1. 引言
冠状动脉硬化性心脏病(Coronary Arteriosclerotic Heart Disease, CAD),简称冠心病,是以动脉粥样硬化为病理基础的疾病,其发病与血脂紊乱密切相关[1] [2]。
细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)是血管壁的重要组成成分,主要成分为胶原蛋白和弹性蛋白,在维持血管和心脏的结构与功能完整性方面发挥至关重要的作用。然而,ECM的异常沉积是动脉粥样硬化形成的早期病理基础,动态重塑则是斑块破裂的关键因素[3]。在此过程中,转化生长因子-β1 (TGF-β1)起到关键调控作用:可诱导平滑肌细胞分泌ECM,加速粥样斑块的形成;同时促进成纤维细胞增殖及胶原蛋白的合成和分泌,抑制基质蛋白酶的生成,并促进金属蛋白酶组织抑制因子的产生,最终导致ECM生成与降解失衡[4]-[6]。上述病理改变在病程进展中表现为血管壁僵硬和斑块体积增大,最终促使冠心病的病情进一步恶化。
中医学中将冠心病“本虚标实”的病机阐述为——以气虚为本、痰浊互结为标,其中血瘀是冠心病的关键病机。该病的主要特点为舌质紫暗,舌底脉络迂曲,瘀血阻滞,心脉不通,不通则痛,血瘀日久,则化热伤阴,痰浊互结,病情加重[7] [8]。通脉刺五加胶囊是刺五加茎叶的提取物,具有活血化瘀的功效,常用于瘀血闭阻所致的胸痹心病,症见胸痛、胸闷、心悸等,被广泛用于冠心病心绞痛等疾病的治疗[9]。前人研究表明,通脉刺五加具有明显的抗心肌缺血作用[10]。该药主要成分为黄酮类化合物,其中刺五加总黄酮具有扩张冠状动脉血管、改善心肌缺血、减少心肌耗氧量、调节血压及增加血管末梢血流量等多重药理作用[11]。因此,选择该药物为本次实验的研究目标。网络药理学能够有效揭露中药成分与疾病靶蛋白之间的关系,阐明中药治疗疾病的作用机制。基于此,本研究将通过网络药理学探究通脉刺五加治疗冠心病的研究机制并确定关键靶点,并采用Biacore等一系列药理实验进一步验证通脉刺五加可通过抑制TGF-β1发挥治疗冠心病的作用,以期为临床应用及冠心病的治疗提供一些理论研究。
2. 仪器与材料
2.1. 实验动物
雄性SD大鼠,SPF级(由哈尔滨医科大学附属第二医院提供,许可证号:SCXK(黑)2024-002。
2.2. 仪器
电子分析天平(德国赛多利斯Sarturius);ST-16R型低温高速离心机(美国Thermo Fisher Scientific公司);真空采血管(上海力因精准医疗);荧光显微镜BX41 (日本奥林巴斯);Infinite M200PRO酶标仪(瑞士Tecan);MDF-382E-80℃低温冰箱(日本SANYO公司);Small Animal Physiological Monitoring System (美国HA Harvard Apparatus)。
2.3. 试剂
通脉刺五加胶囊(哈尔滨市龙生北药生物工程股份有限公司);苏木素伊红染液(南京建成生物工程研究所);He染色液(武汉百仟度生物科技有限公司);低密度脂蛋白胆固醇LDL-C测试盒(南京建成生物工程研究所);高密度脂蛋白胆固醇HDL-C测试盒(南京建成生物工程研究所);总胆固醇T-CHO测试盒(南京建成生物工程研究所);甘油三酯TG测试盒(南京建成生物工程研究所);高脂饲料(北京科澳协力饲料有限公司);阿托伐他汀(立普妥);芪苈强心胶囊(石家庄以岭药业股份有限公司);PCR试剂盒(康为世纪生物科技股份有限公司);免疫组化试剂盒(北京中杉金桥生物技术有限公司);TGF-β1抗体(北京博奥森生物技术有限公司)。
3. 实验方法
3.1. 网络药理学
3.1.1. 药物活性成分筛选及靶点预测
使用TCMSP数据库检索刺五加的活性成分。设置化合物口服生物利用度(OB, %) ≥ 30%、类药性(DL) ≥ 0.18为筛选条件。由于刺五加在多数据库中无法全部被检索到,为更全面地收集信息,进一步利用Herb数据库(http://www.herb.org/)搜集刺五加的有效成分,同时运用PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)获得化合物及SMILES结构式(Simplified Molecular Input Line Entry System),将其导入到结构相似度预测靶点数据库Swiss Target Prediction (http://www.swisstargetprediction.ch),预测有效靶点。使用GeneCards进行靶点预测。
3.1.2. 疾病相关靶点的获取
以“Coronary Heart Disease”为关键词在GeneCards (https://www.genecards.org/)数据库中检索,选取前3000个基因;在OMIM (https://omim.org/)数据库中输入“Coronary Heart Disease”进行检索,以此得到冠心病相关靶点。剔除掉重复基因,最终得到的靶点就是本章研究的疾病靶点。
3.1.3. 交集基因获取
绘制Venn图(制作网站:https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)直观表现刺五加和冠心病靶点之间的交集基因。
3.1.4. 蛋白相互作用网络构建及核心靶点筛选
使用String (https://string-db.org/)数据库进一步研究刺五加治疗冠心病的靶蛋白相互作用关系,并构建PPI蛋白互作网络。为确保本研究的可信度,将物种设置为“Homo sapiens”,同时隐藏未连接靶点,其余参数维持原本默认设置,将所得结果以TSV格式储存;导入TSV文件到Cytoscape 3.8.2软件中,并使用CytoHubba插件的Degree、EPC、MCC、MNC参数进行筛选,分别取各自数值前25的靶点,并取四个结果的交集,交集就是核心基因。
3.1.5. GO和KEGG富集分析
使用DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/)对刺五加与冠心病的交集靶点进行Gene Ontology (GO)和KEGG通路富集分析。显著富集的功能通路基于校正后的p值 < 0.05筛选确定。
3.2. Biacore分子互作实验
参照刘楠楠等[12]的前期实验,运用Biacore T200测试系统,用化学偶联法将TGF-β1蛋白偶联到CM5芯片上,选择最适pH,配制TGF-β1蛋白溶液200微升注入芯片表面,体积流量10 μL/min,偶联时间600 s。
3.3. 通脉刺五加胶囊与TGF-β1结合实验
用PBS配置浓度为20 mg/mL的通脉刺五加胶囊溶液5 ml,用10 μL/min的流速流经芯片,结合时间为60 s,再生时间为30 s,样品检测温度为25℃,从传感图来观察通脉刺五加胶囊与靶蛋白TGF-β1的结合力。
3.4. 体内动物实验
3.4.1. 实验动物分组
按照随机数字表法将140只SPF级雄性大鼠随机分为7组。分别设为空白组20只、模型组20只、通脉刺五加胶囊高剂量组20只、通脉刺五加胶囊中剂量组20只、通脉刺五加胶囊低剂量组20只、中药阳对芪苈强心胶囊组20只、西药阳对阿托伐他汀组20只。
3.4.2. 实验动物模型建立
实验首先对全部大鼠进行适应性饲养一周。经过适应性喂养后,第二周开始对模型大鼠一次性腹腔注射维生素D3 (60万IU/kg),同时高脂饲料喂养8周;空白组给予等量生理盐水腹腔注射,普通饲料喂养8周。
3.4.3. 给药方式及剂量
模型建立8周后,灌胃给药4周:通脉刺五加胶囊低剂量组给药量162 mg/kg;中剂量组给药量324 mg/kg;高剂量组648 mg/kg;芪苈强心胶囊组给药量324 mg/kg;阿托伐他汀组给药量1.8 mg/kg。空白组和模型组给予同等体积生理盐水灌胃。
3.4.4. 心电图检测
将大鼠腹腔麻醉后,剔除胸部和四肢的毛发并均匀涂抹生物凝胶,放置在Small Animal Physiological Monitoring System机器平板上,四肢和胸部分别贴在相应的贴片上,平板连接机器,室内保持安静,待心电图有平稳的曲线之后开始监测ST段是否有压低现象,时间为30 s。数据记录完成后导入电脑中开始分析。
3.4.5. 生化检测
取材之前,各组大鼠禁食12小时。使用10%水合氯醛麻醉,麻醉后迅速进行腹主动脉取血,静置。随后用3000 r/min离心机离心后吸取上层血清,放置于4℃冰箱中保存,以待检测。取大鼠主动脉,清洗附着物后,保存于−80℃冰箱,以备检测。使用Infinite M200PRO酶标仪检测血清中TG、TC、HDL-C、LDL-C生化指标含量。
3.4.6. HE染色
将大鼠主动脉分离后放置于浓度为4%的多聚甲醛溶液中固定24小时,之后进行石蜡包埋切片,切片后置于60℃烘箱中1~2 h,烘干。随后进行HE染色。
3.4.7. 免疫组化法检测大鼠主动脉中TGF-β1的表达情况
将大鼠的主动脉切片脱蜡后,根据兔二步法检测试剂盒说明书进行实验,在显微镜下观察各组主动脉中TGF-β1蛋白表达水平的差异,并进行评分。IHC评分 = 染色强度分 × 阳性染色细胞所占的百分比;染色强弱分别为:未染0分,轻度染1分,中度染2分,强度染3分;阳性染色细胞评分为:0%~5%为0分,6%~25%为1分,26%~50%为2分,51%~74%为3分,>75%为4分。
3.4.8. RT-PCR检测各组大鼠主动脉血管中TGF-β1mRNA的表达情况
使用trizol法提取各组大鼠心脏组织中的总RNA并检测其浓度,按照one stepRT-qPCR Kit试剂盒进行实验,获得TGF-β1mRNA表达的CT值,并根据2−ΔΔCt法计算TGF-β1mRNA的相对表达量。TGF-β1的正向引物为:5'-AGA AAC GAG CAG AGG ATT GAG C-3',TGF-β1的反向引物为:5'-CTG AAA GTG TGG CAG GGA CAA-3'。
3.4.9. WB检测各组大鼠主动脉中TGF-β1的表达情况
取100 mg的组织用组织裂解液进行预处理,使用BCA蛋白定量法测定各组蛋白含量,用SDS-PAGE法将蛋白电转到PVDF膜上,孵育一抗(TGF-β1:200稀释、GAPDH:1:1000稀释),四度过夜后用TBST充分洗涤后孵育二抗(1:1000稀释),充分洗涤后进行显影。
3.5. 统计学方法
采用GraphPad Prism 8统计学软件进行分析,数据以
表示,单因素方差分析组间差异,以p < 0.05为差异具有统计学意义。
4. 实验结果
4.1. 网络药理学
4.1.1. 通脉刺五加治疗冠心病潜在靶点收集与PPI网络构建
通过TCMSP、Herb数据库筛选出刺五加有效成分共8种,分别是:amygdalin、beta-sitosterol、ciwujiatone、isofraxidin、Melafolone、quercetin、sesamin、sesamol。
将以上8种有效成分进行靶点预测并去除重复值后共得到556个靶点。在GeneCards及OMIM中检索冠心病相关靶点,去除重复基因后共得到3125个靶点,将556个药物靶点与3125个疾病靶点导入BioinfoGP网站得到389个交集基因,然后绘制Venn图。将389个交集基因导入String数据库,导出TSV格式后导入Cytoscape 3.8.2软件中,使用CytoHubba插件的Degree、EPC、MCC、MNC参数进行筛选,分别提取各算法评分前25位的靶点,取四组结果的交集,共得到18个核心基因并构建PPI网络。分析显示,TGF-β1在调节冠心病的发展过程中起到重要作用,对于CHD的研究有重要的意义[13] [14] (见图1)。
Figure 1. Wayne diagram, quaternary Wayne diagram, and PPI diagram
图1. 韦恩图、四元韦恩图和PPI图
4.1.2. 交集基因的GO功能分析与KEGG通路富集分析
将刺五加与冠心病的交集基因导入DAVID数据库进行GO功能富集分析,设置P < 0.05,共得到bp 2871条、cc 123条、mf 307条。分别选取前10条进行可视化分析(见图2),结果显示:bp主要集中在对肽类激素的反应、对外源性刺激物的反应等方向上;cc主要集中在膜筏、膜微结构域等方向上;mf主要集中在组蛋白激酶活性、组蛋白H3激酶活性等方向上。
随后,将刺五加与冠心病的交集基因导入DAVID数据库进行KEGG通路富集分析,设置P < 0.05,共富集出211条通路,并进行可视化(见图2)。目前,TGF-β1在冠心病的作用已成为近期研究热点,且TGF-β/Smads信号通路可直接诱导细胞外基质相关基因的表达,而TGF-β1在TGF家族中最为常见。因此,本研究选择TGF-β1作为重点研究对象[15]。
Figure 2. GO and KEGG enrichment analysis of Tongmai Ciwujia in the treatment of CAD
图2. 通脉刺五加治疗CAD的GO富集分析和KEGG富集分析
4.2. 通脉刺五加胶囊药液与TGF-β1的结合实验
通脉刺五加胶囊药液(20 mg/ml)与TGF-β1存在结合解离峰。如图3所示,二者的结合峰值为2861.4 RU,说明通脉刺五加胶囊与TGF-β1能够较好结合。
图中红线为1通道结合曲线;绿线为2通道结合曲线;棕线为1、2通道结合曲线。
Figure 3. TGF-β1 protein binding response to Tongmai Ciwujia
图3. TGF-β1蛋白与通脉刺五加结合响应
4.3. 心电图
模型组的ST段有着明显的压低现象并存在倒置,T波低平,这是严重缺血的图形表现;刺五加低ST段回升,但相比于正常组别p段不明显。刺五加中组、刺五加高组、阳对西组、阳对中组和空白组的各段区分明显,效果好(见图4)。
模型组 刺五加低组
刺五加中组 刺五加高组
阳对中组 阳对西组
空白组
Figure 4. ECG of rats in each group
图4. 各组大鼠心电图
4.4. 检测血清中TG、TC、LDL-C生化指标
如表1所示,空白组与模型组相比,TG、TC的含量均显著上升(P < 0.01);模型组与其他各给药组相比,TG、TC含量均分别显著上升(P < 0.01)。
在LDL-C中,与模型组相比,通脉刺五加胶囊高剂量组和西阳组大鼠血清中LDL-C具有极显著性差异(P < 0.01);空白组、通脉刺五加胶囊低剂量组、中剂量组和中阳组大鼠血清中LDL-C具有显著性差异(P < 0.05)。可见通脉刺五加胶囊治疗效果好。
Table 1. Determination of TG, TC, HDL-C, and LDL-C levels in serum of rats in each group [
, /(mmol/L)]
表1. 各组大鼠血清中TG、TC、HDL-C、LDL-C水平测定结果[
, /(mmol/L)]
|
TG |
TC |
LDL-C |
空白(n = 6) |
0.588 ± 0.2024①① |
2.6548 ± 0.3129①① |
2.0338 ± 0.33581① |
模型(n = 10) |
1.3957 ± 0.0155 |
4.6074 ± 0.0965 |
2.736 ± 0.468 |
低(n = 8) |
1.3033 ± 0.01694①① |
4.1743 ± 0.1034①① |
1.8935 ± 0.30684① |
中(n = 6) |
1.0072 ± 0.01875①① |
4.097 ± 0.0833①① |
1.8259 ± 0.26124① |
高(n = 4) |
0.9953 ± 0.00989①① |
3.4012 ± 0.2061①① |
1.6858 ± 0.36662①① |
西阳(n = 7) |
0.8664 ± 0.02152①① |
3.2654 ± 0.1242①① |
2.0043 ± 0.2663①① |
中阳(n = 7) |
0.9336 ± 0.02842①① |
3.1119 ± 0.08999①① |
2.15 ± 0.14441① |
①:与模型组相比,P < 0.05;①①:P < 0.01。
4.5. HE染色
将主动脉进行HE染色与空白组相比,可见模型组的主动脉大面积内皮细胞脱落、部分区域内皮完全消失(黑色箭头),可见粥样斑块(黄色圆圈)形成,斑块内可见坏死核心(蓝色箭头),斑块表面纤维帽变薄(黄色箭头),中膜可见钙化灶(深红色箭头);外膜弹性纤维断裂、排列紊乱,可见少许炎性细胞浸润(紫色箭头)。与模型组相比,各组斑块减少至消失,胶原增生逐渐减少至无增生,其中刺五加高剂量组治疗效果较好,内膜轻度增厚(深蓝箭头),内皮细胞基本完整,无明显肿胀或空泡化;中膜平滑肌细胞(绿色箭头)排列不整齐,厚度接近正常;外膜厚度接近正常,间质轻度水肿,结缔组织排列疏松(深绿色箭头),可见通脉刺五加治疗效果好(见图5)。
注:空泡化:黑;内膜:深蓝;平滑肌:绿;外膜:橙;血栓:红;结缔组织:深绿;坏死核心:蓝;纤维膜:粉;钙化灶:深红;炎性细胞:紫;纤维帽:黄。
Figure 5. HE staining of the aorta in each group of rats (100×)
图5. 各组大鼠主动脉HE染色(100×)
4.6. 免疫组化法检测TGF-β1的蛋白表达情况
在200倍镜下观察大鼠主动脉血管中TGF-β1蛋白的表达情况。与空白组的阳性表达面积为0.6 ± 0.57相比,模型组TGF-β1蛋白的阳性表达面积为11 ± 1.73,显著升高(P < 0.0005);中药阳对组和西药阳对组的阳性面积分别为3 ± 1、2.6 ± 1.52,与模型组相比,阳性率显著下降(P < 0.0005);通脉刺五加低、中、高各组的TGF-β1蛋白表达面积分别为3.3 ± 0.57、5.3 ± 1.15、8 ± 1.73,与模型组相比,显著减少(P < 0.0005、<0.005或<0.05)。由此可见,通脉刺五加胶囊对TGF-β1蛋白的表达有降低作用(见图6)。
Figure 6. Expression of TGF-β1 protein in aortic blood vessels in rat groups (200×)
图6. 大鼠各组主动脉血管中TGF-β1蛋白的表达情况(200×)
4.7. Real-Time PCR检测通脉刺五加胶囊对TGF-β1蛋白mRNA表达的影响
空白组mRNA的表达量为0.012 ± 0.010。模型组大鼠主动脉血管内TGF-β1的mRNA与空白组相比,其mRNA表达量显著升高(P < 0.05),显示造模成功;中药阳对组与西药阳对组TGF-β1的mRNA表达量分别为0.040 ± 0.01、0.0293 ± 0.011,与模型组相比,表达量显著降低(P < 0.0005);通脉刺五加胶囊高、中、低剂量组TGF-β1的mRNA表达量分别为0.001 ± 0.0001、0.008 ± 0.003、0.641 ± 0.09,与模型组相比,表达显著降低(P < 0.0001或P < 0.05),说明通脉刺五加胶囊对冠心病的治疗具有较好的效果。
4.8. WB实验监测通脉刺五加胶囊对TGF-β1蛋白的表达情况
如图7所示:模型组和空白组的蛋白表达量分别是7.4 ± 1.1;0.99 ± 0.7,与空白组相比,具有显著差异(P < 0.001);D、Z、G剂量组的蛋白表达量分别是3.6 ± 0.5;3.4 ± 0.5;2.2 ± 0.3,与模型组相比,具有显著差异(P < 0.005或P < 0.0005)。由此可见,通脉刺五加胶囊可以显著降低主动脉血管中TGF-β1蛋白的表达。
Figure 7. Expression of TGF-β1 protein in aortic vessels and statistical chart
图7. 主动脉血管中TGF-β1蛋白的表达情况及统计图
5. 讨论
CAD是由于脂质代谢异常,血液中脂质沉积于原本光滑的动脉内膜,形成类似粥样的斑块,称为动脉粥样硬化病变。这些斑块渐渐增多造成动脉腔狭窄,使血流受阻,导致心脏缺血,产生心绞痛[16] [17]。在临床实践中,中药制剂因其独特的治疗优势而发挥着不可替代的作用。其中,通脉刺五加胶囊作为刺五加茎叶的提取物制剂,在心血管领域内展现出显著的应用价值。研究表明,刺五加具有治疗缺血性心脏病的功效,其对心脑血管的保护作用已得到广泛认可[18] [19]。
基于网络药理学分析,CAD的关键作用靶点为TGF-β1。而通脉刺五加胶囊的有效成分quercetin的关键作用靶点亦为TGF-β1,该有效成分在治疗冠心病的过程中起到关键作用。例如:可以减少甘油三酯的生成,保护大鼠缺血性心肌劳损[20]。因此,本研究选择TGF-β1作为研究目标。TGF-β1因子通过Smad依赖通路和非Smad依赖通路(如ERK1/2、JNK和P38)发挥其生物学效能,可增强胶原蛋白的合成与分泌[21] [22],导致ECM中的胶原蛋白合成和沉积,进而加速动脉粥样硬化斑块的形成[23] [24]。同时,TGF-β1通过调节基质金属蛋白酶(MMPs)及其抑制剂(TIMPs)的表达,影响ECM的降解和重塑,进一步加剧斑块的形成和进展,并导致心肌纤维化与冠状动脉纤维膜增厚[25]。目前国内外的研究表明,TGF-β1普遍参与多种组织的纤维化反应,尤其适用于心肌梗死后的纤维化发展。例如:阿伐他汀可通过抑制TGF-β信号通路治疗心肌炎症及纤维化[26]。本研究发现,通脉刺五加胶囊通过抑制TGF-β1表达进而调控ECM的代谢过程来治疗冠心病。与阿伐他汀相比,两者虽然都是通过抑制TGF-β但是作用于血管和心脏的不同方向。本研究初步证实,通脉刺五加胶囊可能通过抑制TGF-β1因子,调节血脂代谢和改善主动脉病理变化,从而发挥抗冠心病作用。后续本课题组将继续深入研究TGF-β1相关通路对冠心病的治疗作用,进行多靶点验证。
网络药理学分析显示,通脉刺五加能够与TGF-β1结合。Biacore实验进一步证实两者具有特异性结合能力,从分子层面为其作用机制提供了证据。动物实验验证其治疗效果:心电图检测显示给药组缺血症状得到显著改善;ELISA检测血清生化指标显示该药具有良好调脂作用;HE染色显示各给药组粥样斑块及胶原纤维增生逐渐减少;免疫组化分析显示TGF-β1蛋白表达显著降低;Real-Time PCR检测显示给药组TGF-β1mRNA的表达水平明显下调;WB实验显示给药组TGF-β1蛋白表达显著降低。以上实验结果证明,通脉刺五加胶囊通过调控TGF-β1的表达,对冠状动脉粥样硬化性心脏病具有显著的治疗效果,为临床治疗提供了新的药物选择和治疗思路。
声 明
研究过程中的实验结果不存在受到某机构或厂商的影响。
基金项目
国家中药材产业技术体系专项项目(CARS-21)、黑龙江省自然科学基金项目(LH2023H076)。
NOTES
*通讯作者。