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    基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、分子對(duì)接與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證揭示薯蕷皂苷元治療動(dòng)脈粥樣硬化的作用機(jī)制

    2022-12-28 00:37:04王肖龍
    中草藥 2022年24期
    關(guān)鍵詞:信號(hào)

    王 丹,王肖龍*

    基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、分子對(duì)接與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證揭示薯蕷皂苷元治療動(dòng)脈粥樣硬化的作用機(jī)制

    王 丹1, 2,王肖龍1, 2*

    1. 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院 國家中醫(yī)心血管病臨床醫(yī)學(xué)研究中心分中心,上海 201203 2. 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院 心血管病研究所,上海 201203

    通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、分子對(duì)接結(jié)合體外驗(yàn)證的方法,探究薯蕷皂苷元抗動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)的潛在靶點(diǎn)及作用機(jī)制。通過SwissTargetPrediction、Pharmmapper、CheMBL數(shù)據(jù)庫挖掘薯蕷皂苷元作用靶點(diǎn),然后通過OMIM、Drugbank、Genecards、DisGeNET數(shù)據(jù)庫預(yù)測與AS相關(guān)的靶點(diǎn),取兩者共同靶點(diǎn),構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò);通過Cytoscape 3.7.2軟件進(jìn)行可視化,篩選核心靶點(diǎn)并進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)功能和京都基因和基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析;使用AutodockTools、PyMOL和Discovery Studio軟件進(jìn)行分子對(duì)接以驗(yàn)證薯蕷皂苷元和靶點(diǎn)的相關(guān)性。通過構(gòu)建體外泡沫細(xì)胞模型,考察薯蕷皂苷元對(duì)泡沫細(xì)胞脂質(zhì)代謝、促炎細(xì)胞因子水平及關(guān)鍵靶點(diǎn)表達(dá)的影響。共獲得588個(gè)薯蕷皂苷元靶點(diǎn)和5489個(gè)與AS相關(guān)的靶點(diǎn),獲得275個(gè)薯蕷皂苷元與AS的交叉靶點(diǎn),通過PPI網(wǎng)絡(luò)篩選獲得Src、信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)等52個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)。GO功能富集分析表明,這些靶點(diǎn)主要與蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞對(duì)脂質(zhì)的反應(yīng),細(xì)胞遷移的正向調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)等過程相關(guān)。KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn),薯蕷皂苷元抗AS與脂質(zhì)和動(dòng)脈粥樣硬化通路、核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號(hào)通路等有關(guān)。分子對(duì)接表明,薯蕷皂苷元與Src、STAT3具有良好的結(jié)合親和力。體外實(shí)驗(yàn)表明,薯蕷皂苷元顯著抑制THP-1巨噬細(xì)胞脂質(zhì)堆積和促炎細(xì)胞因子水平(<0.05、0.01、0.001),顯著下調(diào)Src和STAT3的磷酸化水平(<0.05、0.01、0.001)。薯蕷皂苷元能夠通過調(diào)節(jié)多個(gè)靶點(diǎn)和通路發(fā)揮抗AS作用,其作用機(jī)制可能與調(diào)節(jié)Src/STAT3通路從而改善脂質(zhì)代謝和炎癥有關(guān)。

    薯蕷皂苷元;動(dòng)脈粥樣硬化;網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué);分子對(duì)接;Src;信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3

    動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是一種發(fā)生在大中動(dòng)脈內(nèi)膜層的慢性炎癥性疾病[1]。脂質(zhì)代謝失衡是最初的公認(rèn)原因,后來研究發(fā)現(xiàn)炎癥過程貫穿AS的始終。近年來,研究者逐漸認(rèn)識(shí)到先天性和適應(yīng)性免疫機(jī)制在AS進(jìn)程中的重要作用[2]。AS晚期斑塊常造成血管狹窄、不穩(wěn)定斑塊破裂以及血栓形成,引起血管閉塞,導(dǎo)致致命的心血管疾病,這也成為老年人死亡最常見的原因之一[3]。目前臨床治療主要集中于降低低密度脂蛋白膽固醇水平和對(duì)并發(fā)癥進(jìn)行治療。盡管目前抗膽固醇合成藥物中的他汀類藥物及抗血小板藥物在AS的防治中起到了積極的作用,但臨床應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了許多不良反應(yīng),例如他汀類藥物可引起肌炎、肌痛[4],因此有必要開發(fā)更多替代藥物以擴(kuò)充臨床用藥選擇。

    中藥以及從中藥中提取的天然化合物由于其高治療價(jià)值、低全身毒性和廣泛的藥理活性而受到越來越多的關(guān)注。薯蕷皂苷元是一種來源于薯蕷屬植物(如盾葉薯蕷、黃山藥)的天然甾體皂苷元[5],是地奧心血康、盾葉冠心寧的主要活性成分。地奧心血康、盾葉冠心寧主要用于治療冠心病、心絞痛、高脂血癥等。薯蕷皂苷元與膽固醇具有類似的化學(xué)結(jié)構(gòu),在腸道中可競爭性地抑制膳食膽固醇吸收[6-7]、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝[8-9]、改善高膽固醇血癥[10-11],同時(shí)還具有抗氧化[12]、抗炎[13]、抗增殖[14]等藥理作用,因此有望成為一種新型抗AS藥物。然而,目前關(guān)于薯蕷皂苷元在AS中研究仍處于初級(jí)階段,其潛在靶點(diǎn)及藥理學(xué)作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

    網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是一種基于系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展起來的,與高通量篩選、下一代測序、多組學(xué)應(yīng)用相關(guān)的新型藥物研究范式[15]。其打破了傳統(tǒng)的“一種疾病-一個(gè)靶點(diǎn)-一種藥物”的思維范式,通過多靶點(diǎn)、多途徑的方式闡述復(fù)雜疾病的發(fā)病機(jī)制[16-17]。對(duì)于多靶點(diǎn)的天然產(chǎn)物未知藥理學(xué)作用的探索具有積極的預(yù)測作用。目前尚無薯蕷皂苷元抗AS的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)相關(guān)研究,因此本研究擬通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對(duì)接技術(shù)預(yù)測薯蕷皂苷元與潛在靶標(biāo)之間的相關(guān)性,并通過體外實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)靶點(diǎn)和通路進(jìn)行驗(yàn)證,以期為薯蕷皂苷元抗AS的機(jī)制研究提供新思路。

    1 材料

    1.1 細(xì)胞

    人單核THP-1細(xì)胞(批號(hào)20210723A1)購自大連美侖生物科技有限公司。

    1.2 藥品與試劑

    RPMI 1640培養(yǎng)基(批號(hào)AG2957469)購自美國HyClone公司;薯蕷皂苷元(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%,批號(hào)1105F023)購自北京索萊寶科技有限公司;阿托伐他?。ㄅ?hào)LRAC0148)購自美國Sigma公司;胎牛血清購自BI公司;氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL,批號(hào)YB-002)購自益源生物科技有限公司;白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-6 ELISA試劑盒(批號(hào)EH6306M、EH6281M、EH6513M)購自上海威奧生物科技有限公司;Src抗體(批號(hào)36D10)、磷酸化Src(Tyr416)抗體(批號(hào)D49G4)購自美國CST公司;信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)抗體(批號(hào)EP2147Y)、β-actin抗體(批號(hào)10021787)購自美國Proteintech公司;磷酸化STAT3(Tyr705)抗體(批號(hào)ab76315)購自英國Abcam公司;油紅O染液(批號(hào)052821210930)、CCK-8試劑盒(批號(hào)031921211102)購自碧云天生物技術(shù)有限公司;佛波醇肉豆蔻酸乙酸酯(phorbol 12-myristate 13-acetate,PMA,批號(hào)P3102110)、山羊抗小鼠IgG抗體(批號(hào)P3221170)購自翌圣生物科技有限公司;山羊抗兔IgG抗體(批號(hào)8715)購自SAB公司;膽甾烯酮對(duì)照品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%,批號(hào)21J040-A3)購自上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司;膽固醇氧化酶(批號(hào)J08HS184254)、膽固醇酯酶(批號(hào)M26HS179245)、TritonX-100(批號(hào)A20GS158556)、膽酸鈉(批號(hào)1305S11J123719)、無水MgCl2(批號(hào)S25O10T100980)、Tri-HCl緩沖液(批號(hào)N01GR166405)購自源葉生物科技有限公司。

    1.3 儀器

    Eclipse E100型正置光學(xué)顯微鏡(日本尼康公司);DENLEY DRAGON Wellscan MK型酶標(biāo)儀、BB5060型CO2培養(yǎng)箱(美國Thermo Fisher Scientific公司);PYX-DHS型數(shù)字顯示隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠);TGL-168型離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠);蛋白電泳系統(tǒng)(美國Bio-Rad公司);XW-80A型漩渦混合器(上海青浦滬西儀器廠);ChemiScope系列熒光及化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)(勤翔科學(xué)儀器有限公司);1200型高效液相色譜儀(美國Agilent公司)。

    2 方法

    2.1 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析

    2.1.1 薯蕷皂苷元靶點(diǎn)的預(yù)測 通過SwissTargetPrediction(http://www.swisstargetprediction. ch)[18]、Pharmmapper(http://lilab.ecust.edu.cn/ pharmmapper/index.php)[19]、CheMBL(http://www. ebi.ac.uk/chembl/)[20]數(shù)據(jù)庫進(jìn)行薯蕷皂苷元靶點(diǎn)預(yù)測,所有靶點(diǎn)限定為“human”。去除重復(fù)數(shù)據(jù)后,將預(yù)測的靶點(diǎn)輸入到UniProt數(shù)據(jù)庫(https://www. uniprot.org/)中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

    2.1.2 AS靶點(diǎn)的預(yù)測 在OMIM數(shù)據(jù)庫(https://omim.org/)[21-22]、Drugbank數(shù)據(jù)庫(https:// www.drugbank.ca)、Genecards數(shù)據(jù)庫(https://www. genecards.org/)和[23]DisGeNET數(shù)據(jù)庫(http://www. disgenet.org/)[24]搜索關(guān)鍵詞“atherosclerosis”,預(yù)測AS相關(guān)靶點(diǎn)。

    2.1.3 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 通過Venny2.1.0(http://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)繪制韋恩圖,篩選出薯蕷皂苷元和AS共同靶點(diǎn)。將這些靶點(diǎn)上傳到STRING數(shù)據(jù)庫(https://string-db.org/)中生成PPI網(wǎng)絡(luò)[25],將條件設(shè)置為“human”,置信度設(shè)置為最高置信度(得分值>0.9)并隱藏網(wǎng)絡(luò)中斷開連接的節(jié)點(diǎn),將得到的PPI網(wǎng)絡(luò)保存為TSV文件,導(dǎo)入Cytoscape 3.7.2軟件構(gòu)建和可視化靶網(wǎng),并通過設(shè)定度值大于平均值篩選出核心靶點(diǎn)[26]。

    2.1.4 基因本體(gene ontology,GO)功能及京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析 通過Metascape對(duì)交集靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析,選擇物種為“human”,分別對(duì)生物過程(biological process,BP)、細(xì)胞成分(cellular component,CC)、分子功能(molecular function,MF)和KEGG進(jìn)行富集分析,以獲得主要生物學(xué)功能和信號(hào)通路,篩選<0.01、最小計(jì)數(shù)為3且富集因子>1.5的條目。采用OmicShare工具(http://www.omicshare.com/tools)可視化KEGG氣泡圖。

    2.1.5 分子對(duì)接 使用PubChem數(shù)據(jù)庫(http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)[27]獲得薯蕷皂苷元的SDF格式文件,通過Open Babel GUI軟件轉(zhuǎn)換為“mol2”格式文件,通過PDB數(shù)據(jù)庫(https://www.rcsb.org/)獲得核心靶蛋白的PDB格式文件,然后使用Pymol軟件去除所有配體和水分子,并保存為PDB格式。通過Auto Dock Tools進(jìn)行對(duì)接模擬,采用PyMOL 2.3.0和Discovery Studio 4.5 Client進(jìn)行結(jié)果處理和可視化[28]。結(jié)合能小于?20.92 kJ/mol,認(rèn)為配體和受體蛋白之間對(duì)接結(jié)果穩(wěn)定。

    2.2 體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    2.2.1 THP-1巨噬細(xì)胞源性泡沫細(xì)胞的培養(yǎng)、模型構(gòu)建及給藥 THP-1細(xì)胞用含10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素的RPMI 1640培養(yǎng)基,于37 ℃、5% CO2的培養(yǎng)箱中孵育。用100 ng/mL PMA孵育2 d誘導(dǎo)貼壁巨噬細(xì)胞形成,之后用含100 μg/mL ox-LDL和0.2%胎牛血清的RPMI 1640培養(yǎng)基誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分化為泡沫細(xì)胞,給予低、中、高劑量(0.1、1.0、10.0 μmol/L)的薯蕷皂苷元或阿托伐他?。? μmol/L)干預(yù)48 h,對(duì)照組為未經(jīng)分化的巨噬細(xì)胞。

    2.2.2 CCK-8法檢測細(xì)胞活力 將THP-1細(xì)胞用PMA誘導(dǎo)分化為貼壁巨噬細(xì)胞,以1×105個(gè)/孔接種于96孔板中,每孔加入100 μL不同濃度(0.01、0.1、1、10、20、40、80、160 μmol/L)的薯蕷皂苷元,對(duì)照組加入不含藥物的培養(yǎng)基,培養(yǎng)48 h后,每孔加入10 μL CCK-8溶液,培養(yǎng)箱中孵育2 h,采用酶標(biāo)儀測定450 nm處的吸光度()值。

    2.2.3 油紅O染色評(píng)估泡沫細(xì)胞形成 將2 mL THP-1細(xì)胞以1×106個(gè)/mL接種于6孔板中,按“2.2.1”項(xiàng)下方法誘導(dǎo)泡沫細(xì)胞形成,并給予藥物干預(yù)48 h后,將細(xì)胞于4%多聚甲醛中固定10 min,用60%異丙醇漂洗15 s;用油紅O染液染色15 min,用60%異丙醇洗滌10 s;用蘇木精復(fù)染細(xì)胞1 min,用PBS洗滌3次后,在倒置顯微鏡下對(duì)陽性染色的細(xì)胞(紅色)進(jìn)行拍照,使用Image-Pro Plus 6.0軟件分析油紅染色中脂滴與整個(gè)圖像面積的面積比進(jìn)行定量。

    2.2.4 HPLC分析細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)水平[29]按“2.2.3”項(xiàng)下方法處理細(xì)胞并給藥后,用0.1% TritonX-100裂解細(xì)胞,測定蛋白質(zhì)濃度后,用10 μL酶促反應(yīng)混合液[含500 mmol/L MgCl2、500 mmol/L Tris-HCl、10 mmol/L DTT、5%膽酸鈉]加入到100 μL細(xì)胞裂解液中混勻,然后將膽固醇酯酶聯(lián)合膽固醇氧化酶加入細(xì)胞裂解液中,37 ℃各作用1 h,用于測定細(xì)胞內(nèi)總膽固醇(total cholesterol,TC)含量;或僅加入膽固醇氧化酶用于測定細(xì)胞內(nèi)游離膽固醇(free cholesterol,F(xiàn)C)含量;最后加入甲醇-乙醇混合液終止反應(yīng),10 000 r/min離心15 min,取10 μL上清液用于HPLC分析。膽固醇酯(cholesteryl ester,CE)含量為TC與FC的差值。

    2.2.5 ELISA檢測細(xì)胞上清液中炎性細(xì)胞因子水平 按“2.2.3”項(xiàng)下方法處理細(xì)胞并給藥后,收集細(xì)胞上清液,按照ELISA試劑盒說明書測定上清液中IL-1β、TNF-α和IL-6水平。

    2.2.6 Western blotting檢測Src/STAT3通路相關(guān)蛋白表達(dá) 按“2.2.3”項(xiàng)下方法處理細(xì)胞并給藥后,收集細(xì)胞,用含或不含磷酸酶抑制劑的RIPA緩沖液裂解細(xì)胞,使用BCA蛋白定量試劑盒測定蛋白濃度。蛋白樣品經(jīng)10%十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳,轉(zhuǎn)至PVDF膜,加入封閉液,37 ℃封閉2 h,分別加入Src(1∶1000)、p-Src(1∶1000)、STAT3(1∶500)、p-STAT3(1∶2000)、β-actin(1∶5000)抗體,4 ℃孵育過夜;TBST洗滌3次,每次5 min,加入HRP標(biāo)記的山羊抗兔/小鼠IgG抗體(1∶5000),室溫孵育1 h;TBST洗滌3次后,加入化學(xué)發(fā)光試劑顯影,采用ChemiScope Capture圖像分析軟件對(duì)條帶灰度值進(jìn)行定量分析。

    3 結(jié)果

    3.1 薯蕷皂苷元和AS的潛在靶點(diǎn)篩選

    通過SwissTargetPrediction、Pharmmapper、CheMBL數(shù)據(jù)庫分別預(yù)測出100、278、246個(gè)薯蕷皂苷元靶點(diǎn)。去除重復(fù)靶點(diǎn),共獲得588個(gè)候選靶點(diǎn)。通過OMIM、Genecards、DisGeNET和Drugbank數(shù)據(jù)庫分別預(yù)測出626、4710、2044、33個(gè)抗AS的相關(guān)靶點(diǎn),去除1891重復(fù)靶點(diǎn),共獲得5489個(gè)與AS相關(guān)的靶點(diǎn)。

    3.2 PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

    通過Omicshare網(wǎng)站獲得275個(gè)薯蕷皂苷元與AS的交叉靶點(diǎn)(圖1),將這275個(gè)靶點(diǎn)導(dǎo)入String 數(shù)據(jù)庫,將生成的PPI網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Cytoscape軟件,計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涮卣鞑⑦M(jìn)行可視化。移除PPI網(wǎng)絡(luò)中與主要網(wǎng)絡(luò)離散且邊緣較少的節(jié)點(diǎn)后,最終呈現(xiàn)191個(gè)靶點(diǎn)、604條邊。根據(jù)度值≥6.324 6,鑒定出包括Src、STAT3在內(nèi)的52個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn),如圖2所示,顏色越紅,面積越大代表度值越高,52個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)分別位于圓圈中心2層。

    3.3 GO功能和KEGG通路富集分析

    對(duì)191個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行GO功能和KEGG通路富集分析,共富集出198條分子功能、1818條生物學(xué)過程、111條細(xì)胞成分。圖3列出了前20個(gè)BP、MF、CC條目(<0.01),結(jié)果表明薯蕷皂苷元對(duì)AS的潛在靶點(diǎn)與蛋白激酶活性、蛋白酪氨酸激酶活性、核受體活性等分子功能有關(guān),與蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞對(duì)脂質(zhì)的反應(yīng)、細(xì)胞遷移的正向調(diào)節(jié)等生物學(xué)過程有關(guān),與受體復(fù)合物、細(xì)胞體、膜筏等細(xì)胞成分有關(guān)。圖4列出了前20條KEGG信號(hào)通路,去除不相關(guān)的廣譜通路,KEGG富集分析顯示主要涉及脂質(zhì)與動(dòng)脈粥樣硬化途徑、鈣信號(hào)通路、核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號(hào)通路等通路。表明薯蕷皂苷元可能通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和炎癥對(duì)AS發(fā)揮作用。其中,脂質(zhì)與動(dòng)脈粥樣硬化途徑是一個(gè)包含27個(gè)靶基因的重要途徑,涵蓋了包括、等眾多靶基因(圖5),因此基于Src/STAT3通路進(jìn)行后續(xù)研究。

    圖1 薯蕷皂苷元治療AS靶點(diǎn)的Venn圖

    圓點(diǎn)代表靶點(diǎn),圓點(diǎn)越大越紅代表度值越高,圓點(diǎn)越小越紫代表度值越低;連線代表蛋白間的功能關(guān)聯(lián),連線顏色越深越粗代表關(guān)聯(lián)越強(qiáng)

    圖3 薯蕷皂苷元治療AS的GO功能富集分析(前20)

    圖4 薯蕷皂苷元治療AS的KEGG通路富集分析(前20)

    圖5 薯蕷皂苷元參與脂質(zhì)與動(dòng)脈粥樣硬化途徑

    3.4 分子對(duì)接分析

    如圖6所示,薯蕷皂苷元和Src的殘基LYSA:298氫鍵結(jié)合有助于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,其次薯蕷皂苷元和Src間形成alkyl鍵、Pi-alkyl鍵和范德華力作用。薯蕷皂苷元和STAT3的殘基ASPA:334氫鍵結(jié)合有助于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,其次薯蕷皂苷元和STAT3間也形成alkyl鍵、Pi-alkyl鍵和范德華力作用。薯蕷皂苷元與Src、STAT3的相互作用能分別為?34.31、?34.73 kJ/mol,均小于?20.92 kJ/mol,表明薯蕷皂苷元與2個(gè)靶點(diǎn)之間具有良好的結(jié)合親和力。

    圖6 薯蕷皂苷元與Src (A) 和STAT3 (B)的分子對(duì)接結(jié)果

    3.5 體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

    3.5.1 薯蕷皂苷元對(duì)巨噬細(xì)胞活力的影響 如圖7所示,當(dāng)薯蕷皂苷元濃度低于20 μmol/L時(shí),對(duì)細(xì)胞活性無顯著影響;當(dāng)薯蕷皂苷元濃度高于20 μmol/L時(shí),呈劑量相關(guān)性地抑制細(xì)胞活力(<0.01、0.001),因此以0.1、1.0、10.0 μmol/L作為薯蕷皂苷元的低、中、高劑量進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

    與對(duì)照組比較:**P<0.01 ***P<0.001

    3.5.2 薯蕷皂苷元對(duì)泡沫細(xì)胞形成的影響 如圖8所示,與對(duì)照組比較,ox-LDL負(fù)載顯著增加脂滴染色(<0.001),表明泡沫細(xì)胞誘導(dǎo)成功;與模型組比較,薯蕷皂苷元中、高劑量組和阿托伐他汀組顯著抑制泡沫細(xì)胞中脂質(zhì)的積累(<0.001)。

    3.5.3 薯蕷皂苷元對(duì)THP-1巨噬細(xì)胞衍生的泡沫細(xì)胞TC、FC和CE水平的影響 如表1所示,與對(duì)照組比較,模型組TC、FC和CE水平均顯著升高(<0.01);與模型組比較,各給藥組TC和CE水平均顯著降低(<0.05、0.01),薯蕷皂苷元中、高劑量組和阿托伐他汀組FC水平均顯著降低(<0.05、0.01)。

    3.5.4 薯蕷皂苷元對(duì)THP-1巨噬細(xì)胞衍生泡沫細(xì)胞上清液中促炎細(xì)胞因子水平的影響 如圖9所示,與對(duì)照組比較,模型組細(xì)胞上清液中IL-6、IL-1β和TNF-α水平均顯著升高(<0.001);與模型組比較,各給藥組細(xì)胞上清液中TNF-α水平顯著降低(<0.001),薯蕷皂苷元中、高劑量組和阿托伐他汀組細(xì)胞上清液中IL-6和IL-1β水平均顯著降低(<0.05、0.01、0.001)。

    與對(duì)照組比較:###P<0.001;與模型組比較:*P<0.05 **P<0.01 ***P<0.001,下圖同

    表1 薯蕷皂苷元對(duì)泡沫細(xì)胞脂質(zhì)積累的影響(, n = 3)

    與對(duì)照組比較:##<0.01;與模型組比較:*<0.05**<0.01

    ##< 0.01control group;*< 0.05**< 0.01model group

    圖9 薯蕷皂苷元對(duì)泡沫細(xì)胞上清液中IL-6、IL-1β和TNF-α水平的影響(, n = 6)

    3.5.5 薯蕷皂苷元對(duì)THP-1巨噬細(xì)胞衍生泡沫細(xì)胞中Src/STAT3信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)的影響 Src是STAT3信號(hào)傳導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)劑[30],Src激活可觸發(fā)STAT3活性[31]。此外,ox-LDL可顯著上調(diào)大鼠胸主動(dòng)脈平滑肌VSMC細(xì)胞中Src磷酸化水平,而沉默Src可顯著逆轉(zhuǎn)這一效應(yīng)[32]。如圖10所示,與對(duì)照組比較,模型組Src和STAT3的磷酸化水平均顯著升高(<0.001);與模型組比較,各給藥組Src和STAT3的磷酸化水平均顯著降低(<0.05、0.01、0.001)。因此,薯蕷皂苷元可能通過抑制Src/STAT3信號(hào)通路,減輕脂質(zhì)代謝和促炎細(xì)胞因子的分泌,進(jìn)而改善AS。

    圖10 薯蕷皂苷元對(duì)泡沫細(xì)胞Src/STAT3信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)的影響(, n = 3)

    4 討論

    AS是造成急性冠脈綜合征、腦卒中等心腦血管疾病的關(guān)鍵病理基礎(chǔ)。薯蕷屬植物作為一種藥食同源的植物,其毒性極低,產(chǎn)量豐富,價(jià)格低廉,并且含有豐富的甾體皂苷,這些甾體皂苷經(jīng)提取已被制成多種心血管病臨床藥物。薯蕷皂苷元作為盾葉冠心寧、地奧心血康的最主要的活性成分之一,具有廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值。薯蕷皂苷元在多種慢性病中發(fā)揮重要作用[33]。研究發(fā)現(xiàn),薯蕷皂苷元可以抑制AS小鼠疾病進(jìn)展[34],降低高脂飲食喂養(yǎng)大鼠血清中TC、三酰甘油、低密度脂蛋白膽固醇和極低密度脂蛋白膽固醇水平,下調(diào)NF-κB表達(dá),減輕炎癥反應(yīng)[35]。薯蕷皂苷元抗AS的作用機(jī)制尚未被全面揭示。

    近年來,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的興起無疑為多靶點(diǎn)疾病機(jī)制的探討以及多靶點(diǎn)藥物藥理作用的探討提供了一種新的分析工具[36-37]。本研究通過公開數(shù)據(jù)庫篩選了薯蕷皂苷元和AS共同靶點(diǎn),并構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)以獲得核心靶點(diǎn)。通過GO功能和KEGG通路富集分析探討薯蕷皂苷元抗AS的作用機(jī)制。KEGG分析結(jié)果中涉及癌癥通路、癌癥中的轉(zhuǎn)錄失調(diào)、甲狀腺癌等癌癥相關(guān)信號(hào)通路,推測Src、STAT3、絲裂原活化蛋白激酶3(mitogen-activated protein kinase 3,MAPK3)、蛋白激酶B1(protein kinase B1,AKT1)等多個(gè)靶點(diǎn)共同參與癌癥與AS相關(guān)信號(hào)通路,并在發(fā)病機(jī)制上顯示出一些相似性,如抑制細(xì)胞的增殖與遷移、抑制血管新生、抑制炎癥等。在剔除不相關(guān)的信號(hào)通路后,發(fā)現(xiàn)薯蕷皂苷元抗AS主要與脂質(zhì)代謝和炎癥相關(guān),涉及脂質(zhì)與動(dòng)脈粥樣硬化途徑、Janus激酶(Janus kinase,JAK)-STAT信號(hào)通路、NF-κB信號(hào)通路等。此外,GO功能分析表明了薯蕷皂苷元抗AS涉及蛋白質(zhì)磷酸化、細(xì)胞對(duì)脂質(zhì)的反應(yīng)、細(xì)胞遷移的正向調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞黏附的調(diào)節(jié)、上皮細(xì)胞增殖的調(diào)節(jié)、細(xì)胞群增殖的負(fù)調(diào)控、細(xì)胞死亡等生物學(xué)過程。提示薯蕷皂苷元可能在脂質(zhì)代謝、炎癥、上皮細(xì)胞與血管平滑肌細(xì)胞的增殖與遷移、巨噬細(xì)胞的遷移與黏附、血管生成、細(xì)胞凋亡等AS病理環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用。在篩選的52個(gè)核心靶點(diǎn)中,Src與STAT3度值最高,同時(shí)富集出現(xiàn)在脂質(zhì)和動(dòng)脈粥樣硬化通路、黏附連接、凋亡、炎癥相關(guān)信號(hào)通路、JAK-STAT信號(hào)通路等9條通路中,并且Src處于STAT3上游。Src激活可觸發(fā)STAT3活性,促進(jìn)磷酸化STAT3表達(dá)[30]。分子對(duì)接結(jié)果也表明Src、STAT3與薯蕷皂苷元具有較高的結(jié)合親和力。

    Src是一種與遷移相關(guān)的非受體酪氨酸激酶,抑制Src信號(hào)通路可抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移[38-39]。Src在調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞功能中發(fā)揮重要作用,尤其是巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)。巨噬細(xì)胞的黏附遷移和炎癥作為AS的重要環(huán)節(jié),而Src參與調(diào)節(jié)所有Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)家族成員介導(dǎo)的炎癥信號(hào)通路,表明Src在AS巨噬細(xì)胞炎癥中發(fā)揮潛在作用[40]。此外,Src的激活提供了初始炎癥信號(hào),觸發(fā)了NF-κB介導(dǎo)的炎癥途徑,NF-κB可刺激IL-6表達(dá),IL-6的激活又可促進(jìn)STAT3的激活,以響應(yīng)炎癥信號(hào)[41]。在巨噬細(xì)胞脂質(zhì)代謝中,Src活性的抑制可減輕巨噬細(xì)胞脂質(zhì)積累[42]。Src家族激酶還通過參與解整合素-金屬蛋白酶15(a disintegrin and metalloproteinase 15,ADAM15)誘導(dǎo)的內(nèi)皮屏障功能障礙,減輕AS[43]。在腫瘤研究中發(fā)現(xiàn),抑制Src可以抑制STAT3的激活[44]。薯蕷皂苷可通過抑制Src/STAT3信號(hào)通路減少血管生成,在抑制黑色素瘤的生長中發(fā)揮重要作用[45]。薯蕷皂苷是薯蕷皂苷元的糖苷形式,兩者具有相似的效應(yīng),推測薯蕷皂苷元對(duì)Src/STAT3信號(hào)通路也有積極的調(diào)控作用。

    STAT3是一種重要的核轉(zhuǎn)錄因子,在AS過程中參與內(nèi)皮功能障礙、脂質(zhì)代謝、巨噬細(xì)胞極化、炎癥調(diào)節(jié)、血管平滑肌增殖與遷移[46]。STAT3抑制劑可抑制ox-LDL誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞脂質(zhì)積累,減輕巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)[47]。在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中,抑制JAK2/STAT3通路可降低巨噬細(xì)胞內(nèi)三酰甘油、TC和低密度脂蛋白膽固醇水平[48],抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖,減輕頸動(dòng)脈內(nèi)膜厚度[49]。STAT3在不穩(wěn)定斑塊中可能也發(fā)揮重要作用,抑制STAT3可能通過抑制內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移,減少血管生成,延緩不穩(wěn)定斑塊的進(jìn)展[50]。本研究通過體外誘導(dǎo)泡沫細(xì)胞模擬AS斑塊中泡沫細(xì)胞的形成過程,探索薯蕷皂苷元抗AS的作用機(jī)制,結(jié)果顯示,薯蕷皂苷元可顯著降低ox-LDL誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞脂質(zhì)堆積,表現(xiàn)為泡沫細(xì)胞脂滴明顯減少,TC、CE和FC水平降低,同時(shí)炎癥因子IL-1β、IL-6和TNF-α水平也顯著降低;此外,薯蕷皂苷元可抑制Src和STAT3的磷酸化水平,表明薯蕷皂苷元可能通過抑制Src/STAT3信號(hào)通路,抑制巨噬細(xì)胞脂質(zhì)堆積和促炎因子表達(dá),改善AS。

    本研究通過網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)合分子對(duì)接和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探討了薯蕷皂苷元治療AS的作用機(jī)制。薯蕷皂苷元參與調(diào)節(jié)多條與AS相關(guān)的通路,涵蓋眾多靶點(diǎn)和細(xì)胞成分。薯蕷皂苷元可減輕巨噬細(xì)胞炎癥及脂質(zhì)堆積,這一效應(yīng)可能與抑制Src/STAT3信號(hào)通路有關(guān)。本研究拓展了薯蕷皂苷元抗AS的機(jī)制,為AS的治療和新藥研發(fā)提供了一種思路。

    利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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    Mechanism of diosgenin in treatment of atherosclerosis based on network pharmacology, molecular docking and experimental validation

    WAND Dan1, 2, WANG Xiao-long1, 2

    1. Branch of National Clinical Research Center for Chinese Medicine Cardiology, Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China 2. Cardiovascular Research Institute of Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China

    To explore the potential targets and mechanism of diosgenin against atherosclerosis (AS) through network pharmacology, molecular docking andverification.The targets of diosgenin were mined by SwissTargetPrediction, Pharmmapper and CheMBL databases, and then the targets related to AS were predicted by OMIM, Drugbank, Genecards and DisGeNET databases, and protein-protein interaction (PPI) network was constructed by taking the common targets of them. Cytoscape 3.7.2 software was used to visualize, then core targets were screened out and performed gene ontology (GO) function and Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG) enrichment analysis. AutodockTools, PyMOL and Discovery Studio software were used for molecular docking to verify the correlation between diosgenin and targets. The effects of diosgenin on lipid metabolism, levels of pro-inflammatory cytokines and expressions of key targets in foam cells were investigated by constructing foam cell model.A total of 588 targets of diosgenin and 5489 targets related to AS were obtained, and 275 cross targets between diosgenin and AS were obtained. Through PPI network screening, 52 key targets such as Src, signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) were obtained. GO function enrichment analysis showed that these targets were mainly related to the phosphorylation of protein, reaction of cells to lipids, positive regulation of cell migration, inflammatory reaction and other processes. KEGG pathway enrichment analysis showed that the effect of diosgenin on AS was related to lipid and atherosclerosis pathway, nuclear factor-κB (NF-κB) signaling pathway, etc. Molecular docking showed that diosgenin had good binding affinity with Src and STAT3.experiments showed that diosgenin significantly inhibited THP-1 macrophage lipid accumulation and pro-inflammatory cytokine levels (< 0.05, 0.01, 0.001), significantly up-regulated Src and STAT3 phosphorylation levels (< 0.05, 0.01, 0.001).Diosgenin plays an anti-AS role by regulating multiple targets and pathways, and its mechanism may be related to improving lipid metabolism and inflammation by regulating Src/STAT3 pathway.

    diosgenin; atherosclerosis; network pharmacology; molecular docking; Src; signal transducer and activator of transcription 3

    R285.5

    A

    0253 - 2670(2022)24 - 7783 - 12

    10.7501/j.issn.0253-2670.2022.24.016

    2022-09-06

    國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81573647);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(82074222);上海市中醫(yī)臨床重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(14DZ2273200);上海市科委引導(dǎo)類項(xiàng)目(19401934300);上海市衛(wèi)健委中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(ZY[2018-2020]-CCCX-2003-07);上海市臨床重點(diǎn)??祈?xiàng)目(shslczdzk05301)

    王 丹(1994—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)橹形麽t(yī)結(jié)合治療心血管疾病。E-mail: 1055466579@qq.com

    王肖龍,博士生導(dǎo)師,教授。E-mail: wxlqy0214@163.com

    [責(zé)任編輯 李亞楠]

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