韓彥琪,徐佳新,4,許浚*,張立娜,張鐵軍*
1.天津藥物研究院 藥物成藥性評價與系統轉化全國重點實驗室,天津 300462;2.天津藥物研究院 天津市中藥質量標志物重點實驗室,天津 300462;3.天津藥物研究院 中藥現代制劑與質量控制技術國家地方聯合工程實驗室,天津 300462;4.天津中醫藥大學,天津 301617;5.河北醫科大學第三醫院,河北 石家莊 050051
中藥質量是保證中藥有效、穩定、安全的基礎,建立科學合理的中藥質量與安全評價體系是促進中醫藥高質量發展的關鍵。盡管中藥質量控制評價模式在單一指標成分、多成分、體內或體外模型篩選等基礎上不斷有所創新和完善,但受以往研究工具、研究技術或研究思路等因素的影響及限制,廣大研究者對于五味藥性理論研究較少,將傳統中醫藥理論與質量評價的關聯性研究還有諸多不足[1-3]。2016年劉昌孝院士提出了中藥質量標志物(Q-marker)的新概念,其中“有效性”作為Q-marker 的核心要素,強調了傳統功效中“藥性”和“藥效”雙重表達的特點,兩者作為傳統中醫藥理論的核心概念可體現中藥“物質基礎”作用于人體疾病主體的不同層面、不同方式的生物效應表達形式,即“性-效-物”三元論的研究思路[4-6]。
白芍為毛茛科芍藥屬植物芍藥Paeonia lactifloraPall.的干燥根,味苦、酸,微寒,歸肝、脾經,具有養血調經、斂陰止汗、柔肝止痛、平抑肝陽的功效,現代藥理研究表明其具有抗炎、鎮痛、保肝、促進造血功能、抗血栓、神經保護等作用,是風濕類疾病、自身免疫病及肝病治療中的重要組方藥味之一[7-10]。目前對白芍的質量研究多集中于指紋(特征)圖譜、一測多評、全成分分析等[11-12],但從藥性方面對白芍進行系統研究尚存留一定空白,化學成分、藥理作用與傳統中醫藥理論中的五味藥性及中藥功效之間的關聯性研究尚不完善。因此,本研究以“性-效-物”三元論為研究思路,在高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜法(HPLC-Q-TOFMS/MS)辨識化學物質組的基礎上,采用基于味覺受體的分子對接技術解析“藥性(味)”物質基礎,進一步采用網絡藥理學方法構建其化合物-靶點-通路-藥理作用-功效網絡,并結合體外抗炎藥效篩選模型,確定藥效物質基礎,進而從有效性完整表達的角度初步解析白芍的Q-markers。
白芍飲片(批號:BS-1)、炒白芍飲片(批號:2003101)購自安徽省亳州市譙城區,赤芍飲片(批號:2001111)購自內蒙古自治區多倫縣,經天津藥物研究院有限公司張鐵軍研究員鑒定,符合《中華人民共和國藥典》2020 年版規定,于室溫干燥貯存。
小鼠RAW264.7 單核巨噬細胞系,購自上海生命科學院研究院,用DMEM 高糖完全培養基(含1%雙抗和10%胎牛血清)培養于37 ℃、5% CO2的細胞培養箱,2~3 d傳代1次。
脂多糖(LPS,批號:12190801)、地塞米松(WXBD5583V)均購于美國Sigma 公司;白細胞介素(IL)-6(批號:2105251)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α,批號:2110261)ELISA 試劑盒均購于上海西塘生物科技有限公司;一氧化氮(NO)檢測試劑盒(批號:120320210414,上海碧云天生物技術有限公司);對照品芍藥苷、兒茶素、沒食子酸、原兒茶酸、山柰酚(批號分別為110736-202044、110877-202005、110831-201906、110809-200604、110861-202013,純度分別為96.8%、91.5%、91.5%、97.7%、93.2%)均購于中國食品藥品檢定研究院;芍藥內酯苷、芍藥苷亞硫酸酯、氧化芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、五沒食子酰葡萄糖(批號分別為P26N11F132310、M21S11S125351、M19S10S97994、J21N10T100881、P08A10S85131、P16M11F113433,純度分別為91.4%、98.0%、98.0%、98.0%、98.0%、99.0%)均購于上海源葉生物科技有限公司;色譜級甲醇、乙腈和甲酸均購于天津市康科德科技有限公司。
ExionLCTM AC 型高效液相色譜儀、Sciex X500R Q-TOF 型液質聯用儀器均購于美國AB SCIEX 公司;AB204-N 型萬分之一電子天平(德國Meteler 公司);MCO-5M 型CO2細胞培養箱(日本Olympus 公司);Spectra Max M5 型酶標儀(美國Bio-Rad);HFsafe-1200LC 型超凈工作臺(上海Heal Force公司)。
采用Schr?dinger 2020 Maestro 12.4 軟件、ChemBioOffice 2010 軟件、Cytoscape 3.8.2 軟件,PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)、PDB(https://www1.rcsb.org/)、國家生物技術信息中心(NCBI,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/)、UniProt(http://www.uniprot.org/)、中藥系統藥理學數據庫與分析平臺(TCMSP,http://lsp.nwu.edu.cn/tcmspsearch.php)、京都基因與基因組百科全書(KEGG,http://www.genome.jp/kegg/)、STRING 10(http://string-db.org/)數據庫,Swiss Target Prediction(http://new.swisstargetprediction.ch/)服務器,Omicsbean 在線分析平臺(http://www.omicsbean.cn/)。
2.1.1 供試品溶液及對照品溶液的制備 分別取白芍、炒白芍和赤芍粉末各約2.0 g,精密稱定,置于100 mL具塞錐形瓶中,精密加入50%甲醇50 mL,密塞,稱定質量,超聲處理(功率250 W,頻率35 kHz)45 min,放冷,再稱定質量,用50%甲醇補足減失的質量,搖勻,0.22 μm 微孔濾膜過濾,取續濾液,即得。
取1.3項下對照品適量,精密稱定,置于10 mL量瓶中,加甲醇定容至刻度,搖勻,制成約1 mg·mL–1的混合對照品溶液。
2.1.2 色譜及質譜條件 Diamonsil C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),流動相為乙腈(A)-0.1%甲酸水溶液(B),梯度洗脫(0~5 min,5%A;5~22 min,5%~20%A;22~36 min,20%~28% A;36~45 min,28%~48%A;45~48 min,48%~66%A;48~50 min,66%~95%A;50~60 min,95%~100%A);進樣量為5 μL;流速為0.8 mL·min–1;檢測波長為230 nm;柱溫為25 ℃。
電噴霧(ESI)離子化方式;正、負離子模式掃描,離子掃描范圍為50~1000 Da,離子源溫度為600 ℃,檢測電壓為5500 V(正離子模式)、4500 V(負離子模式);去簇電壓為50 V(正離子模式)、–80 V(負離子模式);碰撞能量為10 V(正離子模式)、–10 V(負離子模式)。
2.2.1 配體化合預處理 根據化學物質組辨識結果,以白芍解析出的化合物為小分子配體(見增強出版附加材料)。從PubChem數據庫下載小分子.sdf格式文件,導入Schr?dinger 2020 Maestro 12.4 軟件中,進行預處理后用于后續分子對接實驗。預處理條件為電場力OPLS3e、不改變小分子離子化狀態、保留指定手性、最多產生分子5個。
2.2.2 苦、酸味受體選擇及同源建模 研究發現苦味由苦味受體(hTAS2R)基因家族的G 蛋白偶聯受體介導,可與呈苦味物質相結合[13-14],瞬時受體電位多囊蛋白(TRPP)通道家族成員PKD1L3 和PKD2L1 為非選擇性陽離子通道,可在特定區域的味覺受體表達酸味并作為酸味受體,產生一系列應答反應[15-16]。本部分實驗通過同源模建構建苦味受體,從PDB 下載酸味受體6D1W 晶體結構,Binding Site Detection 計算可能的活性空腔,選擇打分最高的空腔生成苦、酸味受體的格點文件,進行分子對接實驗。
2.3.1 目標化合物選取 結合LC-MS、分子對接結果,選取白芍中主要化學成分、入血成分的同時兼顧各結構類型(包括單萜及其苷類、黃酮類、鞣質類、有機酸類、其他類等)的17 個化合物為研究對象:芍藥苷、氧化芍藥苷、芍藥內酯苷、苯甲酰芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、紫蘇酸苷、牡丹皮苷I、牡丹皮苷H、牡丹皮苷B、山柰酚、兒茶素、四沒食子酰葡萄糖、五沒食子酰葡萄糖、原兒茶酸、沒食子酸、沒食子酸甲酯、沒食子酸乙酯。
2.3.2 靶點預測及蛋白質相互作用(PPI)構建 在TCMSP數據庫檢索17個化合物的相關靶點信息,同時登錄SwissTargetPrediction 服務器,采用反向藥效團匹配方法得到化合物虛擬匹配靶點篩選結果,合并2 個數據庫結果得到17 個化合物潛在作用靶點。將靶點數據導入STRING 10 數據庫中,獲得蛋白間相互作用信息(.tsv 格式數據文件),再將其導入Cytoscape軟件進行可視化處理,構建PPI網絡圖。
2.3.3 基因本體(GO)及KEGG 通路富集分析將靶點導入Omicsbean 軟件,ID type 設置為Gene Symbol,物種設置為“Homo sapiens”,對靶點蛋白進行細胞組分(CC)、分子功能(MF)、生物過程(BP)及KEGG信號通路分析。
2.3.4 化合物-靶點-通路-藥理作用-功效網絡構建 將化合物與靶點、靶點與通路、靶點與藥理作用、藥理作用與功效相互對應關系導入Cytoscape軟件中,構建白芍化合物-靶點-通路-藥理作用-功效網絡關系圖。
2.4.1 白芍提取物對LPS誘導的RAW 264.7細胞上清液中NO、TNF-α、IL-6 的影響 取生長至80%~90%的RAW 264.7細胞,調整細胞密度為5×105個/mL均勻接種于96 孔板,每孔100 μL,在37.5 ℃、5%CO2培養箱培養24 h 后棄上清,按實驗分組,每組2 個復孔,空白組加入DMEM 培養基,模型組加入0.1 μg·mL–1的LPS;陽性對照組加入終質量濃度分別為100 μmol·L–1和0.1 μg·mL–1的地塞米松及LPS 混合液;白芍提取液高、低劑量組分別加入200、100 μg·mL–1白芍提取液及0.1 μg·mL–1的LPS混合溶液,以上各孔均加入由100 μL DMEM配制的對應溶液。繼續培養24 h 后,取上清液按照試劑盒說明書檢測NO、TNF-α和IL-6含量。
2.4.2 化合物對LPS 誘導的RAW 264.7 細胞上清液中NO、TNF-α、IL-6 的影響 細胞鋪板,空白組、模型組及陽性對照組處理方法同2.4.1 項下。芍藥苷、芍藥內酯苷、氧化芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、兒茶素、五沒食子酰葡萄糖、沒食子酸的各化合物高、低劑量組分別加入100 μL 終質量濃度為50、10 μmol·L–1的對應化合物對照品及0.1 μg·mL–1的LPS 混合溶液。各組細胞處理后,培養24 h去上清液,檢測各指標含量變化。
使用GraphPad Prism 5 進行統計分析,以(±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析(Oneway analysis of variance,one-way ANOVA),P<0.05 為差異有統計學意義。
通過對照品比對,結合準分子離子、二級碎片離子信息及相關文獻分析[11-12,17-20],分別鑒定出白芍、炒白芍、赤芍藥材中42、41、34 個化合物,其中單萜及其苷類分別為27、26、19 個,鞣質類化合物均為5個,多酚及酚酸類化合物均為5個,黃酮類化合物均為2個,有機酸類化合物均為1個,其他類化合物均為2 個,三者的差異成分主要體現在單萜及其苷類。各樣品的總離子流色譜圖(TIC)見圖1,具體成分信息見表1。

圖1 白芍、炒白芍、赤芍樣品TIC圖
苦味受體陽性配體奎寧與苦味受體hTAS2R10的對接得分為–5.22,白芍中單萜苷類如芍藥苷、芍藥內酯苷、芍藥苷亞硫酸酯、牡丹皮苷F 和芍藥新苷,鞣質類如兒茶素,黃酮類如山柰酚等成分與苦味受體的對接結果均優于奎寧,故推斷單萜苷類化合物可能為白芍藥材主要苦味物質基礎。酸味受體的陽性配體檸檬酸與酸味受體6D1W的對接得分為–5.20,白芍中鞣質類如五沒食子酰葡萄糖、四沒食子酰葡萄糖及單萜苷類沒食子酰芍藥苷、酚酸類沒食子酸甲酯等成分對接結果皆優于檸檬酸,推斷帶有沒食子酰基的鞣質類化合物可能為白芍主要酸味物質基礎,分子對接結果見圖2,對接示意圖見圖3。

圖2 白芍化學成分與苦味、酸味受體對接得分
3.3.1 化合物潛在靶點分析結果 預測得到17 個化合物共191 個相關靶點,PPI 網絡圖見圖4A,圓節點代表蛋白靶點,圓圈大小和顏色深淺代表靶點蛋白相互作用的緊密程度,對網絡進行分析發現,處于網絡中心的絲氨酸/蘇氨酸-蛋白激酶(Akt1)、白蛋白(ALB)、細胞腫瘤抗原p53(TP53)、白細胞介素-6(IL-6)、血 管內皮生 長因子A(VEGFA)、表皮生長因子受體(EGFR)、原癌基因酪氨酸蛋白激酶(SRC)、JUN 原癌基因(JUN)、胱天蛋白酶3(CASP3)、絲裂原激活蛋白激酶8(MAPK8)、熱休克蛋白αA1(HSP90AA1)、前列腺素G/H 合酶2(PTGS2)等靶點擁有較多相互作用關系,degree 值較高,為核心靶點。這些蛋白涉及抗炎、鎮痛、保肝、抑制子宮收縮、促進骨髓造血、抗高血壓、抑制汗腺分泌等方面,提示白芍發揮養調經、柔肝止痛、平抑肝陽、斂陰止汗機制可能與這些蛋白有關。
3.3.2 生物信息學分析結果 利用OmicsBean 分析軟件對相關靶點進行GO 分析,選取P值最小的前10個進行作圖呈現(圖4B)。結果發現,在CC方面主要涉及胞外空間、細胞外膜結合細胞器、胞外細胞器等過程;在MF 方面主要參與蛋白結合、酶結合、受體結合等過程;在BP方面主要表現在對內源性刺激的反應、單細胞-多細胞生物體過程以及多細胞生物體突起等過程。對潛在靶點進行KEGG 通路富集分析得到165 條通路,通過Omicshare 在線平臺對false discovery rate 值前20 的通路進行可視化處理(圖4C),其中Rich factor 表示相關基因中位于該通路的基因數目與所有注釋基因中位于該通路的基因總數的比值,該值越大代表富集程度越高。
3.3.3 化合物-靶點-通路-藥理作用-功效網絡構建 根據對應關系在Cytoscape 軟件中,構建化合物-靶點-通路-藥理作用-功效的網絡關系圖(圖5)。其中包括386 個節點與3493 條邊,特征路徑長度為1.457,大多數蛋白的聯系非常密切,表明該網絡具有較快的傳播速度和較短的反應時間,具有小世界性質。平均相鄰節點數目10.373、網絡直徑3、網絡密度0.013,提示該網絡具有無標度、小范圍的體系結構,揭示了白芍多成分、多靶點、多通路的作用特點,初步闡釋了白芍養血調經、斂陰止汗、柔肝止痛、平抑肝陽的藥效物質基礎和作用機制。
3.4.1 白芍提取物對細胞NO、TNF-α、IL-6 釋放量的影響 與空白對照組比較,模型組中NO、TNF-α、IL-6含量顯著升高(P<0.001),見圖6。與模型對照組比較,陽性對照組地塞米松在給藥濃度為100 μmol·L–1時可顯著抑制NO、TNF-α、IL-6 的釋放(P<0.001);白芍提取物高(200 μg·mL–1)、低(100 μg·mL–1)劑量組對NO、TNF-α 的釋放均有顯著抑制活性(P<0.001),且有一定的濃度梯度依賴性;高劑量組對IL-6 的釋放有顯著抑制作用(P<0.01)。提示白芍提取物對LPS 誘導的RAW264.7 細胞炎癥因子的釋放有一定抑制作用。
3.4.2 單體化合物對細胞NO、TNF-α、IL-6 釋放量的影響 與空白組比較,模型組中NO、TNF-α、IL-6 含量顯著升高(P<0.001),見圖7。與模型組比較,陽性藥組地塞米松(100 μmol·L–1)可顯著抑制細胞上清液中NO、TNF-α、IL-6 的含量(P<0.001);單體化合物芍藥苷、芍藥內酯苷、芍藥苷亞硫酸酯、氧化芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、兒茶素、五沒食子酰葡萄糖和沒食子酸在濃度為50、10 μmol·L–1時對NO、TNF-α均有顯著抑制作用(P<0.05)。芍藥苷亞硫酸酯、氧化芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、兒茶素和五沒食子酰葡萄糖在濃度為50、10 μmol·L–1時對IL-6的釋放均有顯著抑制活性(P<0.05),芍藥苷僅在高濃度對IL-6的釋放有顯著抑制作用(P<0.05)。提示白芍提取物中的主要成分如芍藥苷等化合物能顯著抑制LPS誘導的RAW264.7細胞炎癥因子的表達。

圖7 單體化合物對細胞上清液中NO、TNF-α、IL-6釋放量的影響(±s,n=2)
中藥白芍與赤芍在藥性上有所差別,在基原上也有所差異,赤芍除了源于芍藥的干燥根之外,還可為川赤芍的干燥根。兩者在藥理作用與化學成分上有諸多類似,但也有不同之處,研究表明芍藥內酯苷在白芍中含量較高是兩者最大的差異性成分,因此,在補血和改善造血功能、抗抑郁等方面白芍優于赤芍[21]。白芍藥材在通過采收、加工、炮制之后臨床效果與應用會出現變化,而這種變化與化學成分在含量上的差別有關,如沒食子酸和五沒食子酰基葡萄糖的含量在經去皮和水煮的炮制處理后有所增加,而兒茶素有所下降,炒制后芍藥苷含量顯著降低,且在熏硫后會產生芍藥苷亞硫酸酯,其在抗血小板凝聚、松弛平滑肌方面并未具有芍藥苷的生物活性,硫黃熏制后的藥材使白芍的藥用價值大幅度降低[22-23],因此,在白芍藥材的加工過程中應當控制硫黃熏制的過程。本研究采用HPLC-Q-TOFMS/MS 快速辨識了白芍、炒白芍和赤芍化學物質組,辨析三者差異性成分發現,白芍與炒白芍的共有成分較多,牡丹皮苷I及丹皮素F在炒白芍及赤芍中未鑒別出;芍藥苷亞硫酸酯及其異構體、異麥角芍藥苷、紫蘇酸苷、牡丹皮苷H、牡丹皮苷B 在赤芍中未鑒別出;3′,6′-二沒食子酰芍藥苷在白芍中未鑒別出;其余化合物僅在峰面積上有所差別,其中白芍中芍藥內酯苷的峰面積明顯大于赤芍。
中藥藥性理論作為傳統中醫藥理論的核心內容,其科學內涵可以通過本原藥性(元藥性)和效應藥性(能藥性)加以概括,除藥物本身所具有的性味外,在一定程度上味覺的呈現還取決于與味覺相關聯的功能屬性[24]。而中藥之所以可以發揮功效治愈疾病與其本身具有的功能屬性、藥理藥性密不可分。因此,本研究從有效性的藥性(味)及藥效角度,解析了白芍性(味)/效物質基礎。哺乳動物味覺受體均為G蛋白偶聯受體(GPCR),其中,TAS2Rs家族作為GPCR 受體家族,可以識別多種苦味物質,其作為苦味的味覺受體在許多組織中皆有表達[13-14]。研究發現苦味主要化學成分為生物堿、苷類、苦味質三類,但隨著后續深入研究發現醌類、黃酮類、揮發油類等也可呈苦味,且苦味藥物大多在治療消化系統疾病、糖尿病、精神類疾病、肝膽疾病、腎臟疾病中發揮重要作用[25-27]。TRPP 通道家族成員PKD1L3 和PKD2L1 起到酸味受體的作用[15-16],研究發現“酸收”是對酸味藥功效的最早概括,酸味藥物一般具有收斂、固澀、止汗等作用,酸味入肝,有平息肝火、滋養肝血的功效,能夠起到促進肝臟代謝、保護肝臟的作用,并在糖尿病、胃病的治療中起顯著療效,其化學成分可概括為三類,即有機酸類、鞣質類及生物堿和苷類[28-30]。分析本研究結果發現,白芍中單萜及其苷類、黃酮類及鞣質類成分與苦味受體的對接結果較優,尤其以單萜及其苷類為主。同時,鞣質類、單萜及其苷類、酚酸類及有機酸化合物皆可與酸味受體有很好的結合,其中以帶有沒食子酰基的鞣質類化合物更為突出。故初步推斷單萜及其苷類可能為白芍主要苦味物質基礎,而帶有沒食子酰基的鞣質類化合物可能為白芍主要酸味物質基礎。
中醫藥的特色體現在中藥復方在治療復雜疾病整體上的辨證論治,強調整體性,通過藥物的協調配合進而調節機體改善狀態,體現其多成分、多靶點、多途徑的調控理念。而網絡藥理學基于疾病-基因-靶點-藥物相互作用的基礎上,通過網絡分析,揭示多分子藥物協同作用,這與中醫藥調控理念具有一致性[31-32]。本研究利用網絡藥理學的方法對白芍性(味)/效物質基礎進行預測分析,探究白芍網絡調控機制。分析發現,芍藥苷、氧化芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、山柰酚、兒茶素、沒食子酸、五沒食酰葡萄糖等化合物可作用于Akt1、CD14、LBP、PTGS2、VEGFA、ALOX5、NOS3、MAPK8、PTAFR等蛋白靶點,進而調控鈣離子信號通路,Wnt、NFκB、花生四烯酸代謝、血管平滑肌收縮、醛固酮的合成和分泌、MAPK 等信號通路,發揮抑制子宮收縮、抗血栓、抑制汗腺分泌等作用;芍藥苷、氧化芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、芍藥內酯苷、山柰酚等活性成分可作用于IL-6、HSP90AA、JUN、CASP3、PRKCG 等蛋白靶點,調控Toll 樣受體、TRP 通道炎癥介質調節及TNF 等信號通路進而發揮抗炎、鎮痛、保肝作用。鑒于白芍在臨床應用、疾病診療等方面多與抗炎作用相關,因此選用LPS 誘導的RAW264.7 細胞炎癥模型,進一步驗證了白芍抗炎物質基礎。實驗發現,不僅白芍提取物能顯著降低炎性細胞NO、TNF-α和IL-6 的釋放,同時芍藥苷、氧化芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、沒食子酸等多個單體化合物均能不同程度地抑制炎性因子的表達,具有顯著抗炎作用。
綜上,本研究通過對白芍化學物質組、真實“滋味”成分、功效成分綜合分析,從有效性完整表達角度,初步確定8 個成分,即芍藥苷、芍藥內酯苷、氧化芍藥苷、沒食子酰芍藥苷、苯甲酰芍藥苷、兒茶素、五沒食子酰葡萄糖及沒食子酸,可作為白芍基于有效性的Q-markers。鑒于Q-marker 確定的“五原則”方法[33],后續還需基于傳遞與溯源、特有性、可測性等方面對白芍進行對應分析,進而綜合確定其Q-markers。
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