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气滞胃痛颗粒中柴胡抗炎镇痛作用的构效组学

  2024-07-05    上传者:管理员

摘要:目的:采用构效组学研究方法,阐释气滞胃痛颗粒中柴胡抗炎镇痛作用的药效物质。方法:采用甲醛小鼠致痛实验明确柴胡皂苷的体内抗炎镇痛作用;运用中药系统药理数据库和分析平台(TCMSP),人类在线孟德尔遗传数据库(OMIM)和检索互作基因(STRING)等网络数据库,获取并筛选柴胡抗炎镇痛活性成分的核心靶点;采用计算机虚拟筛选技术将不同类型的柴胡皂苷与核心靶点进行对接,以各靶点与活性结构的综合评分总分为遴选原则,得到高结合活性的关键核心靶点;通过各类结构与药效靶点结合规律探讨分析构效关系。结果:柴胡皂苷能够降低甲醛刺激引起的小鼠足部肿胀,并在甲醛引发小鼠足部炎性疼痛反应中能使前列腺素E2(PGE2)含量下降,对PGE2所引发的炎性疼痛有显著的抑制作用;筛选出柴胡皂苷中9个化学成分和39个靶点;抗炎镇痛靶点3 074个,将成分靶点与抗炎镇痛疾病靶点取交集,共得到22个直接作用靶点;经过蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)分析,最终得到药物的主要活性成分有柴胡皂苷a、柴胡皂苷b1、柴胡皂苷b2、柴胡皂苷b3、柴胡皂苷c、柴胡皂苷d、柴胡皂苷e、柴胡皂苷f、柴胡皂苷v;关键靶点为fms相关受体酪氨酸激酶1(FLT1)、可溶性血管内皮生长因子受体(KDR)、成纤维细胞生长因子2(FGF2)、血管内皮生长因子A(VEGFA)、信号传导及转录激活因子3(STAT3)等;将柴胡中活性成分与PPI网络中度值前5的靶点进行分子对接,共得到>5分的高活性对接25个,其中5~6分的6个,>6分的18个。结论:该研究基于柴胡皂苷的体内抗炎镇痛药效作用,采用构效组学研究方法,可以分析柴胡皂苷抗炎镇痛的药效物质。构效组学能够为中药药效物质的阐释提供新思路、新方法。

  • 关键词:
  • 分子对接
  • 抗炎镇痛
  • 构效组学
  • 柴胡皂苷
  • 蛋白质-蛋白质相互作用
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气滞胃痛颗粒是由国家工程院院士、全国著名中医专家王永炎教授等多位专家在长期临床实践中精心创制,由柴胡、延胡索(炙)、枳壳、香附(炙)、白芍、炙甘草6味中药制成,具有舒肝理气,和胃止痛的功效,用于肝郁气滞,胸痞胀满,胃脘疼痛等证[1]。炎症是许多疾病的病理基础,中医理论认为炎症性疾病多由外邪侵袭导致气行郁滞,或因情志内伤,抑郁不遂,气机阻滞。肝主疏泄而藏血,具有条达气机、调节情志功能,肝气郁滞,疏泄失职,故情绪抑郁或急躁,胸胁胀闷,走窜疼痛[2],故可采用疏肝解郁的中药进行治疗。气滞胃痛颗粒以柴胡为君药,柴胡味苦、辛,性微寒,归肝、胆经,具有解表退热、疏肝解郁、升举阳气之功[1]。柴胡中含有皂苷、多糖、挥发油、黄酮等诸多活性成分,其中皂苷类成分为柴胡的主要药效组分[3]。本文从柴胡药效组分出发,在化学组分层次上对柴胡皂苷的抗炎镇痛活性进行体内药效研究,明确柴胡皂苷是气滞胃痛方中起到抗炎镇痛作用的主要组分之一。柴胡皂苷是一组齐墩果烷衍生物,通常作为糖苷存在于柴胡中,具有镇静镇痛、抗炎、抗菌、保护肝、肾、抗癌、抗病毒等药理作用[3]。课题组前期对气滞胃痛颗粒进行了系统研究[4],按其疏肝理气、和胃止痛的功效,开展抗炎止痛的精准研究[5,6,7],通过噻唑蓝(MTT)比色法体外药效实验明确了柴胡皂苷对小鼠单核巨噬细胞RAW264.7具有较强的保护作用,且呈剂量依赖关系[8,9]。现代研究也表明,柴胡皂苷类化合物可调控血管内皮生长因子(VEGF)/血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)[10]、Janus激酶2(JAK2)/信号传导及转录激活因子3(STAT3)[11]、核转录因子(NF)-κB[12,13]等多个信号通路,减少炎症反应。基于中药(复方)多成分、多靶点作用的优势,中药(复方)对众多疾病的临床效果不容争辩,但其药效物质基础和作用机制研究长期处于缓慢发展阶段,其根本原因在于中药复方本身多组分、多靶点、整体性的复杂特点及现代科学研究技术条件、方法和思路的限制。

针对中药(复方)现代化研究中的中药(复方)药效物质不清晰的关键科学问题,本文对柴胡皂苷的抗炎镇痛作用进行体内药效研究,对柴胡皂苷不同类化学成分进行解析、并结合分子对接结果探究规律,建立了气滞胃痛方中柴胡抗炎镇痛作用的构效组学研究方法,认为中药(复方)构效组学是按其功效与一类或多类化合物结构相关联,是一类或多类化合物组合协同发挥药效的结果。本研究建立的构效组学研究方法为解释中药(复方)药效物质基础及作用机制提供了新思路和新方法。


1、材料


1.1 动物

SPF级昆明小鼠,雌雄各半,体质量18~22 g,由辽宁长生生物技术有限公司提供,合格证号为SCXK(辽)2013-0009。本研究经辽宁中医药大学伦理委员会批准(批准编号20150702),所有程序均严格按照动物使用和护理的伦理原则进行。

1.2 药材与试剂

柴胡药材(辽宁华润本溪三药有限公司,经辽宁中医药大学张慧教授鉴定为Bupleurum chinense或狭叶柴胡B.scorzonerifolium的干燥根,批号20150917);NKA-9树脂、D900离子交换树脂(上海沧州宝恩有限公司);柴胡皂苷A对照品(四川维克奇生物科技有限公司,批号090114,纯度98%);阿司匹林(拜耳医药保健有限公司,国药准字HJ20160685,规格100 mg/片,批号81285595);甲醛(丹东市龙海试剂厂,批号20081108,临用前配置成浓度为2.5%的甲醛溶液);甲醇(分析纯,天津市永大化学试剂有限公司,批号20100808);氢氧化钾(分析纯,天津凯信化学工业有限公司,批号20100824);生理盐水(吉林省都邦药业股份有限公司,批号1004280104)。

1.3 仪器与设备

UV-1800型紫外分光光度计(北京瑞利分析仪器有限公司);Milli-Q超纯水处理装置(美国Millipore公司);Innova U570型超低温冰箱(-80℃,美国NBS公司);ACCULAB ALC-11C.4型电子天平(德国赛多利斯集团)。


2、方法


2.1 药物制备

基于本课题组前期基础[4],取柴胡药材粉末(过三号筛),以10倍量90%乙醇(2%KOH)回流提取2次,第1次1.5 h,第2次1 h,过滤,定容至1 000 m L量瓶中(0.1 g·m L-1)稀HCl调至中性,提取物得率为36.2%。选择经95%乙醇浸泡过夜的NKA-9树脂,湿法上柱,用95%乙醇洗脱,待流出液与水1∶5混合不产生浑浊后,用大量纯化水洗至无醇味,抽滤至干,备用;D900树脂经3%~5%HCl洗至流出液呈酸性,去离子水洗至中性,3%~5%Na OH洗至流出液呈碱性,去离子水洗至中性,备用。将0.1 g·m L-1的药材提取液,按原药材与NKA-9树脂用量比0.6∶1的比例上样,8倍量水、3倍量30%乙醇除杂,8倍量70%乙醇洗脱,洗脱液以2 BV·h-1的流速直接经过经与吸附树脂等量的D900离子交换树脂脱色除杂。利用二甲氨基苯甲醛反应,以柴胡皂苷A为对照品,在541 nm处测定总皂苷含量,纯度达70.3%。

2.2 动物造模、分组与给药

模型及方法参照文献[14,15,16],小鼠按体质量及性别将其随机分为空白组、模型组、阿司匹林组(0.04 g·kg-1)、柴胡皂苷组(4.05 g·kg-1),每组10只,雌雄各半,灌胃给药;各组按药物与剂量灌胃给药3 d,2次/d,在第3天给药1 h后,各组先用自制足体积测量器测量每只小鼠右后肢体积(以右后足关节为界),后用微量注射器向小鼠右后肢足跖部皮下注射2.5%甲醛溶液20μL。24 h后用自制足体积测量器测量每只小鼠右后肢体积,记录小鼠足肿胀度并计算右后足肿胀率及镇痛抑制率[17]。肿胀率=(致炎后足跖容积-致炎前足跖容积)∕致炎前足跖容积×100%。抑制率=(模型组平均肿胀度-给药组平均肿胀度)/模型组平均肿胀度×100%。

2.3 柴胡皂苷甲醛致小鼠疼痛对小鼠体内前列腺素E2(PGE2)含量的影响

将小鼠右踝关节处剪下炎足,称重,剥皮后浸于生理盐水中浸泡1 h(生理盐水4℃预冷),取出炎足,浸出液离心,取上清液2 m L,加0.15 mol·L-1氢氧化钾-甲醇溶液2 m L,混匀,50℃水浴20 min稍冷后,按照文献[18]方法检测PGE2的含量,比较各组间差异。PGE2含量(μg·g-1)=(A278×13.13×Vt×D)/W(Vt.PGE2浸泡液总体积,D.稀释倍数,W.右下肢质量,A278.278 nm处的吸光度A);PGE2抑制率=(模型组PGE2含量-给药组PGE2含量)/模型组PGE2含量×100%。

2.4 统计学方法

统计分析采用SPSS 23.0软件,计量资料以±s表示。t检验分析用于检测组间差异的统计学意义,P<0.05表示差异有统计学意义。


3、构效组学分析


3.1 数据库及软件

中药系统药理数据库和分析平台;Pub Chem数据库;Pharm Mapper数据库;Swiss Target Prediction ;Dis Ge NET数据库;在线人类孟德尔遗传数据库;检索互作基因数据库;Uni Prot数据库;RCSB PDB数据库;Cytoscape3.7.2、Chem Draw、SYBYL-X 2.1.1、Py MOL、Discovery Studio 4.5 visualizer。

3.2 活性成分潜在靶点获取

本文基于柴胡皂苷的体内药效试验结果,通过文献检索全面搜集柴胡皂苷成分,然后通过Pub Chem、TCMSP获得成分化学结构,利用成分结构获得靶点,在应用TCMSP数据库的基础上,检索Pharm Mapper和Swiss Target Prediction数据库的成分相关靶点,以补充TCMSP数据库的不足,并结合Pub Chem数据库补充活性成分的其作用靶点。在Dis Ge NET数据库、OMIM数据库分别输入“inflammation”“inflammatory”“pain”,并检索、去重、汇总后获得抗炎镇痛的作用靶点。

3.3 活性成分核心靶点筛选

将活性成分靶点与抗炎镇痛所有作用靶点取交集,筛选出直接作用靶点;为便于分析,将所有的靶点均转化为gene symbol格式。将直接作用靶点导入STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络,将结果导入Cytoscape 3.7.2软件,并根据度值筛选高活性基因蛋白,最终构建完成PPI网络图。

3.4 结构靶标分析

综合评分是模拟结合能,能反映配体与受体的结合亲合力,综合考虑了极性作用、疏水作用、熵和溶剂化等因素[19],综合评分值越大,配体与受体结合越稳定,越有可能存在相互作用。当综合评分>5分表明化合物与靶点可能存在较好的结合[19,20,21],当综合评分>7分,说明存在较强的结合。将柴胡皂苷活性成分依据母核特点进行结构归类,运用SYBYL-X 2.1.1软件,以最小化能量处理后的结构作为配体分子,以核心靶点作为受体蛋白,进行半柔性的分子对接运算。具体操作如下,从PDB数据库下载核心靶点的氨基酸结构,以PDB格式导入SYBYL-X 2.1.1软件,进行去水加氢操作,选择Automatic模式产生活性口袋;然后将柴胡皂苷活性成分结构导入Chem Office2019软件,进行能量最小化处理,得到最低能量3D mol2文件与之进行对接运算,依据得到的综合评分值,评价二者的结合能力。同时运用Discovery Studio 4.5visualizer软件,进一步确定有效成分与靶点的成键类型及结合形式。根据各靶点与结构的对接总评分,筛选得到柴胡皂苷成分的关键核心靶点,构建柴胡皂苷各结构类型与关键核心靶点的映射关系,并对其进行分析。


4、结果


4.1 柴胡皂苷药效

4.1.1 甲醛小鼠致痛实验

空白组小鼠无足肿胀现象;与空白组比较,模型组小鼠出现明显足肿胀,且24 h后右后足的平均肿胀率明显升高(P<0.05),提示造模成功;与模型组比较,柴胡皂苷组和阿司匹林阳性对照组小鼠24 h后右后足的平均肿胀率明显降低(P<0.05);与模型组比较,柴胡皂苷组和阿司匹林阳性对照组小鼠24 h后右后足的平均肿胀度明显降低(P<0.05),说明柴胡皂苷有抑制甲醛刺激引发足肿胀的功效,见表1。

表1 柴胡皂苷对小鼠致痛足肿胀率的影响(±s,n=10)  

4.1.2 甲醛法致痛对小鼠体内PGE2含量影响

与空白组比较,模型组PGE2含量明显升高(P<0.05),说明本实验引发的小鼠足部炎性疼痛可诱发体内PGE2含量的升高;柴胡皂苷组PGE2含量较模型组明显降低(P<0.05),说明柴胡皂苷不仅能使甲醛刺激小鼠引发炎性疼痛所导致PGE2含量下降,并且低于正常水平。与模型组比较,柴胡皂苷组小鼠的PGE2含量明显下降(P<0.05),表明其在实验中可明显抑制PGE2含量升高,对PGE2所引发的炎性疼痛有明显的抑制作用,见表2。

4.2 构效组学分析

4.2.1 柴胡皂苷化学活性成分

基于柴胡皂苷的体内抗炎镇痛作用,运用TCMSP数据库筛选出柴胡皂苷中9个化学成分,柴胡皂苷化学活性成分基本信息见增强出版附加材料。

4.2.2 柴胡皂苷抗炎镇痛核心靶点分析

将筛选出柴胡皂苷中9个化学成分的39个靶点与抗炎镇痛疾病的3 074个靶点取交集,共得到22个直接作用靶点,将22个柴胡皂苷抗炎镇痛直接作用靶点导入STRING数据库构建PPI网络,将结果导Cytoscape 3.7.2软件,依据Cytoscape 3.7.2软件内置Network Analyzer进行分析,共计16个节点,40条边,见增强出版附加材料。其中度值较高的高活性靶点为VEGFA、FLT1、STAT3、KDR、FGF2,柴胡皂苷抗炎镇痛的药效机制可能与这些蛋白相关。

表2 柴胡皂苷对甲醛致小鼠疼痛对体内PGE2含量的影响 

4.2.3 柴胡皂苷化学结构分类

柴胡皂苷化学活性成分均属齐墩果烷型三萜皂苷类化合物。其中,柴胡皂苷a,柴胡皂苷c,柴胡皂苷d,柴胡皂苷e为Ⅰ型柴胡皂苷(原生苷);柴胡皂苷b1,b2,v为Ⅱ型柴胡皂苷(具有异环双烯结构);柴胡皂苷b3,f为Ⅲ型柴胡皂苷(12位为双键结构)。

4.2.4 关键核心靶点筛选

以综合评分值为筛选标准,选取直接作用靶点中度值前5的高活性靶点,通过SYBYI-x2.1.1软件对5个靶点开展分子对接,VEGFA(1MKK、1.32Å)、FLT1(3HNG、2.70Å)、STAT3(5AX3、2.98Å)、KDR(3HNG、2.70Å)、FGF2(1BFG、1.60Å)。每次对接仅展示最佳构象的得分分子对接可视化结果,见增强出版附加材料,共得到>5分的高活性对接25个,其中5~6分的6个,>6分的18个。从综合得分情况来看,柴胡皂苷化学成分与5个靶点都出呈现一定的结合,其中VEGFA、FLT1和STAT3无论从>5分的高活性对接数量优于其他靶点,最终筛选VEGFA、FLT1和STAT3为柴胡发挥抗炎镇痛作用的核心靶点。

4.2.5 柴胡皂苷化学结构与靶点结合关系

Ⅰ型柴胡皂苷(原生苷)均含有环醚结构,期中柴胡皂苷c为三糖苷结构(3R,8R,8a R,12b S)构型,而柴胡皂苷d、柴胡皂苷e、柴胡皂苷a均为与L-夫糖和D-葡萄糖所形成的二糖苷,其中柴胡皂苷d为(3R,8R,8a R,12b R)构型,柴胡皂苷a为(3S,8S,8a R,12b R)构型,柴胡皂苷e为(3S,8S,8a R,12b R)构型。从综合打分看,Ⅰ型柴胡皂苷与靶点FLT1、VEGFA和STAT3整体结合较好,与FLT1和VEGFA结合更好于STAT3,在靶点FLT1中,变为柴胡皂苷c呈现最佳结合活性,推测与其立体构型和糖基有关。在靶点VEGFA中,四者活性差别不大,均有较好结合。在靶点STAT3中,柴胡皂苷a表现为最佳结合,柴胡皂苷d则活性下降,由于两者结构上3位和8位构型的区别,推测可能和其立体构型有关。见图1。

Ⅱ型皂苷含有异环双烯结构,此类结构整体与靶点FLT1和VEGFA的结合活性较好,强于STAT3。其中与靶点FLT1的结合中,柴胡皂苷v表现为最佳结合活性,推测可能与其立体构型或者糖基的引入有关。靶点VEGFA中,柴胡皂苷b2表现为最佳结合活性,通过对比,可以看出柴胡皂苷b2与柴胡皂苷b1结构上主要的差别是6a位的构型。推测立体构型可能是影响结合活性的原因。见图2。

Ⅲ型柴胡皂苷C12位含有双键结构,此类结构与3个靶点的结合均表现为柴胡皂苷f结合活性较好,柴胡皂苷b3结合活性一般。见图3。

在FLT1靶点中,柴胡皂苷e与FLT1的多种氨基酸残基表现出相互作用,结构中的羟基与GLU 30、ARG 23和GLN 22以氢键形式结合,与PRO 53、MET 55和PHE172等以范德华力相结合,与HIS 27之间存在碳氢键,此外,与ILE 29、ARG 23和HIS 27氨基酸残基表现出疏水作用;柴胡皂苷f结构中的羟基与PRO 28、CYS 26和ASN 100以碳氢键结合,该结构与GLU 30、ARG 23和PHE 172等氨基酸残基存在范德华力,此外还与ILE 29、ARG 23和HIS 27存在疏水键。在SATA3靶点中,柴胡皂苷c与SATA3的多种氨基酸残基表现出氢键、范德华力和碳氢键分子间作用力,另外还与TYR 27存在疏水作用;柴胡皂苷b3与多种氨基酸残基表现出氢键、范德华力和碳氢键分子间作用力,而不具有疏水作用。在VEGFA靶点中,柴胡皂苷b2与CYS 57、GLY 59和LEU 32以氢键形式结合,与ILE 29、CYS 57、HIS 99等以碳氢键形式结合,与ARG 56和VAL 33以疏水键结合;柴胡皂苷b3与GLU 30、GLY 59和LEU 32以氢键形式结合,与ILE 29以疏水键结合。见增强出版附加材料。


5、讨论


中药药效组分是实现药效的物质基础,本文采用甲醛小鼠致痛实验明确柴胡皂苷的体内抗炎镇痛作用,并通过TCMSP数据库从柴胡皂苷中筛选得到柴胡皂苷a、柴胡皂苷b1、柴胡皂苷d和柴胡皂苷v等重要活性成分。根据中医文献记载,柴胡皂苷被广泛用于缓解炎症性疾病,通过特定的信号通路直接抑制促炎细胞因子的表达和调节炎症介质已被确定为柴胡皂苷抗炎活性的关键机制。研究表明,柴胡皂苷a可抑制促炎细胞因子的表达,并增加脂多糖(LPS)处理的巨噬细胞RAW264.7细胞中抗炎细胞因子白细胞介素-10(IL-10)的表达[22];并能减轻LPS诱导的急性肺损伤小鼠模型中的病理损伤[23]。对于柴胡皂苷d的研究,有报道称柴胡皂苷d在RAW264.7细胞中及在两种不同的小鼠急性炎症模型中均能降低促炎细胞因子的表达[24]。除了促炎细胞因子,许多炎症介质,包括诱导型一氧化氮合酶、环氧化酶2及其酶促产物前列腺素,都是炎症和炎症细胞增殖的强启动子[25]。以往的研究表明,不同纯化的柴胡皂苷对环氧合酶-2(COX-2)的表达和PGE2的产生有不同的影响。柴胡皂苷a、柴胡皂苷c和柴胡皂苷d的混合物对PGE2的产生有明显的抑制作用。在大鼠腹腔巨噬细胞中,柴胡皂苷a和柴胡皂苷c显著抑制PGE2的合成和花生四烯酸的释放,而柴胡皂苷b1、柴胡皂苷b2和柴胡皂苷d则促进PGE2的产生[26]。柴胡皂苷和抗炎镇痛交集的关键靶蛋白包括FLT1、VEGFA、STAT3等。VEGF是最重要的血管生成诱导因子之一,主要通过与两种高亲和力跨膜酪氨酸激酶受体(FLT1)相互作用发挥细胞效应,阻断血管生成在各种炎症性疾病的治疗中具有广阔的前景[27]。根据文献报道,柴胡皂苷d能够降低细胞中VEGF和血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)的蛋白表达,抑制VEGF/VEGFR2信号通路的激活[28],柴胡皂苷b2能抑制血管生成通路相关蛋白的表达[29]。VEGF是内皮细胞特异性的有丝分裂肽,在血管生成和血管生成中起关键作用,同时刺激血管通透性,导致炎症[30,31,32,33]。以往的研究表明,柴胡皂苷d可下调STAT3的蛋白表达[11],STAT3在巨噬细胞和中性粒细胞中的激活已被证明对预防小鼠慢性炎症是必不可少的。综上所述,中药柴胡通过柴胡皂苷a和柴胡皂苷d等重要活性成分,作用于VEGFA、FLT1和STAT3等关键蛋白靶点,从而发挥其疏肝解郁功效,缓解炎症及炎症导致的疼痛,对于气滞胃痛颗粒舒肝理气、和胃止痛的功效起到了主要的作用。

图2 Ⅱ型柴胡皂苷与靶点的关系   

图3 Ⅲ型柴胡皂苷与靶点的关系   

本课题组开展的中药(复方)构效组学研究的对象是化学成分结构清晰的中药,从成分的化合物结构角度解析药效明确的中药复杂物质体系药效成分不清,作用机制不明的难题。构效组学研究方法具有高通量、系统性、高效性的特点,,实现对复杂物质体系药效物质基础的快速筛选,同时快速寻找作用该靶点的活性化合物,以指导进一步的实验和发现。半柔性对接法适用于处理小分子与大分子之间的对接,在对接过程中,大分子(蛋白)构象保持不变,而小分子(化合物)构象则可以变化,由于小分子的结构相对较小,则可以在考虑柔性保证对接精度的基础上,保持较好的计算效率,相比于柔性对接方式更符合高通量筛选的需求。本文根据体内药效实验确定有效组分后,通过虚拟对接的方式,探讨成分结构与靶点结合优劣之间的关系,总结结合较好的构象中母核和结构的规律,为精准辨识中药复杂物质体系化学成分群及靶向作用机制的研究提供了参考。


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基金资助:中央引导地方科技发展专项(2021JH6/10500012); 辽宁省科技创新领军人才项目(XLYC1902116);


文章来源:罗曦,齐冰,孟营,等.气滞胃痛颗粒中柴胡抗炎镇痛作用的构效组学[J].中国实验方剂学杂志,2024,30(15):146-153.

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