时间:2024-07-28
杜庭彦,郑昌博,翁稚颖,代泽兰,陈 晨,杨为民
(昆明医科大学药学院暨云南省天然药物药理重点实验室 昆明 650500)
网络药理学(network pharmacology)[1,2]由英国Dundee大学Andrew L.Hopkins于2007年提出,指将药物作用网络与生物网络整合在一起,分析药物在此网络中与特定节点或模块的相互作用关系,从而理解药物和机体相互作用的科学。融合了[3]系统生物学、多向药理学、计算生物学、网络分析等多学科的技术和内容,从多靶点的研究策略出发,实现药物作用的综合网络分析的新型药理学研究方法。网络药理学的基础建立在治疗领域中,许多有效药物作用于多个目标而不是单个目标[4]这一基本概念上,从而提供了1种“多目标,多种效应,复杂疾病”的新型网络模式。网络药理学有助于揭示和发现疾病致病的分子机制,以及药物的作用机制,并在疾病-靶点-药物之间建立分子网络,揭示药物作用于疾病的分子机制。
黄酮类化合物[5](flavonoids)是植物特有的次生代谢产物,指2个苯环通过中央3个碳原子相互连接形成具有C6-C3-C6基本结构的一系列化合物。目前已知的黄酮类化合物超过10000种,根据结构的不同可以分为[6]二氢黄酮(2H-flavanones)、黄酮(flavones)、异黄酮(isoflavones)、黄酮醇(flavonols)、黄烷醇(flavanols)和花色素6大类(anthocyanidins)。黄酮类化合物是多种药用植物的主要有效成分,例如,黄芩[7]中的黄芩苷和黄芩素为黄酮及黄酮醇类化合物;甘草[8]中分离得到了300多种黄酮类化合物,包括二氢黄酮、二氢黄酮醇、查耳酮、异黄烷、异黄酮、黄酮、黄酮醇、异黄酮和异黄酮等,其中,二氢黄酮和查耳酮是主要类型;银杏叶[9]含黄酮类化合物30种以上,其中双黄酮6种,黄酮苷元7种,黄酮苷17种;葛根[10]中的葛根素为异黄酮类化合物。现代药理学研究表明黄酮类化合物具有抗癌[6]、抗氧化[11]、抗炎[12]、抗动脉粥样硬化[13]、抗肿瘤[14]、抗菌[15]等多种药理活性。
灯盏花乙素[16](scutellarin,SCU)又名野黄芩苷(C21H18012),为菊科植物短葶飞蓬Erigeron breviscapus(Vant.)Hand.-Mazz.中提取分离所得的黄酮类化合物。按干燥品计算,其含量不得低于90.0%(供口服用)或98.0%(供注射用)。其功能为活血化瘀,通络止痛,脑络瘀阻,心脉痹阻,胸痹心痛。临床上用于中风及其后遗症、冠心病和心绞痛。除以上药典中明确指出的功能主治,还有其他的临床应用:抗炎、治疗烫伤、糖尿病肾病、慢性肾小球肾炎、颈性眩晕、血管性痴呆、乙型肝炎以及慢性阻塞性肺气病等。
大量文献对SCU以及其他的黄酮类化合物的作用机制进行了研究,提出了它们潜在的临床应用以及其可能的作用机制[17,18],但具体的分子机制还需要进一步研究,这就需要寻找一个高效的方法,为分子机制的假设和实验研究提供思路。本文将对网络药理学方法在药理学研究中的应用,SCU以及其他的黄酮类化合物的传统药理学和网络药理学研究进展做出综述。
1.1.1 预测某药可能有的作用靶点及通路
通常步骤如下:绘制药物活性分子的化学结构式,将此结构式导入如Pharm Mapper数据库中,得到基于此结构而预测的活性靶点,使用String、Bio Grid、HRPD等蛋白质标准数据库剔除重复作用的数据,得到蛋白质和蛋白质之间的相互作用关系,建立以药物化学成分为中心的生物信息网络。参照KEGG、Signa Link、Reactome和Pathway Linker标准数据库中的代谢网络及相关蛋白,预测药物潜在靶点的生物学调控通路。采用Cytoscape软件的Merge功能构建成分−靶点−通路的网络模型。在输出的网络中,以不同颜色的节点(node)表示活性成分、靶点以及作用通路。若某一靶点为化合物的潜在作用靶点,则以边(edge)相连;类似地,若某一蛋白对某条通路具有调节作用,也通过边连接。不同颜色节点间的连接原则为当活性成分作用靶点与作用通路相关靶点相同时,则将活性成分、潜在靶点和作用通路以边关联起来。
1.1.2 若要预测某药对某疾病作用的分子机制
一般步骤如下:运用药物化学数据库如:Pubchem搜索出关键活性化合物的化学结构;再用化合物靶标关系数据库Stitch、Drug Bank等数据库检索已知的被预测的化合物和蛋白之间相互关系;用OMIM、HPO等数据库检索疾病相关蛋白;然后借助String数据库构建药物疾病靶标网络。最终基于上述网络,用Cytoscape软件进行网络构建以及网络拓扑结构计算及挖掘其重要的节点,预测药物治疗疾病的关键分子,最后用David软件对关键靶标功能进行富集分析,预测可能的作用通路。
近几年来,网络药理在药理学研究中应用的文献报道逐年增多:Ming Hong等[19]为了进一步探索党参的保肝作用,运用网络药理学的方法对党参中活性化合物及分子靶点进行了预测并得出党参抗氧化保肝可能是由于作用于以下靶点:MMP2(Matrixmetalloproteinase-2)、PPARα(Peroxisome proliferatoractivated receptor alpha)和 CYP1A2(CytochromeP450,family 1,subfamily A,polypeptide2),为党参后续的体内外进一步的实验研究提供潜在的研究方向。
Shi-Zhang We等[20]运用网络药理学的方法,揭示了三草颗粒(SCG)中11个活性成分中有16个靶点与治疗肝纤维化有关,且这种系统的方法已经成功地揭示了这16个靶点与肝纤维化治疗密切相关。这些靶点富集分析显示TGF-β1/Smad信号通路相对重要。他们后续的动物实验也证明,SCG可通过抑制TGF-β 1/Smad途径显着改善肝纤维化。
Hai-Yang Fang等[21]对麝香保心片(SBP)的心血管疾病(CVD)的作用机制进行了研究。该研究使用网络药理学方法研究SBP对深度CVD的治疗效果,并用Western blot的方法进行了验证,结果表明,SBP的血浆吸收化合物在SBP治疗CVD中起主要作用,其通过多种成分调节CVD相关网络多基因间的相互作用来实现其临床疗效。
综上,网络药理学通常用于研究:预测活性化合物或中药复方中活性成分的作用靶点,为开展药物药理实验研究提供线索;用于发现传统药物的新临床应用;揭示药物作用于疾病的分子机制,为药物的临床应用,以及后续的新药研发提供依据。
近几年来的研究发现[6-22],黄酮类化合物抗肿瘤的药理作用主要与其抑制肿瘤细胞的增殖,诱导肿瘤细胞的凋亡有关,主要涉及以下几条通路:抑制Ras-MAPK通路的相关信号因子;抑制PI3K-Akt-mTOR通路;抑制JAK-STAT通路,下调相关因子的mRNA水平,减少蛋白的磷酸化水平;影响Wnt-β-catenin通路,下调抗调亡因子、周期刺激因子,上调凋亡因子、增殖抑制因子;通过下调或抑制细胞周期蛋白,细胞周期蛋白依赖性激酶和周期蛋白依赖性激酶抑制剂蛋白水平或蛋白表达,抑制细胞周期,从而抑制肿瘤细胞的增殖,并诱导其凋亡。与此同时,黄酮类化合物还与抑制肿瘤细胞血管生成以及肿瘤细胞向其他部位的侵袭转移有关:减少血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的分泌和表达,从而抑制血管生成。抑制肿瘤细胞侵袭与抑制以下靶点有关:抑制胞内靶点如PI3K-Akt,Ras-MAPK通路,影响胞外主要作用靶点包括抑制参与降解的蛋白水解酶包括基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs),尿激酶型纤溶酶原激活剂(urokinase-type plasminogen activator,u PA);增加E-钙粘素(E-cadherin)的蛋白表达;抑制粘着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的激活等,降低肿瘤细胞的黏附力,减少肿瘤的浸润转移。除此之外,黄酮类化合物可通过阻断机体细胞DNA和染色质的异常行为变化而起到抗肿瘤的作用,还可以通过抑制P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)、乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance protein,BCRP)和多药耐药相关蛋白(multidrug resistance related protein,MRP)等蛋白的表达从而逆转肿瘤细胞的耐药行为。
有文献指出[23]黄酮类化合物还可以抑制芳香化酶(aromatase,CYP19)、雌激素受体(estrogen receptor,ER)从而抑制雌激素的生成,而抑制ERα阳性的乳腺癌细胞增殖,还可以抑制微管的生成,达到抑制肿瘤细胞增殖、促进其凋亡的作用。
在运用网络药理学方法预测黄酮类化合物抗肿瘤研究中,张莉华[24]等对葛根抗肿瘤潜在机制进行了探讨,最终确定葛根中16个活性成分与34个肿瘤靶蛋白有相互关系,且涉及了44条信号通路,通路之间大多彼此相互联系,说明葛根作用于多个靶点,协同多条通路产生抗肿瘤的药理作用,为后续葛根抗肿瘤的分子机制研究实验提供了方向和理论依据。
黄酮类化合物[12-25]可以通过直接清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS);抑制产生的氧化酶,如黄嘌呤氧化酶,微粒体单加氧酶等;激活抗氧化酶,如谷胱甘肽S-转移酶和UDP-葡萄糖醛酸转移酶;螯合痕量金属;抑制脂多糖(1ipopolysaccharide,LPS)诱导的诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)基因表达和iNOS活性,减少一氧化氮(nitric oxide,NO)产生,减轻由NO引起的氧化应激发挥抗氧化活性。抑制促炎症因子:p38 MAPK(p38 mitogen-activated protein kinase)、核转录因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、磷脂酶 A2(phospholipase A2,PLA2)、诱导型环氧化酶(inducible cyclooxygenase,COX-2)、脂 氧 合 酶(lipoxygenase,LOX)、前列腺素 E2(prostaglandin E2,PGE2)等的生成发挥抗炎作用。
运用分子对接和网络药理学方法,张立虎[26]等对银杏提取物(银杏黄酮和银杏内酯)潜在的抗炎机制进行了研究。预测出此提取物中有123种化合物满足药性,主要涉及PPARA、IL-2、CHRM1、HO-1、MMPs,IL-17A、SELE、CXCL3、PPARG和CYP1A2这10个炎症相关靶点,其中111个提取物分子与PPARA靶点蛋白有作用,说明它是银杏提取物最主要的抗炎靶点。PPARA、HO-1、PPARG等靶点与NF-κB相关,而黄酮类化合物通过抑制NF-κB从而发挥抗炎作用已经得到了实验证实,其他还未进行实验研究的靶点,也为后续银杏提取物的抗炎机制实验研究提供了方向。
黄酮类化合物[27]的心血管保护作用机制主要包括抑制产生氧自由基相关的酶类,对抗ROS从而抵消血浆低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)氧化,改善血管内皮炎症;抑制LOX活性,并清除LDL氧化过程中的自由基,直接清除超氧离子、过氧亚硝基阴离子,抑制脂质过氧化;下调炎症因子iNOS、IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α,COX-2活性,激活NF-κB信号转导通路等。
Kirsty MacRae[28]等通过使用不同抑制剂孵育大鼠离体血管后,观察血管舒缩反应,动作电位、静息电位变化情况,发现表儿茶素(一种黄酮类化合物)的血管反应和心脏保护作用是通过阿片受体、NO、钾通道和钙通道激活来介导的。
运用网络药理学的方法,魏志成[29]等对沙棘总黄酮治疗心肌缺血的潜在靶点进行预测,结果筛选出沙棘总黄酮的7个活性成分,31个靶点,23条通路直接或间接与心肌缺血有关,从血小板聚集、脂质代谢、炎症相关、细胞凋亡、心脏功能和血管舒张、血管韧性和通透性等6个方面产生治疗心肌缺血的作用。预测得到的钙离子信号通路(calcium signaling pathway),VEGF signaling pathway和缝隙连接信号通路(Gap junction signaling pathway)3个通路与已有文献报道吻合,证实了预测结果的准确性,其余还未被研究的信号通路也为后续的实验研究提供了方向。
Nak Yoon Sung等[30]研究发现SCU通过直接抑制与NF-κB活化相关的Src激酶活性来进行抗炎。
郭新华等[31]通过观察蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)选择性抑制剂SCU对甲醛炎性痛时大鼠自发痛反应、脊髓NOS表达和NO含量的影响,证实鞘内注射灯盏花乙素可明显抑制甲醛诱导的自发痛反应及脊髓伤害性信息神经元NOS表达和NO的合成,从而减轻炎性疼痛。
景艳芸等[32]利用碘化丙锭(propidium iodide,PI)染色法检测LPS合并三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)诱导小鼠J774A.1巨噬细胞发生细胞凋亡,同时,运用Western blot法检测细胞裂解液和上清中IL-1b、caspase-1、HMGBl等蛋白的表达水平和基于微珠的免疫测定法检测细胞上清中IL-1b的分泌水平,证实SCU通过调节蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)活性 ,抑 制 NLRP3(NOD-like receptor family,pyrin domain-containing 3)炎症小体的活化与细胞凋亡,从而发挥抗炎作用。
曹小雨等[33]通过对大鼠脑缺血再灌注(ischemiareperfusion,I/R)模型给药后进行研究,用实时荧光定量法检测脑组织内的细胞色素(cytochrome,CYP)4A1,CYP4A3,CYP4A8的表达情况,用酶联反应吸附测定法检测大鼠内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)含量,与模型组比较,灯盏花素高剂量组可下调大鼠脑组织CYP4A3,CYP4A8表达和血清eNOS含量;灯盏花素低剂量组可显著下调脑组织CYP4A3,CYP4A8表达和eNOS含量,表明灯盏花素可能是通过下调脑组织CYP4A3,CYP4A8的表达来改善大鼠脑缺血再灌注损伤。
Pan等[34]研究发现长期给予SCU通过抑制间质纤维化改善心肌梗塞(myocardial infarction,MI)大鼠的心脏功能,其机制可能涉及抑制促纤维化细胞因子TGFβ 1(transforming growth factorβ1)表达,抑制 ERK1/2(extracellular signal-regulated kinase)和p38 MAPK磷酸化。
Hao Zhou等[35]基于研究表明Notch信号传导在抗纤维化治疗中起着重要的作用。在过表达Notch配体Jagged1的转基因小鼠中,发现Notch抑制心脏纤维化。做了实验进行验证,结果发现异丙肾上腺素(isoprenaline,ISO)处理组中Notch1,Jagged1和Hes1等蛋白的蛋白表达显着低于对照组,而SCU增加了这些蛋白质的表达。这些结果表明SCU抑制心肌纤维化可能与Notch途径相关。但是证据有限,还需要进一步研究。
Xi-Peng Sun等[36]在大量文献报道SCU具有自由基清除,抗氧化等作用的基础上,提出SCU也许可以对抗多柔比星(doxorubicin,DOX)诱导的心肌损伤的假设,SCU可以在不改变血浆药代动力学的基础上,减少DOX在心脏的蓄积,并在后续的实验中证实了这一假设。但具体的分子机制还需要进一步研究。
Zhou Wang等[37]通过研究发现:I/R增加了心肌细胞中肌酸激酶(creatine kinase,CK)以及促炎细胞因子TNFα,IL-1β,IL-6和IL-8的释放。I/R损伤后心肌细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS),马来酸二醛(maleic dialdehyde,MDA)和细胞凋亡增加,细胞增殖,线粒体膜电位,超氧化物歧化酶(superoxide dismutas,SOD)表达降低。SCU剂量依赖性地抑制I/R损伤诱导的促炎细胞因子和CK释放,氧化应答,线粒体膜电位丧失,以及增强细胞增殖和抗氧化剂SOD表达。进一步分析表明,SCU促进JAK/STAT3活化和促生存蛋白Bcl2,VEGF,MMP2和MMP9的表达。抑制促凋亡分子Bax和caspase-3的表达。以上实验结果表明,SCU可能通过激活JAK2/STAT3信号通路从而调节I/R损伤诱导的氧化应激和凋亡。
运用网络药理学的方法方面,程骁[38]等对SCU的潜在作用靶标进行了虚拟筛选,在Pharm Mapper服务器中上传了SCU的化学结构后,Pharm Mappe返回了300个潜在的作用靶标,然后经分析、归类,列出与原方适应证相联系的20个潜在作用靶标,预测SCU会作用于胰岛素受体。大量文献表明,SCU在临床上已经广泛运用于治疗糖尿病的多种并发症,有人对它这一药理作用进行了分子机制研究[17,39]认为,其主要是抑制PKC的活性,抑制PKCβⅠ,βⅡ和δ的易位;下调血管生成因子的表达;抑制TGFβ1的表达而治疗糖尿病并发症,还没有人对它是否是作用于胰岛素受体而产生药理作用进行研究,这就为后续的研究提供了一个新方向。
此外,苑婕[40]对心脑血管类中药灯盏花进行了初步的网络药理学研究,从化学专业数据库和Pubchem数据库下载已报道的灯盏花所含化学成分。将这10个化合物与四种已知的靶点进行组合,构建预测集。预测集进行相应处理后,然后代入随机森林(Random Forest,RF)模型进行靶点预测。预测后列出了与灯盏花化学成分作用频次较高的前15个靶点,提示它们可能是灯盏花治疗心脑血管类疾病的关键靶标;进一步地,应用Cytoscape软件构建灯盏花成分-靶点-疾病网络模型,对计算得到的灯盏花与心脑血管疾病相关的潜在作用靶点进行了文献验证,发现预测出的四类受体相应靶点均有相关实验研究的文献报道。
(1)酶蛋白受体
预测的潜在作用靶点主要磷酸二酯酶3B(cGMP-inhibited 3′,5′-cyclic phosphodiesterase B,PDE3B),细胞色素 P450 2C19酶(cytochrome P450 2C19,CYP2C19)等。贺师鹏、杨挺的实验推测灯盏花颗粒的作用可能是抑制PDE,升高血小板内环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的含量,使细胞内Ca2+浓度降低,从而产生抑制血小板聚集,增加脑组织血供,保护缺血性脑组织的作用。证实了这一靶点的预测。
(2)离子通道受体
预测的潜在作用靶点主要是电压依赖型钙通道(voltage-dependent calcium channel,CACN)受体,电压门控型钾离子通道(potassium voltage-gated channel,KCN)受体,钠通道蛋白(sodium channel protein,SCN)受体,γ-氨基丁酸受体(gamma-aminobutyric acid receptor,GABA)等。郑广华、潘雪刁、王丽娟、唐承静等通过研究发现SCU可能是通过抑制电压依赖性Ca2+通道,开放心室肌细胞的K+通道,直接阻断Na+通道等方式产生抗心律失常的作用。基本也证实了预测与实验结果的一致性。
(3)G蛋白受体
预测的潜在作用靶点主要是肾上腺素受体(adrenergic receptor,ADR)、5-羟 色 胺 受 体(5-hydroxytryptamine receptor,5-HT)等。王勇等在研究SCU抗肾上腺素实验性心律失常的作用中推测,SCU的作用可能是通过多方面的机制而产生的,如阻断β-ADR、抑制Ca2+内流、抑制K+外流等。而王兆铖、陈一岳在SCU有无拮抗5-HT的作用上有分歧。SCU是否作用于ADR,5-HT受体还不能完全确定,仍有待进一步研究。
(4)核蛋白受体
预测的潜在作用靶点主要是核受体(estrogen receptor,ER),预测结果与文献验证有差异。罗祖明等在灯盏花对脑I/R保护作用的实验研究中发现,灯盏花未能使I/R后大脑神经元ER增加,说明灯盏花的脑保护作用不是通过ER实现的。说明通过网络药理学的方法预测药物作用靶点还有一定的不准确性和局限性,这是现有的技术所无法避免的,所以需要用实验对预测的结果进行进一步验证并不断完善网络药理学方法。
张静等[41]观察灯盏细辛对大脑皮层神经细胞存活的影响证实灯盏细辛具有神经保护功能且SCU是其主要脑神经保护活性成分。
尹延庆等[42]通过研究发现,SCU能作为PKC的非竞争性抑制剂,抑制PKC-γ蛋白表达,减轻由PKC-γ介导的兴奋毒性氨基酸释放引起的神经损伤。
Ya-Juan CHEN等[43]通过缺氧再给氧大鼠模型SCU预孵育冠状动脉血管后的实验结果表明SCU通过激活蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)信号通路以内皮依赖性方式诱导冠状动脉血管舒张并修复缺氧再给氧诱导的血管损伤。
综上所述,网络药理学已经开始在药理学研究中广泛应用,并且很多预测的结果经实验验证也与预测的结果基本一致,说明网络药理学方法是一种新兴的,有效的,现代药理学研究可以使用的方法,它为药理学从分子层面研究药物对疾病的作用机制提供了线索,也为开发药物新的作用机制提供了可能,使得传统、有效、安全的药物,得以有新的临床应用,也为现在新药研发失败率高这一难题提供了一个可行的解决方法。
黄酮类化合物,因为结构相似,所以有很多相似的药理作用,可以将其类比研究。既可以找出彼此间的共性,使临床应用中有替代品可供选择,也可以发掘各自特有的药理作用,拓宽临床适用范围。这一方法也可用于其他有效成分结构相似的中药的药理学分子机制研究,由于这类中药药理作用广泛,通过多靶点,多途径作用于人心脑血管系统,肿瘤细胞或组织。虽然大量文献报道集中在黄酮类化合物的传统药理分子机制得基础研究以及临床应用,为它现有的心脑血管、抗肿瘤方面的临床应用提供了理论一定依据,但还有许多网络药理作用的分子机制仍不清楚,这就需要结合网络药理学技术来协助我们去挖掘那些还未被人们发现和研究的作用机制,为发现新的药理作用提供理论依据和研究方向。
SCU作为灯盏花的主要活性成分,在临床上得到广泛地应用,很多人对它的作用机制进行了研究,但主要是对它心脑血管方面的作用机制进行研究,虽有人报道过一些新的临床应用,但具体的分子机制并未做研究,使这些新的临床应用缺乏有力的理论依据。其作用机制复杂,盲目地依靠现有文献进行分子机制假设,不仅耗费大量的实验资源,且研究的层面也很局限,倾向于集中于文献已报道的靶点上进行反复研究,可能会错过它某些未知的作用靶点。如果运用上网络药理学的方法,对其的作用靶点进行预测,对预测出的作用靶点进行实验验证,既节省经费、时间,也节省人力、物力,使研究更高效,准确,还可能会发现新的作用靶点,为发现其新的临床应用提供依据。查阅中文数据库知网、万方、维普,以及外文数据库Pubmed后仅找到两篇中文文献运用网络药理学对SCU的药理作用进行研究,说明关于SCU的网络药理学研究还不够深入,还有很多未知的领域可以被挖掘。这两篇文献运用网络药理学的方法对SCU心脑血管作用的分子靶点进行了初步的研究,并经过查阅相关文献,验证了预测结果与其他人实验研究的结果有较高的一致性,说明了这一方法的可行性,为后续灯盏花乙素其他分子机制研究提供了参考的范例。作为黄酮类化合物,结构相似性使得它可能也会具有其他类黄酮化合物所具有的药理作用,因此它的药理研究可以参考其他黄酮类化合物的现有的研究进行展开。
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