張玉苗,劉 洋,劉艷平,李引剛,潘亞磊
[1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712046;2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨創(chuàng)傷一科,陜西 咸陽(yáng) 712000;3.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西中藥資源產(chǎn)業(yè)化省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 秦藥特色資源研究開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育),陜西 咸陽(yáng) 712046]
骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是以低骨量和骨組織的微結(jié)構(gòu)退化,導(dǎo)致骨脆性增強(qiáng)、骨折風(fēng)險(xiǎn)增加為臨床特征的代謝性骨病。中醫(yī)將OP歸之于“骨痿”、“骨枯”等范疇,認(rèn)為其發(fā)生、發(fā)展與“腎虛精虧”密切相關(guān),以“補(bǔ)益肝腎”為主要治法。杜仲、續(xù)斷始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》,具有堅(jiān)筋骨、續(xù)筋骨的功效。《中國(guó)藥典》記載杜仲、續(xù)斷的功能與主治均為“補(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨”。在歷代醫(yī)家的驗(yàn)方中,杜仲+續(xù)斷藥對(duì)配伍十分常見,如《千金要方》中的丹參丸,《本事方》中的思仙續(xù)斷丸,《扶壽精方》中的續(xù)斷丸等[1]。臨床上杜仲和續(xù)斷常相須為用治療OP,用藥頻率在常用方劑中分別位列第6和7位[2]。
杜仲、續(xù)斷治療OP的療效確切,但由于中藥多成分、多靶點(diǎn)的特點(diǎn),兩藥做為相須藥對(duì)配伍治療OP的作用機(jī)制仍不明確。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)可多層次、多角度分析中藥治療疾病的物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機(jī)制。本研究采用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)及細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)開展杜仲和續(xù)斷配伍治療OP機(jī)制研究,以期明確該藥對(duì)治療OP的作用機(jī)制,為相須藥對(duì)的研究及OP的治療提供新思路。
1.1 杜仲+續(xù)斷藥對(duì)活性成分獲取于中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺(tái)(https://tcmspw.com/tcmsp.php,TCMSPM)、中藥分子機(jī)制生物信息學(xué)分析工具(http://bionet.ncpsb.org/batman-tcm/,BATAN-TCM)分別以O(shè)B≥30%,DL≥0.18以及Score cutoff≥20、AdjustP-value≤0.05為篩選標(biāo)準(zhǔn)檢索兩藥活性成分,并結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道補(bǔ)充桃葉珊瑚苷、川續(xù)斷皂苷VI等有效成分[3-4]。
1.2 構(gòu)建“藥物-成分-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖在Pharmmapper(http://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)獲取活性成分潛在靶點(diǎn)。在GeneCards(https://www.genecards.org/)、OMIM(https://www.omim.org/)以“osteoporosis”為關(guān)鍵詞檢索疾病靶點(diǎn)。對(duì)比活性成分潛在靶點(diǎn)與疾病靶點(diǎn),交集靶點(diǎn)為杜仲+續(xù)斷藥對(duì)活性成分治療OP的預(yù)測(cè)靶點(diǎn),利用Cytoscap3.7.2呈現(xiàn)“藥物-成分-靶點(diǎn)”相互關(guān)系。
1.3 構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)利用String(https://string-db.org/)構(gòu)建蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò),并以Cytoscap3.7.2呈現(xiàn)靶點(diǎn)相互關(guān)系。
1.4 靶點(diǎn)通路分析及可視化在DAVID(https://david.ncifcrf.gov/)以P<0.05為篩選條件對(duì)關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行基因本體(gene ontolog,GO)生物學(xué)過(guò)程富集分析與基因組百科全書(KEGG)代謝通路富集分析,在微生信(http://www.bioinformatics.com.cn)形成氣泡圖。
1.5 細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)
1.5.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、試藥與試劑 2日齡SPF 級(jí)SD 乳鼠6只,(220±10) g SD大鼠32只,雌雄各半,購(gòu)自成都達(dá)碩實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司[生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(川)2020-030],飼養(yǎng)于陜西中醫(yī)藥大學(xué)SPF 級(jí)動(dòng)物飼養(yǎng)室,SYXK(陜)2017-004;杜仲(20200102)、續(xù)斷(20200426)飲片購(gòu)自陜西興盛德藥業(yè)有限責(zé)任公司;DMEM高糖培養(yǎng)基、胎牛血清、雙抗購(gòu)自以色列BI公司;胰蛋白酶、Ⅰ型膠原酶、茜素紅購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;EdU成像檢測(cè)試劑盒(KGA331-100)購(gòu)自江蘇凱基生物技術(shù)有限公司;ALP試劑盒(A059-1)購(gòu)自南京建成生物工程研究所;BMP-2(1 ∶1 000,PA5-85956)和β-actin(1 ∶2 000,MA5-11869)抗體購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司,Wnt、β-catenin、p-β-catenin、p38、RUNX2、兔二抗(1 ∶1 000,2721T、8480T、2009、8690T、12556S、7074)抗體購(gòu)自美國(guó)Cell Signaling Technology公司。
1.5.2主要儀器 細(xì)胞超凈操作臺(tái)( 蘇州安泰凈化有限公司);311型CO2培養(yǎng)箱(美國(guó)Thermo公司);IX73-DP73倒置熒光顯微鏡(日本Olympus公司);Multiskan GO 型全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀(美國(guó) Thermo 公司);PAC300 型電泳儀、XRS+化學(xué)發(fā)光分析儀(美國(guó) Bio-Rad 公司)。
1.5.3含藥血清制備 分別稱取杜仲300 g、續(xù)斷300 g、杜仲150 g+續(xù)斷150 g,加水淹沒中藥浸泡2 h;煎煮至水沸改用文火,30 min后過(guò)濾倒出藥液,重復(fù)共煎煮兩次,合并兩次濾液,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮至200 mL,得生藥含量為1.5 kg·L-1水煎液。SD大鼠隨機(jī)分為4組,每組8只,分別為空白組、杜仲組、續(xù)斷組、杜仲+續(xù)斷組,禁食12 h,以10 mL·kg-1灌胃體積給藥,空白組給予同等劑量的蒸餾水,每日1次,連續(xù)7 d。末次給藥1 h后,乙醚麻醉,腹主動(dòng)脈采血,靜置30 min后,4 ℃離心,得空白血清和含藥血清,56 ℃水浴30 min滅活,微孔濾膜過(guò)濾,保存于-20 ℃冰箱備用。
1.5.4細(xì)胞增殖及堿性磷酸酶活性測(cè)定 酶消化法制備大鼠原代成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)[5],細(xì)胞接種于96孔板,密度為5×103個(gè)/孔,培養(yǎng)12 h后,設(shè)置空白組(CON,加入10%空白血清)、杜仲組(DZ,加入10%含杜仲血清)、續(xù)斷組(XD,加入10%含續(xù)斷血清)、杜仲+續(xù)斷組(DZ+XD,加入10%含杜仲+續(xù)斷血清)。加藥后繼續(xù)培養(yǎng)24 h,采用EdU標(biāo)記法檢測(cè)細(xì)胞增殖,熒光顯微鏡拍照后用ImageJ統(tǒng)計(jì)。加藥后繼續(xù)培養(yǎng)至d 7,期間每2 d換液一次,測(cè)定堿性磷酸酶ALP活性。增殖或堿性磷酸酶表達(dá)率/%=(實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞OD值/空白組細(xì)胞OD值)×100%。
1.5.5OB礦化結(jié)節(jié)形成測(cè)定 細(xì)胞接種于24孔板,密度為1×105個(gè)/孔,培養(yǎng)12 h后,更換為分化培養(yǎng)基(含10%血清,0.1 μmmol·L-1地塞米松,50 mg·L-1抗壞血酸,10 mmol·L-1β-甘油磷酸鈉),分組加藥同“1.5.4”,每3 d換液1次。細(xì)胞培養(yǎng)21 d后,茜素紅染色并在顯微鏡下拍照并用ImageJ統(tǒng)計(jì)分析礦化結(jié)節(jié)面積。
1.5.6Western blot檢測(cè)蛋白表達(dá) 細(xì)胞接種于6孔板,密度為5×105個(gè)/孔,培養(yǎng)12 h后,分組加藥同“1.5.4”,繼續(xù)培養(yǎng)48 h后,提取總蛋白,BCA法進(jìn)行蛋白定量。蛋白變性后用12%分離膠進(jìn)行電泳,用PVDF膜進(jìn)行轉(zhuǎn)膜,封閉2 h,一抗孵育過(guò)夜,洗膜后加二抗室溫孵育1 h,洗膜后進(jìn)行化學(xué)發(fā)光并拍照并分析。
2.1 杜仲+續(xù)斷治療OP活性成分篩選通過(guò)TCMSP、BATMAN-TCM、PubChem檢索及文獻(xiàn)報(bào)道保留有效成分杜仲42個(gè)、續(xù)斷15個(gè),共有成分2個(gè),見Tab 1。
Tab 1 Active components in Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci
NumberCompoundFormulaPubChem IDDZ31GenisteinC15H10O55280961DZ32DulcitolC6H14O611850DZ33Dimethylcaffeic acidC11H12O4717531DZ34CivetoneC17H30O5315941DZ35Cis-PinosylvinC14H12O25280457DZ36(2R,3R)-3-HydroxyprolineC5H9NO37098652DZ3711-Deoxyglycyrrhetic acidC30H48O312305517DZ387-HydroxycoumarinC9H6O35281426DZ39Gama-SitosterolC29H50O457801DZ40n-TriacontanolC30H62O68972DZ41GeniposideC17H24O10107848XD1GentisinC14H10O55281636XD2Isochlorogenic acid AC25H24O126474310XD3JaponineC18H17NO3442915XD4Sylvestroside IIIC27H36O14101967018XD5LoganinC17H26O1087691XD6Akebiasaponin DC47H76O1814284436XD7SwerosideC16H22O9161036XD8Lacceric acidC32H64O219255XD9CantleyosideC33H46O1912302406XD10SitoglusideC35H60O65742590XD11HelixinC41H66O1273296XD12Oleanolic acidC30H48O310494XD13Cauloside AC35H56O8441928XD14Isochlorogenic acid CC25H24O126474309XD15VenoterpineC9H11NO56842090AUrsolic acidC30H48O364945BBeta-SitosterolC29H50O222284CCC20H22O721582571
2.2 “藥物-成分-靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)圖及分析“藥物-成分-靶點(diǎn)”關(guān)系見Fig 1,圖中共185個(gè)節(jié)點(diǎn),1 095個(gè)邊線,圓形節(jié)點(diǎn)為藥物,八邊形節(jié)點(diǎn)為活性化合物,菱形節(jié)點(diǎn)為80個(gè)靶點(diǎn),其中20個(gè)黃色為杜仲靶點(diǎn)、7個(gè)藍(lán)色為續(xù)斷靶點(diǎn),53個(gè)橙色為共同靶點(diǎn),邊線代表化合物與靶點(diǎn)間聯(lián)系。
Fig 1 Medicines-compounds-targets network
2.3 靶點(diǎn)相互作用網(wǎng)絡(luò)及分析靶點(diǎn)相互關(guān)系見Fig 2,該圖有76個(gè)圓形節(jié)點(diǎn)、436條邊線,代表靶點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián),節(jié)點(diǎn)顏色深度、面積與其degree值成正比。杜仲+續(xù)斷藥對(duì)治療OP相關(guān)性排名前15位的靶點(diǎn)中的ALB、EGFR、MAPK1、MAPK8、CASP3、ESR1、HSP90AA1、AR、MAPK14、KDR、PGR共計(jì)11個(gè)為杜仲+續(xù)斷共同靶點(diǎn),PLG、ANXA5、IGF1R共計(jì)3個(gè)為杜仲單獨(dú)作用靶點(diǎn),SRC為續(xù)斷單獨(dú)作用靶點(diǎn),提示該藥對(duì)治療OP具有協(xié)同增效作用。
Fig 2 The candidate targets interaction networkof Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci
2.4 GO和KEGG通路富集結(jié)果與分析GO富集分析結(jié)果見Fig 3,結(jié)果顯示:杜仲+續(xù)斷主要作用于:細(xì)胞外泌體、細(xì)胞外間隙、細(xì)胞表面、受體復(fù)合物和核染色質(zhì)等細(xì)胞組分;鋅離子結(jié)合、ATP結(jié)合、甾體激素受體活性、絲氨酸類內(nèi)肽酶活性、序列特異性DNA結(jié)合等分子功能;以及轉(zhuǎn)錄作用、 DNA誘導(dǎo)型、負(fù)向調(diào)節(jié)RNA聚合酶II啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄、肽基絲氨酸磷酸化、轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控、對(duì)蛋白激酶B信號(hào)傳導(dǎo)的正向調(diào)節(jié)等生物過(guò)程。KEGG通路富集分析見Fig 4。結(jié)合文獻(xiàn)研究,癌癥相關(guān)通路、破骨細(xì)胞分化、MAPK、Estrogen、FoxO、VEGF等信號(hào)通路與OP的治療具有相關(guān)性。
Fig 3 GO pathway enrichment analysis for cellular components,biological processes, molecular function of candidate targets of active components of Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci
Fig 4 KEGG pathway enrichment analysis of candidate targets of active components of Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci
2.5 杜仲+續(xù)斷對(duì)OB增殖及堿性磷酸酶活性的影響如Fig 5所示,與空白組相比,杜仲組、續(xù)斷組和杜仲+續(xù)斷組的細(xì)胞增殖速率、堿性磷酸酶活性和礦化結(jié)節(jié)數(shù)量均提高,差異有顯著性(P<0.01),且杜仲+續(xù)斷組增殖速率、堿性磷酸酶活性和礦化結(jié)節(jié)數(shù)量均明顯高于杜仲組或續(xù)斷組(P<0.01)。顯示杜仲續(xù)斷對(duì)OB增殖、分化和礦化具有協(xié)同增效作用。
Fig 5 Effect of Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci on proliferation, differentiation and mineralization in
2.6 杜仲+續(xù)斷對(duì)OB BMP2和Wnt信號(hào)通路蛋白表達(dá)的影響與空白組相比,杜仲組、續(xù)斷組和杜仲+續(xù)斷組BMP2、p38、RUNX2、Wnt和β-catenin蛋白均明顯增加(P<0.05,P<0.01);續(xù)斷組BMP2、p38和RUNX2蛋白明顯高于杜仲組(P<0.05或P<0.01);杜仲組Wnt和β-catenin蛋白明顯高于續(xù)斷組(P<0.01);杜仲+續(xù)斷組BMP2、p38、RUNX2、Wnt和β-catenin蛋白均明顯高于杜仲組和續(xù)斷組(P<0.01);杜仲組和杜仲+續(xù)斷組與空白組相比p-β-catenin蛋白表達(dá)明顯減少(P<0.05或P<0.01),見Fig 6。提示杜仲主要調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路,續(xù)斷激活BMP2信號(hào)通路更明顯,杜仲續(xù)斷配伍具有協(xié)同增效作用。
Fig 6 Effect of Eucommiae ulmoides and Radix Dipsaci on protein expression of BMP2 and Wnt signaling pathway in
杜仲和續(xù)斷作為補(bǔ)肝腎、強(qiáng)筋骨的常用中藥,常相須用于骨科疾病的臨床治療。既往研究表明杜仲+續(xù)斷藥對(duì)不僅可治療腰椎間盤突出癥[1],還能促進(jìn)骨折愈合提高骨密度[6]。中醫(yī)常將杜仲和續(xù)斷相須合用治療OP,既可補(bǔ)益肝腎以固本,又兼續(xù)筋骨、行血脈以預(yù)防骨質(zhì)疏松性骨折,具有顯著的臨床療效。但該藥對(duì)治療OP的協(xié)同增效機(jī)制仍未探明。因此,本研究基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)探究了杜仲+續(xù)斷治療OP協(xié)同增效的藥理學(xué)機(jī)制。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究結(jié)果顯示,杜仲+續(xù)斷治療OP的交集靶點(diǎn)共80個(gè),核心靶點(diǎn)包括ALB、EGFR、MAPK1、MAPK8、CASP3、ESR1等。PPI及GO分析顯示這些靶點(diǎn)基因間具有很強(qiáng)的相互作用,并可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、礦化、凋亡,參與鈣磷代謝等生物學(xué)進(jìn)程,影響蛋白、酶、轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合等分子功能,這種多靶點(diǎn)、多途徑的作用機(jī)制體現(xiàn)了中醫(yī)藥治療疾病的整體觀。這些核心靶點(diǎn)基因可能通過(guò)以下機(jī)制影響OP的發(fā)生和發(fā)展:(1)調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、礦化:EGFR作為受體酪氨酸激酶超家族中的一員,能被生長(zhǎng)因子家族成員結(jié)合、激活,并參與調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、OB、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等骨代謝相關(guān)細(xì)胞的增殖、分化過(guò)程[7]。MAPK家族不僅能促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化、提高OB活力、功能,還能阻斷RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成,進(jìn)而防治OP的發(fā)生[8],ESR1在OB中可通過(guò)CSE/H2S信號(hào)通路和骨骼中的雌激素信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)發(fā)揮成骨作用,并同ESR2在調(diào)控OB成熟礦化中起到調(diào)節(jié)平衡作用[9]。CASP作為傳統(tǒng)的與炎癥、細(xì)胞凋亡相關(guān)的蛋白酶,可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和分化,CASP3缺陷小鼠的總骨密度、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨和增殖能力下降[10];(2)參與鈣磷代謝:ALB被證明與鈣磷代謝紊亂具有顯著相關(guān)性,而OP的進(jìn)展與鈣磷代謝是密切相關(guān),研究發(fā)現(xiàn)激活Wnt/Ca2+信號(hào)通路可抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新,同時(shí)刺激OB分化[11]。
本研究對(duì)靶點(diǎn)基因進(jìn)行了富集分析,以探尋杜仲+續(xù)斷治療OP時(shí)所調(diào)控的主要信號(hào)通路及其具體機(jī)制。結(jié)果顯示靶點(diǎn)蛋白涉及多條信號(hào)通路,主要包括癌癥相關(guān)通路、破骨細(xì)胞分化、MAPK、Estrogen、FoxO、VEGF等與骨代謝密切相關(guān)。(1)癌癥相關(guān)子通路眾多,大多與調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān),其中,Wnt/β-catenin信號(hào)通路與OB、破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)分化以及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化密切相關(guān)[12]。(2)MAPK信號(hào)通路主要包括ERK1/2、JNK、p38和ERK5等通路,既能作用于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、OB而促進(jìn)成骨,還能阻斷破骨細(xì)胞的生成,對(duì)骨代謝進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)[8]。(3)Estrogen可通過(guò)促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡和抑制OB產(chǎn)生破骨細(xì)胞分化因子而抑制骨吸收,還可促進(jìn)局部骨血管生成從而改善骨質(zhì)疏松[13];(4)Foxo1通過(guò)調(diào)節(jié)OB增殖及氧化還原平衡控制骨形成,激活Foxo1通路可以調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在OB和脂肪細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)換[14]。(5)VEGF不僅能直接作用于OB,增加OB的堿性磷酸酶活性,促進(jìn)其增殖分化及鈣結(jié)節(jié)的形成,亦能通過(guò)調(diào)節(jié)血管形成作用于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和破骨細(xì)胞參與骨代謝過(guò)程[15]。由此可見,杜仲+續(xù)斷治療OP可能是通過(guò)多途徑同時(shí)調(diào)控多條信號(hào)通路,主要圍繞促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收、改善細(xì)胞增殖環(huán)境、促進(jìn)血管新生等方面來(lái)延緩OP的發(fā)生發(fā)展。
本研究選取癌癥相關(guān)的子信號(hào)通路Wnt/β-catenin和MAPK信號(hào)通路中的BMP2/p38/RUNX2途徑,進(jìn)行細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)以考察杜仲+續(xù)斷藥對(duì)的協(xié)同增效作用和機(jī)制。研究結(jié)果顯示杜仲+續(xù)斷促進(jìn)OB增殖、堿性磷酸酶表達(dá)和礦化結(jié)節(jié)形成的能力明顯高于兩藥單獨(dú)作用,且杜仲主要調(diào)節(jié)Wnt信號(hào)通路,續(xù)斷則能夠更明顯的激活BMP2信號(hào)通路,兩藥配伍后對(duì)Wnt和BMP2通路調(diào)控作用顯著增強(qiáng),這可能是杜仲+續(xù)斷治療OP的協(xié)同增效的作用機(jī)制。既往研究表明:杜仲及其有效成分可通過(guò)Wnt及p38等多條信號(hào)通路誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化[16],續(xù)斷皂苷類成分也可通過(guò)BMP2/MAPK/RUNX2信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[17],與本研究結(jié)果一致。
綜上所述,本研究從網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)角度對(duì)杜仲+續(xù)斷治療OP的潛在活性成分、關(guān)鍵基因和關(guān)鍵通路、機(jī)制進(jìn)行了闡述,并通過(guò)細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該藥對(duì)治療OP的協(xié)同增效作用。結(jié)果提示該藥對(duì)在OP的治療中可能涉及不同靶點(diǎn)和通路,通過(guò)促進(jìn)成骨細(xì)胞的骨形成等相關(guān)骨代謝過(guò)程延緩OP的進(jìn)展,體現(xiàn)了中醫(yī)藥治療OP多靶點(diǎn)、多途徑的治療特點(diǎn)。