任海云 蔚蓁



摘要 目的:運用網絡藥理學方法和分子對接技術探討炙甘草湯減輕心肌缺血再灌注損傷(MIRI)的作用機制。方法:利用中醫藥系統藥理學數據庫與分析平臺(TCMSP)與中藥分子機制生物信息學分析工具(BATMAN-TCM)獲取炙甘草湯有效成分并預測其作用靶點,然后應用人類基因綜合(GeneCards)與人類疾病相關基因和突變信息的綜合平臺(DisGeNET)數據庫預測MIRI靶點,通過Venny在線繪圖軟件獲取炙甘草湯抗MIRI潛在作用靶點。利用蛋白質相互作用分析數據庫(STRING數據庫)平臺構建蛋白互作(PPI)網絡,并通過Cytoscope 3.9.1軟件可視化、篩選出核心靶點,利用Metascape 基因功能分析平臺對篩選出的核心靶點進行基因本體(GO)富集分析與京都基因與基因組百科全書(KEGG)信號通路富集分析,探究炙甘草湯抗MIRI機制,再次利用Cytoscape 3.9.1軟件構建活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡。最后利用分子對接程序AutoDock vina對炙甘草湯主要活性成分與其核心靶點結合活性進行驗證。結果:經篩選獲得炙甘草湯147個活性成分、865個基因靶點,MIRI 144個靶標,通過Venny數據庫獲取炙甘草湯抗MIRI潛在作用靶點79個;經PPI網絡分析并篩選出40個關鍵靶點,其中腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素-6(IL-6)、蛋白激酶B(AKT1)、血管內皮生長因子 A(VEGFA)、一氧化氮合酶3(NOS3)、過氧化氫酶(CAT)、CC趨化因子配體 2(CCL2)、髓過氧化物酶(MPO)均與炎癥反應或氧化應激有關。經GO富集分析發現氧化應激、炎癥反應與此生物學過程密切相關;經KEGG分析探究炙甘草湯抗MIRI的通路,共映射出178條信號通路。將炙甘草湯活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡中排名居前3位的成分及其關鍵靶點進行驗證,結果顯示炙甘草湯主要活性成分與關鍵作用靶點結合活性很強,能形成穩定的化合物。結論:甘草查爾酮A、人參皂苷Rh2、6-醛基異麥冬黃酮B、山柰酚、芒柄花黃素、麥冬皂苷C等為炙甘草湯抗MIRI的主要成分,通過TNF、IL-6、AKT1、VEGFA、NOS3、CAT、CCL2、MPO等核心靶點調控絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)、TNF、Toll樣受體-4(TLR4)、缺氧誘導因子-1(HIF-1)、磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、轉化生長因子-β(TGF-β)、核轉錄因子-κB(NF-κB)等信號通路,減輕改善MIRI,體現出炙甘草湯多成分-多靶點-多途徑的作用優勢,為進一步深入動物學實驗與臨床試驗提供了數據與理論支持。
關鍵詞 心肌缺血再灌注損傷;炙甘草湯;網絡藥理學;分子對接;作用機制
doi:10.12102/j.issn.1672-1349.2024.03.003
The Mechanism of Anti-myocardial Ischemia-reperfusion Injury of Honey-fried Licorice Decoction Based on Network Pharmacology and Molecular Docking
REN Haiyun, WEI Zhen
College of Traditional Chinese Medicine and Food Engineering, Shanxi University of Chinese Medicine, Jinzhong 030619, Shanxi, China, E-mail: renhy1119@sxtcm.edu.cn
Abstract Objective:To explore the mechanism of action of Honey-fried Licorice Decoction on myocardial ischemia/reperfusion injury(MIRI) based on network pharmacology and molecular docking.Methods:The active components of Honey-fried Licorice Decoction were obtained and its target was predicted by the Traditional Chinese Medicine System Pharmacology Database and Analysis Platform(TCMSP) and the Traditional Chinese Medicine Molecular mechanism bioinformatics analysis tool(BATMAN-TCM).The target of MIRI was predicted by the integrated platform of human Gene Synthesis(GeneCards) and human disease-related gene and mutation information(DisGeNET) database,and the potential target of Honey-fried Licorice Decoction anti-MIRI was obtained by Venny online software.The protein interaction(PPI) network was constructed using the Protein Interaction Analysis Database(String database) platform,and the core targets were screened and visualized by Cytoscope 3.9.1 software.The anti-MIRi mechanism of Honey-fried Licorice Decoction was investigated by Gene ontology(GO) enrichment analysis and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG) signaling pathway enrichment analysis for the selected core targets by Metascape gene function analysis platform.The molecular docking program AutoDock vina was used to verify the binding activity of the main active ingredients of Honey-fried Licorice Decoction and its core target.Results:After screening,147 active ingredients,865 gene targets,and 144 MIRI targets of Honey-fried Licorice Decoction were selected.Seventy-nine potential anti-MIRI targets were obtained through Venny database.Forty core targets were screened by PPI network analysis,which showed that tumor necrosis factor(TNF),interleukin-6(IL-6),protein kinase B-α(AKT1),vascular endothelial growth factor A(VEGFA),endothelial nitric oxide synthetase(NOS3),catalase(CAT),CC chemokine ligand 2(CCL2),and myeloperoxidase(MPO) were related to inflammatory response or oxidative stress.GO enrichment analysis showed that oxidative stress and inflammation were closely related to this biological process.The anti-MIRI pathways of Honey-fried Licorice Decoction were explored by KEGG analysis,and 178 signal pathways were mapped.The top 3 components and their key targets in the active ingredient-disease-core target-pathway network of Honey-fried Licorice Decoction were verified.The results showed that the main active components of Honey-fried Licorice Decoction showed strong binding activity with the key targets to form stable compounds.Conclusion:Glycyrrhizin A,ginsenoside Rh2,6-aldehyde isophiopogon flavonoid B,kaempferol,ononcetin,and ophiopogon saponin C were the main anti-MIRI components of Honey-fried Licorice Decoction.Mitogen-activated protein kinases(MAPKs),TNF,Toll-like receptors,hypoxia-inducing factor-1(HIF-1),and phosphatidylinosito-3 kinase/protein kinase B(PI3K/AKT) were regulated through core targets such as TNF,IL-6,AKT1,VEGFA,NOS3,CAT,CCL2,and mammalian target of rapamycin(mTOR),transforming growth factor-β(TGF-β),nuclear transcription factor-κB(NF-κB),and other signaling pathways to alleviate and improve MIRI,reflecting the advantages of Honey-fried Licorice Decoction′s multi-component,multi-target,multi-pathway action,which would provide data and theoretical support for further zoological experiments and clinical trials.
Keywords myocardial ischemia-reperfusion injury; Honey-fried Licorice Decoction; network pharmacology; molecular docking; mechanism
基金項目 山西省基礎(自由探索類)研究項目(No.202203021221203);山西省重點實驗室項目(No.04010910029);山西中醫藥大學博士科研啟動基金(No.2020BK03)
作者單位 山西中醫藥大學中藥與食品工程學院(山西晉中 030619),E-mail:renhy1119@sxtcm.edu.cn
引用信息 任海云,蔚蓁.基于網絡藥理學與分子對接技術探究炙甘草湯抗心肌缺血再灌注損傷的作用機制[J].中西醫結合心腦血管病雜志,2024,22(3):402-409.
急性心肌梗死是目前致死和致殘率極高的病理變化。國內臨床主要采用經皮冠狀動脈介入或溶栓治療及時恢復冠狀動脈血流[1],再灌注損傷嚴重影響病人預后。如何在恢復冠狀動脈血流的同時減少再灌注損傷已成為心肌梗死治療的重點。中藥在我國資源豐富,具有多成分、多靶點、多通道的作用優勢,從中尋找改善心肌缺血再灌注損傷(MIRI)的理想方案成為近幾年國內外研究焦點。炙甘草湯是治療“脈結代,心動悸”的經典名方。據文獻記載炙甘草湯對缺血再灌等原因所致的心律失常有明顯防治作用[2-6]。然而,炙甘草湯抗MIRI作用機制尚未明確。因此,深入研究炙甘草湯抗MIRI的主要藥效物質及作用機制具有重要意義。基于網絡藥理學和分子對接技術,本研究構建炙甘草湯成分、MIRI、靶點及信號通路的互作網絡,系統探索炙甘草湯改善MIRI的作用機制。
1 資料與方法
1.1 中藥有效成分及其作用靶點的收集與篩選
將炙甘草湯中人參、甘草、大棗、生姜、火麻仁、桂枝這六味藥,基于中醫藥系統藥理學數據庫與分析平臺(TCMSP,https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)[7]檢索有效成分及作用靶點,設置口服生物利用度(OB)≥30%,類藥性(DL)≥0.18。另外,麥冬、地黃、阿膠三味藥則選擇中藥分子機制生物信息學分析工具BATMAN-TCM[8](http://bionet.ncpsb.org.cn/batman-tcm/)獲取其有效化學成分及相應基因靶點,以可靠性>20%及P<0.05為條件篩選。檢測發現這兩種數據庫中查詢所得的基因靶點名稱不一致,因此,通過蛋白質數據庫UniProt(https://www.uniprot.org/)限定Human 物種,檢索并驗證靶點,然后轉化為標準基因名稱。
1.2 疾病靶點的收集與篩選
借助人類基因綜合GeneCards數據庫(https://www.genecards.org/)與人類疾病相關基因和突變信息的綜合平臺(DisGeNET,https://www.disgenet.org/home/)數據庫,輸入“myocardial reperfusion injury”檢索MIRI作用靶點,基于相關評分,整合并去重,選擇與MIRI密切相關的靶點作為研究對象。
1.3 中藥成分與疾病靶點交互網絡的構建
利用在線Venny繪圖軟件(https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)將炙甘草湯活性成分與MIRI作用靶點分別導入其中,獲取炙甘草湯活性成分抗MIRI潛在作用靶點,并繪制韋恩圖。
1.4 炙甘草湯抗MIRI蛋白互作(PPI)網絡構建與分析篩選
通過蛋白質相互作用分析STRING數據庫(https://string-db.org/)[9]創建PPI網絡。將獲取的炙甘草湯活性成分抗MIRI潛在作用靶點導入SRING數據庫,限定Homo sapiens物種,中等置信度,獲得炙甘草湯活性成分抗MIRI靶點的PPI網絡。將PPI網絡導入Cytoscope 3.9.1軟件中,并采用插件Analyze network分析PPI網絡,基于度值(Degree值)大小(Degree值≥中位數)過濾出核心作用靶點。
1.5 核心靶點的生物功能及通路富集分析
將篩選出的炙甘草湯活性成分抗MIRI核心靶點通過Metascape基因功能分析平臺(https://metascape.org/gp/index.html)[10],限定物種H.sapiens,在Custom analysis模式下,設置Min Overlap≥3,P Value Cut off≥0.01,進行基因本體(GO)富集分析與京都基因與基因組百科全書(KEGG)信號通路富集分析,并將其結果進行可視化。
1.6 活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡的構建
將篩選出的炙甘草湯成分抗MIRI核心靶點分別與炙甘草湯活性成分、MIRI及其關鍵通路進行對應,將得到的文件導入Cytoscope 3.9.1軟件中構建活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡。
1.7 分子對接
首先,利用TCMSP數據庫下載篩選出Degree值排名居前3位的中藥核心成分結構式(mol2格式)。其次,通過PDB蛋白質數據庫獲取核心靶點的3D蛋白結構(pdb格式),用Pymol軟件消去其溶劑分子和配體等,并保存其蛋白受體三維結構,再用AutoDock軟件對其加氫及加電子等操作。最后利用AutoDock vina程序對核心靶蛋白與中藥核心成分做分子對接驗證,并通過Pymol可視化。
2 結 果
2.1 炙甘草湯活性成分及預測靶點
在TCMSP數據庫中獲得人參、甘草、大棗、生姜、火麻仁、桂枝的活性成分共161個,對應2 716個靶點。在BATMAN-TCM數據庫中得到麥冬、地黃、阿膠的活性成分共43個,對應930個靶點。詳見圖1。合并結果得到炙甘草湯活性成分共184個、靶點3 691個。去重得到147個活性成分、943個靶點。將得到的預測靶點導入UniProt數據庫中,以Human 為限定物種基因進行驗證,并將其名稱轉化為Gene symbol,最終得到基因靶點865個。詳見表1。
2.2 MIRI靶點的獲取篩選
借助GeneCards數據庫與DisGeNET數據庫對數據進行整理分析得到1 027個與MIRI有關的靶點基因,以與MIRI相關度≥20為篩選條件,整合去重,篩選出144個疾病靶點。取炙甘草湯活性成分作用靶點與MIRI作用靶點繪制韋恩圖,獲取炙甘草湯活性成分抗MIRI潛在作用靶點79個。詳見圖2。
2.3 PPI網絡的構建與分析
將79個炙甘草湯活性成分抗MIRI潛在作用靶點導入STRING數據庫進一步評估其表達特性,以Homo sapiens為限定物種,中等置信度>0.4為條件,獲取到炙甘草湯成分靶點79個節點、2 876條邊的PPI網絡,這79個節點Degree值均大于4。詳見圖3。節點表示基因靶點,節點越大顏色越深,說明其在炙甘草湯抗MIRI方面發揮著越關鍵的調控作用。以Degree值≥中位數為篩選條件獲得40個核心作用靶點。詳見表2。
2.4 炙甘草湯抗MIRI核心靶點富集分析
利用Metascape網站,對炙甘草湯抗MIRI的40個核心靶點進行富集分析,依據P<0.01篩選標準共得到GO富集分析功能條目1 171條,涉及1 099個生物過程(BP),22個細胞組分(CC)、50個分子功能(MF)。主要包括細胞遷移的正向調控、細胞運動的正調控、對氧化應激的反應、細胞組分運動的正向調控、對活性氧物種的反應等;CC主要包括膜筏、膜微結構域、細胞質膜微囊、轉錄調節復合物、質膜筏等;MF主要包括受體配體活性、信號受體激活活性、信號受體調節活性、抗氧化活性等。P值越小,富集程度越高,對炙甘草湯抗MIRI影響越顯著。以P<0.01的篩選標準分別選出BP、CC、MF中影響顯著性居前10位靶點進行可視化分析。詳見圖4。
KEGG信號通路富集分析共映射出178條信號通路,以P<0.01為篩選條件,根據P值大小選取居前20條進行可視化展示。詳見圖5。氣泡越大,顏色越紅,代表P值越小,該信號通路在炙甘草湯抗MIRI機制中發揮越關鍵作用,影響越顯著。主要涉及的信號通路包括脂質和動脈粥樣硬化、流體剪切應力和動脈粥樣硬化、糖尿病并發癥中的糖基化終產物-受體(AGE-RAGE)信號通路、癌癥相關通路、腫瘤壞死因子信號通路、白細胞介素(IL)-17信號通路、查加斯病、卡波西肉瘤相關皰疹病毒感染、缺氧誘導因子-1(HIF-1)信號通路,并與非酒精性脂肪肝、乙型肝炎、百日咳、弓形體病、瘧疾、松弛素信號通路、內分泌的阻力、利什曼病、麻疹、肺結核、沙門氏菌感染等通路有相關性。以上分析結果顯示炙甘草湯活性成分靶點分布于不同路徑,主要通過多通路協同抗MIRI。
2.5 炙甘草湯抗MIRI活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡的構建
運用Cytoscape 3.9.1,將炙甘草湯活性成分抗MIRI中的多成分-多靶點-多通路的作用特點更直觀地展示在活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡圖中。圖中紅色倒三角為影響最顯著的前20條作用通路,紫色菱形為基因靶點,綠色三角形為炙甘草湯活性成分,黃色圓形為疾病即MIRI。詳見圖6。利用軟件插件 Network Analyzer 計算網絡參數,得到的Degree值越大,節點越大,在活性成分-疾病--核心靶點-通路網絡圖中其影響越顯著,Degree值為1的則舍棄。其中絲裂原激活化蛋白激酶8(MAPK8)、原癌基因蛋白/活化蛋白1抗體(JUN)、原癌基因(FOS)、腫瘤壞死因子(TNF)、胱天蛋白酶3抑制劑(CASP3)、白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)、Toll樣受體-4(TLR4)、CXC趨化因子配體8(CXCL-8)、干擾素基因(IFNG)均為抗MIRI的關鍵靶點。炙甘草湯活性成分通過關鍵靶點調控相關信號通路改善MIRI。
2.6 炙甘草湯活性成分與核心作用靶點的分子對接驗證
利用分子對接技術,將活性成分-疾病-核心靶點-通路網絡中連接度排名居前3位的炙甘草湯活性成分甘草查爾酮A、人參皂苷Rh2、6-醛基異麥冬黃酮B分別與其作用的關鍵靶點TNF、MPO、IL6、CC趨化因子受體2(CCL2)進行驗證。據文獻報道,對接結合能≤-20.92 kJ/mol時,中藥成分作為配體與蛋白受體結合具有良好活性;當對接結合能≤-29.29 kJ/mol時,中藥成分作為配體與蛋白受體結合具有較強活性[11-12]。甘草查爾酮A與關鍵靶點結合形成的復合物中,與TNF結合能(-30.17 kJ/mol)最小且小于-29.29 kJ/mol,說明甘草查爾酮A與TNF具有更強的結合活性。甘草查爾酮A通過與蛋白氨基酸LEU-263、ASP-264、ASP-260、LEU-259、GLY-256、TNF形成多個氫鍵,由此也可以證明其較強的結合活性。甘草查爾酮A與MPO也具有較強的結合活性,也能形成較為穩定的復合物。此外,通過比較發現,6-醛基異麥冬黃酮B與CCL2結合能更強,而人參皂苷Rh2則與關鍵靶點IL6結合能更強,均可形成較為穩定的復合物。詳見圖7及表3。
3 討 論
基于網絡藥理學與分子對接技術,探究炙甘草湯抗MIRI作用機制,本研究發現炙甘草湯共有147個活性成分、865個潛在靶點可能與抗MIRI相關,其中人參皂苷Rh2、山柰酚、芒柄花黃素、甘草查爾酮A、麥冬皂苷C、6-醛基異麥冬黃酮B等為炙甘草湯抗MIRI的主要活性成分。人參皂苷Rh2是人參關鍵活性成分,能明顯抑制腫瘤、改善免疫功能以及減輕心肌缺血損傷。現有文獻證明人參皂苷Rh2通過抑制NLRP3、IL-1β、TNF-α炎性相關因子表達,提高超氧化物歧化酶(SOD)活性可以實現對缺血再灌注心肌的保護作用[13]。山柰酚作為人參與甘草的共有成分屬于黃酮類化合物,可以顯著降低心肌細胞過氧化氫所致的乳酸脫氫酶(LDH)釋放,具有很好的抗氧化損傷能力,能明顯減輕缺氧復氧對心肌細胞的損傷[14]。芒柄花黃素是炙甘草的主要成分之一,為黃酮類化合物,通過抑制氧化、炎癥和凋亡,促進自噬,保護心肌細胞,能明顯降低心肌細胞內丙二醛(MDA)、LDH和肌酸激酶(CK)的含量,通過自噬增強改善缺血再灌注誘發的衰老細胞凋亡的問題,最終達到加強保護心肌細胞的目的[15]。甘草查爾酮 A是甘草主要活性成分,屬新型黃酮類物質,能通過抗病毒、抗氧化、抗炎等作用,有效防治心血管疾病。據文獻報道甘草查爾酮A可通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)/ 核因子E2相關因子2(Nrf2)/血紅素加氧酶-1(HO-1)通路,減緩線粒體的氧化應激,有效改善H2O2誘發的心肌細胞損傷[16]。麥冬皂苷C是麥冬的活性成分,屬甾體皂苷,可顯著降低心肌缺氧小鼠垂體后葉激素引起的T波變化及小鼠血清中LDH、CK活性,可有效抑制心肌缺血引起的MDA含量升高,明顯保護心肌細胞缺氧復氧損傷,從而使其壽命得到顯著性延長[17]。6-醛基異麥冬黃酮B屬于高異黃酮類化合物,亦為麥冬活性成分,可以通過多通路對心肌形成保護作用,具有抗炎、抗腫瘤以及抗氧化等多方面的功效[18]。
綜上所述,炙甘草湯中主要活性成分人參皂苷Rh2、山柰酚、芒柄花黃素、甘草查爾酮A、麥冬皂苷C、6-醛基異麥冬黃酮B等能綜合調節核心靶點抑制氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡等,改善MIRI。
經蛋白互作PPI網絡分析,共篩選出40個核心作用靶點,其中TNF、IL6、CCL2、VEGFA、NOS3、CAT、MPO、SOD2、NOS2均與炎癥反應或氧化反應有關[19]。結合分子對接驗證結果,本研究發現甘草查爾酮A與關鍵靶點TNF、MPO均能結合形成穩定性較強的復合物。人參皂苷Rh2與6-醛基異麥冬黃酮B與關鍵靶點IL6、CCL2也能形成較為穩定的復合物。推測炙甘草湯可能通過這些靶點抑制炎癥或氧化應激反應,從而發揮抗MIRI作用。據文獻調研,在MIRI早期,大量活性氧的產生與炎癥介質的釋放很可能會促發體內氧化應激加劇MIRI[20]。TNF、IL6為關鍵炎性因子,可誘導心肌細胞CD11b/CD18表達黏附因子和中性粒細胞損傷心肌[21]。在心肌內SOD和過氧化氫酶(CAT)為關鍵的抗氧化酶,屬于天然的活性氧清除劑,其中SOD可以將氧自由基·O2-轉化成較低活性的H2O2,然后在CAT的催化作用下進一步分解成H2O2與O2,從而使心肌組織與血脂質氧化反應減弱,在一定程度上減輕了再灌注損傷。SOD、CAT在MIRI中還起到了減輕心肌缺血的作用[22]。有研究發現缺乏CCL2可有效降低小鼠MIRI引發的氧化應激,梗死面積明顯回縮[23]。MPO作為溶酶體酶存在于中性粒細胞等細胞中,可誘發炎癥、血管炎和動脈粥樣硬化等疾病,在炎癥部位其可催化H2O2生成活性氧,而活性氧水平超出機體氧化防御范圍時,則會誘發氧化應激導致組織損傷[24]。有研究證明MPO水平的升高明顯增加了心血管發病風險[25]。因此有效的抗炎、抗氧化應激有利于減輕緩解MIRI,并具有很重要的臨床價值。
根據GO和KEGG富集分析結果顯示,炙甘草湯通過膜筏、膜微結構域、細胞質膜微囊、轉錄調節復合物、質膜筏等細胞組成,經過正向調控細胞遷移、細胞運動、細胞組分運動、對氧化應激的反應以及對活性氧物種的反應等生物過程,發揮受體配體活性、信號受體激活活性、信號受體調節活性、抗氧化活性、蛋白質均二聚活性等分子功能,再通過調控 MAPKs 、TNF、Toll樣受體-4、HIF-1、PI3K-AKT、mTOR、TGF-β、NF-κB等信號通路等,減輕改善MIRI。NF-κB在炎癥早期發揮著核心作用[26],MAPKs轉導途徑通過激活 NF-κB,造成NF-κB核轉位轉移到核內調節炎癥介質,促進下游炎性因子表達[27]。
4 小 結
本研究基于網絡藥理學從炙甘草湯的活性成分、抗疾病關鍵作用靶點以及重要調控通路入手,探討炙甘草湯抗MIRI作用機制,并利用分子對接技術驗證炙甘草湯主要活性成分與相應關鍵蛋白的結合情況,揭示了其多成分、多靶點、多通路協同作用優勢。研究還發現減輕炎癥、氧化應激對心肌細胞的損害作用對治療MIRI非常關鍵。這些發現為深入研究炙甘草湯抗MIRI作用機制提供了理論依據。由此篩選出來的核心靶點與調控通路將有待于進一步的體內外實驗驗證,為炙甘草湯的臨床應用提供數據與理論支持。
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(收稿日期:2022-09-16)
(本文編輯 王雅潔)