趙一穎,董琳琳,豐晨然,石璐,苗豐,吳師月,靖衛(wèi)霞,賈占紅,孫文燕*,呂品(.北京中醫(yī)藥大學中藥學院,北京 0488;.北京中醫(yī)藥大學第三附屬醫(yī)院,北京 0009;3.中國生物技術股份有限公司,北京 0004)
類風濕關節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)是一種自身免疫性疾病,其主要病理特征為滑膜過度增生和炎癥、血管翳形成以及軟骨破壞等,如未進行規(guī)范治療,將導致關節(jié)損傷甚至殘疾[1-2]。
RA 屬中醫(yī)“痹證”范疇[3]。芍甘附子湯出自《傷寒論》,由白芍、炙甘草、炮附子3 味中藥組成。方中白芍養(yǎng)血斂陰,柔肝止痛,可破陰結(jié);甘草補中堅筋骨,緩急止痛,亦可減附子之毒;附子補火助陽,通脈散寒止痛。諸藥共用,達溫經(jīng)通絡、和營止痛、強筋健骨之效[4]。臨床及本課題組前期實驗研究表明,芍甘附子湯對RA 有確切作用,但其作用機制尚未明確[5-6]。
代謝組學是一項快速發(fā)展的技術,已成為尋找潛在生物標志物和疾病發(fā)病機制的有效工具[7],并成功應用于RA 等炎癥性疾病的研究[8-9]。因此,本研究利用超高效液相色譜-高分辨串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-HRMS/MS)代謝組學技術,對芍甘附子湯治療RA 的血清內(nèi)源差異代謝物進行分析,以探討芍甘附子湯治療RA 的作用機制,為進一步實驗及臨床研究提供依據(jù)。
SPF 級Wistar 雄性大鼠,體質(zhì)量190 ~210 g[北京維通利華實驗動物技術有限公司,許可證號:SCXK(京)2016-0006,質(zhì)量合格證號:No.110011211106398478]。
芍甘附子湯配方顆粒(全方由黑順片3 g、白芍9 g、炙甘草9 g 組成,購于北京中醫(yī)藥大學東方醫(yī)院,由北京康仁堂藥業(yè)制備)。按照成人日用劑量換算,大鼠的等效劑量為2.1 g 生藥/(kg·d)。實驗時準確稱取與傳統(tǒng)飲片相當量的配方顆粒,以蒸餾水充分溶解。
雷公藤多苷片(TGT,批號:2105113B,浙江得恩德制藥股份有限公司,規(guī)格:10 mg/片),臨床成人日用劑量為1.5 mg·kg-1,換算成大鼠的等效劑量為9 mg·kg-1,實驗時以蒸餾水充分溶解。
牛Ⅱ型膠原(BCⅡ,批號:20022,美國Chondrex 公司);不完全弗氏佐劑(IFA,批號:F5506,美國Sigma 公司);質(zhì)譜級甲醇、乙腈(美國Fisher Scientific 公司);甲酸、碳酸氫銨(美國Sigma 公司);超純水(18.2 MΩcm)使用Milli-Q純化水系統(tǒng)制備(Merck Millipore,USA)。
Triple TOF 6600 高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)[美國AB SCIEX 公司,配備ACQUITY UPLC I-Class 超高效液相系統(tǒng)(美國Waters 公司)以及Analyst TF 數(shù)據(jù)采集軟件(美國AB SCIEX 公司)];Centrifuge 5417R 離心機(德國Eppendorf 公司);Vortex Mixer T1 渦旋振蕩器、TIMI-10K 微量迷你離心機(Titan SCIENTIFIC LAB);Labconco 離心濃縮儀(美國Labconco 公司)。
2.1.1 分組、造模及給藥 SPF 級雄性Wistar 大鼠適應性飼養(yǎng)1 周后,隨機選取12 只作為正常組,其余60 只分別于實驗第1日和第7日,用BCⅡ與IFA 等量混合的乳劑尾根部皮內(nèi)多點注射0.2 mL 和0.1 mL 進行造模,正常組注射生理鹽水。實驗第21日進行關節(jié)炎指數(shù)(AI)評分,評價模型是否成功。然后對造模成功大鼠依據(jù)隨機分層分配法進行分組,分為模型組、芍甘附子湯組(2.1 g·kg-1,以生藥計)、雷公藤多苷片組(9 mg·kg-1),每組12 只。第22日開始給藥,每日灌胃1 次,正常組及模型組灌胃等量的生理鹽水,連續(xù)28 d。
2.1.2 足跖腫脹度測定及AI 評分 于實驗第1、7、14、21、28、35、42、49日采用足跖容積測量儀測定足跖腫脹度。實驗第21、28、35、42、49日對模型組和各給藥組進行AI 評分。評分標準具體為:無關節(jié)紅腫,0 分;足小趾關節(jié)紅腫,1 分;趾關節(jié)及足跖關節(jié)腫脹,2 分;踝關節(jié)以下足爪腫脹,3 分;包括踝關節(jié)在內(nèi)的全部足爪腫脹,4 分。足跖腫脹度計算公式為:腫脹度=致炎后足跖體積-致炎前足跖體積。
2.1.3 踝關節(jié)HE 染色 各組大鼠末次給藥24 h后,按0.0033 mL·g-1腹腔注射1.5%戊巴比妥鈉進行麻醉,腹主動脈取血,室溫中靜置2 h,4℃、4000 r·min-1離心10 min。收集血清,分裝保存于-80℃冰箱備用。收集大鼠的雙側(cè)完整踝關節(jié),4%多聚甲醛固定,脫水,石蠟包埋,切片,蘇木素-伊紅(HE)染色,顯微鏡下觀察各組大鼠踝關節(jié)組織病理變化。
2.1.4 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析。實驗數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差(±s)表示,多組數(shù)據(jù)比較若服從正態(tài)分布且方差齊,采用單因素方差分析,否則采用非參數(shù)性檢驗;兩組比較若服從正態(tài)分布且方差齊,采用Studentt檢驗,否則采用非參數(shù)性檢驗。AI 評分采用Ridit分析。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。
2.2.1 含藥血清制備 采用BCⅡ與IFA 尾根部注射,復制膠原誘導型類風濕關節(jié)炎(CIA)大鼠模型。首次注射后第14日選取造模成功大鼠,分為模型組、芍甘附子湯組,每組6 只。給藥組按等效劑量2.1 g·kg-1灌胃芍甘附子湯藥液(濃度0.21 g·mL-1),每日2 次,連續(xù)灌胃3 d。模型組給予等量的生理鹽水。末次灌胃后45 min,取血并分離血清,于-80℃冰箱保存,備用。
2.2.2 樣本預處理 冰上操作,準確移取血清樣本50 μL 置于1.5 mL 的EP 管中,并記錄其編號和取樣量。加入200 μL 冷甲醇(含內(nèi)標,內(nèi)標見表1),渦旋振蕩2 min,低溫下靜置10 min。在4℃條件下14 000 g 離心15 min。吸取上清液200 μL 置于新的EP 管中,將樣本低溫離心濃縮后,置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆?。在上機分析前,將濃縮后的提取液樣本,用100 μL 20%甲醇溶液復溶,完全溶解后,振蕩,離心,取上清液,進行正、負離子模式分析。
表1 血清樣本分析用內(nèi)標Tab 1 Internal standard for serum sample analysis
分別取10 μL 各待測樣本,混合后作為質(zhì)量控制(QC)樣本,用于監(jiān)測樣本檢測過程中是否存在異常??瞻讟悠窞?0%甲醇溶液。
先采集1 個空白樣本,再采集2 個QC 樣本,然后開始實際樣本檢測(不同類型的樣本,則隨機采樣,穿插進樣),每10 個樣品采集一次QC樣品和一次空白樣本,直至全部實際樣本分析完成后,最后采集1 個QC 樣本。
2.2.3 檢測條件
① 正離子模式色譜條件:色譜柱為BEH C8柱(2.10 mm×100 mm,1.7 μm,美國Waters公司);柱溫為50℃;進樣體積為10 μL;流動相為含0.1%甲酸水(A)、含0.1%甲酸乙腈(B),梯度洗脫程序:0 ~1 min,5%B;1 ~24 min,5% ~100%B;24.1 ~27.5 min,100%B;27.5 ~27.6 min,100%~5%B;27.6 ~30 min,5%B;流速:0.35 mL·min-1。
負離子模式色譜條件:色譜柱為HSS T3 柱(2.10 mm×100 mm,1.8 μm, 美 國Waters 公司);柱溫為50 ℃;進樣體積為10 μL;流動相為含0.1%甲酸水(A)、含0.1%甲酸乙腈(B),梯度洗脫程序:0 ~1 min,5%B;1 ~18 min,5% ~100%B;18.1 ~22 min,100%B;22 ~22.1 min,100% ~5%B;22.1 ~25 min,5%B;流速:0.35 mL·min-1。
② 質(zhì)譜條件:電噴霧離子源ESI 正、負離子模式,采用一級全掃描和IDA 二級子離子掃描模式。離子源電壓:正極5000 V,負極4500 V;霧化溫度:650 ℃;氣簾氣壓力:30 psi;霧化氣壓力:60 psi;輔助氣壓力:60 psi;MS 質(zhì)量范圍m/z:100 ~1200 V;MS2質(zhì)量范圍m/z:50 ~1200 V;TopN:12。
2.2.4 數(shù)據(jù)處理 獲取UPLC-HRMS/MS 圖譜后,采用Analyst TF 導出原始數(shù)據(jù),使用Markview 軟件進行峰對齊后導入One-MAP 平臺進行峰表獲取。將峰表信息導入MetNormalizer R 包中進行QC 數(shù)據(jù)標準化,矯正后的數(shù)據(jù)導入大連達碩與中國科學院大連化學物理研究所代謝組學研究中心聯(lián)合開發(fā)的代謝組學小分子化合物快速鑒定分析軟件系統(tǒng)OSI/SMMS 2.0,在HMDB(Human Metabolome Databatabase)、Metlin(Metabolite Link) 和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)等數(shù)據(jù)庫中檢索并鑒定得到代謝物。將代謝物數(shù)據(jù)導入SIMCA-P 14.1 軟件進行主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判別分析(OPLSDA),根據(jù)變量投影重要性(VIP)值>1和t檢驗(P<0.05)篩選差異代謝物。將差異代謝物導入MetaboAnalyst 5.0 數(shù)據(jù)庫進行相關代謝通路分析。
3.1.1 芍甘附子湯對CIA 大鼠足跖腫脹度及AI評分的影響 造模后,與正常組相比,CIA 大鼠足跖腫脹度、AI 評分顯著升高(P< 0.01)。給藥后,與模型組相比,芍甘附子湯組第42、49日足跖腫脹度明顯降低(P< 0.05),AI 評分也明顯降低(P< 0.05);雷公藤多苷片組第42、49日足跖腫脹度明顯降低(P< 0.05),第28、35、42、49日AI 評分明顯降低(P< 0.05),結(jié)果見圖1。
圖1 芍甘附子湯對CIA 大鼠足跖腫脹度及AI 評分的影響( ±s,n =12)Fig 1 Effect of Shaogan Fuzi decoction on plantar swelling and AI score of CIA rats( ±s,n =12)
3.1.2 芍甘附子湯對CIA 大鼠踝關節(jié)病理變化的影響 正常組大鼠踝關節(jié)組織結(jié)構(gòu)正常完整,而模型組大鼠出現(xiàn)明顯的病變和損傷,滑膜細胞排列紊亂,并伴隨大量滑膜細胞增生、炎性細胞浸潤、血管生成及軟骨損傷等表現(xiàn)。經(jīng)雷公藤多苷片和芍甘附子湯治療后,滑膜組織病變均得到一定改善,表現(xiàn)為滑膜輕度增生,炎癥細胞浸潤減少(見圖2)。
圖2 芍甘附子湯對CIA 模型大鼠踝關節(jié)病理影響(HE,×40)Fig 2 Effect of Shaogan Fuzi decoction on the pathological changes of ankle joints in CIA model rats(HE,×40)
3.2.1 QC 樣本總離子流圖的比較 將QC 樣品總離子流圖(TIC)進行譜圖重疊比較,結(jié)果各個色譜峰的保留時間和峰面積都重疊良好,說明色譜梯度合理,儀器穩(wěn)定性良好(見圖3)。
圖3 正離子(A)、負離子(B)條件下QC 樣本的TICFig 3 TIC of QC samples under positive ion(A)and negative ion(B)
3.2.2 單變量統(tǒng)計分析 使用變異系數(shù)分析(FC Analysis)和t檢驗對正、負離子模式下檢測的所有代謝物進行差異分析,差異代謝物的篩選標準為FC>1.5,P<0.05,采用火山圖進行可視化分析(見圖4)。圖中的每一點代表一個代謝物,平行于Y軸的兩條直線分別是X=0.58 和X=-0.58,在X=-0.58 左側(cè)的點是下調(diào)1.5 倍以上的代謝特征,而在X=0.58右側(cè)的點則是上調(diào)1.5倍以上的代謝特征。同時,平行于X軸有一條直線為Y=1.30,即-log10(0.05),在直線以上的點表示顯著性P<0.05 的代謝特征。
圖4 正離子(A)、負離子(B)條件下代謝物的火山圖Fig 4 Volcano map of metabolites under positive ion(A)and negative ion(B)
3.2.3 多維統(tǒng)計分析
① PCA 分析結(jié)果:采用無監(jiān)督分析法-PCA分析模型組和芍甘附子湯組的血清代謝譜,結(jié)果顯示,兩組血清樣本代謝譜有明顯的區(qū)分,表明兩組間代謝輪廓存在差異,該模型能解釋樣本間代謝差異,即兩組間血清內(nèi)源性代謝物發(fā)生了明顯的變化。
② OPLS-DA 分析結(jié)果:為了進一步研究RA大鼠在灌胃芍甘附子湯狀態(tài)下內(nèi)源性代謝物的變化,采用有監(jiān)督的OPLS-DA,圖中R2X表示OPLS 模型的各主成分解釋了多少X的方差,R2Y表示OPLS 模型的各主成分解釋了多少Y的方差,Q2表示做交互驗證時OPLS 模型的各主成分解釋了多少Y的方差。在正、負離子模式下R2Y分別為0.83、0.83,R2X分別為0.45、0.66,Q2分別為0.75、0.79,發(fā)現(xiàn)在正、負離子模式下,模型組與芍甘附子湯組樣本均能得到明顯分離。表明該模型擬合度和預測能力都較理想。為防止模型出現(xiàn)過擬合,通過置換檢驗進行分析。圖中Q2在Y軸的截距小于0,顯示OPLS-DA 模型的驗證沒有出現(xiàn)過擬合。S-Plot 圖顯示了離子的分散度,離子離原點越遠,則表明其在組間的差異越大(見圖5 ~6)。
圖5 正離子模式的PCA 得分圖(A)、OPLS-DA 得分圖(B)、置換檢驗圖(n =100)(C)及S-plot 圖(D)Fig 5 PCA score map(A),OPLS-DA score map(B),permutation test map(n =100)(C),and S-plot map(D)in positive ion mode
3.2.4 差異代謝物篩選及其代謝通路分析 為進一步確定給藥后RA 大鼠血清內(nèi)源性代謝物的差異,采用OPLS-DA 模型中的VIP>1 和t檢驗中P<0.05 為標準來篩選,最終得到11 個內(nèi)源性差異代謝物(見表2),其3α,7α-二羥基-5β-膽甾烷在正負離子模式下都有檢測到。將11 個內(nèi)源性差異代謝物用MetaboAnalyst 5.0 進行代謝通路富集分析,圖中縱坐標軸為-log(P),表示通路的顯著性水平,P越小即-log(P)越大,節(jié)點顏色越深;橫坐標軸為通路影響值(pathway impact),來自通路拓撲分析,表示代謝通路的影響程度重要性,以pathway impact >0.1 為標準進行篩選,共得到兩條主要代謝通路(見圖7),分別為組氨酸代謝、甘油磷脂代謝。將上述內(nèi)源性差異代謝物導入Cytoscape 的Metscape 插件,構(gòu)建“代謝物-反應-酶-基因”網(wǎng)絡和代謝物相互作用網(wǎng)絡(見圖8),圖中紅色六邊形節(jié)點為代謝物,其中輸入代謝物顯示為深紅色,粉色六角形節(jié)點為拓撲相關代謝物,灰色菱形節(jié)點為酶促反應,綠色方形節(jié)點為反應相關酶;藍色圓形節(jié)點為基因。這個網(wǎng)絡反映了生化信息從基因到代謝物的整個傳遞過程。發(fā)現(xiàn)芍甘附子湯可通過影響“代謝物-反應-酶-基因”調(diào)控相應的代謝途徑,作用HDC、HNMT基因上調(diào)代謝物組胺,作用PLA2相關基因下調(diào)代謝物PC[14∶0/22∶5(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z)]、PC[18∶0/22∶6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z)]、PC[20∶1(11Z)/22∶6(4Z,7Z,10Z,13Z,16Z,19Z)]等磷脂酰膽堿和溶血磷脂酰膽堿lysoPC(16∶0),進而發(fā)揮治療RA 的作用。
表2 血清內(nèi)源性差異代謝物Tab 2 Serum endogenous differential metabolites
圖6 負離子模式的PCA 得分圖(A)、OPLS-DA 得分圖(B)、置換檢驗圖(n =100)(C)及S-plot 圖(D)Fig 6 PCA score map(A),OPLS-DA score map(B),permutation test map(n =100)(C),and S-plot map(D)in negative ion mode
圖7 11 個內(nèi)源差異代謝物代謝通路圖Fig 7 Metabolic pathways of 11 endogenous differential metabolites
圖8 11 個差異代謝物的“化合物-反應-酶-基因”復合網(wǎng)絡圖(A)和代謝物相互作用網(wǎng)絡(B)Fig 8 "Compound-Reaction-Enzyme-Gene" composite network diagram(A)and metabolite interaction network(B)of 11 differential metabolites
本研究通過建立CIA 大鼠模型,發(fā)現(xiàn)芍甘附子湯可明顯改善CIA 大鼠的足跖腫脹,并減輕其踝關節(jié)的滑膜增生、炎癥細胞浸潤、軟骨損傷等病理損傷。但其治療RA 的作用機制尚不明確,限制了其臨床應用和深入開發(fā)。
代謝組學通過對生物樣品中的低分子量內(nèi)源性代謝物進行綜合分析,繪制疾病早期生化變化的擾動圖,有助于在代謝水平上理解疾病發(fā)生和發(fā)展的機制,并提供疾病早期和差異代謝標志物的信息[10-11],為開發(fā)預測性生物標志物提供機會,從而可以對疾病進行早期干預并為闡明藥物作用機制提供依據(jù)[12]。本研究采用UPLC-HRMS/MS 技術的代謝組學方法,探索芍甘附子湯治療前后CIA 大鼠血清內(nèi)源代謝物的變化以及代謝途徑。結(jié)果發(fā)現(xiàn),治療前后CIA 大鼠血清內(nèi)源代謝物水平出現(xiàn)顯著差異,得到亞精胺、組胺、2'-脫氧胞苷、犬尿酸、膽酸、3α,7α-二羥基-5β-膽甾烷、20α,22β-二羥基膽固醇等11 個內(nèi)源性差異代謝物,主要調(diào)控組氨酸代謝、甘油磷脂代謝等代謝通路。結(jié)合“代謝物-反應-酶-基因”網(wǎng)絡,進一步發(fā)現(xiàn)芍甘附子湯可能是通過調(diào)控組氨酸代謝通路的組氨酸脫羧酶(HDC)、組胺N 甲基轉(zhuǎn)移酶(HNMT)等基因上調(diào)代謝物組胺,并調(diào)控甘油磷脂代謝通路的磷脂酶A2(PLA2)相關基因下調(diào)代謝物磷脂酰膽堿和溶血磷脂酰膽堿,發(fā)揮治療RA 的作用。
組胺是一種短效局部介質(zhì),由HDC 催化組氨酸脫羧合成產(chǎn)生[13],并通過HNMT 進行甲基化或二胺氧化酶(DAO)進行氧化后在細胞內(nèi)或細胞外降解[14]。研究發(fā)現(xiàn)組胺具有抗炎作用,能夠與組胺2 型受體(H2R)結(jié)合,將輔助性T 細胞1(Th1)反應轉(zhuǎn)換為Th2 反應,從而上調(diào)抗炎細胞因子白細胞介素(IL)-4、IL-10 等的分泌[15-16],還可以激活H1 受體介導的促炎核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)發(fā)揮抗炎作用[17]。組胺4型受體(H4R)是新發(fā)現(xiàn)的受體,在國內(nèi)外受到了高度關注,目前認為H4R 在免疫反應中具有中心功能,它高表達在與炎癥反應有關的組織,可影響各種免疫細胞的細胞活化、細胞遷移以及細胞因子和趨化因子的產(chǎn)生[17]。據(jù)報道H4R 可在人類RA 的滑膜上表達[18],在膠原抗體誘導的關節(jié)炎(CAIA)和CIA 模型中,H4R 缺陷小鼠和用H4R 拮抗劑治療的小鼠均可降低關節(jié)炎疾病的嚴重程度[19]。臨床研究也表明RA 患者血清中組胺水平顯著降低,在局部滑液中甚至更低[20]。
磷脂是細胞膜的組成成分,其代謝產(chǎn)物參與維持正常的生理功能,磷脂代謝異??赡艽龠M全身炎癥[21]。甘油磷脂是參與許多生物調(diào)節(jié)過程的關鍵化合物,研究發(fā)現(xiàn)其參與RA 的發(fā)病[22],RA 炎癥會通過影響磷脂代謝,進而觸發(fā)產(chǎn)生中性粒細胞活性氧(ROS)[23]及蛋白水解酶釋放,造成軟骨組織破壞[24]。溶血磷脂酰膽堿是由PLA2水解膜磷脂酰膽堿產(chǎn)生的,能調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞炎癥趨化因子的表達[25],在炎癥部位充當化學誘導劑并促進炎癥反應[20]。PLA2能催化磷脂甘油分子上二位?;瑥亩尫呕ㄉ南┧岬戎舅岷腿苎字琜26],促進前列腺素、血小板活化因子等炎癥介質(zhì)的合成[27],從而促進炎癥反應。異常的磷脂分解代謝是RA 的明確危險因素,可能促進全身炎癥。據(jù)報道,甘油磷脂的分解代謝會影響中性粒細胞介導的微循環(huán)炎癥反應,血清中溶血磷脂水平的紊亂可能會加劇RA 的進展[28],臨床上使用PLA2抑制劑可以達到治療RA 的目的[29]。溶血磷脂酰膽堿?;D(zhuǎn)移酶3(LPCAT3)是脂肪細胞分化過程中花生四烯酸進入甘油磷脂的關鍵酶,可促進過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的激活[30],而PPARγ的過表達在體內(nèi)可以明確改善關節(jié)炎大鼠的關節(jié)炎癥及足跖腫脹度,在體外可以抑制成纖維樣滑膜細胞炎癥因子的表達[31]。本課題組前期實驗研究發(fā)現(xiàn),芍甘附子湯可能是通過調(diào)節(jié)PPAR-γ/NF-κB 信號通路,降低其下游環(huán)氧合酶2、誘導型一氧化氮合酶、前列腺素E2、一氧化氮、腫瘤壞死因子-α、IL-1β、IL-6 的表達水平[32]。
綜上所述,本研究通過整合藥效學和血清代謝組學方法,探討了芍甘附子湯治療RA 的藥效及代謝相關作用機制,發(fā)現(xiàn)芍甘附子湯可能通過調(diào)控組氨酸代謝、甘油磷脂代謝等代謝途徑,從整體上糾正RA 導致的代謝紊亂,為深入研究芍甘附子湯治療RA 的作用機制奠定了基礎。