痛风性关节炎(gouty arthritis,GA)是一种常见的代谢性风湿类疾病和慢性系统性炎症疾病,因长期发作严重影响患者的生活质量,因此对其研究具有重要价值。现有研究指出,其病理过程可能为嘌呤代谢失衡或尿酸排泄功能受损,导致血尿酸浓度异常增高,进而促使尿酸钠(monosodium urate,MSU)晶体在关节腔及周围软组织内逐渐沉积,最终诱发了GA
[1]。从疾病发展规律来看,痛风的自然病程可以被划分成4个阶段:无症状高尿酸血症期、急性发作期、发作间歇期及慢性痛风石病变急性期
[2-3],其中以突发性关节红肿热痛及功能障碍为典型临床表现。流行病学研究表明,全球GA的患病率为0.1%~10%,我国最新研究证实其总体发病率已达2.86%,且呈现两大明显特征——年增长率持续走高,发病年龄向年轻人群体迁移
[4]。现在治疗体系降低尿酸的方式为通过秋水仙碱、非甾体类消炎药(nonsteroidal antiinflammatory drugs,NSAID)、糖皮质激素等药物快速控制炎症反应,但长期使用这些药物易引发肝肾功能损伤及胃肠道并发症,更难以解决疾病复发等核心问题
[5]。在此背景下,中医药在GA全程管理中的独特优势逐渐凸显,其通过多靶点调控改善患者预后的特点,为突破现有治疗瓶颈提供了新思路
[6]。
黄连解毒汤(Huanglian Jiedu Decoction,HLJDD)作为清热解毒药方,出自《肘后备急方》,由黄连、黄芩、黄柏、栀子按3∶2∶2∶3配伍而成。现有药理学实验证据表明,HLJDD可通过多靶点交互作用发挥广泛的生物效应,包括调控炎症反应、抑制病原微生物增殖、改善脂质代谢稳态(如降低血清胆固醇水平),以及调节血管张力平衡(如稳定血压波动)、抗肿瘤增殖、氧化应激抑制、神经保护及免疫稳态调节等
[7]。另一方面,现代研究表明HLJDD是以多靶点、多通路协同来发挥作用,例如不但能通过抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NK-κB)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等炎症通路发挥抗炎作用,而且可通过抑制NOD样受体热蛋白结构域蛋白3(NOD-like receptor family pyrin domain containing 3,NLRP3)炎症小体的异常激活、重构肠道微生物群落动态平衡,在代谢紊乱相关疾病的干预中体现多靶点协同增效作用。此外,临床观察证实该方可显著缓解GA患者关节症状并降低复发率,但其具体作用靶点及机制网络尚未完全阐明
[8]。
本研究整合现代分析手段与生物信息学预测方法,首先采用UPLC-Q-TOF-MS/MS技术确定HLJDD化学成分,继而通过网络药理学筛选HLJDD治疗GA的关键靶点,构建“成分-靶点-通路”多维互作网络,分子对接验证了关键成分与关键靶基因之间的结合能力。这种系统研究策略不仅有助于揭示HLJDD治疗GA的潜在分子机制,更为经典方剂的现代化研究提供创新方法学参考。
1 材料与方法
1.1 试剂
黄连饮片(批号:S20240701,产地重庆)、栀子饮片(批号:240701,产地江西)、黄芩饮片(批号:S20221201,产地山西)、黄柏饮片(批号:20240712,产地四川),上述饮片均由北京同仁堂咸阳药店有限责任公司提供,均符合《中国药典》2020年版有关规定。色谱级甲醇购自天津市科密欧化学试剂有限公司,色谱级乙腈购自美国Sigma公司,质谱级甲酸来自赛默飞世尔科技(中国)有限公司。
1.2 仪器
Waters公司(美国)提供的ACQUITY UPLC H-Class超高效液相色谱系统与Xevo G2-XS Q-Tof高分辨质谱联用平台;昆山超声仪器有限公司生产的超声处理装置;赛多利斯集团(北京)研发的精密分析天平;以及理化器械株式会社(东京)制造的FDU-2100型真空冷冻干燥系统。
1.3 方法
1.3.1 HLJDD的成分分析
1.3.1.1 溶液的配制
①供试品溶液。按处方称取4味药材饮片(黄连9 g、栀子9 g、黄芩6 g、黄柏6 g),浸泡30 min,药材按10倍与8倍纯化水分2次煎煮,各30 min。趁热过滤后合并2次的滤液,用旋转蒸发仪浓缩至微黏稠状态。-80 ℃预冻后冷冻干燥机干燥24 h,超微粉碎得到冻干粉。精确称取100 mg冻干粉,溶解于5 mL色谱甲醇中,12 000 r/min离心10 min得到上清液,上清液经0.22 μm滤膜过滤后避光保存待测。②对照品溶液。精密测定黄柏碱、巴马汀、汉汉黄芩素、黄连碱、栀子苷、黄芩苷、栀子苷酸及汉黄芩素对照品适量,分别以色谱级甲醇为溶剂配制成单一组分浓度为100 μg/mL的对照品溶液,上清液经0.22 μm滤膜过滤后避光保存待测。
1.3.1.2 测定条件
①色谱条件。色谱柱:Waters ACQUITYUPLCBEHC18(2.1 mm×100.0 mm,1.7 μm),流动相:乙腈(A)-0.1%甲酸水溶液(B),洗脱梯度(0~1 min,5%A;1~5 min,5%~26%A;5~9 min,26%~28%A;9~12 min,28%~98%A;12~15 min,95%~95%A),进样量1 μL,柱温35 ℃,流速0.3 mL/min。②质谱条件。离子化方式:电喷雾离子源(electrospray ionization,ESI),采用正负离子分析模式检测;采集方法:Fast DDA;一级质谱扫描范围(m/z):100~1 200;二级质谱扫描范围(m/z):50~1 000;采集二级离子碎片;毛细管电压:3.0 kV;锥孔电压:50 V;源温度:100 ℃;去溶剂气温度:400 ℃;去溶剂气流速:800 L/h,锥孔气流速:50 L/h;正负离子碰撞能:低质量端能量设置为6 eV,高质量端能量设置为10~50 eV。
1.3.2 网络药理学探讨HLJDD治疗GA的作用机制
1.3.2.1 活性成分及靶点的筛选
根据中药系统药理学分析平台(TCMSP,
http://tcmspw.com/TCMSP.php)的标准(OB≥30%和DL≥0.18),初步筛选HLJDD的化学成分。根据化学成分的鉴定结果,建立HLJDD的潜在活性成分数据库,并利用Uniprot蛋白质数据库(
https://www.uniprot.org/)将化合物的蛋白质靶点标准化为相应的基因符号(Gene Symbol)作为药物活性靶点。在Genecards(
https://www.genecards.org)、Disgenet(
https://disgenet.com/)数据库中以“gouty arthritis”为关键词检索疾病靶点,采用中位数原则筛选后得到GA的潜在靶点。对药物活性靶点与疾病靶点的可视化交集分析在Venny在线分析平台(
https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/)进行,通过韦恩图展示二者共有的核心作用靶点。
1.3.2.2 蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction network,PPI)网络构建
将共有的核心作用靶点上传至STRING蛋白互作网络分析平台(
https://cn.string-db.org/),构建靶点间潜在相互作用关系图谱。随后,使用Cytoscape 3.10.1软件中CytoHubba插件根据节点的度值(degree)筛选出从PPI网络中前10个关键核心靶点。
1.3.2.3 KEGG通路分析与基因本体(gene ontology,GO)富集分析
对关键核心靶点在DAVID功能注释数据库(
https://david.ncifcrf.gov/)进行GO注释及KEGG通路的富集分析,设定显著性阈值(
P<0.05),筛选排名前15的显著性条目可视化。
1.3.3 分子对接
将筛选的10个核心成分作为分子对接中的配体,从PubChem数据库(
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)下载配体的SDF格式文件,转换为mol2格式文件用chem 3D软件;将Top 10核心靶点作为分子对接中的受体,从PDB数据库(
https://www.rcsb.org/)下载PDB格式文件。将准备好的配体和受体文件使用Auto Dock Tools 1.5.6软件进行加氢、去水、计算电荷等处理,然后保存为pdbqt格式以用来分子对接。运用Autodock vina对活性成分和核心靶点分子对接以计算结合能,使用origin软件用热图表示对接结果,最后采用PyMOL软件对结合能最低的进行可视化。
2 结果
2.1 基于UPLC-Q-TOF-MS的HLJDD化学成分鉴定
在上述色谱和质谱条件下对HLJDD供试品进样分析,得到样品正、负离子扫描模式下的总离子流图,见
图1。采用一级质谱全扫描和提取离子峰的方法,确定了HLJDD 63个色谱峰,确定了47个化合物(
表1)。经过与对照品的保留时间、精准相对分子质量比较,准确鉴定出8个化合物(黄柏碱、巴马汀、汉汉黄芩素、黄连碱、栀子苷、黄芩苷、栀子苷酸、汉黄芩素);通过与文献提供的保留时间、相对分子质量、结构式、离子碎片对比,推测了其他35个化合物结构。47个化合物包括黄酮、有机酸、生物碱等多种化合物,其中黄酮类14个,生物碱类13个。
2.1.1 黄酮类成分质谱解析
本研究通过质谱分析从HLJDD中成功表征出14种黄酮类成分,选取其中编号36的化合物作为典型代表探讨其质谱裂解特征。在正离子扫描模式下,该化合物检测到准分子离子峰m/z 447.166 4([M+H]
+),经精确质量数计算推导其分子式为C21H20O11。二级质谱分析显示特征碎片离子包括m/z 287.125 4([M+H-Glu]
+)、269.112 7([M+H-Glu-H
2O]
+)及241.115 3([M+H-Glu-H
2O-CO]
+),据此推断其可能为黄芩苷或其结构类似物。碎片离子m/z 287的形成源于前体离子脱去一分子葡萄糖基团,后续脱水反应生成m/z 269碎片,而m/z 241则对应进一步丢失一氧化碳分子产生的特征峰。通过对照品保留时间比对及文献数据
[9],确定化合物36为黄芩苷。
2.1.2 生物碱类化合物
从HLJDD质谱结果中表征出13种生物碱类化合物。选编号15的化合物作为典型代表探讨其质谱裂解特征。在正离子扫描模式下,其分子离子峰为m/z342.244 7[M]
+,经精确质量数计算推测其分子式为C
20H
24NO
4。二级质谱分析显示特征碎片离子包括m/z192.164 4[M+H-Glu]
+、177.138 5[M+H-Glu-CH
3]
+、148.133 9[M+H-Glu-CH
3-CHO]
+碎片离子,初步推测该成分为黄柏碱或其异构体。其中m/z 192是由前体离子断裂1分子葡萄糖所致,再进一步脱去1分子甲基形成m/z 177,m/z 148则为前体离子依次脱去1分子CHO离子后生成。通过对照品保留时间比对及文献数据
[10],确定化合物15为黄柏碱。
2.2 HLJDD治疗GA的关键成分和靶点分析
通过相关数据库结合质谱分析结果,最终筛选出54个活性成分,主要活性成分前10见
表2,得到250个HLJDD成分相关靶点。此外,得到484个GA相关潜在靶点。通过韦恩图取交集,最终获得共同靶点37个。
2.3 PPI网络
从String数据库导出生成的原始PPI网络图(
图2),下载TSV文件。将该文件导入Cytoscape 3.10.1软件构建PPI网络图(
图3),节点的颜色深浅代表度值的大小,度值越大,表示该节点与其他蛋白质的相互作用越强。数据结果显示,该网络包含37个节点和686条边,通过度中心性、介数中心性、接近中心性指标筛选,得出前10个核心蛋白(
表3)。
2.4 富集分析结果
GO富集得到35个GO条目(
图4),其中生物学过程(bioprogress,BP)条目20个,包括炎症反应、基因表达的正调控、生物刺激反应、细胞凋亡过程的正调控、细胞老化、IL-8、IL-6的正调控、活性氧代谢的正调控等方面;7个细胞组分(cell components,CC)条目,包括膜筏、细胞外基质、质膜、内质网腔、神经元投射等;分子功能(molicular function,MF)条目8个,包括丝氨酸型内肽酶活性、细胞因子活性、酶结合、相同蛋白质结合、血红素结合、生长因子活性、趋化因子活性和前列腺素内过氧化物合成酶活性。京都基因和基因组数据库(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集得到16条通路,主要包括NOD样受体通路、TOLL样受体通路、晚期糖基化终末产物(advanced glycation end product,AGE)-AGE受体(RAGE)信号通路、白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)信号通路、TNF信号通路及NF-κB信号通路等,取前15条信号通路进行可视化分析(
图5)。
2.5 “药物-活性成分-疾病-靶基因-通路”网络图
将54个药物活性成分、37个交集靶基因、前15条信号通路导入 Cytoscape 3.10.1软件,构建“药物-活性成分-疾病靶基因-通路”网络,进行可视化分析,见
图6。分析网络图,共有328个节点,1 331条边。
2.6 分子对接验证结果
将前10的核心靶点(IL6、PPARG、IL1B、TNF、MMP9、PTGS2、CXCL8、IL10、TGFB1、RELA)与前10的活性成分(槲皮素、β-谷甾醇、黄连碱、汉汉黄芩素、巴马汀、栀子苷、黄芩苷、黄柏碱、小檗碱、栀子苷酸)进行分子对接,得出的分子对接结合能结果的热图(
图7)。结果显示HLJDD治疗 GA 的关键活性成分和核心靶点结合能均<-5.0 kCal/moL,对接情况良好。利用PyMol软件可视化结合能相对较低的成分与靶点的组合,见
图8。
3 讨论
HLJDD作为中医经典方剂,在临床实践中一直发挥重要作用,具有明显的泻火解毒效果,用于三焦火毒证。随着现代医学研究的深入,HLJDD在临床应用中的适应证范围得到了进一步拓展,如脑缺血、肿瘤等
[11]。HLJDD包含黄连、黄芩、黄柏和栀子多味药材,其化学成分复杂,包含生物碱、黄酮类、酚类等多种活性成分,然而传统的HPLC或低分辨质谱方法,分析效率和分辨率都较低,不能满足化学物质基础及作用机制研究的精确需求
[12-13]。而UPLC-Q-TOF-MS有高分辨率、高灵敏度和强大结构解析能力的优点,已成为复杂体系中化合物表征、定性和定量分析的重要工具,并成功用于药物分析领域。本实验利用UPLC-Q-TOF-MS对HLJDD的化学成分进行分析,通过对照品、保留时间、碎片信息、文献分析多种方法综合识别了HLJDD水提物的化学成分,结果共鉴定出 63个色谱峰,47种化合物。其中包括14种酮类化合物,13种生物碱类化合物,其他化合物20种。并在结果中选出与HLJDD治疗GA相关的主要活性成分为槲皮素、β-谷甾醇、黄连碱、汉黄芩素、巴马汀、栀子苷、黄芩苷、黄柏碱、小檗碱、栀子苷酸。对筛选出的活性成分进行相关的文献研究,发现上述成分可以通过多通路来缓解GA。有文献报道表明槲皮素可以通过抑制NLRP3炎症小体的激活来减轻炎症反应,从而能显著降低尿酸水平,以缓解GA
[14]。黄连碱缓解GA时,发挥抗炎作用的机制与TLR4炎症信号转导通路和NF-κB炎症信号通路有关
[15]。巴马汀通过调节NF-κB/NLRP3和Nrf2通路预防MU诱发的GA
[16]。黄芩苷可通过下调mTEN/PI3K/AKT/mTOR信号通路的激活,来缓解GA
[17]。其他成分缓解GA的作用机制尚未查到相关文献报道,需要进一步研究。
本研究网络药理学部分筛选出37个交集靶点,其中度值前10的依次为IL6、PPARG、IL1B、TNF、MMP9、PTGS2、CXCL8、IL10、TGFB1、RELA,这些可能是HLJDD治疗GA的关键靶点。IL6、IL1B、TNF、CXCL8、MMP9、PTGS2、RELA为常见的促炎细胞因子,促进炎症因子分泌、中性粒细胞聚集以及组织破坏。HLJDD在GA急性发作时通过下调这些蛋白的表达,来对GA局部组织发挥抗炎作用
[18]。PPARG、IL10、TGFB1为抗炎与修复靶点,参与炎症后期的调控和平衡,减轻炎症反应并促进组织修复,可能作为GA潜在的治疗靶点
[19]。富集结果发现HLJDD对GA发挥保护作用涉及炎症反应、细胞迁移的正调控、细胞分化的负调控、调节活性氧代谢过程等生物过程,相关通路为IL-17、TNF等炎症信号通路。已有研究认为通过抑制IL-17通路相关蛋白的表达,可抑制炎症级联反应的扩大,缓解GA
[20]。TNF作为经典抗炎通路,其上下游通路如TLRs、NF-κB信号转导通路都是抑制GA相关蛋白表达的常见通路
[21]。此外,研究还发现每个化合物、通路对应的靶标蛋白有所重合,这说明HLJDD通过多成分、多靶点、多通路协同途径对GA的炎症反应进行调控从而发挥治疗作用。分子对接进一步验证了网络药理学分析的结果。关键成分都与核心靶基因的对接得分较高,展现出较强的靶点结合能力,这表明具有明显的生物学活性,其中PTGS2与多个关键成分都结合良好,可能是HLJDD治疗GA的主要潜在靶点。
综上所述,本研究鉴定出HLJDD的有效成分,分析HLJDD质谱中各类化合物的裂解规律。此外,通过网络药理学筛选HLJDD治疗GA的核心成分、核心靶点和相关通路,以预测HLJDD治疗GA的可能作用机制。最后,通过分子对接验证了核心成分和核心靶点之间的结合能力良好,为HLJDD的质量控制,HLJDD治疗GA的功效及作用机制验证提供了理论基础和科学依据。