

與對照組比較:#P<0.05 ##P<0.01;與模型組比較:*P<0.05 **P<0.01

圖8 各組小鼠肺組織HE染色(×200)
將染色切片置于顯微鏡200倍鏡下觀察,結果如圖9所示,對照組小鼠肺組織切片組織排列緊密規則,在血管周圍存在極少量纖維沉積。模型組小鼠肺組織形態紊亂,且有大量膠原纖維(呈藍色)分布,肺泡腔塌陷,肺泡壁周圍有大量炎性細胞聚集。與模型組相比,漢黃芩素各給藥組藍色面積都有顯著減少,其組織形態與對照組和陽性對照阿奇霉素組的肺組織相似,且治療效果隨漢黃芩素劑量的降低而減弱。
漢黃芩素對、、波形蛋白、E-鈣黏蛋白mRNA表達的影響如圖10所示。與模型組相比,漢黃芩素各劑量組的和波形蛋白mRNA表達明顯降低,與E-鈣黏蛋白的mRNA表達均有不同程度升高(<0.05、0.01、0.001)。

圖9 各組小鼠肺組織Masson染色(×200)

與模型組比較:*P<0.05 **P<0.01 ***P<0.001
芩百清肺濃縮丸最早由黑龍江省中醫藥科學院研發,在臨床上多用于止咳化痰平喘。目前已有的研究證實芩百清肺濃縮丸可抑制肺泡上皮細胞分化,促進肺組織修復[15],能降低MPP的纖維化因子表達,起到抗纖維素沉積的作用[16]。但對于其中的活性成分漢黃芩素的作用機制目前仍不明確。
肺炎支原體侵染肺組織致使的肺纖維化主要作用機制包括炎癥反應、EMT等[17]。目前已有研究證實TGF-β1為EMT的主要誘導劑[18],主要負責肺成纖維細胞的增殖和膠原的合成[19]。
本研究通過前期體外分子對接模擬漢黃芩素與TGF-β1的結合,以及后續的體內動物實驗,探討漢黃芩素干預后小鼠肺組織中間質形成相關因子表達水平的變化,以此確定MPP所致EMT的作用機制。實驗結果表明,未施加漢黃芩素干預的模型組小鼠肺組織中有大量的TGF-β1和波形蛋白蛋白的表達,且通過切片觀察到肺各組織中發生了不同程度的病變,表現為肺泡壁塌陷,炎性細胞增多,肺泡周圍出現大量膠原纖維沉積,這也進一步證實在肺炎支原體侵染肺部組織時,存在TGF-β1誘導EMT的過程。而通過漢黃芩素治療后的MPP小鼠肺組織形態結構治愈情況良好,肺組織中的膠原纖維和炎性細胞也有所減少,TGF-β1和波形蛋白的表達顯著減少。該結果表明漢黃芩素抑制小鼠肺部炎癥反應和肺纖維化的形成可能是通過降低肺組織中TGF-β1的表達,以此來抑制EMT過程。而EGF對于細胞的增殖、分裂有著重要的作用,能夠促進組織損傷部分的修復愈合[20]。伴隨著TGF-β1表達的降低,漢黃芩素各給藥組的mRNA表達量都有所升高,上皮標志物E-鈣黏蛋白的表達也與TGF-β1呈現負相關的趨勢。
綜上所述,漢黃芩素能夠起到治療MPP以及肺纖維化疾病的效果,其作用機制可能是一方面通過降低TGF-β1和波形蛋白的表達,抑制EMT過程的發生;另一方面提高EGF和E-鈣黏蛋白的表達來實現的。且對比漢黃芩素各給藥劑量組之間的差異可以看出,高劑量的漢黃芩素治療效果最為突出。
利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突
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Effect of wogonin on expression of lung epithelial-mesenchymal formation factor in lung tissue of mycoplasma pneumoniae pneumonia mice
WANG Si-chu, SUN Yi, WANG Xiao-xi, WANG Xin, MENG Yan-li, WANG Wei-ming
Heilongjiang Academy of Chinese Medicine Sciences, Harbin 150036, China
To investigate the mechanism of wogonin in the treatment of mycoplasma pneumoniae pneumonia by regulating the expression of epithelial-mesenchymal formation factor.UPLC-Q-TOF-MS was used to detect the active ingredient wogonin in Qinbai Qingfei Concentrated Pills (芩百清肺濃縮丸), and it was bound to transforming growth factor-β1 (TGF-β1) by Biacore fishing technique, and the specificity of binding was verified by kinetic analysis. Tripos SYbyl-X2.1.1 and Discovery Studio2016 software was used to perform molecular docking between wogonin and TGF-β1, and the binding mode between drug molecules and receptor proteins was visualized. The lung pathological tissue sections of mice were prepared by animal experiments. Hematoxylin-eosin (HS) staining and Masson staining were performed to observe the pathological structure and morphology of the staining. The effects of wogonin on mRNA and protein expression levels of TGF-β1, epidermal growth factor (EGF), vimentin, E-cadherin in mouse lung tissue by real-time (RT) -PCR and immunohistochemistry method.The samples obtained from Biacore fishing were identified and analyzed as wogonin by UPLC-Q-TOF-MS. There was strong specific binding between wogonin and TGF-β1. The results of HE staining and Masson staining showed that the morphological structure of lung tissue in the wogonin group was similar to that of the control group. Immunohistochemical test results showed that compared with model group, the expression levels of TGF-β1 and vimentin in medium and high dose wogonin groups were significantly decreased (< 0.05, 0.01), and the expressions of EGF and E-cadherin were increased (< 0.05, 0.01). The results of RT-PCR showed that compared with the model group, the mRNA expression levels ofandin lung tissue of mice in wogonin administration groups was significantly decreased (< 0.05, 0.001), while the mRNA expression levels ofandwas significantly increased (< 0.05).Wogonin can down-regulate the expression of TGF-β1 and vimentin, and up-regulate the expression of EGF and E-cadherin, so as to achieve the purpose of treating mycoplasma pneumoniae pneumonia and lung tissue fibrosis.
mycoplasma pneumoniae; wogonin; epithelial-mesenchymal transitions; epidermal growth factor; E-cadherin; transforming growth factor-β1; vimentin
R285
A
0253 - 2670(2023)01 - 0172 - 09
10.7501/j.issn.0253-2670.2023.01.020
2022-08-21
國家自然科學基金項目(82174060);黑龍江省自然科學基金項目(LH2021H074);黑龍江省衛生健康委科研課題(20210202040011)
王斯楚(1998—),女,碩士研究生,主要從事中藥學研究。E-mail: 840074577@qq.com。
通信作者:蒙艷麗(1976—),女,碩士生導師,研究員,主要從事新藥研發。E-mail: mengyanli2000@163.com
王偉明(1966—),女,研究員,博士生導師,研究方向為中藥新產品研發、藥食同源中藥發酵。E-mail: wangweiming475@yahoo.com
[責任編輯 潘明佳]