崔爽,張明倩,梁五林,郭凡帆,歐文靜,伍永鴻,賈占紅,葛東宇,董瑞娟,張碩峰(北京中醫(yī)藥大學中藥學院,北京 102488)
慢性支氣管炎(chronic bronchitis,CB)主要特征為氣道高反應性及變異性炎癥,該病病程長,因受寒、致敏原刺激等易誘發(fā)急性發(fā)作[1]。其急性發(fā)作期發(fā)病較快,會出現(xiàn)痰量增加的表現(xiàn),容易阻塞氣道致使感染遷延難愈,一旦發(fā)作會導致機體并發(fā)呼吸衰竭、心力衰竭、窒息等癥,甚至可引起重癥肺炎、呼吸衰竭等嚴重并發(fā)癥[2]。四臣止咳顆粒由甘草、巖白菜、螃蟹甲、豬毛蒿4 味藥材組成[3],源于藏醫(yī)經(jīng)典古方。據(jù)《新編藏藥配方》記載其具有“清熱養(yǎng)肺、止咳、退燒、滋補元氣的功效,用于感冒發(fā)熱、止咳、氣管炎、消腫等”[4]。藏醫(yī)臨床上以傳統(tǒng)湯劑使用多年,證明其具有顯著的清熱解毒、止咳平喘、潤喉祛痰作用,對于多種類型的肺部和支氣管相關疾病具有顯著的治療作用。
本研究擬通過網(wǎng)絡藥理學預測四臣止咳顆粒治療CB 急性發(fā)作的作用靶點或通路,并對其進行體外實驗驗證,為四臣止咳顆粒在CB 急性發(fā)作疾病中的臨床應用提供實驗依據(jù)。
1.1.1 化學成分收集與活性成分篩選 通過TCMSP(https://tcmspw.com/)和TCMID(http: //119.3.41.228:8000/tcmid/)數(shù)據(jù)庫以及相關文獻和書籍獲得四臣止咳顆粒的化學成分,篩選出潛在活性成分,通過PubChem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)獲得化學成分的Canonical SMILES,通過admetSAR 數(shù)據(jù)庫(http://lmmd.ecust.edu.cn/admetsar2/)按照口服生物利用度、胃腸吸收和類藥性的篩選規(guī)則進行篩選,以OB 和IA 為+,類藥性符合Lipinski 提出的類藥分子篩選五規(guī)則的化合物作為候選活性成分。
1.1.2 四臣止咳顆粒作用靶點收集和疾病相關靶點搜集 通過SwissTargetPrediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)和TCMSP 數(shù)據(jù)庫查找四臣止咳顆粒活性成分對應的潛在靶點。在Genecards(https://www.genecards.org/)和OMIM 數(shù)據(jù)庫(http://www.omim.org/)中以“acute attack of chronic bronchitis”為關鍵詞進行檢索,去重后,使用UniProt(https://www.uniprot.org/)數(shù)據(jù)庫進行標準化處理。
1.1.3 “中藥-活性成分-疾病靶點”網(wǎng)絡構(gòu)建及可視化分析 將活性成分靶點與疾病靶點進行Venny分析(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)得到交集作用靶點,利用Cytoscape 3.7.1 軟件構(gòu)建“四臣止咳顆粒-活性成分-疾病靶點”網(wǎng)絡圖。
1.1.4 構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡圖及篩選核心靶點 利用STRING 平臺(https://string-db.org/)構(gòu)建蛋白-蛋白相互作用(PPI)網(wǎng)絡圖,使用Cytoscape 3.7.1 軟件進行可視化分析,選取同時滿足大于平均度值和平均介數(shù)的節(jié)點作為核心靶點并繪制PPI 網(wǎng)絡圖。
1.1.5 GO 生物信息學分析和KEGG 信號通路富集分析 利用DAVID 6.8(https://david.ncifcrf.gov/home.jsp)數(shù)據(jù)庫對潛在靶點進行GO 富集分析,選取前20 個通過SangerBox(http://sangerbox.com/Tool/)進行可視化處理(P<0.05)。以“P<0.01”及“FDR <0.01”為篩選條件,對潛在靶點進行KEGG 通路富集分析,保留與CB 急性發(fā)作相關的通路并進行可視化,通過Cytoscape 3.7.1 軟件構(gòu)建四臣止咳顆?!爸兴?成分-靶點-通路”網(wǎng)絡圖。
1.1.6 分子對接 選取PPI 網(wǎng)絡中度值較高的前8 個靶點并反向?qū)ふ宜某贾箍阮w粒各單藥中的潛在活性成分,利用PyRx 中的AutoDock Vina 算法進行分子對接。
1.2.1 實驗動物 SPF 級SD 大鼠60 只,體質(zhì)量200 ~220 g,雌雄各半,購于斯貝福(北京)生物技術有限公司,許可證號為SCXK(京)2019-0010。
1.2.2 試藥 四臣止咳顆粒(北京中醫(yī)藥大學中藥制藥系倪健教授提供,批號:2101003);復方甘草口服溶液(批號:2005801,青島黃海制藥有限責任公司);脂多糖(LPS,批號:L2630,Sigma公司);NF-κB p-p65 抗體(批號:ab194726,abcam 公司);小鼠SAP 試劑盒(SAP-9102,北京中杉金橋生物技術有限公司);二抗山羊抗兔免疫熒光試劑盒(ab150077,abcam 公司);熒光封片劑(含DAPI)(批號:ZLI-9557,北京中杉金橋生物技術有限公司);白介素6(IL-6)檢測試劑盒(批號:SEA079Ra)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)檢測試劑盒(批號:SEA133Ra)(武漢云克隆科技股份有限公司);白介素8(IL-8)檢測試劑盒(批號:MM-0175R1,江蘇科特生物科技有限公司)。
1.2.3 儀器 Buxco RC 肺功能儀檢測系統(tǒng)(美國Buxco 公司);小動物喉鏡(型號:HY-SHJ01)、微量液體氣管內(nèi)霧化器(型號:HY-LWH01)、大小鼠操作平臺(型號:HY-SC01)(北京元森凱德生物技術有限公司);小動物吸入式麻醉機(型號:ZS-M,北京眾實迪創(chuàng)科技發(fā)展有限責任公司);生物顯微鏡[型號:LH-M100CB-1,尼康儀器(上海)有限公司];激光共聚焦顯微鏡[型號:TCS-SP8,徠卡顯微系統(tǒng)(上海)有限公司]。
1.2.4 實驗方法 將大鼠適應性飼養(yǎng)5 d 后,隨機分為6組,每組10只,分別為對照組,模型組,復方甘草組,四臣止咳顆粒1.8、3.6、7.2 g 生藥·kg-1組。除對照組外各組在異氟烷麻醉狀態(tài)下進行LPS 霧化吸入,對照組霧化給藥同體積生理鹽水。待大鼠進入深度麻醉后,將大鼠置于大小鼠操作平臺,將小動物喉鏡插入至舌根部,挑起會厭軟骨顯露聲門,將微量液體氣管內(nèi)霧化器通過口腔沿聲門插入氣管,迅速按壓液體推送把手噴入1 mg·mL-1的LPS 溶液,第6、13、20日霧化給藥25 μL,第23、27日霧化給藥50 μL,進行CB 急性發(fā)作的模型制備。四臣止咳顆粒各劑量組于第7 ~12日、14 ~19日、21 ~22日、24 ~26日、28 ~29日分別灌胃給予相應藥物,1 次·d-1。對照組、模型組給予等量飲用水(10 mL·kg-1)。復方甘草組大鼠灌胃給予復方甘草口服液3 mL·kg-1。實驗于第30日采集標本。
1.2.5 支氣管病理學觀察及氣道重塑指標的檢測
處死大鼠,打開胸腔暴露心臟,分離右肺取下葉置于4%福爾馬林固定,常規(guī)脫水包埋,切片后進行HE 染色,置于200 倍鏡觀察大鼠肺組織病理損傷情況。每張切片選取5 個完整的支氣管橫斷面,結(jié)果采用Image5 軟件測量基底膜周徑(Pbm)、平滑肌面積(WAm)、氣道內(nèi)壁面積(WAi)、支氣管總管壁面積(WAt),為消除管徑大小、氣道狀態(tài)和切片方向等造成的誤差,采用Pbm 將上述測量值標準化,以平滑肌厚度(WAm/Pbm)、氣道內(nèi)壁內(nèi)壁厚度(Wai/Pbm)、總管壁厚度(WAt/Pbm)衡量氣道重塑程度。
1.2.6 ELISA 法檢測各組大鼠BALF 中促炎因子IL-6、IL-8、TNF-α水平 分別采用2 mL、2 mL、1 mL PBS 緩沖液灌洗大鼠左肺,回收率>90%,回收后的BALF 置于4 ℃、3000 r·min-1離心10 min,取上清液按照ELISA 試劑盒說明書檢測IL-6、IL-8、TNF-α的含量。
1.2.7 免疫熒光法檢測肺組織NF-κB p-p65 表達 將切片進行脫蠟、抗原修復后進行山羊血清封閉,一抗(1∶50)4 ℃孵育過夜,羊抗兔二抗(1∶200)室溫避光孵育1 h,DAPI 封片。置于400 倍鏡激光共聚焦顯微鏡下進行觀察,每張切片選取5 個視野,圖片采用Image5 對NF-κB p-p65 蛋白表達進行半定量分析。
1.2.8 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 26.0 軟件進行統(tǒng)計分析,計量資料采用±s表示,所有數(shù)據(jù)均進行正態(tài)檢驗,數(shù)據(jù)滿足方差齊時采用單因素方差分析,組間比較采用LSD 檢驗;數(shù)據(jù)呈非正態(tài)或方差不齊時采用非參數(shù)檢驗或Welch 檢驗,P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。
通過TCMSP、TCMID 在線數(shù)據(jù)庫平臺檢索以及文獻分析,共收集到四臣止咳顆?;瘜W成分141 個,獲得作用靶點823 個。
在GeneCards 數(shù)據(jù)庫獲得CB 急性發(fā)作靶點710 個(Relevance score >10), 在OMIM 數(shù)據(jù)庫獲得靶點53 個,去除重復靶點19 個,最終獲得靶點744 個。
通過在線韋恩圖兩者取交集,獲得四臣止咳顆粒與CB 急性發(fā)作共同靶點180 個,利用Cytoscape 3.7.1 網(wǎng)絡可視化軟件構(gòu)建“中藥-活性成分-藥物靶點”網(wǎng)絡圖(見圖1)。
圖1 四臣止咳顆?!爸兴?活性成分-藥物靶點”網(wǎng)絡圖Fig 1 Network diagram of “TCM-active component-drug target” of Sichen Zhike granules
將交集靶點導入STRING 數(shù)據(jù)庫進行PPI 分析(見圖2),平均Degree 為11.181、平均Betweenness 為0.021,其關鍵靶點包括STAT3、PIK-3CA、PIK3R1、SRC、AKT1、MAPK1、MAPK3、NFκB1 等25 個,可能是四臣止咳顆粒治療CB 急性發(fā)作的關鍵靶點。
圖2 靶點相互作用網(wǎng)絡圖Fig 2 Network diagram of target interaction
共獲得GO 條目729 個(P<0.05),其中生物過程(BP)541 條,細胞組成(CC)73 條,分子功能(MF)115 條,分別選取P 值排名前20位使用 SangerBox 在線作圖平臺繪制成高級氣泡圖(見圖3)。
圖3 四臣止咳顆粒治療CB 急性發(fā)作交集基因GO 功能富集結(jié)果Fig 3 GO enrichment of the intersection genes of acute attack of CB treated by Sichen Zhike granules
KEGG 通路富集分析共篩選出與CB 急性發(fā)作相關通路19 條(見圖4),涉及NF-κB 信號通路、toll 樣受體信號通路、腫瘤壞死因子信號通路、HIF-1 信號通路、PI3K-Akt 信號通路、T 細胞受體信號通路等。
圖4 四臣止咳顆粒治療CB 急性發(fā)作交集基因KEGG 功能富集結(jié)果Fig 4 KEGG enrichment of the intersection genes of acute attack of CB treated by Sichen Zhike granules
將中藥、活性成分和交集靶點以及篩選后的19 條通路導入Cytoscape 3.7.1 軟件繪制“中藥-成分-靶點-通路”網(wǎng)絡圖(見圖5)。網(wǎng)絡圖中包含337 個節(jié)點,1923 條邊線。
圖5 中藥-成分-靶點-通路網(wǎng)絡圖Fig 5 Network diagram of TCM-component-target-pathway
各靶點與其潛在活性成分的結(jié)合能絕大部分小于-5 kcal·mol-1,表明活性成分與有效靶點具有較好的結(jié)合活性(見圖6)。
圖6 化學成分與靶點的分子對接模式圖Fig 6 Molecular docking pattern of chemical compositions and targets
對照組大鼠支氣管黏膜上皮基本完整,肺泡呈空泡狀,薄壁結(jié)構(gòu),未見炎性細胞浸潤。模型組大鼠肺實質(zhì)破壞,支氣管黏膜上皮出現(xiàn)部分脫落壞死,肺泡壁毛細血管擴張,充血淤血,肺泡間隔斷裂,相鄰肺泡融合成較大囊腔,并且氣管壁增厚,氣道管腔明顯變窄,可見炎性細胞廣泛浸潤。四臣止咳顆粒1.8、3.6、7.2 g·kg-1組大鼠病理結(jié)構(gòu)改變明顯減輕,支氣管上皮細胞偶見脫落壞死,肺泡結(jié)構(gòu)紊亂明顯好轉(zhuǎn),炎癥明顯減輕(見圖7)。
圖7 四臣止咳顆粒對LPS 致CB 急性發(fā)作大鼠肺組織病理學的影響(HE,×200)Fig 7 Effect of Sichen Zhike granules on the lung histopathology of LPS-induced CB acute attack in rats(HE,×200)
與對照組相比,模型組大鼠平滑肌厚度(WAm/Pbm)、氣道內(nèi)壁厚度(WAi/Pbm)、氣道總管壁厚度(WAt/Pbm)明顯增加(P<0.01),與模型組相比,四臣止咳顆粒1.8、3.6 g·kg-1組大鼠WAi/Pbm、WAt/Pbm 顯著降低(P<0.01),四臣止咳顆粒7.2 g·kg-1組大鼠WAm/Pbm、WAi/Pbm、WAt/Pbm 顯著降低(P<0.01)(見表1)。
表1 四臣止咳顆粒對LPS 致CB 急性發(fā)作大鼠氣道重塑指標的影響(n =10,μm2·μm-1)Tab 1 Effects of Sichen Zhike granules on airway remodeling indexes in LPS-induced CB acute attack rats (n =10,μm2·μm-1)
與對照組相比,模型組大鼠BALF 中促炎因子IL-6、IL-8 和TNF-α含量顯著升高(P<0.01);與模型組相比,四臣止咳顆粒1.8、3.6、7.2 g·kg-1組大鼠BALF 中促炎因子IL-6、IL-8 和TNF-α含量顯著降低(P<0.01)(見表2)。
表2 四臣止咳顆粒對LPS 致CB 急性發(fā)作大鼠BALF 中IL-6、IL-8、TNF-α 水平的影響 (n =10,pg·mL-1)Tab 2 Effects of Sichen Zhike granules on IL-6,IL-8 and TNF-α levels in BALF of LPS-induced CB acute attack rats (n =10,pg·mL-1)
與對照組相比,模型組大鼠肺組織NF-κB p-p65 蛋白表達顯著升高(P<0.01);與模型組相比,四臣止咳顆粒各劑量組大鼠肺組織NF-κB p-p65蛋白表達顯著降低(P<0.01)(見圖8及表3)。
表3 四臣止咳顆粒對LPS 致CB 急性發(fā)作大鼠肺組織NF-κB p-p65 蛋白表達的影響(x±s)(n =10)Tab 3 Effect of Sichen Zhike granules on NF-κB p-p65 protein expression in lung tissues of LPS-induced CB acute attack rats (x±s)(n =10)
圖8 四臣止咳顆粒對LPS 致CB 急性發(fā)作大鼠肺組織NF-κB p-p65 免疫熒光表達(IF,×400)Fig 8 Immunofluorescence expression of NF-κB p-p65 in the lung tissues of LPS-induced acute attack of CB in rats by Sichen Zhike granules(IF,×400)
CB 是指氣管、支氣管黏膜與周圍組織發(fā)生的慢性非特異性炎性疾病,病因機制較為復雜,其急性發(fā)作期會出現(xiàn)咳嗽、喘息及咳痰加重等一系列癥狀,同時呼吸系統(tǒng)黏膜存在廣泛性的水腫和充血現(xiàn)象,容易阻塞氣道致感染加重,致使機體出現(xiàn)嚴重損傷,甚至出現(xiàn)持續(xù)性哮喘、呼吸衰竭等癥,對機體生命安全產(chǎn)生嚴重威脅。CB 急性發(fā)作涉及多種蛋白、基因、致病因素等,因此研究藥物治療CB 急性發(fā)作的潛在機制和作用靶點具有重要意義。
藏藥四臣止咳顆粒中4 味藥材的有效成分對于多種類型的肺部和支氣管相關疾病具有顯著的治療作用,如甘草及其多種單體成分均具有抗炎、抗菌[5]、抗氧化[6]、抗纖維化[7]、抗腫瘤[8]及調(diào)節(jié)免疫等作用,還可能通過抑制NF-κB 向核內(nèi)轉(zhuǎn)移,減少炎癥介質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和合成,拮抗大鼠哮喘時的氧化應激,從而發(fā)揮抗哮喘作用[9-10];巖白菜中的主要有效成分巖白菜素具有抗炎鎮(zhèn)痛[11]、止咳平喘[12]、抗腫瘤[13]、抗氧化[14]等作用,是治療咳嗽咳血、肺氣腫、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、支氣管哮喘、CB 等呼吸系統(tǒng)疾病的特效藥物,其另一主要成分熊果苷同樣具有治療相關呼吸系統(tǒng)疾病的藥理作用[15-16];藏藥螃蟹甲主要含有黃酮類、環(huán)烯醚萜苷類、苯乙醇苷類、揮發(fā)油類等化合物,其水提物、乙酸乙酯部位和正丁醇部位具有良好的抗炎鎮(zhèn)痛活性[17-18],其中鎮(zhèn)咳、祛痰作用以正丁醇部位最為明顯,平喘作用以乙酸乙酯部位為佳[19];豬毛蒿常用于清熱解毒,消腫,其有效成分綠原酸具有廣泛的抗菌[20]、抗炎[21]、抗氧化[22-23]、抗腫瘤等藥理作用,可用于治療上呼吸道感染,消炎解熱等。
本研究共篩選出的共同靶點的通路富集分析顯示主要與NF-κB 信號通路、toll 樣受體信號通路、腫瘤壞死因子信號通路、PI3K-Akt 信號通路、B 細胞受體信號通路等相關,PPI 網(wǎng)絡分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)STAT3、PIK3CA、PIK3R1、SRC、AKT1、MAPK1、MAPK3 和NF-κB1 排名靠前。其中,STAT3 作為重要的轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)節(jié)肺部炎癥,其活性依賴于巨噬細胞、中性粒細胞和細胞因子IL-6 等的存在[24],同時IL-6 可通過促進STAT3蛋白磷酸化進而激活NF-κB 通路,提高免疫反應[25];SRC 蛋白不僅能夠調(diào)控細胞的增殖、發(fā)育、分化等,其產(chǎn)物還能在多種腫瘤細胞中高度活化和過量表達,同時由腫瘤細胞分離出來的c-src基因具有較強的轉(zhuǎn)化細胞的能力[26-27];AKT1 作為PI3K 下游的關鍵蛋白,可通過激活PI3K 募集活化AKT1 以促進內(nèi)皮細胞活化和細胞增殖,促進上皮細胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化,增加COPD 的炎癥損傷,該通路的下調(diào)會使NF-κB 抑制蛋白IKBα表達下調(diào)并促進NF-κB 磷酸化,引起IL-6、TNF-α等多種炎癥因子的釋放[28-29];絲裂原活化蛋白激酶1(MAPK1)、絲裂原活化蛋白激酶3(MAPK3)在炎癥細胞的增殖、分化和產(chǎn)生過程中主要通過外界刺激使其磷酸化而激活,促進T 細胞的增殖能力和分泌水平,致巨噬細胞以及單核細胞等出現(xiàn)大量的聚集和激活,出現(xiàn)組織炎癥的惡化[30];NF-κB1 由經(jīng)典通路激活,細胞外信號傳入胞內(nèi)可激活下游IKK 激酶,誘導IκB 泛素化、磷酸化或降解,使NFκB 解離入核,促使炎性細胞因子轉(zhuǎn)錄與表達,誘發(fā)炎癥反應[31],以上靶點可能作為關鍵靶點發(fā)揮抗CB 急性發(fā)作的作用。
LPS 是一種非常有效的刺激性物質(zhì),當吸入LPS 時,LPS 能夠刺激活化巨噬細胞并誘導機體釋放大量的炎癥因子,TLR4 在接受到促炎因子刺激后與相應配體作用,即完成跨膜信號轉(zhuǎn)導,通過依賴于MYD88 的NF-κB 經(jīng)典信號通路調(diào)控炎癥基因的轉(zhuǎn)錄翻譯和表達,產(chǎn)生和釋放IL-6、IL-8、TNF-α等細胞因子及基質(zhì)金屬蛋白酶等多種蛋白酶[31-32]。其產(chǎn)生的炎性物質(zhì)不僅可以直接損傷細胞、破壞細胞外基質(zhì),還可作為內(nèi)源性配體與中性粒細胞、NK 細胞等表面的相應受體結(jié)合誘導生成一氧化氮(NO)、前列腺素(PG)等介質(zhì),介導炎癥反應。同時,IL-6、IL-8、TNF-α等細胞因子可刺激NF-κB 活化,活化后的NF-κB 又可進一步刺激、合成并釋放大量炎癥介質(zhì),募集炎癥細胞,形成一個正反饋循環(huán),最終炎癥反應級聯(lián)放大并持續(xù)存在。實驗結(jié)果顯示,經(jīng)過四臣止咳顆粒治療的大鼠病理結(jié)構(gòu)改變明顯減輕,支氣管上皮細胞偶見脫落壞死,肺泡結(jié)構(gòu)紊亂明顯好轉(zhuǎn),炎癥明顯減輕,WAm/Pbm、WAi/Pbm、WAt/Pbm顯著降低,BALF 中促炎因子IL-6 和TNF-α含量顯著降低,肺組織NF-κB p-p65 蛋白表達均降低,初步推測其可能通過下調(diào)炎癥信號通路NF-κB 的激活,減輕炎性細胞浸潤和氣道重塑程度,調(diào)節(jié)炎癥反應進程,從而起到抗CB 急性發(fā)作的作用。
本研究基于網(wǎng)絡藥理學方法和分子對接技術,闡明了四臣止咳顆粒通過多成分、多靶點、多通路發(fā)揮作用,并采用四臣止咳顆粒對多次氣道內(nèi)霧化給藥建立LPS 致大鼠CB 急性發(fā)作進行實驗驗證,進一步證實四臣止咳顆粒對CB 急性發(fā)作具有保護作用,為后續(xù)四臣止咳顆粒對提取中藥有效成分治療CB 急性發(fā)作提供了理論支持。