滋腎降糖丸治療糖尿病骨質(zhì)疏松的作用機(jī)制探索

連李榮 楚淑芳 梁家暢 李惠林 趙恒俠* 董彥敏

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510000 2.深圳市中醫(yī)院，廣東 深圳 518000 3.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510000

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一組以長(zhǎng)期高血糖為主要特征的代謝綜合征，到2035年全球DM患病人數(shù)預(yù)計(jì)增加到5.92億，我國(guó)更是DM發(fā)病大國(guó)，患病率約為10.4 %[1]，其中約33 %[2]的DM患者因骨代謝異常并發(fā)糖尿病骨質(zhì)疏松(diabetic osteoporosis，DOP)，DOP往往伴有疼痛及運(yùn)動(dòng)功能障礙，骨折風(fēng)險(xiǎn)增加[3]，是導(dǎo)致DM患者殘疾的重要原因之一。

滋腎降糖丸(Zishen Jiangtang Pill，ZJP)(專利號(hào)：ZL201610308238X)是深圳市中醫(yī)院自行研發(fā)的中藥復(fù)方制劑(批準(zhǔn)文號(hào)：粵z20070085)，由黃芪、牛膝、淫羊藿、龜板、鱉甲、龍骨、牡蠣、熟地黃、生地黃、黨參、骨碎補(bǔ)、五味子、三七、黃精所組成，具有益氣養(yǎng)陰、滋腎壯骨的作用，臨床研究表明ZJP具有降糖[4]、提高胰島素敏感性[5]、改善骨代謝[6]等作用，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究也已證明其可通過(guò)Wnt/β-catenin通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化[7]，恢復(fù) miR-26a-5p表達(dá)[8]，影響骨代謝防治DOP。現(xiàn)為進(jìn)一步深入探索ZJP治療DOP的作用機(jī)制，遂利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)及分子對(duì)接的方法為其提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 ZJP主要成分及靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

以ZJP的藥名為關(guān)鍵詞，在TCMSP數(shù)據(jù)庫(kù)中按照OB≥30 %、DL≥0.18獲取主要成分及作用靶點(diǎn)，再?gòu)腂ATMAN-TCM數(shù)據(jù)庫(kù)中按Score≥30、P≥0.05查找主要成分及作用靶點(diǎn)，去重后利用UniProt數(shù)據(jù)庫(kù)將靶點(diǎn)蛋白進(jìn)行校正得到ZJP的作用靶點(diǎn)。

1.2 DOP疾病靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

在數(shù)據(jù)庫(kù)GeneCards和OMIM中，以關(guān)鍵詞“Diabetic osteoporosis”檢索其相關(guān)靶點(diǎn)，去重合并得到疾病的相關(guān)靶點(diǎn)。

1.3 ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

將ZJP的作用靶點(diǎn)與DOP疾病靶點(diǎn)通過(guò)Venny系統(tǒng)取交集預(yù)測(cè)ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)。

1.4 活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

將ZJP主要活性成分及ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)關(guān)系文件，導(dǎo)入Cytoscape(3.7.2)軟件，獲得活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖，并將網(wǎng)絡(luò)關(guān)系文件中活性成分按度值大于30為篩選條件獲取關(guān)鍵活性成分。

1.5 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

將ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)ID，導(dǎo)入String在線平臺(tái)，獲取文件并導(dǎo)入Cytoscape(3.7.2)軟件，獲得蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，并將排名前20的關(guān)鍵基因繪制條形圖，利用插件CytoNCA計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的打分，將分值較高的節(jié)點(diǎn)再次構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，得到網(wǎng)絡(luò)核心靶點(diǎn)。

1.6 GO功能及KEGG通路富集分析

將ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)導(dǎo)入DAVID數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置P<0.01，得到GO功能和KEGG通路富集分析結(jié)果。

1.7 ZJP關(guān)鍵藥物活性成分-核心靶點(diǎn)分子對(duì)接

將PPI網(wǎng)絡(luò)核心靶點(diǎn)與ZJP中關(guān)鍵活性成分進(jìn)行匹配，從PubChem數(shù)據(jù)庫(kù)下載ZJP小分子配體2 D結(jié)構(gòu)，利用ChemOffice軟件將其轉(zhuǎn)化為3 D結(jié)構(gòu)，通過(guò)Uniprot數(shù)據(jù)庫(kù)搜索核心靶點(diǎn)蛋白ID，并根據(jù)ID號(hào)從PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索其3 D結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Pymol軟件去除蛋白結(jié)構(gòu)的水分子及小分子配體，并在AutoDockTools中進(jìn)行加氫、尋找活性口袋等預(yù)處理，最后運(yùn)用VINA軟件進(jìn)行二者分子對(duì)接，并分析其結(jié)合活性。

2 結(jié)果

2.1 ZIP-DOP靶點(diǎn)預(yù)測(cè)

經(jīng)Venny對(duì)ZJP的330個(gè)作用靶點(diǎn)與DOP的2 708個(gè)疾病靶點(diǎn)取交集后，得到ZJP作用于DOP的靶點(diǎn)151個(gè)，并繪制韋恩圖，見(jiàn)圖1。

圖1 ZJP與DOP共同靶點(diǎn)基因韋恩圖Fig.1 Venn diagram after the intersection of ZJP and DOP

2.2 活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分析

利用Cytoscape(3.7.2)構(gòu)建活性成分-靶點(diǎn)視化圖形(圖2)，其中ZJP主要活性成分236個(gè)，并以度值大于30為條件篩選出槲皮素、山奈酚、木犀草素、β-谷甾醇、豆甾醇5個(gè)藥物關(guān)鍵活性成分，詳見(jiàn)表2。

注：A：(3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R)-10,13-dimethyl-17-[(2R,5S)-5-propan-2-yloctan-2-yl]-2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1H-cyclopenta[a]phenanthren-3-ol； B：(8S,9S,10R,13R,14S,17R)-17-[(E,2R,5S)-5-ethyl-6-methylhept-3-en-2-yl]-10,13-dimethyl-1,2,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydrocyclopenta[a]phenanthren-3-one； C：(9aS)-2,5,9,9-tetramethyl-3,4,6,7,8,9a-hexahydrobenzo[7]annulene； D：(Z)-2-methyl-5-[(1S,2R,4R)-2-methyl-3-methylene-2-norbornanyl]pent-2-en-1-ol； E：6-hydroxy-11,12-dimethoxy-2,2-dimethyl-1,8-dioxo-2,3,4,8-tetrahydro-1H-isochromeno[3,4-h]isoquinolin-2-ium。圖2 DOP-ZJP-主要活性成分-靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 DOP-ZJP-main active ingredient-target network diagram

表2 度值大于30的5個(gè)關(guān)鍵活性成分

2.3 PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及核心靶點(diǎn)收集

利用Cytoscape(3.7.2) 得到PPI蛋白互作網(wǎng)絡(luò)(圖3)，并將前20名靶點(diǎn)繪制條形圖(圖4)，再通過(guò)CytoNCA篩選得出IL-6、TNF、JUN、VEGFA、EGFR等16個(gè)核心作用靶點(diǎn)(圖5)。

圖3 靶點(diǎn)蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Target protein interaction network diagram

圖4 靶點(diǎn)條形圖Fig.4 Target bar chart

圖5 核心靶點(diǎn)圖Fig.5 Core targets

2.4 GO功能及KEGG信號(hào)通路分析

在GO功能富集分析中得到條目66條(P<0.01)，選擇排名前20繪制條形圖(圖6)，主要涉及核受體活性、配體激活轉(zhuǎn)錄因子活性、DNA相關(guān)轉(zhuǎn)錄激活器活性、RNA特異性聚合酶Ⅱ、類固醇受體活性等。KEGG富集得到信號(hào)通路104條，選擇排名前20條繪制氣泡圖(圖7)，主要涉及流體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化信號(hào)通路、腫瘤壞死因子信號(hào)通路、糖尿病并發(fā)癥AGE-RAGE信號(hào)通路、細(xì)胞凋亡信號(hào)通路等。

圖6 GO功能富集分析條形圖Fig.6 Barchart of GO enrichment analysis

圖7 KEGG信號(hào)通路富集分析氣泡圖Fig.7 Bubblechart of KEGG enrichment analysis of signal pathway

2.5 分子對(duì)接

選取ZJP中的關(guān)鍵活性成分與排名前6的核心基因進(jìn)行匹配及分子對(duì)接(見(jiàn)圖8)，結(jié)合能均≤-6.0 kcal/mol，口袋匹配度較好，構(gòu)象穩(wěn)定，結(jié)合活性較高展現(xiàn)出良好的結(jié)合力。其中IL-6與quercetin a環(huán)與Val93形成疏水作用；b環(huán)與Val93形成π-sigma作用，與Thr120形成氫鍵作用；c環(huán)與Thr120形成酰胺-π堆積效應(yīng)，與Pro95、Val93、Pro121形成疏水作用，與Thr125形成氫鍵作用，詳見(jiàn)圖9。

圖8 分子對(duì)接結(jié)合能量表Fig.8 Molecular docking binding energy scale

3 討論

DOP在中醫(yī)學(xué)中并無(wú)專屬的病名，多屬“消渴”合并“骨痿”、“骨痹”等范疇，《丹溪心法》[9]曰：“消渴腎虛受之，腿膝枯細(xì)，骨節(jié)痠疼”，消渴可引起骨痿的發(fā)生，發(fā)病與腎虛密切相關(guān)。ZJP整體亦以補(bǔ)腎為法，方中熟地黃精填骨髓，補(bǔ)益真陰；五味子補(bǔ)虛強(qiáng)陰，加之龜板、鱉甲血肉有形之品相配伍，四者共奏滋陰養(yǎng)血，益腎健骨之功。牛膝除寒濕痿痹，淫羊藿堅(jiān)筋骨補(bǔ)腰膝，骨碎補(bǔ)入腎理骨病，牡蠣強(qiáng)骨節(jié)，《雷公炮炙藥性解》[10]又云“腎主骨，宜龍骨獨(dú)入之”，遂諸藥合之以補(bǔ)肝腎，強(qiáng)筋骨。再取黃芪、黨參、黃精補(bǔ)氣健脾頤養(yǎng)后天之本，脾腎共濟(jì)，共達(dá)益氣養(yǎng)陰、滋腎壯骨之功，以防治DOP。

ZJP-DOP的核心靶點(diǎn)中IL-6與TNF均為炎性細(xì)胞因子，二者可刺激骨髓來(lái)源的破骨細(xì)胞促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化[11]，IL-6可促進(jìn)RANKL的表達(dá)[12]，通過(guò)RANKL/RANK信號(hào)通路誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化成熟，增加骨吸收；TNF-α可通過(guò)PI3k/Akt[13]信號(hào)通路上調(diào)骨髓造血干細(xì)胞(BMHSCs)的P2X7受體，促進(jìn)BMHSCs分化為大量破骨細(xì)胞導(dǎo)致OP。由此推測(cè)ZJP治療DOP的途徑可能為降低IL-6、TNF表達(dá)，減少RANKL/RANK及PI3k/Akt信號(hào)通路的激活，從而抑制破骨細(xì)胞的分化，抑制骨吸收改善DOP。VEGF是一種與肝素結(jié)合的同型二聚體蛋白，VEGF[14]的表達(dá)可促進(jìn)骨內(nèi)血管的形成，能夠明顯促進(jìn)BMSCs的增殖并向成骨細(xì)胞分化[15]，也可降低破骨細(xì)胞溶骨活性[16]來(lái)促進(jìn)骨形成及增加骨密度。mTOR是細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的重要調(diào)節(jié)因子，其中mTORC1[17]激活可阻止RANKL誘導(dǎo)的骨吸收和骨質(zhì)流失，mTORC2[18]可增加成骨細(xì)胞中Sp7、Ibsp和Bglap的表達(dá)促進(jìn)成骨分化，且Zhao等[19]發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵活性成分中的山奈酚可通過(guò)mTOR途徑促進(jìn)成骨細(xì)胞生成。推測(cè)ZJP可增加VEGF及mTOR表達(dá)，既可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化促進(jìn)骨形成，又可抑制RANKL誘導(dǎo)的骨破壞，從而起到防治DOP的作用。雌激素與ESR1結(jié)合后激活雌激素信號(hào)，進(jìn)而激活Wnt/β-Catenin信號(hào)通路提升成骨細(xì)胞活性，其中β-catenin蛋白可抑制PPARγ mRNA的表達(dá)[20]，從而使BMSCs向成骨細(xì)胞分化能力增強(qiáng)，這與課題組前期發(fā)現(xiàn)ZJP可通過(guò)Wnt/β-catenin通路促進(jìn)骨形成，并下調(diào)PPARγ表達(dá)[21]抑制BMSCs成脂分化治療DOP的結(jié)論相符。

圖9 IL6與quercetin分子對(duì)接圖Fig.9 Molecular docking diagram of IL6 and quercetin

晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)與其受體(RAGE)結(jié)合生成原型輔酶Ⅱ，增強(qiáng)氧化應(yīng)激反應(yīng)，激活TNF信號(hào)通路中NF-κB信號(hào)通路[22]，打破骨髓中骨骼與脂肪的動(dòng)態(tài)平衡，促進(jìn)破骨細(xì)胞形成與分化，致使成骨細(xì)胞形成炎癥性損傷[23]而致DOP，表明ZJP可能通過(guò)抑制AGES合成，減少AGE-RAGE及TNF信號(hào)通路的激活，抑制破骨細(xì)胞形成從而改善DOP。流體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化信號(hào)通路中流體剪切應(yīng)力(FSS)可引起的鈣瞬變特性從而影響成骨細(xì)胞增殖[24]也可促進(jìn)NFκB向核的轉(zhuǎn)運(yùn)，降低PPARγ的mRNA表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞的凋亡活性，刺激破骨細(xì)胞內(nèi)的凋亡活性[25]以改善DOP，表明ZJP亦可激活此信號(hào)通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞生成以防治DOP。分子對(duì)接結(jié)果提示ZJP中的關(guān)鍵活性成分與核心靶點(diǎn)均能穩(wěn)定的結(jié)合，表明ZJP可通過(guò)其關(guān)鍵活性成分與核心靶點(diǎn)發(fā)生相互作用而達(dá)到治療DPO的目的。

本研究通過(guò)網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)及分子對(duì)接的研究方法，探討了ZJP的有效成分和作用靶點(diǎn)與DOP疾病靶點(diǎn)的作用關(guān)系，揭示了ZJP可能作用于TNF-α、IL-6、VEGF、mTOR、ESR1、PPARG等靶點(diǎn)，通過(guò)糖尿病并發(fā)癥AGE-RAGE信號(hào)通路、TNF信號(hào)通路、流體剪切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化信號(hào)通路、Wnt/β-catenin、RANKL/RANK等信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化與破骨細(xì)胞的凋亡，抑制破骨細(xì)胞的生成從而治療DOP的分子作用機(jī)制，為進(jìn)一步深入探索ZJP治療DOP的作用機(jī)制提供理論依據(jù)。