基于网络药理学、分子对接与实验验证探讨蛇床子素治疗慢性阻塞性肺疾病的作用机制

郭甜甜, 管平丽, 周彦彤, 高笑宇, 孙德俊

【作者机构】 内蒙古医科大学内蒙古临床医学院; 内蒙古自治区人民医院国家卫生健康委员会慢阻肺诊治重点实验室
【分 类 号】 R285
【基    金】 中央引导地方科技发展资金项目(2022ZY0127) 内蒙古自治区科技计划项目(2025KYPT0007) 内蒙古自治区研究生科研创新项目(KC2024046S)。
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基于网络药理学、分子对接与实验验证探讨蛇床子素治疗慢性阻塞性肺疾病的作用机制

基于网络药理学、分子对接与实验验证探讨蛇床子素治疗慢性阻塞性肺疾病的作用机制

郭甜甜1 管平丽2 周彦彤2 高笑宇2 孙德俊2

1.内蒙古医科大学内蒙古临床医学院,内蒙古呼和浩特 010030;2.内蒙古自治区人民医院国家卫生健康委员会慢阻肺诊治重点实验室,内蒙古呼和浩特 010017

[摘要] 目的 利用网络药理学、分子对接技术及体外实验,探究蛇床子素(Ost)治疗慢性阻塞性肺疾病(COPD)的作用机制。 方法 通过中药系统药理学数据库与分析平台、Swiss Target Prediction、Pharmmapper、UniProt、GeneCards、OMIM、Therapeutic Target Database、DrugBank数据库获取Ost与COPD的作用靶点,取交集后用STRING数据库和Cytoscape软件构建蛋白质-蛋白质相互作用网络并筛选核心靶点。使用DAVID数据库进行基因本体功能和京都基因和基因组数据库通路富集分析,并利用AutoDock软件进行分子对接验证。在体外实验中,采用香烟烟雾提取物(CSE)诱导A549细胞构建慢性炎症模型,设置空白组、模型组(CSE处理)及Ost低、中、高剂量组(50、100、200 µmol/L)进行干预。通过RT-qPCR检测炎症因子白细胞介素(IL)-1β、IL-8、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的mRNA表达量,采用Western blot法检测PI3K/Akt信号通路及相关核心靶点蛋白表达水平。 结果 网络药理学预测共获得159个Ost与COPD的共同作用靶点,核心靶点涉及CASP3、ESR1、PTGS2、PARP1、GSK3B、HSP90AB1,基因本体功能富集分析得到生物过程337个,细胞组成71个,分子功能175个,京都基因和基因组数据库富集分析提示PI3K/Akt信号通路为关键通路;分子对接结果显示Ost与各核心靶点均具有良好的结合活性。细胞实验显示:模型组IL-1β、IL-8、TNF-α mRNA表达量高于空白组(P<0.05);Ost低、中、高剂量组IL-1β、IL-8、TNF-α mRNA表达量低于模型组(P<0.05)。模型组PI3K、P-PI3K、Akt、P-Akt、PTGS2、GSK3B蛋白表达水平高于空白组(P<0.05);Ost低、中、高剂量组PI3K蛋白表达水平低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组P-PI3K、P-Akt、HSP90AB1、PTGS2、ESR1蛋白表达水平低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组PARP1蛋白表达水平高于模型组(P<0.05);Ost高剂量组Akt、GSK3B、CASP3蛋白表达水平低于模型组(P<0.05)。 结论 Ost可能通过调控PI3K/Akt信号通路,影响PTGS2、GSK3B、PARP1等核心靶点的表达,从而抑制炎症反应,发挥治疗COPD的作用。

[关键词] 蛇床子素;慢性阻塞性肺疾病;网络药理学;分子对接;PI3K/Akt信号通路

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种以持续气流受限为特征的慢性呼吸系统疾病,其病理基础与气道慢性炎症密切相关,多由长期暴露于有害气体或颗粒(如烟草烟雾、空气污染)所引发[1-2]。支气管扩张剂联合吸入性糖皮质激素仍是核心治疗药物,但无法逆转已形成的肺部结构性损伤[3-4]。蛇床子素(osthole,Ost),是一种天然香豆素类化合物,主要从中药蛇床子的果实中提取[5]。蛇床子早在《神农本草经》中便有记载,具有温肾壮阳、祛风燥湿之效,其活性成分Ost表现出抗炎、抗氧化、抗肿瘤、免疫调节及神经保护等多重生物活性,尤其在呼吸系统疾病中的潜在治疗价值备受关注[6]。本研究采用网络药理学和分子对接,挖掘Ost治疗COPD的关键作用靶点与机制,采用肺上皮细胞慢性炎症模型进行验证,为Ost治疗COPD提供理论和实验基础。

1 材料与方法

1.1 网络药理学及分子对接

1.1.1 Ost靶点的获取 利用中药系统药理学数据库与分析平台(https://tcmspw.com/tcmsp.php)、Swiss Target Prediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)与Pharmmapper(https://www.lilab-ecust.cn/pharmmapper/)数据库检索Ost所有靶点,再通过UniProt数据库(https://www.uniprot.org/)标准化与合并,去重后得到Ost的作用靶点。

1.1.2 COPD靶点的获取 在GeneCards(https://www.genecards.org/)、OMIM(https://www.omim.org/)、Therapeutic Target Database(https://db.idrblab.net/ttd/)和DrugBank(https://go.drugbank.com/)数据库中以关键词“Chronic Obstructive Pulmonary Disease”进行检索,删除重复值,获得疾病靶点。

1.1.3 构建药物-疾病维恩图及蛋白质-蛋白质相互作用(proteinprotein interaction,PPI)网络 将Ost作用靶点与COPD疾病靶点进行交集整合,绘制“药物-疾病”靶点维恩图。再将共同靶点导入STRING数据库(https://cn.string-db.org/),生成PPI网络。运用Cytoscape 3.9.1软件进行可视化分析,并根据节点度值筛选出核心靶点。

1.1.4 基因本体(gene ontology,GO)和京都基因和基因组数据库(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)富集分析 利用DAVID数据库(https://david.ncifcrf.gov/)对所得靶点进行GO和KEGG富集分析。GO功能注释从生物过程、细胞组成和分子功能3个层面展开,KEGG分析则用于揭示靶点显著富集的信号通路,从而系统阐明Ost的潜在作用机制。

1.2 分子对接验证

从PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)获取Ost的3D结构,通过PDB数据库(https://www.rcsb.org/)获得Ost与核心靶点蛋白质的3D结构,使用AutoDock 4.2软件对配体与受体分别进行预处理:为Ost添加氢原子;对靶蛋白则移除水分子和多余配体,并添加氢原子。将预处理后的受体与配体文件重新导入,设定好对接盒子参数,执行分子对接并评估结合构象,最后用PyMOL 2.5软件进行可视化分析。

1.3 细胞实验验证

1.3.1 药品及主要试剂 Ost(上海阿拉丁科技有限公司,货号:D2422168);1640培养基、0.25%胰蛋白酶、胎牛血清(美国Gibco公司,货号:6124416、2957341、A5256701);CCK8试剂盒(大连美仑生物技术有限公司,货号:MA0218-5);总RNA提取试剂盒、反转录试剂盒、荧光定量PCR扩增试剂盒(日本TaKaRa公司,货号:AMG1420A、AN41233A、AM41008A);BCA试剂盒(美国Thermo公司,货号:QB214487);RIPA裂解液、SDS-PAGE试剂盒(北京索莱宝科技有限公司,货号:R0020、P1200);PI3K、ESR1、GSK3B、HSP90AB1、PARP1(杭州景杰生物科技有限公司,货号:PTM-5198、PTM-6838、PTM-7313、PTM-5734、PTM-6014);Akt、P-Akt(武汉三鹰生物技术有限公司,货号:10176-2-AP、66444-1-Ig);P-PI3K、CASP3(美国Cell signaling公司,货号:#4228、#14220);PTGS2、GAPDH、羊抗兔二抗、羊抗鼠二抗(美国Abcam公司,货号:ab52237、ab181602、ab6721、ab205719)。

1.3.2 细胞培养 本研究中使用的肺癌人类肺泡基底上皮细胞(A549)来自国家卫生健康委员会慢阻肺诊治重点实验室。将含有10%胎牛血清的1640培养基加入A549细胞培养皿中,置于37 ℃、5% CO2培养箱中培养,待其生长至80%时进行传代,选取处于对数生长期的细胞进行后续实验。

1.3.3 肺上皮细胞慢性炎症模型的构建与治疗 香烟烟雾提取物(cigarette smoke extract,CSE)制备:采用负压抽吸的方式制备CSE溶液[7-8]。采用长丰牌香烟在大包氏活芯气体采样管中制备CSE原液,过滤后调整其pH值为7.4,于4 ℃保存备用。

Ost制备:将Ost粉末溶解于含二甲基亚砜的无血清培养液中制备成10 mmol/L储备液。使用时稀释至所需浓度,确保各组DMSO终浓度低于0.1%[9]

肺上皮细胞慢性炎症模型构建与治疗:取对数期的A549细胞进行实验。细胞被分为以下各组:①空白组:不予特殊处理;②模型组:用1.5%CSE处理细胞48 h;③不同浓度Ost组(12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0 µmol/L):先用1.5%CSE处理细胞24 h,再用Ost处理24 h[10-11]

1.3.4 CCK8法检测细胞增殖活性 取对数生长期的A549细胞以3×103个/ml的密度接种于96孔板内,每组3个复孔。按空白组、模型组、不同浓度Ost组(12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0 µmol/L)处理后,每孔加入CCK8试剂,使用酶标仪在450 nm波长处检测各孔吸光度,根据吸光度计算细胞存活率,得到半数抑制浓度(median inhibition concentration,IC50),并确定Ost低、中、高剂量组的浓度。

1.3.5 RT-qPCR测定炎症因子mRNA表达量 取对数生长期的A549细胞接种于6孔板内,每孔5 000个细胞。为规避无效或细胞毒性浓度,依据CCK8实验结果,筛选出50、100、200 µmol/L分别作为Ost的低、中、高剂量用于后续实验。细胞按空白组、模型组及Ost低、中、高剂量组进行处理后,用RNA提取试剂盒与反转录试剂盒制备cDNA,以cDNA为模板进行PCR扩增。反应体系总体积为25 µl,包括12.5 µl TB green Premix Ex TaqⅡ、正反向引物各1 µl、2 µl cDNA及8.5 µl灭菌水。反应条件为95 ℃预变性1 min;随后进行40个循环的95 ℃变性20 s、60 ℃退火与延伸60 s。采用2-ΔΔCt法分析细胞中炎症因子白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-8、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)mRNA相对的表达量。引物序列为IL-1β正向引物:5’-AGCTACGAATCTCC-GACCAC-3’,反向引物:5’-CGTTATCCCATGTGTC-GAAGAA-3’;IL-8正向引物:5’-ACTGAGAGTGATT-GAGAGTGGAC-3’,反向引物:5’-AACCCTCTG-CACCCAGTTTTC-3’;TNF-α正向引物:5’-GAGGC-CAAGCCCTGGTATG-3’,反向引物:5’-CGGGCC-GATTGATCTCAGC-3’。

1.3.6 Western blot法检测相关蛋白的表达水平 将A549细胞接种于6孔板中,按空白组,模型组,Ost低、中、高剂量组(50、100、200 µmol/L)处理后,加入蛋白裂解液冰上裂解并离心。吸取上清液,用BCA试剂盒测定蛋白含量,再加入上样缓冲液,煮沸变性。经SDS-PAGE凝胶电泳、转膜、5%脱脂牛奶封闭,结束后用TBST洗膜,分别加入按比稀释的HSP90AB1(1∶5 000)、PARP1(1∶1 000)、PTGS2(1∶2 000)、GSK3B(1∶2 000)、ESR1(1∶1 000)、CASP3(1∶2 000)、PI3K(1∶2 000)、P-PI3K(1∶1 000)、Akt(1∶2 000)、P-Akt(1∶1 000)、GAPDH(1∶10 000)一抗孵育过夜。次日TBST洗膜后加入对应二抗(1∶10 000),室温孵育并洗膜后进行显影。以GAPDH为内参,计算目的蛋白相对表达量。

1.4 统计学方法

采用GraphPad Prism软件对所得数据进行分析。计量资料采用均数±标准差表示,多组间比较采用方差分析,两组间比较采用两样本独立t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 Ost与COPD靶点预测及PPI网络可视化分析

共检索到Ost作用靶点414个,COPD疾病靶点10 350个。取交集整合,获得共同靶点159个。PPI分析发现159个共同靶点间存在相互作用关系,其中排名前8位的核心靶点为CASP3、ESR1、PTGS2、PARP1、ERBB2、CCND1、GSK3B、HSP90AB1。见图1。

图1 Ost治疗COPD作用靶点交集维恩图及PPI网络

2.2 GO和KEGG富集分析

GO富集分析得到生物过程337个,包括对激素的反应、对外来刺激的反应、蛋白质磷酸化、生物碱反应等;细胞组成71个,包括细胞因子依赖性蛋白激酶全酶复合物、膜筏、突触后膜等;分子功能175个,包括蛋白激酶活性、碳酸酐酶活性、蛋白激酶结合等。KEGG富集分析得到114条通路,主要涉及癌症发病途径、PI3K/Akt信号通路、细胞周期、cAMP信号通路等。见图2。

图2 Ost治疗COPD靶点基因GO及KEGG分析

2.3 核心靶点的分子对接验证

分子对接结果显示,Ost与各核心靶点结合能均在4.5 kcal/mol以下,见图3。其中,Ost与HSP90AB1、PTGS2和ERBB2的结合能均小于-7.0 kcal/mol,显示出强烈的相互作用;其余靶点也表现出良好的结合活性。以上结果显示,Ost可能通过直接作用于这些靶点来发挥其调控作用。

图3 Ost与核心靶点的结合能及分子对接

2.4 不同浓度Ost对CSE处理后细胞活性的影响

模型组细胞活性低于空白组(P<0.05);Ost组(12.5、25.0、50.0、100.0 µmol/L)的细胞活性高于模型组(P<0.05);Ost组(200、400 µmol/L)的细胞活性低于模型组(P<0.05);经测定,Ost组的IC50介于152.2~195.4 µmol/L,因此本研究考虑选择细胞活力在IC50附近且有统计学意义的Ost进行后续实验,设置Ost低、中、高剂量分别为50、100、200 µmol/L。见图4。

图4 不同浓度Ost对CSE处理后的A549细胞活性的影响(n=3)

2.5 不同浓度Ost对CSE处理后细胞炎症水平的影响

模型组的IL-1β、IL-8、TNF-α mRNA表达量高于空白组(P<0.05);Ost低、中、高剂量组的IL-1β、IL-8、TNF-α mRNA表达量低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组的IL-1β、TNF-α mRNA表达量低于Ost低剂量组(P<0.05);Ost高剂量组的IL-8 mRNA表达量低于Ost低剂量组(P<0.05),IL-1β、IL-8 mRNA表达量低于Ost中剂量组(P<0.05)。见图5。

图5 不同浓度Ost对CSE处理后的A549细胞炎症水平的影响(n=3)

2.6 不同浓度Ost对CSE处理后细胞信号通路及核心靶点蛋白的影响

模型组PI3K、P-PI3K、Akt、P-Akt、PTGS2、GSK3B蛋白表达水平高于空白组(P<0.05);而模型组HSP90AB1、PARP1、ESR1、CASP3蛋白表达水平与空白组比较,差异无统计学意义(P>0.05);Ost低、中、高剂量组PI3K蛋白表达水平低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组P-PI3K、P-Akt、HSP90AB1、PTGS2、ESR1蛋白表达水平低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组PARP1蛋白表达水平高于模型组(P<0.05);Ost高剂量组Akt、GSK3B、CASP3蛋白表达水平低于模型组(P<0.05);Ost中、高剂量组PARP1蛋白表达水平高于Ost低剂量组(P<0.05);Ost高剂量组PI3K、P-PI3K、GSK3B、CASP3蛋白表达水平低于Ost低剂量组(P<0.05);Ost高剂量组PARP1蛋白表达水平高于Ost中剂量组(P<0.05);Ost高剂量组GSK3B蛋白表达水平低于Ost中剂量组(P<0.05)。见图6。

图6 不同浓度Ost对CSE处理后的A549细胞信号通路及核心靶点蛋白的影响(n=3)

3 讨论

COPD是一种主要由吸烟引发的气道慢性炎症性疾病,在中医属“肺胀”“喘证”“咳嗽”范畴,其病机多与肺气亏虚、痰浊内阻及气滞不畅有关,故治疗多以补虚固本、敛肺降气、化痰祛瘀等为主[12-13]。蛇床子具有温肾纳气固本、化痰逐瘀通标之效,因而可以用于治疗COPD。研究表明,其有效成分Ost具备抗炎、抗氧化与抗凋亡等多重药理活性,包括靶向RIPK2减轻CSE诱导的支气管上皮细胞损伤,以及经由Nrf2-Gpx4通路抑制铁死亡[9,14];此外,还可通过调控MAPK和TGF-β1/Smad2/3信号通路改善哮喘气道重塑,这进一步提示了其治疗COPD的潜在价值[15]

本研究通过构建CSE诱导的A549细胞炎症模型,系统探讨Ost的抗炎作用及机制。实验设计上,RT-qPCR与Western blot法各有侧重:前者旨在从基因层面确认Ost的抗炎功能,后者则从蛋白水平探索其上游作用机制,从而系统验证网络药理学的预测。研究结果显示,Ost可显著抑制IL-1β、IL-8、TNF-α等炎症因子的mRNA表达,表现出明确的抗炎活性。Western blot法分析进一步显示,Ost通过调控PI3K/Akt信号通路,影响下游PTGS2、GSK3B等关键蛋白的表达。这些发现与已有研究相印证:PTGS2作为诱导型炎症介质合成酶,在病理状态下可被快速激活,驱动炎症反应与组织损伤,是抗炎药物的核心靶标[16];GSK3B作为多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶,参与炎症反应、细胞凋亡及纤维化过程,在COPD中发挥多重作用[17];而PI3K/Akt信号通路通过调控炎症介质释放与气道重塑等过程,在COPD发病机制中起重要作用[18-20]

综上所述,Ost可能通过调节PI3K/Akt信号通路及其下游靶点PTGS2、GSK3B的表达,减轻炎症反应,从而发挥治疗COPD的作用。本研究存在一定局限性:首先,RT-qPCR与Western blot法检测指标未能完全对应,限制了证据链的完整性。其次,PTGS2、GSK3B等靶点与下游炎症因子之间的直接调控关系尚未完全阐明,机制探索的深度有待进一步加强。此外,部分蛋白在模型组中未观察到显著上调,可能与所选A549细胞自身高表达特性有关;CSE诱导的体外损伤模型也难以充分模拟体内复杂的慢性炎症微环境。后续课题组将进一步开展动物实验,对关键炎症因子与信号靶点进行同步的mRNA与蛋白水平验证,以构建更完整的作用网络,并深入探讨药物代谢与制剂优化,推动基础研究向临床转化。基于Ost的多靶点作用机制,其治疗策略有望从“泛炎症抑制”迈向“精准调控”,为COPD防治提供新路径。

利益冲突声明:本文所有作者均声明不存在利益冲突。

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Exploring the mechanism of osthole in treating chronic obstructive pulmonary disease based on network pharmacology, molecular docking,and experimental validation

GUO Tiantian1 GUAN Pingli2 ZHOU Yantong2 GAO Xiaoyu2 SUN Dejun2

1.Inner Mongolia Clinical Medical College, Inner Mongolia Medical University, Inner Mongolia Autonomous Region,Hohhot 010030, China; 2.National Health Commission Key Laboratory of Chronic Obstructive Pulmonary Disease Diagnosis and Treatment, Inner Mongolia People’s Hospi

tal, Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010017, China

[Abstract] Objective To investigate the mechanism of osthole (Ost) in treating chronic obstructive pulmonary disease(COPD) using network pharmacology, molecular docking, and in vitro experiments. Methods The target proteins of Ost and COPD were obtained from the Chinese Medicine System Pharmacology Database and Analysis Platform, Swiss Target Prediction, Pharmmapper, UniProt, GeneCards, OMIM, Therapeutic Target Database, and DrugBank databases.The intersection of these targets was taken, and then a proteinprotein interaction network was constructed using the STRING database and Cytoscape software, and the core targets were screened. Gene ontology functional and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway enrichment analyses were performed using the DAVID database.Molecular docking verification was conducted using AutoDock software. For the in vitro experiments, a chronic inflammation model was established by exposing A549 cells to cigarette smoke extract (CSE). The cells were divided into a blank control group, a model group (CSE-treated), and low, medium, and high doses of Ost groups (50, 100, 200 µmol/L).The mRNA expression of inflammatory cytokines interleukin (IL)-1β, IL-8, and tumor necrosis factor-α (TNF-α) was detected by RT-qPCR. The protein expression of key components of the PI3K/Akt signaling pathway and related core targets was measured by Western blot method. Results Network pharmacology prediction identified 159 common targets of Ost and COPD. Core targets included CASP3, ESR1, PTGS2, PARP1, GSK3B, and HSP90AB1. The gene ontology functional enrichment analysis yielded 337 biological processes, 71 cellular components, and 175 molecular functions.The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes database enrichment analysis indicated that the PI3K/Akt signaling pathway was the key pathway. The molecular docking results showed that Ost had good binding activity with all the core targets. The cell experiments showed that the mRNA expression levels of IL-1β, IL-8, and TNF-α in the model group were higher than those in the blank group (P<0.05); while the mRNA expression levels of IL-1β, IL-8, and TNF-α in the low, medium, and high doses of Ost groups were lower than those in the model group (P<0.05). The protein expression levels of PI3K, P-PI3K, Akt, P-Akt, PTGS2, and GSK3B in the model group were higher than those in the blank group (P<0.05); the expression levels of PI3K in the low, medium, and high doses of Ost groups were lower than those in the model group (P<0.05); the expression levels of P-PI3K, P-Akt, HSP90AB1, PTGS2, and ESR1 proteins in the medium and high doses of Ost groups were lower than those in the model group (P<0.05); the expression level of PARP1 protein in the medium and high doses of Ost groups was higher than that in the model group (P<0.05); the expression levels of Akt, GSK3B, and CASP3 proteins in the high dose of Ost group were lower than those in the model group (P<0.05). Conclusion Ost may regulate the PI3K/Akt signaling pathway, thereby influencing the expression of core targets such as PTGS2, GSK3B, and PARP1. This, in turn, can inhibit the inflammatory response and play a role in treating COPD.

[Key words] Osthole; Chronic obstructive pulmonary disease; Network pharmacology; Molecular docking; PI3K/Akt signaling pathway

[中图分类号] R285

[文献标识码] A

[文章编号] 1673-7210(2026)03(a)-0014-08

DOI:10.20047/j.issn1673-7210.25071034

[基金项目] 中央引导地方科技发展资金项目(2022ZY0127);内蒙古自治区科技计划项目(2025KYPT0007);内蒙古自治区研究生科研创新项目(KC2024046S)。

[作者简介]

郭甜甜(2000.3-),女,内蒙古医科大学内蒙古临床医学院2023级老年医学专业在读硕士研究生;研究方向:慢性阻塞性肺疾病与肺动脉高压。

[通讯作者] 孙德俊(1960.7-),男,博士,主任医师,教授,主要从事呼吸内科学临床与研究工作。

(收稿日期:2025-07-14)

(修回日期:2025-11-29)

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