山东科学SHANDONGSCIENCE
第32卷第5期2019年10月出版
Vol.32No.5Oct.2019DOI:10.3976/j.issn.1002 ̄4026.2019.05.006ʌ药理与毒理ɔ
收稿日期:2018 ̄12 ̄17
基金项目:国家自然科学基金(81803662)ꎻ山东省自然科学基金(ZR2017BH018)ꎻ山东省科学院青年基金(2018QN008)ꎻ国家中药材产业技术
体系(CARS ̄21)ꎻ山东省重点研发计划(2018GNC110040)
作者简介:董红敬(1986 )ꎬ女ꎬ助理研究员ꎬ研究方向为中药活性成分分离方法及其活性研究ꎮE ̄mail:donghongjing_2006@163.com∗通信作者ꎬ刘伟(1981 )ꎬ男ꎬ副研究员ꎬ研究方向为中药资源ꎮE ̄mail:liuwei0074@163.com
基于网络药理学方法的黄芩现代药理活性挖掘
及其作用机制分析
董红敬1ꎬ姚雪2ꎬ穆岩1ꎬ马双双1ꎬ耿岩玲1ꎬ刘峰1ꎬ刘伟1∗ꎬ张渝洁3
(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)ꎬ山东省分析测试中心ꎬ山东省中药质量控制技术重点实验室ꎬ山东济南250014ꎻ2.山东中医药大学药学院ꎬ山东济南250355ꎬ3.临沂大学生命科学学院ꎬ山东临沂276005)
摘要:采用高效液相谱 ̄电喷雾 ̄四级杆 ̄飞行时间质谱仪对黄芩水煎液中化学成分进行识别ꎬ发现水煎液中主要含有8种黄酮类成分ꎮ进一步采用网络药理学方法对8种化合物可能的作用靶点及其相关疾病进行了预测ꎬ发现黄芩除了与已报道的抗炎㊁抗肿瘤等疾病相关ꎬ还与水肿㊁中毒㊁高血压㊁出血㊁心脏病等多种疾病相关ꎬ这与黄芩传统功效的泻火解毒㊁止血的功效相近ꎮ通过通路富集分析ꎬ发现黄芩可能主要是通过调节代谢通路㊁脂肪细胞代谢通路㊁花生四烯酸代谢㊁5 ̄羟胺突触㊁精氨酸生物合成㊁钙离子信号通路发挥其多重药理活性ꎮ研究表明ꎬ网络药理学研究方法可为中药传统功效的挖掘及其药理机制研究提供新的方向ꎮ
关键词:黄芩ꎻ化学成分ꎻ网络药理学ꎻ传统功效挖掘ꎻ作用机制
中图分类号:R285.5㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002 ̄4026(2019)05 ̄0054 ̄08
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
InvestigationofthepharmacologicalactivityandmechanismofScutellaria
baicalensisGeorgibasedonthenetworkpharmacologymethod
forexplainingitstraditionaleffect
DONGHong ̄jing1ꎬYAOXue2ꎬMUYan1ꎬMAShuang ̄shuang1ꎬ
GENGYan ̄ling1ꎬLIUFeng1ꎬLIUWei1∗ꎬZHANGYu ̄jie3
(1.ShandongProvincialKeyLaboratoryofTCMQualityControlTechnologyꎬShandongAnalysisandTestCenterꎬQiluUniversityofTechnology(ShandongAcademyofSciences)ꎬJinan250014ꎬChinaꎻ2.CollegeofPharmacyꎬShandongUniversityof
TraditionalChineseMedicineꎬJinan250355ꎬChinaꎻ3.
CollegeofLifeScienceꎬLinyiUniversityꎬLinyi276005ꎬChina)AbstractʒInthisstudyꎬthechemicalconstituentsofastandarddecoctionofScutellariabaicalensisGeorgiareidentified
55第5期董红敬ꎬ等:基于网络药理学方法的黄芩现代药理活性挖掘及其作用机制分析
byusinghigh ̄performanceliquidchromatographyꎬelectrosprayionizationꎬandquadrupoletime ̄of ̄flightmassspectrometry.ItcanbeobservedthattheScutellariabaicalensisGeorgidecoctionmainlycontainseightflavonoids.Thepossibletargetsoftheeightflavonoidsandtheirrelateddiseasesarepredictedbyusingthenetworkpharmacologymethod.ScutellariabaicalensisGeorginotonlyexhibitsanti ̄inflammatoryandanticanceractivitiesbutalsoexhibitsothervariouspharmacologicalactivitiesincaseofotherinstancessuchasedemaꎬpoisoningꎬhypertensio
nꎬhemorrhageꎬandheartdiseases.BasedonpathwayenrichmentanalysisꎬScutellariabaicalensisGeorgicanbeobservedtoexertmultiplepharmacologicalactivitiesmainlybyregulatingthemetabolicpathwayꎬtheadipocytemetabolicpathwayꎬthearachidonicacidmetabolismꎬ5 ̄hydroxytryptaminesynapseꎬtheargininebiosynthesisꎬandthecalciumsignalingpathway.TheresultsdemonstratethatthenetworkpharmacologymethodcanbeusedincaseofthepharmacologicalmechanismoftraditionalChinesemedicineꎬprovidingdistinctexplanationforitsbiologicaleffects.
KeywordsʒScutellariabaicalensisGeorgiꎻchemicalcompositionꎻnetworkpharmacologyꎻinvestigationoftraditionaleffectsꎻmechanism
㊀㊀黄芩为唇形科植物黄芩(ScutellariabaicalensisGeorgi)的干燥根ꎬ主要分布于我国的河北㊁辽宁㊁山西㊁山东等地ꎬ具有清热燥湿㊁泻火解毒㊁止血㊁安胎的功效[1]ꎮ现
代药理学研究表明ꎬ黄芩中化学成分具有抗菌㊁抗病毒㊁抗氧化㊁抗炎㊁抗肿瘤等多种药理活性[2 ̄3]ꎮ中药的药理作用是多种化学成分对机体综合作用的结果ꎬ然而目前关于黄芩药理作用及机制的研究多是针对其中的单一化学成分ꎬ这对其中药作用机制的阐明有一定的局限性[4]ꎮ
随着系统生物学㊁分子生物学以及计算机技术的发展ꎬ网络药理学和整合药理学等前沿方法被广泛地应用于中药领域的各项研究[5 ̄7]ꎮ网络药理学方法可以通过分析化合物与靶点之间的关系间接地说明化合物与疾病的关系ꎬ从而阐明中药中多种化合物对机体的整体作用[8 ̄9]ꎮ这种研究方法与中医的整体观㊁辨证论治㊁协同配伍等原则类似ꎬ对于中药传统功效的生物功能阐释及药效成分()的发现具有重要的指导意义[10]ꎮ本研究采用高效液相谱 ̄电喷雾 ̄四级杆 ̄飞行时间质谱仪(HPLC ̄ESI ̄Q ̄TOFMS)对黄芩水煎液中的化学成分进行了识别ꎬ采用网络药理学方法对黄芩中相对含量较高的化合物的作用靶点进行了预测ꎬ并对相关疾病及其作用机制进行了挖掘ꎬ以期为黄芩传统功效的作用机制研究提供参考ꎮ
1㊀仪器与材料
Agilent1260高效液相谱仪(美国安捷伦科技有限公司)㊁布鲁克ImpactII高分辨质谱仪(德国布鲁克公司)ꎻ谱纯乙腈(天津市康科德科技有限公司)㊁谱纯甲酸(天津市大茂化学试剂厂)㊁纯水(美国密理博MilliporeDirect ̄Q8超纯水机制备)ꎻ黄芩饮片(河北楚风中药饮片有限公司)ꎮ
2㊀方法
2.1㊀黄芩水煎液中化合物数据库的构建
按照本课题组前期建立的黄芩标准汤剂制备方法制备样品溶液[11]ꎬ利用Q ̄TOFMS技术可为液相谱峰提供精确分子量ꎬ该技术具有可对谱峰进行定性的优势ꎬ采用HPLC ̄ESI ̄Q ̄TOFMS技术对黄芩标准汤剂中主要共有峰进行定性鉴别[11]ꎮ液相条件:流动相为乙腈(A)和0.1%甲酸水溶液(B)ꎻ梯度为0~20minꎬ15%~25%Aꎻ20~35minꎬ25%~30%Aꎻ35~50minꎬ30%~50%Aꎻ50~65minꎬ50%~85%Aꎻ流速为0.8mL/minꎻ柱温为30ħꎮ质谱条件:采集模式为正离子检测模式ꎻ干燥气体积流量为8L/minꎻ毛细管电压为3500Vꎻ质荷数(m/z)扫描范围为50~1000ꎮ
提取谱峰的质谱数据ꎬ获得谱峰对应化合物的精确分子量ꎬ得到化合物的分子式ꎬ并通过与文献进行对比ꎬ对化合物进行定性分析ꎬ获得黄芩水煎液中化学成分[12]ꎮ通过ChemSpider网站[13]查询化合物并下载化合结构式ꎬ采用ChemBioDrawUltra(14.0)软件提取出化合物的SMILS文件ꎬ用于化合物靶点预测ꎮ
山㊀东㊀科㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2019年
2.2㊀预测化合物的靶点在网络中ꎬ与节点相连的路线条数可以用度来表示ꎬ度值越大ꎬ靶点与化合物的作用关系越密切ꎬ也可能是化合物的关键靶点[5]ꎮ采用SwissTargetPrediction数据库[14]对黄芩标准汤剂中主要化学成分进行靶点预测(人源靶点)ꎮ采用Cytoscape(3.5.1)软件绘制化合物 ̄靶点(compound ̄targetꎬC ̄T)网络图ꎬ并对其拓扑特性进行分析ꎬ筛选出度值ȡ2的靶点ꎮ
2.3㊀构建靶标 ̄疾病网络采用CTD数据库[15]对度值ȡ2的靶点进行分析ꎬ查与靶点相关的疾病ꎬ从而间接获取黄芩中化学成分与疾病之间的关系ꎮ本研究选取推理得分ȡ100的疾病名称ꎬ推理得分越高ꎬ说明疾病与靶点之间的关系越可靠ꎮ
2.4㊀通路富集分析利用DAVID(thedatabaseforannotationꎬvisualizationandintegrateddiscovery)数据库[16]对相关靶点的通路进行富集分析ꎬ选择P<0.05的生物通路ꎬ采用Cytoscape绘制靶点 ̄生物通路(targets ̄pathwaysꎬT ̄P)关系网络图ꎬ分析靶点与生物通路的关系ꎮ整合C ̄T和T ̄P数据ꎬ构建主要活性成分 ̄生物通路(C ̄P)作用网络ꎬ并分析成分和通路的关系ꎬ可从分子水平阐明黄芩中多种成分对疾病的相互作用关系ꎮ
3㊀结果与分析3.1㊀黄芩水煎液中化学成分的识别图1为黄芩标准汤剂的HPLC ̄ESI ̄Q ̄T
OFMS基峰图ꎬ显示主要有8个谱峰ꎬ通过质谱提供的化合物分子量信息ꎬ并与参考文献比较ꎬ总共鉴定了8个化合物ꎬ分别为Baicalin㊁GlychionideA㊁OroxylinA7 ̄O ̄β ̄D ̄glucoside㊁Wogonoside㊁Baicalein㊁Wogonin㊁ScullcapflavoneII㊁OroxylinA[12]ꎮ化合物具体信息如表1所示ꎮ
图1㊀黄芩水煎液HPLC ̄ESI ̄Q ̄TOFMS基峰图
Fig.1㊀BasepeakchromatogramofScutellariabaicalensisGeorgidecoctionanalyzedbyHPLC ̄ESI ̄Q ̄TOFMS
表1㊀黄芩水煎液中化合物具体信息
Table1㊀CompoundsobtainedfromtheScutellariabaicalensisGeorgidecoction
编号实测分子量[M+H]+误差(10-6)化合物分子式结构式
C1447.09132.0C21H17O
11Baicalin
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第5期董红敬ꎬ等:基于网络药理学方法的黄芩现代药理活性挖掘及其作用机制分析
续表1
编号实测分子量[M+H]+误差(10-6)化合物分子式结构式
C2447.09151.5C21H17O
11
GlychionideA
C3461.10633.3C22H19O
11
OroxylinA7 ̄O ̄β ̄D ̄glucoside
C4461.10633.3C22H19O11
Wogonoside
C5271.05952.2C15H9O
Baicalein
C6285.07473.5C16H11O
Wogonin
C7375.10633.0C19H17O
scull
ScullcapflavoneII
C8285.07502.7C16H11O
OroxylinA
3.2㊀黄芩主要化学成分的潜在靶点反向虚拟筛选
将8个化合物结构式分别投入到SwissTargetPrediction数据库[14]ꎬ进行作用靶点的反向虚拟筛选ꎬ共匹配得到44个潜在靶点ꎮ使用Cytoscape软件绘图ꎬ得到C ̄T相互作用关系网络图(图2)ꎮ该网络共有52个节点ꎬ包含8个化学成分和44个靶点蛋白ꎬ组成120条化合物 ̄靶点关系ꎮ该网络描述了化合物 ̄靶点的相互作用关系ꎬ解释了黄芩多种化学成分潜在药理作用的相互作用关系(节点和边分别表示化合物和靶点及其之间的作用关系)ꎮ如表2所示ꎬC ̄T相互作用关系网络图中ꎬ度值>5的靶点有7个ꎬ分别为PTGS1(前列腺素内过氧化物合酶1)㊁PTGS2(前列腺素内过氧化物合酶2)㊁TDP1(酪氨酰 ̄DNA磷酸二酯酶1)㊁ADORA1(腺苷A1受体基因)㊁AKR1B10(醛糖还原酶相似蛋白1)㊁AKR1B15(醛糖还原酶1B15)㊁AKR1B1(醛糖还原酶)ꎮ研究表明ꎬPTGS1和PTGS2与动脉粥样硬化㊁炎症㊁脑卒中有密切的关系[17]ꎻTDP1是肿瘤的潜在靶点[18]ꎻADORA1是缺血性脑损伤修复及炎症㊁镇痛的靶点[19 ̄20]ꎻAKR1B10是肿瘤㊁乙肝病毒的靶点ꎬ并且具有代谢毒性醛酮物质㊁调节脂质合成的功能[21]ꎮ以上研究说明ꎬ中药黄芩具有疾病多靶点㊁多种药理活性的特点ꎮ
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山㊀东㊀科㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2019
图2㊀黄芩中化合物 ̄靶点关系网络图
Fig.2㊀Thecompound ̄targetnetworkofScutellariabaicalensisGeorgi
表2㊀度值大于5的靶点
Table2㊀Targetswithadegreeofmorethan5
靶点度值
前列腺素内过氧化物合酶1(PTGS1)6
前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)6
酪氨酰 ̄DNA磷酸二酯酶1(TDP1)6
腺苷A1受体基因(ADORA1)6
醛糖还原酶相似蛋白1(AKR1B10)7
醛糖还原酶1B15(AKR1B15)7
醛糖还原酶(AKR1B1)7
3.3㊀黄芩主要化学成分的潜在靶点与疾病的相互关系
通过CTD在线分析平台筛选度值大于等于2靶点蛋白相关疾病ꎬ绘制T ̄D关系网络图(图3ꎬ度值大于等于8)ꎬ度值越大说明靶点与疾病之间的关系越密切ꎮT ̄D网络中共包含38个节点ꎬ包括13个靶点ꎬ涉及25种疾病ꎬ主要有化学以及药物诱导的肝损伤(chemicalanddruginducedliverinjury)㊁体重减轻(weightloss)㊁炎症(inflammation)㊁增生(hyperplasia)㊁坏死(necrosis)㊁纤维化(fibrosis)㊁产前暴露迟发效应(prenatalexposuredelayedeffects)㊁肾病(kidneydiseases)㊁水肿(edema)㊁中毒(poisoning)㊁高血压(hypertension)㊁学习障碍(learningdisorders)㊁记忆障碍(memorydisorders)㊁肝肿大(hepatomegaly)㊁神经损伤(nerveDegeneration)㊁认知障碍(cognitiondisorders)㊁药物相关副作用和不良反应(drug ̄relatedsideeffectsand85

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