周燕子,陳 鋒,王敏存,肖美鳳*,賀福元, 3*
基于超分子“印跡模板”的魚腥草注射劑致敏原研究
周燕子1, 2,陳 鋒1, 2,王敏存1, 2,肖美鳳1, 2*,賀福元1, 2, 3*
1. 湖南中醫(yī)藥大學藥學院,湖南 長沙 410208 2. 中藥成藥性與制劑制備湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410208 3. 湖南中醫(yī)藥大學 中醫(yī)藥超分子機理與數(shù)理特征化實驗室,湖南 長沙 410208
基于超分子“印跡模板”和非線性回歸對魚腥草注射劑致敏原進行研究。小鼠尾iv魚腥草注射劑(18.1 mL/kg),于不同時間點采集樣本,進行氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)分析和免疫球蛋白E(Immunoglobulin E,IgE)的含量測定;從所有樣本中篩選出共有成分,并將非共有成分進行歸類,劃分成若干個成分群;對各個成分群進行相似度計算;利用非線性回歸對各個成分群與IgE的相關性進行分析,并計算信息量。共得到魚腥草注射劑體內(nèi)成分605個,其中共有成分10個,分別是2,4-二甲基庚烷、3,7-二甲基癸烷、2,6-二甲基癸烷、2,3-二甲基十氫萘、5-甲基十四烷、4,6-二甲基十二烷、4-甲基十二烷、十六烷、正十七烷、2,4-二叔丁基苯酚;將所有成分歸類得到10個成分群;各個成分群相似度為0.934~1.000;非線性回歸得到各個成分群的效應系數(shù),進一步計算得到成分群3的信息量最大(17.67%)。以超分子“印跡模板”為理論指導,對魚腥草注射劑體內(nèi)成分進行了歸類;利用非線性回歸得到了各個成分群致敏性的排序,成分群3可能是造成致敏的關鍵成分群。
魚腥草注射劑;體內(nèi);超分子;印跡模板;致敏原;非線性回歸;2,6-二甲基癸烷
中藥注射劑已有60多年的發(fā)展和臨床應用歷史,是我國臨床的獨特治療手段,是中醫(yī)藥文化的組成部分,發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。由于對其基礎研究比較薄弱,近年來魚腥草注射劑的不良反應日益凸顯,臨床安全事件時有發(fā)生。魚腥草注射劑所致的不良反應可累及機體多個器官系統(tǒng),臨床表現(xiàn)復雜多樣,嚴重不良反應常見有呼吸困難、急性肺水腫、喉頭水腫、心跳呼吸驟停甚至造成死亡。魚腥草注射劑過敏反應是其主要的不良反應類型,也是致死亡的主要原因[4-6]。
魚腥草為三白草科蕺菜屬植物蕺菜Thunb.的新鮮全草或干燥地上部分,其性味辛、寒,《中國藥典》2020年版載其具有清熱解毒、消腫排膿、利尿通淋的功效,常用于腫癰吐膿、痰熱喘咳、熱痢熱淋、癰腫瘡毒的治療[7-9]。魚腥草的化學成分中含揮發(fā)油0.049%,揮發(fā)油的主要成分為魚腥草素,即癸酰乙醛、癸醛、月桂醛、甲壬酮等61種成分[10-15]。魚腥草注射劑的(類)致敏性,既與單成分的(類)致敏性相關,更與其形成的超分子結構特征相關,其強度決定于超分子結構特征,包括大小、表面積及魚腥草揮發(fā)油成分基團在表面分布情況等。這一現(xiàn)象可用超分子化學的“印跡模板”自主作用機制進行解釋[16]。
超分子化學根源于配位化學,亦被稱為廣義配位化學,是近30年來迅速發(fā)展起來的一門交叉學科,與材料科學、信息科學、生命科學等學科緊密相關,是當代最前沿的化學研究領域之一[17-20]?;诔肿踊瘜W,人體與中藥可以看成是1個由單分子、超分子、聚合超分子及巨復超分子構成的復雜體系[21]。其中免疫應答是人體重要的超分子“印跡模板”識別、拷貝、貯存與復制的過程,當中藥注射劑進入人體后,具有“印跡模板”特征的致敏原經(jīng)過免疫識別,拷貝產(chǎn)生具有相同“印跡模板”特征的抗體并儲存起來。當具有相似或者相同“印跡模板”特征的致敏原再次進入人體之后,被儲存的抗體識別,從而產(chǎn)生免疫應答反應,亦為致敏反應。
在超分子化學理論的指導下,通過對魚腥草注射劑的結構及其致敏性進行研究,有可能為解決這一問題提供新的研究思路。多成分的中藥注射劑可能通過非固有的分子間化學鍵自主結合形成超分子結構,在“口服”給藥時,這種形式被腸胃道消化吸收的屏障所拆散與破壞,只能拆散吸收進入血液而難生成超分子結構,其表觀分子量小,決定簇少,致敏反應小,不易引起致敏反應,對機體安全;如果以注射給藥途徑給藥,這種超分子結構得以保留,可直接進入血液,表觀分子量大,決定簇多,表觀致敏反應強,易引起致敏反應,對機體表現(xiàn)出較強的免疫毒性[22-25]。
在此之前,本課題組已經(jīng)獲得了魚腥草揮發(fā)油體外成分的“印跡模板”,即通過對色譜峰進行劃分歸屬,最終確定發(fā)揮作用的關鍵成分群(印跡模板)[26]。由此,本研究嘗試將該法進一步推廣至體內(nèi)成分的研究,通過對不同時間點體內(nèi)成分進行氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)檢測,劃分成若干個成分群(印跡模板),再與免疫球蛋白E(Immunoglobulin E,IgE)含量進行非線性回歸,最終得到各個成分群的貢獻排序,即過敏原的排序。
魚腥草注射劑(批號0806413)購自湖南正清集團公司;小鼠血清IgE ELISA試劑盒購自上海源葉生物科技有限公司;水為超純水,其他試劑均為分析純。
SPF級昆明種小鼠84只,雌雄各半,5~6周齡,體質(zhì)量18~22 g,購自湖南斯萊克景達實驗動物有限公司,動物許可證號SCXK(湘)2016-0002。動物飼養(yǎng)于湖南中醫(yī)藥大學實驗動物中心,室內(nèi)溫度20 ℃,相對濕度55%。動物實驗經(jīng)湖南中醫(yī)藥大學倫理委員會批準(批準號LLBH-201607230003)。
ELEX-800型酶標儀(美國Bio Tek公司);QP2010型氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS,日本島津公司);CP-114型電子天平(奧豪斯儀器上海有限公司);TGL20型低溫離心機(長沙英泰儀器有限公司)。
總量統(tǒng)計矩法是將統(tǒng)計矩原理應用于表征指紋圖譜特征,一張完整的指紋圖譜可看成由個特征峰響應值曲線的迭加而成,按其統(tǒng)計原理可獲得中藥指紋圖譜的總量零階矩(AUCT)、總量一階矩(MCRT)及總量二階矩(VCRT)等一系列總量統(tǒng)計矩參數(shù)[26],由總量統(tǒng)計矩參數(shù)可計算得總量統(tǒng)計矩相似度[27]。
中藥及其復方指紋圖譜上有若干個峰,每1個峰就與相應成分對應,其峰的強度由這個成分的構成比與在一定色譜條件下的響應系數(shù)決定(靈敏度),還與色譜柱的分離度相關,因此1個成峰的出現(xiàn)與不出現(xiàn)的自由權是在這一色譜條件的綜合反映,因此將各成分看成1個信息,則可用信息熵,通過計算和比較信息熵夠反映指紋圖譜所攜帶成分的信息總量的變化,見公式(1)。此外,將信息熵乘以峰面積可獲得信息量參數(shù),可表征色譜學上的作用強度[28]。
(1)
H為信息熵,W為第個峰的峰面積百分比(出現(xiàn)的概率)
取昆明種小鼠,隨機分為14組,其中1組為正常組(生理鹽水組),其余13組為魚腥草注射劑組,每組6只。按魚腥草注射劑的正常用量(約LD50~LD70)確定給藥劑量為18.1 mL/kg(1 mL藥液相當于生藥材2 g),魚腥草注射劑組尾iv藥物,正常組尾iv 0.9%氯化鈉溶液;給藥后的13組魚腥草注射劑組分別于0.15、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、2.00、4.00、8.00、10.00、12.00、24.00 h摘眼球取血,正常組于給藥后0.15 h摘眼球取血。
將待測血漿1.0 mL置于尖底塑料刻度離心管中(含肝素抗凝),加入正己烷1.0 mL(含內(nèi)標正十五烷0.027 56 mg/mL),渦旋混合2 min,2000 r/min離心5 min,?20 ℃冷凍保存12 h,取出再以2000 r/min離心5 min。取上清液置?20 ℃冰箱待測。
2.4.1 色譜條件 Rtx-5ms石英毛細管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm),升溫程序:初溫為60 ℃,以2 ℃/min升至140 ℃,保持5 min;再以10 ℃/min升至200 ℃,保持9 min;分流比為15∶1,載氣為高純He(99.999%);載氣體積流量為1.0 mL/min;氣化室溫度為250 ℃。
2.4.2 質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源;離子源溫度為230 ℃;四級桿溫度為150 ℃;電子能量為70 eV;接口溫度為280 ℃;溶劑延遲2.5 min;掃描范圍40~500;進樣量為2 μL。
將小鼠血清分離,按照ELISA試劑盒說明書測定血清IgE含量。
各個時間點的魚腥草注射劑的體內(nèi)成分指紋圖譜見圖1。紅色箭頭表示共有峰,即共有成分,按照保留時間(R)從小到大分別為共有成分1~10。由于45 min之后的峰在空白血漿樣品中均有出現(xiàn),因此只對45 min之前的峰進行分析。圖中還存在其他的共有峰,通過解譜發(fā)現(xiàn)是重復的成分。因此,最后得到的只有圖中標注出來的10個共有成分峰。
根據(jù)GC-MS的結果,扣除正常組的峰和空白溶劑峰,共得到魚腥草注射劑體內(nèi)代謝產(chǎn)物605個。其中有10個成分在每一時間點中均出現(xiàn),分別為2,4-二甲基庚烷、3,7-二甲基癸烷、2,6-二甲基癸烷、2,3-二甲基十氫萘、5-甲基十四烷、4,6-二甲基十二烷、4-甲基十二烷、十六烷、正十七烷、2,4-二叔丁基苯酚(表1和圖2),按照本課題組前期方法將其余非共有成分歸類劃分至10個共有成分中[29]。由此,將所有成分劃分得到10個成分群(表2),S1~S13為13個時間點所取的血液樣本。通過觀察發(fā)現(xiàn),成分群1~9主要為脂肪烴,成分群10主要為苯酚,這恰好與10個共有成分相對應。表明該10個成分群在整個魚腥草注射劑體內(nèi)成分中極具代表性,濃集并歸納了所有體內(nèi)成分的特征。
上述得到的10個成分群組成魚腥草注射劑體內(nèi)成分的“印跡模板”,將各個成分群的R和平均分子連接性指數(shù)(molecular connectivity index,MCI)列于表3。利用夾角余弦法對10個成分群的MCI進行相似度比較,如表4所示,可以發(fā)現(xiàn)各個成分群與總成分群之間的相似度較高(0.980~0.999),表明各個成分群可以較好的代表總成分群的“印跡模板”。各個成分群之間的相似度為0.934~1.000,其中成分群3和成分群6的相似度最低(0.934),成分群4和成分群8的相似度最高(1.000),表明各個成分群之間的“印跡模板”既是相互聯(lián)系,又是相互獨立的,它們共同組成了魚腥草注射劑體內(nèi)成分的“印跡模板”。
紅色箭頭表示共有峰
表1 10個共有成分的相關信息
Table 1 Information about 10 common components
編號名稱tR/min化學式相對分子質(zhì)量 12,4-二甲基庚烷3.766C9H20128.26 23,7-二甲基癸烷11.327C12H26170.33 32,6-二甲基癸烷18.628C12H22166.30 42,3-二甲基十氫萘19.339C12H22166.30 55-甲基十四烷23.459C15H32212.41 64,6-二甲基十二烷23.949C14H30198.39 74-甲基十二烷24.494C13H28184.36 8十六烷29.589C16H34226.44 9正十七烷37.118C17H36240.47 102,4-二叔丁基苯酚39.477C14H22206.32
圖2 10個共有成分結構式
表2 魚腥草注射劑體內(nèi)成分群的總峰面積
Table 2 Total peak area of components in Houttuynia cordata Injection
樣本峰面積 成分群1成分群2成分群3成分群4成分群5 S1453 8211 298 4911 299 1811 467 337466 655 S2382 911718 4891 065 4521 084 846531 502 S3457 1511 209 1111 814 520886 252397 301 S4891 9711 854 4251 244 883992 323650 887 S5645 4031 796 9823 704 5841 023 123513 938 S61 551 0072 205 9922 004 130823 614464 688 S7499 263832 103892 1601 181 941623 283 S8647 2002 054 9161 315 824879 838451 211 S9783 5613 714 9681 457 728860 892828 525 S101 594 5873 390 1511 134 3701 033 277500 630 S11549 6502 132 023792 4483 651 547524 808 S12862 6223 041 6291 353 8941 528 5471 102 108 S131 182 9153 599 0221 216 5791 065 705424 968 樣本峰面積 成分群6成分群7成分群8成分群9成分群10 S1111 121342 6291 756 1632 316 8702 507 916 S2136 711280 100845 202719 98110 546 937 S3115 286595 435898 3851 573 4072 824 070 S453 13179 6402 119 8861 543 8633 614 346 S5114 745352 4022 093 0821 968 3723 474 738 S6150 327757 6523 451 4522 340 5442 583 299 S7106 836261 976596 530 1 221 1491 714 920 S8133 20886 9022 576 6111 671 5162 195 182 S999 69668 1653 140 42818 523 6273 530 309 S1069 850790 2172 537 0562 636 1333 950 801 S1188 391364 1303 488 1681 770 7794 419 316 S12203 461295 6963 125 86414 744 8176 074 264 S1381 51497 0473 434 0521 448 6134 227 393
表3 成分群的成分個數(shù)、tR及平均MCI
Table 3 Number of components, tR and average MCI of component groups
成分群成分個數(shù)tR/minMCI 零階一階二階 1353.074~7.5507.4844.3793.640 2727.558~14.6594.8453.8572.382 36315.400~18.9509.6095.7714.795 44619.069~21.38310.0586.2394.686 55221.411~23.66411.1356.9425.440 6323.683~23.94912.8648.0925.564 72424.494~27.06110.9096.6575.070 89827.171~33.35011.5387.0585.522 914433.408~38.39511.6407.4155.645 106838.428~44.65711.9857.5625.650
表4 魚腥草注射劑體內(nèi)成分群MCI相似度
Table 4 MCI similarity of component group in Houttuynia cordata Injection
成分群MCI相似度 12345678910 11.0000.9980.9700.9900.9940.9820.9850.9920.9920.996 20.9981.0000.9640.9880.9920.9870.9830.9900.9900.998 30.9700.9641.0000.9910.9860.9340.9930.9910.9860.963 40.9900.9880.9911.0000.9990.9700.9961.0000.9990.989 50.9940.9920.9860.9991.0000.9760.9930.9980.9990.993 60.9820.9870.9340.9700.9761.0000.9630.9700.9730.991 70.9850.9830.9930.9960.9930.9631.0000.9970.9930.983 80.9920.9900.9911.0000.9980.9700.9971.0000.9990.990 90.9920.9900.9860.9990.9990.9730.9930.9991.0000.992 100.9960.9980.9630.9890.9930.9910.9830.9900.9921.000 總成分群0.9960.9950.9840.9980.9990.9800.9950.9990.9980.995
0.15、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、2.00、4.00、8.00、10.00、12.00、24.00 h時間點的IgE含量分別為166.1、308.3、300.9、327.5、403.1、185.8、264.0、215.6、290.8、106.0、310.2、301.0、335.7 μg/mL,可以發(fā)現(xiàn)不同時間點的IgE含量存在波動性,在24 h之內(nèi)的各個時間點與IgE含量沒有相關性,最高可以達到403.1 μg/mL,最低為106.0 μg/mL。運用IBM SPSS Statistics 25軟件,對體內(nèi)成分和IgE進行非線性回歸,對不同時點的體內(nèi)成分峰面積和IgE含量做相關性分析,得到每個體內(nèi)成分的效應系數(shù)(表5),得到2接近于1,表明相關性較好。通過運算得到信息熵,所謂信息熵,其實是信息出現(xiàn)的概率,代表信息的價值,它與熱力熵是密切相關的。在這里,它可以代表成分群對于IgE的價值,即成分群的致敏性。進一步計算出每個成分群的信息量(表5),最后對得到的信息量進行排序,也就是體內(nèi)成分的貢獻排序,從大到小依次為成分群3、2、10、4、9、7、6、8、5、1,該結果表示計算得到的魚腥草注射劑過敏原作用強弱的排序,還需通過實驗進行進一步驗證。
表5 各個成分群的效應系數(shù)和信息量
Table 5 Effect coefficient and amount of information of each component group
成分群效應系數(shù)信息量/%相關系數(shù)R2 11.11×10?60.040.999 2?1.70×10?717.39 3?2.50×10?717.67 43.80×10?715.59 5?1.53×10?63.69 67.19×10?66.83 7?1.82×10?68.05 8?4.30×10?75.53 98.00×10?88.50 10?1.00×10?716.71
本課題組前期已經(jīng)對魚腥草體外代謝成分進行了研究,得到了一套可用于尋找中藥代謝產(chǎn)物“印跡模板”的方法,本研究將該方法進一步用于魚腥草體內(nèi)成分,并在此基礎上,對所得到的“印跡模板”進行貢獻排序,有望對魚腥草注射劑過敏原的致敏性研究提供思路。
基于超分子“印跡模板”理論,從13批魚腥草注射劑體內(nèi)成分中得到10個共有成分,分別為2,4-二甲基庚烷、3,7-二甲基癸烷、2,6-二甲基癸烷、2,3-二甲基十氫萘、5-甲基十四烷、4,6-二甲基十二烷、4-甲基十二烷、十六烷、正十七烷、2,4-二叔丁基苯酚,這些成分在所有體內(nèi)成分中極具代表性,可能是魚腥草注射劑過敏原的關鍵成分。再將其余的非共有成分按照前期的方法進行劃分歸類,得到10個成分群(印跡模板),每個成分群都有其特定的結構特點,由1個共有成分和若干個非共有成分組成,其中以共有成分作為代表成分。根據(jù)相似度計算結果可以得到,這些成分群之間相互聯(lián)系相互獨立,共同組成整體體內(nèi)成分“印跡模板”。
運用統(tǒng)計軟件,將10個成分群與IgE含量進行非線性回歸,可以得到每個成分群的效應系數(shù),將效應系數(shù)與相應成分群的峰面積相乘并進一步計算得到對應的信息熵,計算出每個成分群的信息熵在10個信息熵總和中的占比,即得到信息量,最后對每個成分群的信息量進行排序,也就是每個成分群所代表的過敏原的致敏性排序,從大到小依次為成分群3、2、10、4、9、7、6、8、5、1??梢缘玫?,成分群3的致敏性最強,其代表成分為2,6-二甲基癸烷,成分群1的致敏性最弱,其代表成分為2,4-二甲基庚烷。其中可以發(fā)現(xiàn),排序靠前的成分群,其結構中大多存在脂肪環(huán)和芳香環(huán)結構,可以推測其為造成致敏性的關鍵結構。排序靠后的多為簡單的直鏈烴結構,且成分群1的代表成分結構最為簡單。
由于中藥注射劑中往往含有多糖、黃酮、皂苷、植物油、揮發(fā)油等天然超分子客體,可以通過氫鍵、范德華力和離子鍵相互作用等形成超分子。同時,這些成分也是天然免疫佐劑,因此,當注射劑中存在“印跡模板”的“己-己”與“己-類”的直接與間接識別(攻擊)而產(chǎn)生(類)致敏反應就不難理解了。由于這種免疫反應與超分子結構特征有關,而超分子結構特征又受制劑工藝、給藥途徑的影響,其作用還要受到人體潛在“類己”的“印跡模板”拷貝狀態(tài)影響,具有隱蔽性和隨機性,且難發(fā)現(xiàn)和研究,這正是制約多成分注射劑,特別是中藥注射劑安全性研究的困難之所在,也是臨床注射劑安全使用防范的重點。
綜上,本研究嘗試將先前發(fā)現(xiàn)的“印跡模板”確定方法由體外推廣到體內(nèi),并進一步延伸用于過敏原的研究。然而最終的過敏原的過敏性排序為計算得到,需要通過實驗進行進一步驗證。
利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突
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Study on allergen ofInjection based on supramolecular “imprinted template”
ZHOU Yan-zi1, 2, CHEN Feng1, 2, WANG Min-cun1, 2, XIAO Mei-feng1, 2, HE Fu-yuan1, 2, 3
1. College of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Drugability and Preparation Modification of TCM, Changsha 410208, China 3. Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese Materia Medica, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China
To study the sensitizer ofInjection (魚腥草注射劑) based on supramolecular imprinting template and nonlinear regression.Houttuynia cordata Injection (18.1 mL/kg) was administered to mice by tail vein injection. Samples were collected at different time points to analyze by GC-MS and determine the content of IgE. The common components were screened out from all samples, and non-common components were classified and divided into several component groups. The similarity of each component group was calculated. The correlation between each component group and IgE was analyzed by nonlinear regression, and information amount was calculated.A total of 605 components inInjection were obtained, of which 10 components were in total. They were 2,4-dimethylheptane, 3,7-dimethyldecane, 2,6-dimethyldecalin, 2,3-dimethyldecahydronaphthalene, 5-methyltetradecane, 4,6-dimethyldodecane, 4-methyldodecane, hexadecane, heptadecane, 2,4-bis (1,1-dimethylethyl) phenol; All the components were classified into 10 component groups. The similarity of each component group ranged from 0.934 to 1.000. The effect coefficients of each component group were obtained by nonlinear regression, and the information of component group 3 was the largest (17.67%) by further calculation.Based on theoretical guidance of supramolecular “imprinting template”, the components inInjection were classified. The order of sensitization of each component group was obtained by nonlinear regression, and component group 3 may be the key component group causing sensitization.
Injection;; supramolecular; imprinted template; allergen; nonlinear regression; 2,6-dimethyldecalin
R285.5
A
0253 - 2670(2022)01 - 0154 - 08
10.7501/j.issn.0253-2670.2022.01.019
2021-08-04
國家自然科學基金資助項目(81573691);國家自然科學基金資助項目(81874507);國家自然科學基金青年項目(81803729);湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(20B438);湖南省自然科學基金青年項目(2019JJ50430);湖南省自然科學基金面上項目(2021JJ30509)
周燕子,女,碩士研究生,研究方向為中藥復方的生物有效性及其新制劑、新技術與新工藝的研究。Tel: 18229860114 E-mail: 391963304@qq.com
肖美鳳,博士,副教授,從事中藥以及復方物質(zhì)基礎,中藥超分子與定量網(wǎng)絡藥理學研究。Tel: (0731)88458232 E-mail: xiaomf. 002@163.com
賀福元,教授,博士生導師,主要從事中藥藥理學、中藥藥劑學、中醫(yī)藥超分子與數(shù)理特征化的研究。Tel: (0731)85381372 E-mail: pharmsharking@tom.com
[責任編輯 李亞楠]