裴 超,邵霖霖,劉 晶,施慧彬,馮 俊
中國中醫(yī)科學(xué)院眼科醫(yī)院,北京 100040
視網(wǎng)膜靜脈阻塞(retinal vein occlusion,RVO)是導(dǎo)致視力下降的主要原因之一,也是僅次于糖尿病性視網(wǎng)膜病變的第二大常見的視網(wǎng)膜血管疾病,主要臨床特征為黃斑水腫、視網(wǎng)膜出血、靜脈迂曲擴(kuò)張。依據(jù)阻塞位置不同,臨床上分為視網(wǎng)膜分支靜脈阻塞(branch retinal vein occlusion,BRVO)和視網(wǎng)膜中央靜脈阻塞(central retinal vein occlusion,CRVO)兩種主要類型,前者更為多見。流行病學(xué)研究表明,全球約1 600萬人罹患RVO,總體發(fā)病率為5.20/1 000,其中BRVO的發(fā)病率為4.42/1 000,CRVO的發(fā)病率為0.80/1 000;而中國(北京地區(qū))10年RVO發(fā)病率為1.9±0.1/100[1,2]。高血壓、糖尿病、血脂異常、高同型半胱氨酸血癥等被認(rèn)為是RVO的危險(xiǎn)因素。視網(wǎng)膜靜脈阻塞的確切發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚,可能是靜脈血栓形成的Virchow’s三聯(lián)征(即血流動(dòng)力學(xué)變化、血管壁退行性變化及血液高凝狀態(tài))級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)局[3]。玻璃體腔注射抗血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)藥物和糖皮質(zhì)激素類藥物是RVO的主要治療手段,但仍存在藥效短暫、藥物不良反應(yīng)及病情易反復(fù)等問題。
視網(wǎng)膜靜脈阻塞歸屬于中醫(yī)學(xué)“絡(luò)瘀暴盲”范疇,本病基本病機(jī)是脈絡(luò)瘀阻、血溢絡(luò)外,治以“剔絡(luò)化瘀、活血利水”為主。紅花是活血祛瘀、通經(jīng)止痛之要藥,是活血化瘀方劑治療RVO的常用配伍藥味?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究證實(shí),紅花中已分離鑒定化學(xué)成分有100多種,包括黃酮類、生物堿、聚炔類及脂肪酸等化合物,具有擴(kuò)張血管、改善微循環(huán)、增加血流量、抗血栓、抗炎、調(diào)節(jié)免疫等作用[4]。紅花注射液由紅花經(jīng)水煮醇沉工藝加工而成,具有活血化瘀之功效,主要用于治療閉塞性腦血管疾病,冠心病,脈管炎等疾病[5]。臨床研究表明,紅花注射液治療RVO能夠提高患者的視力,促進(jìn)眼底出血、滲出的吸收,消退視網(wǎng)膜水腫[6]。紅花治療RVO的物質(zhì)基礎(chǔ)和活血化瘀功效的科學(xué)內(nèi)涵尚未闡明。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)、藥物化學(xué)、藥理學(xué)和生物化學(xué)等多學(xué)科整合的一門新興學(xué)科。2007年英國學(xué)者HopKins教授在網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)的基礎(chǔ)上提出了“網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)”概念,其核心思想是通過對基因、蛋白、代謝物互作網(wǎng)絡(luò)的多維度、多途徑、多靶點(diǎn)整合調(diào)節(jié)來揭示藥物作用機(jī)制和指導(dǎo)藥物分子設(shè)計(jì)[7]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的研究理念與中藥多成分-多靶點(diǎn)-協(xié)同調(diào)節(jié)模式極為契合,為中藥單體或復(fù)方活性成分與潛在作用靶點(diǎn)提供了新的視角。分子對接技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬藥物化合物與疾病靶標(biāo)之間的幾何結(jié)構(gòu)與空間相互作用,以識別具有治療意義的化合物。本研究旨在通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討紅花治療RVO的“多成分-多靶點(diǎn)-多途徑”整體調(diào)節(jié)的作用機(jī)制,同時(shí)將預(yù)測得到的紅花活性成分與對應(yīng)作用靶點(diǎn)進(jìn)行分子對接初步驗(yàn)證,從而為后續(xù)基礎(chǔ)研究提供一定的科學(xué)理論依據(jù)。
從TCMSP數(shù)據(jù)庫(http://tcmspw.com)中獲取紅花的活性成分和潛在作用靶點(diǎn),同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)補(bǔ)充相關(guān)化學(xué)成分。以“Honghua/紅花”為檢索詞,篩選條件:口服生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%且類藥性(drug-like,DL)≥0.18。然后通過UniProt數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org),限定物種為“Homo sapiens”,校正所獲取活性成分對應(yīng)靶點(diǎn)基因名。
通過GeneCards數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org)和OMIM數(shù)據(jù)庫(https://omim.org),以“retinal vein occlusion”為關(guān)鍵詞分別進(jìn)行檢索,剔除重復(fù)靶點(diǎn),獲取RVO相關(guān)疾病唯一靶點(diǎn)基因。
利用R 3.6.3軟件運(yùn)行R語言獲取紅花-RVO的交集靶點(diǎn),通過FunRich 3.1.3軟件繪制Venn圖,利用Cytoscape 3.7.0軟件繪制疾病-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
將“1.3”獲取的紅花-RVO的交集靶點(diǎn)導(dǎo)入String 11.0數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org),條件設(shè)置:限定物種為“Homo sapiens”,最低置信度得分≥0.700,且隱藏離散的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),得到交集靶點(diǎn)的蛋白互作數(shù)據(jù)信息。利用Cytoscape 3.7.0軟件的network analyzer功能構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)圖和篩選關(guān)鍵靶點(diǎn)。
將1.3獲取的紅花-RVO交集靶點(diǎn)導(dǎo)入Metascape數(shù)據(jù)庫(https://metascape.org)進(jìn)行GO功能富集分析(包括生物過程(biological process,BP)、細(xì)胞成分(cellular component,CC)、分子功能(molecular function,MF))和KEGG通路富集分析,然后依據(jù)P<0.05選取排名前10的GO富集分析和排名前15的KEGG通路富集分析結(jié)果,利用GraphPad Prism 5.0軟件繪制柱狀圖。
選取疾病-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中degree值排名靠前的紅花活性成分和PPI網(wǎng)絡(luò)中degree值排名靠前的靶點(diǎn)基因進(jìn)行分子對接。從TCMSP數(shù)據(jù)庫獲取紅花化學(xué)成分的分子結(jié)構(gòu)mol2格式;從RCSB PDB數(shù)據(jù)庫(https://www.rcsb.org)獲取對應(yīng)靶點(diǎn)基因的3D分子結(jié)構(gòu)pdb格式。紅花主要活性成分和關(guān)鍵靶點(diǎn)基因的分子結(jié)構(gòu)文檔均使用AutoDock Tools 1.5.6軟件轉(zhuǎn)換為pdbqt格式,利用AutoDock Vina 1.1.2軟件進(jìn)行分子對接。通過Pymol 2.3.2軟件將對接得分較高且構(gòu)象較穩(wěn)定的化合物與靶點(diǎn)蛋白進(jìn)行分子對接可視化分析。
通過TCMSP數(shù)據(jù)庫共收集到符合標(biāo)準(zhǔn)的紅花活性成分22個(gè)和對應(yīng)的潛在作用靶點(diǎn)數(shù)目367個(gè),利用UniProt數(shù)據(jù)庫校正靶點(diǎn)基因名,去除無效及重復(fù)值,共得到186個(gè)作用靶點(diǎn)。
通過GeneCards數(shù)據(jù)庫和OMIM數(shù)據(jù)庫分別獲取RVO疾病靶點(diǎn)數(shù)目1 704個(gè),148個(gè);合并且剔除重復(fù)值后共得到1 842個(gè)。
將TCMSP數(shù)據(jù)庫收集的紅花潛在作用靶點(diǎn)186個(gè)和GeneCards數(shù)據(jù)庫與OMIM數(shù)據(jù)庫獲取的RVO疾病靶點(diǎn)1 842個(gè),運(yùn)用R 3.6.3軟件運(yùn)行R語言得到紅花-RVO交集靶點(diǎn)數(shù)目128個(gè),同時(shí)利用FunRich 3.1.3軟件繪制Venn圖(圖1)。
圖1 藥物-疾病交集靶點(diǎn)Venn圖Fig.1 Venn diagram of drug-disease intersection targets
將上述所得紅花活性成分與紅花-RVO交集靶點(diǎn)導(dǎo)入Cytoscape 3.7.0軟件繪制疾病-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(圖2),網(wǎng)絡(luò)包含145個(gè)節(jié)點(diǎn)(1種疾病名,1個(gè)中藥名,15種中藥活性成分,128個(gè)靶點(diǎn))和404條邊,每條邊表示疾病-藥物所對應(yīng)靶點(diǎn)、藥物所對應(yīng)化學(xué)成分以及藥物化學(xué)成分與潛在作用靶點(diǎn)的相互作用關(guān)系。其中槲皮素(quercetin)、木犀草素(luteolin)、山柰酚(kaempferol)、黃芩素(baicalein)、β-谷甾醇(beta-Sitosterol)、β-胡蘿卜素(beta-carotene)這6種活性成分所對應(yīng)的靶點(diǎn)數(shù)目從高到低依次是102、39、35、20、20、16,說明它們可能是紅花的關(guān)鍵活性成分(表1)。
圖2 疾病-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Disease-component-target network
表1 紅花15種活性成分信息及對應(yīng)靶點(diǎn)數(shù)目Table 1 Information of 15 active ingredients of Carthami Flos and number of corresponding targets
圖3 紅花-RVO交集靶點(diǎn)PPI網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Carthami Flos-RVO intersection target PPI network
將“1.3”得到的128個(gè)紅花-RVO交集靶點(diǎn)導(dǎo)入String 11.0數(shù)據(jù)庫獲取蛋白互作數(shù)據(jù)信息,然后利用Cytoscape 3.7.0軟件構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)(圖3)。PPI網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果,PPI網(wǎng)絡(luò)(富集P值<1.0e×10-16)包含128個(gè)節(jié)點(diǎn),986條邊,節(jié)點(diǎn)的平均度值(degree)為15.4。節(jié)點(diǎn)(node)表示蛋白,邊(edge)表示蛋白之間的相互作用關(guān)系;度值大小決定節(jié)點(diǎn)面積大小,節(jié)點(diǎn)面積越大表示蛋白在網(wǎng)絡(luò)中所起的作用越大;節(jié)點(diǎn)顏色深淺代表節(jié)點(diǎn)相互作用程度大小,節(jié)點(diǎn)顏色由內(nèi)向外顏色越淺代表蛋白之間相互作用程度越低。依據(jù)節(jié)點(diǎn)度值大小,AKT1(58)、IL6(53)、JUN(51)、MAPK1(51)、MAPK8(50)、VEGFA(48)、EGF(42)、CXCL8(41)、MMP9(40)這9個(gè)靶點(diǎn)蛋白可能在網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用。
將128個(gè)紅花-RVO交集靶點(diǎn)導(dǎo)入Metascape數(shù)據(jù)庫分別進(jìn)行GO和KEGG富集分析(限定物種:Homo sapiens;P<0.05),共得到GO富集條目2 282個(gè),其中生物過程條目2 000個(gè),主要涉及脂多糖反應(yīng)、細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號途徑、細(xì)胞外刺激反應(yīng)、有機(jī)環(huán)狀化合物的細(xì)胞反應(yīng)、凋亡信號途徑及細(xì)胞增殖負(fù)性調(diào)控等;分子功能條目174個(gè),主要涉及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、細(xì)胞因子受體結(jié)合、蛋白同源二聚體活性、蛋白激酶結(jié)合、類固醇激素受體活性等;細(xì)胞成分條目108個(gè),主要涉及膜筏、囊腔、細(xì)胞外基質(zhì)、RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物、胞質(zhì)核周區(qū)等。共得到167個(gè)KEGG富集條目,主要涉及癌癥相關(guān)通路、糖尿病并發(fā)癥相關(guān)AGE-RAGE信號通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、VEGF信號通路及p53信號通路等。依據(jù)P值篩選排名前10的GO富集分析和排名前15的KEGG富集分析,利用GraphPad Prism 5.0軟件繪制柱狀圖(圖4、圖5)。
圖4 紅花-RVO交集靶點(diǎn)GO富集分析柱狀圖Fig.4 Histogram of GO enrichment analysis of Carthami Flos-RVO intersection targets
圖5 紅花-RVO交集靶點(diǎn)KEGG富集分析柱狀圖Fig.5 Histogram of KEGG enrichment analysis of Carthami Flos-RVO intersection targets
運(yùn)用AutoDock Vina 1.1.2軟件將槲皮素、木犀草素、山柰酚等化合物與AKT1、IL6、JUN、MAPK1、VEGFA等對應(yīng)靶點(diǎn)分別進(jìn)行分子對接。一般認(rèn)為,結(jié)合能(Binding energy,kcal/mol)小于-4.25 kcal/mol表示配體小分子與受體蛋白之間有一定的結(jié)合活性;結(jié)合能小于-5.0 kcal/mol表明配體小分子與受體蛋白之間有較好的結(jié)合活性;結(jié)合能小于-7.0 kcal/mol表明配體小分子與受體蛋白具有強(qiáng)烈的結(jié)合活性。結(jié)合能反應(yīng)受體與配體之間結(jié)合的可能性,結(jié)合能越低表示受體與配體親和力越高,構(gòu)象越穩(wěn)定,說明兩個(gè)分子在自然狀態(tài)下結(jié)合釋放能量越低即更容易結(jié)合。分子對接結(jié)果提示,槲皮素、木犀草素、山柰酚、黃芩素、β-胡蘿卜素、β-谷甾醇等6種化合物與AKT1、IL6、CXCL8、VEGFA、MAPK1、MAPK8、JUN、MMP9、EGF等9種對應(yīng)靶點(diǎn)的結(jié)合能均小于-5.0 kcal/mol,說明兩者間均有著較好的結(jié)合活性。選取槲皮素與IL6(PDB ID:4cni)、槲皮素與VEGFA(PDB ID:3v2a)、木犀草素與MMP9(PDB ID:1l6j)、木犀草素與MAPK1(PDB ID:4iz5),借助Pymol 2.3.2軟件分別進(jìn)行分子對接可視化分析(圖6)。分子對接虛擬技術(shù)發(fā)現(xiàn),化合物均穩(wěn)定地位于口袋狀的對接口袋內(nèi)。槲皮素與活性位點(diǎn)附近的Gln-152、Arg-104、Gln-156、Asp-160這4個(gè)氨基酸形成氫鍵結(jié)合到IL-6;槲皮素與活性位點(diǎn)附近的Asn-62這1個(gè)氨基酸形成氫鍵結(jié)合到VEGFA;木犀草素與活性位點(diǎn)附近的Thr-426、Arg-424、Pro-415這3個(gè)氨基酸形成氫鍵結(jié)合到MMP9;木犀草素與活性位點(diǎn)附近的Lys-54、Ser-153、Met-108、Lys-114這4個(gè)氨基酸形成氫鍵結(jié)合到MAPK1。
表2 紅花主要活性成分與對應(yīng)作用靶點(diǎn)的分子對接Table 2 Molecular docking of main active in gredients of Carthami Flos and corresponding targets
圖6 分子對接模式圖Fig.6 Pattern diagram of molecular docking注:A.槲皮素-IL6(PDB ID:4cni);B.槲皮素-VEGFA(PDB ID:3v2a);C.木犀草素-MMP9(PDB ID:1l6j);D.木犀草素-MAPK1(PDB ID:4iz5)。Note:A.Quercetin-IL6 (PDB ID:4cni);B.Quercetin-VEGFA (PDB ID:3v2a);C.Luteolin-MMP9 (PDB ID:1l6j);D.Luteolin-MAPK1 (PDB ID:4iz5).
紅花是菊科植物紅花的干燥花,辛,溫,歸心、肝經(jīng),具有活血通經(jīng),祛瘀止痛之功效?!侗静輩R言》曰:“紅花,破血、行血、和血、調(diào)血之藥也?!闭f明紅花是活血化瘀之佳品。本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)篩選得到紅花15種活性成分,其中槲皮素、木犀草素、山柰酚、黃芩素、β-胡蘿卜素、β-谷甾醇等6種化合物可能是治療RVO的物質(zhì)基礎(chǔ),具有抗炎、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫等生物活性。藥理學(xué)研究表明,槲皮素對H2O2誘導(dǎo)血管內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells,EPCs)氧化應(yīng)激損傷起到修復(fù)作用,可能通過激活PI3K/Akt信號通路減輕氧化應(yīng)激對受損血管的影響,促進(jìn)血管EPCs增殖和分化[8]。木犀草素具有擴(kuò)張血管和保護(hù)血管的雙重生物活性,可以有效保護(hù)血管內(nèi)皮免受氧化應(yīng)激損傷[9]。山柰酚能夠抑制脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng),說明山柰酚對炎癥狀態(tài)下的血管內(nèi)皮具有保護(hù)作用[10]。β-胡蘿卜素對高糖誘導(dǎo)的人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用,可能與抗脂質(zhì)過氧化作用、誘導(dǎo)NO的生成及促進(jìn)活性氧的降解有關(guān)[11]。
通過疾病-成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和PPI網(wǎng)絡(luò)分析表明,IL6、CXCL8、VEGFA、MMP9、MAPK1、AKT1等可能是紅花治療視網(wǎng)膜靜脈阻塞的關(guān)鍵靶點(diǎn)。全身或局部炎癥反應(yīng)可能是RVO的重要發(fā)病機(jī)制。IL6是一種重要的促炎細(xì)胞因子,通過肌動(dòng)蛋白微絲重排促進(jìn)相鄰細(xì)胞間縫隙連接的形成,從而增加血管內(nèi)皮通透性[12]。VEGFA是一種強(qiáng)效、可擴(kuò)散的內(nèi)皮特異性有絲分裂原,在缺氧條件下釋放,與血管內(nèi)皮表達(dá)的VEGF受體結(jié)合后,可引起視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接的構(gòu)象變化而導(dǎo)致血管通透性增高[13]。臨床研究證實(shí),RVO患者房水中的IL6和VEGF表達(dá)水平明顯高于對照組,說明IL6通過誘導(dǎo)VEGF表達(dá)上調(diào)增加血管通透性,同時(shí)也會(huì)加重視網(wǎng)膜缺血[14]。CXCL8(即IL8)是參與炎癥細(xì)胞募集的趨化細(xì)胞因子。伴有黃斑水腫的BRVO患者的玻璃體液內(nèi)IL8的表達(dá)水平明顯高于對照組,提示IL8可能會(huì)增加血管通透性和黃斑水腫[15]。基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是一種鈣或鋅依賴性細(xì)胞外蛋白水解酶,在各種生理和病理?xiàng)l件下,在降解和重塑細(xì)胞外基質(zhì)中發(fā)揮重要作用,尤其是MMP9與多種內(nèi)皮細(xì)胞功能有關(guān),包括增殖、分化和遷移等[16]。RVO患者房水中MMP9的濃度明顯高于白內(nèi)障對照組,且與視功能損害呈負(fù)相關(guān)[17]。
GO富集分析結(jié)果表明,紅花治療RVO可能通過調(diào)控脂多糖反應(yīng)、細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號途徑、細(xì)胞外刺激反應(yīng)、凋亡信號途徑及細(xì)胞增殖負(fù)性調(diào)控等生物過程,發(fā)揮著抗炎、調(diào)節(jié)免疫、抑制細(xì)胞凋亡等作用。KEGG富集分析結(jié)果表明,PPI網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵靶點(diǎn)主要富集于糖尿病并發(fā)癥相關(guān)AGE-RAGE信號通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、VEGF信號通路、IL-17信號通路及p53信號通路等炎癥、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡等信號途徑。VEGF過度表達(dá)導(dǎo)致白細(xì)胞淤滯,視網(wǎng)膜血管閉塞及視網(wǎng)膜缺血,同時(shí)也可激活NF-κB信號通路,調(diào)控下游靶點(diǎn)基因血管細(xì)胞粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1)的表達(dá)[18]。Long等[19]通過光化學(xué)法成功構(gòu)建實(shí)驗(yàn)性BRVO模型,吸入氫氣可減輕視網(wǎng)膜水腫,縮短血管再灌注時(shí)間,改善視網(wǎng)膜功能,證實(shí)了吸入氫氣可能激活VEGF信號通路,從而下調(diào)VEGFA的表達(dá)。IL-17主要由輔助性T細(xì)胞產(chǎn)生,IL-17信號通路通過調(diào)控IL-6、IL-8、ICAM-1、VEGF的表達(dá),從而促進(jìn)人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移,誘使毛細(xì)血管管腔形成[20]。因此,推測紅花通過NF-κB信號通路、VEGF信號通路、IL-17信號通路等信號通路調(diào)控IL-6、IL8、VEGFA等關(guān)鍵靶點(diǎn)治療RVO。分子對接結(jié)果提示,槲皮素、木犀草素、黃芩素、山柰酚等化合物與IL6、IL8、VEGFA、MMP9、MAPK1等對應(yīng)靶點(diǎn)結(jié)合能均小于-5.0 kcal/mol,提示兩者有著良好的結(jié)合活性,說明它們可能是治療RVO的潛在活性成分。
綜上所述,通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接驗(yàn)證提示,紅花通過“多成分-多靶點(diǎn)-多途徑”協(xié)同作用治療RVO,發(fā)揮抑制炎性反應(yīng)、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫等作用。鑒于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的局限性,后續(xù)基礎(chǔ)研究可以圍繞預(yù)測得到的化合物、作用靶點(diǎn)及信號通路作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為中醫(yī)藥治療RVO提供可靠的科學(xué)內(nèi)涵。