DOI:10.20047/j.issn1673-7210.25071034
中图分类号:R285
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)。 |
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。
1.1.1 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。
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。
1.3.1 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。
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。
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
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
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
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)
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)
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)
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
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。
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