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脑出血(intracerebral hemorrhage, ICH)是脑卒中发病的主要病理类型之一,具有病死率和致残率高的特点,同时其发病率还呈逐年增高趋势
[1-3]。ICH后脑组织损伤情况影响着疾病的转归和预后,其中神经炎症是ICH后继发性损伤的常见和主要机制之一
[4-6]。相关研究指出,高迁移率组蛋白B1(high mobility group box 1, HMGB1)/Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4)信号通路介导炎症反应,影响细胞自噬、凋亡等过程,与ICH后炎性损伤密切相关
[7]。因此,早期干预ICH后神经炎症并调节相关通路表达对于降低病死率和减轻疾病后遗症至关重要。
天麻钩藤饮,源自《中医内科杂病证治新义》一书,其加减在临床中多应用于高血压、卒中、眩晕等疾病,通常被认为其可以通过控制血压来预防ICH和减小初期血肿扩张等
[8]。既往研究指出,天麻钩藤饮对ICH的治疗作用与抑制神经炎症相关,如抑制ICH后核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)的表达和核转位
[9-10]。然而,天麻钩藤饮能否通过调节HMGB1/TLR4信号通路干预ICH后神经炎症的研究未见报道,故本研究拟通过天麻钩藤饮干预ICH小鼠模型探索其对ICH后神经功能的保护作用和相关分子机制。
1 材料与方法
1.1 实验动物
健康C57BL/6小鼠32只(雄性,8~10周,湖南斯莱克景达实验动物有限公司)。饲养环境为无特定病原体(SPF)动物房,饲养期间:室温控制在20~24 ℃,湿度50%~70%,12 h光暗环境交替,定时给予标准饲料与饮用水。喂养适应1周后进行实验。所有实验内容经湖南中医药大学实验动物伦理委员会审核同意(伦理审查受理号:SLBH-202212130002)。
1.2 实验药品
天麻钩藤饮处方的药材购自湖南省中西医结合医院(湖南省中医药研究院附属医院)中药房,具体用药:天麻10 g,钩藤30 g后入,煅石决明30 g先煎,炒栀子6 g,桑寄生15 g,首乌藤10 g,牛膝6 g,三七粉6 g冲泡,大黄10 g。中药材质量符合国家药典标准,按传统方法进行煎煮和浓缩,最终制备得到1.33 mg/mL的浓缩液。
Collagenase Ⅶ(biosharp,BS237-100 mg),活性效价≥1 000 u/mg,浓度0.3 u/μL;甘草酸(Glycyrrhizin)(MedChemExpress,HY-N0184),浓度10 mg/mL;戊巴比妥钠(Merck KGaA,P3761),浓度1%;二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO)(Abiowell,AWC0146a);0.9%氯化钠注射液。
1.3 基于UPLC-HRMS的网络药理分析
1.3.1 天麻钩藤饮的测定
通过UPLC-HRMS分析确定天麻钩藤饮的成分。①样本提取,药液用液氮研磨均匀后,称取约100 mg样本加入1 mL纯水溶液(含L-2-氯苯丙氨酸4 μg/mL),涡旋振荡1 min;-40 ℃冰箱中预冷2 min后研磨(60 Hz,2 min),后冰水浴超声提取60 min,-40 ℃下静置30 min;离心10 min(12 000 r/min,4 ℃),取全部上清液过0.22 μm的水相滤膜,并4 ℃下静置过夜,再次重复后装入内衬管的LC-MS进样小瓶预备分析。②液相色谱-质谱条件,分析仪器为ACQUITY UPLC I-Class plus超高效液相串联QE高分辨质谱仪组成的液质联用系统。色谱条件:色谱柱ACQUITY UPLC HSS T3 (100 mm×2.1 mm, 1.8 μm);柱温45 ℃;流动相为A-水(含0.1%甲酸),B-乙腈;流速为0.35 mL/min;进样体积5 μL。PDA扫描范围210~400 nm。质谱条件:加热电喷雾电离源(heated electrospray ionization source, HESI);样品质谱信号采集分别采用正负离子扫描模式。数据采集模式为DDA。扫描方式为Full MS/dd-MS2 (TOP 8)。
1.3.2 类药成分及靶点筛选
将UPLC-HRMS鉴定的天麻钩藤饮化学成分输入TCMSP(
https://tcmsp-e.com/tcmsp.php)[具体条件:药物口服利用度(oral bioavailability, OB)≥30%和类药性(drug-likeness, DL)≥0.18]和SwissADME平台(
http://www.swissadme.ch)[具体条件:肠胃吸收(GI absortion)为“High”和5类药性预测(Lipinski、Ghose、Veber、Egan、Muegge)结果≥3个“Yes”],两者均筛选通过后的化学成分采用TCMSP和Swiss Target Prediction(
http://www.swisstargetprediction.ch)(具体条件:可能性≥0.1)进行靶点预测后汇总。
1.3.3 疾病相关靶点筛选
利用GeneCards数据库(
http://www.genecards.org)、OMIM数据库(
https://www.omim.org)、DRUGBANK数据库(
https://go.drugbank.com)、DisGeNET数据库(
https://www.disgenet.org)、TTD数据库(
https://db.idrblab.net),以“intracerebral hemorrhage”为关键词进行检索,汇总去重后获得疾病相关靶点。
1.3.4 Hub靶点筛选
取药物靶点和疾病靶点交集,通过STRING 11.5(
https://cn.string-db.org)进行蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)分析,导出数据后使用Cytoscape 3.9.1的cytoHubba插件筛选Hub靶点。
1.3.5 富集分析
运用欧易云平台(
https://cloud.oebiotech.cn/task),进行基因本体论(gene ontology, GO)功能富集分析及京都基因与基因组百科全书(kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)通路富集分析及可视化。
1.4 ICH模型的诱导
参考文献[
11]采用胶原酶Ⅶ诱导ICH小鼠模型,具体操作如下:小鼠麻醉后,取俯卧位固定于鼠脑立体定位仪上,于前囟区域备皮、消毒,纵向剪开该处皮肤,暴露前囟及左侧颅骨,仪器配平后定位左侧球状体(前囟左侧2.0 mm,前囟后侧0.5 mm,深度4 mm),钻孔到达,全自动微量注射泵在5 min内匀速输注Collagenase Ⅶ溶液0.5 μL,留针10 min后缓慢匀速出针,出针时间>5 min,予骨蜡密封针孔,缝合皮肤并消毒。假手术组予等量的0.9%无胶原酶的无菌盐水。术后24 h,待小鼠清醒后进行Longa评分法评价模型。实验流程图及通路机制图见
图1。
1.5 实验分组与干预方法
使用随机数表法分配小鼠(每组8只),分组如下:Sham组(假手术组);ICH组(ICH模型组);IT组(ICH模型给予天麻钩藤饮干预);ITG组(ICH模型给予天麻钩藤饮联合HMGB1靶点抑制剂甘草酸干预)。干预方法如下:IT组和ITG组按16 g/(kg·d)的剂量灌胃天麻钩藤饮药液,其余组灌胃等量盐水;ITG组按50 mg/(kg·d)的剂量腹腔注射Glycyrrhizin溶液,其余组注射等量DMSO溶液。所有干预均在ICH模型制备24 h后进行,持续7 d。天麻钩藤饮灌胃剂量由前期预实验确定。Glycyrrhizin溶液配比及注射剂量则参考相关文献
[12-13]确定。
1.6 观察指标
1.6.1 神经功能检测
神经功能检测在评估造模成功后的第7天进行,2名研究者独立地使用改良神经功能缺损评分(modified neurological severity score, mNSS)进行
[14]。
1.6.2 组织学检测
小鼠脑组织常规脱水后,浸蜡,石蜡包埋,制备4 μm切片,烤片,二甲苯脱蜡,梯度乙醇水化,然后染色,脱蜡、水合,透明封片,光镜下观察神经细胞形态学变化。
1.6.3 蛋白质印迹法(Western blotting)蛋白定量分析
脑组织剪碎后放入裂解液中,研磨后离心(12 000 r/min,4 ℃,10 min)取上清液,通过上样、电泳、转膜、膜封闭、抗体孵育加入一抗ACTIN(GB15003)、Bcl-2-associated X相关蛋白质(Bcl-2-associated X, BAX)(GB15690)、B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)(GB154380)、HMGB1(GB11103)、TLR4(GB11519)、髓样分化因子88(myeloid differentiation primary response protein 88, Myd88)(GB111554)、β干扰素TIR结构域衔接蛋白(TIR domain-containing adapter protein inducing IFN-β, TRIF)(23288-1-AP)、NF-κB(GB11997),再加入HRP-山羊抗兔(GB23303)、显色等步骤。使用Image J软件分析印迹强度,以ACTIN作为对照。试剂均来源于Servicebio(中国武汉)或武汉三鹰。
1.6.4 血清检测
小鼠眼球取血(全血静置15 min,4 ℃,3 000 r/min离心5 min,取上层血清后-80 ℃保存),根据制造商的说明,用ELISA试剂盒检测小鼠血清标本中的肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白细胞介素6(Interleukin-6, IL-6)、白细胞介素1β(Interleukin-1β, IL-1β)水平。使用酶标仪检测样品,通过构建标准曲线测定细胞因子浓度。试剂盒均来源于赛默飞生物。
1.7 统计学方法
使用GraphPad Prism 9.5进行统计分析,计量资料以均数±标准差()表示,比较采用方差分析(ANOVA),以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 天麻钩藤饮的定性和定量分析
天麻钩藤饮共鉴定出509种化合物,进一步通过分析中药成分的含量和化学分类下的含量,可知成分含量较多的是Ginsenoside Rg1、Parishin C、Genipin-1-O-gentiobioside等,类别多为糖及糖苷类、萜类、黄酮类等。见图
2、
3。
2.2 成分靶点筛选
研究通过类药性分析共获得75个具有良好成药性的化学成分,对应药物靶点778个,与2 130个疾病靶点相比有195个靶点重合。
交集靶点进一步通过STRING 11.5和Cytoscape 3.9.1分析可得天麻钩藤饮治疗ICH的Hub靶点。见
表1(排名前30)。
2.3 GO功能富集和KEGG通路富集
将195个交集靶点导入欧易云平台(
https://cloud.oebiotech.cn/task),进行GO功能富集分析及KEGG通路富集分析。结果显示,天麻钩藤饮干预ICH与对异生物刺激的反应、对磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositide 3-kinases, PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)信号转导的正向调节、炎症反应、对脂多糖的反应、对缺氧的反应等生物过程相关,与细胞质核周区、树突、神经元细胞体等细胞成分相关,与内肽酶活性、蛋白酪氨酸激酶活性、整合素结合、丝氨酸型内肽酶活性等分子功能相关,同时还可能影响PI3K/Akt、缺氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor, HIF-1)、高级糖基化终末产物-受体(advanced glycation end products-receptor for AGE, AGE-RAGE)等多个信号通路。见图
4、
5。
2.4 各组神经功能结果
各组mNSS比较,差异有统计学意义(
F=80.300,
P=0.000)。与Sham组相比,ICH组mNSS评分升高,差异具有统计学意义(
P<0.05)。与ICH组相比,IT组和ITG组mNSS评分降低,但仍高于Sham组,差异具有统计学意义(
P<0.05)。见
表2。
2.5 各组病理损伤情况
与Sham组相比,ICH组脑组织结构紊乱,伴间质水肿、核固缩、炎性浸润、细胞水肿及坏死等病理改变;与ICH组相比,IT组和ITG组小鼠脑组织炎性浸润、细胞水肿及坏死等现象减轻。见
图6。
2.6 各组炎症指标情况
各组TNF-α、IL-1β、IL-6水平对比,差异均有统计学意义(
P<0.05)。与Sham组相比,ICH组小鼠的TNF-α、IL-1β、IL-6表达水平升高(
P<0.05)。而与ICH组相比,IT组和ITG组的相关炎症因子表达降低(
P<0.05)。见
表3。
2.7 各组神经细胞凋亡情况
三组间BAX(
F=150.300,
P=0.000)、Bcl-2(
F=14.010,
P<0.002)及其比值(
F=47.230,
P<0.000)存在差异。与Sham组相比,ICH组BAX/Bcl-2比值增加(
P<0.05)。而与ICH组相比,IT组和ITG组BAX/Bcl-2比值降低(
P<0.05)。见
图7。
2.8 各组HMGB1/TLR4通路蛋白表达
三组间HMGB1(
F=18.040,
P=0.000)、TLR4(
F=79.760,
P=0.000)、Myd88(
F=35.030,
P=0.000)、TRIF(
F=49.850,
P=0.000)、NF-κB(
F=79.760,
P=0.000)表达存在差异。与Sham组相比,ICH组HMGB1、TLR4、Myd88、TRIF、NF-κB蛋白表达升高(
P<0.05)。而与ICH组相比,IT组的HMGB1、TLR4、Myd88、NF-κB蛋白表达下降,ITG组的HMGB1、TLR4、Myd88、TRIF、NF-κB蛋白表达降低(
P<0.05)。见
图8。
3 讨论
神经炎症是ICH后继发性脑损伤的关键机制。ICH初期血液渗入脑实质中形成血肿,使得常驻免疫细胞(如小胶质细胞和星形胶质细胞等)募集并激活,释放炎症因子和趋化因子,引发外周免疫细胞的浸润,同时炎症环境的形成会产生一系列包含凝血酶、活性氧、基质金属蛋白酶等在内的有害物质,进一步诱导神经细胞死亡和加重脑组织损伤,最终加重神经功能缺损症状
[5,15-19]。
该项研究中,天麻钩藤饮降低了ICH后的mNSS,并改善了脑组织病理中炎性浸润、细胞肿胀及死亡等现象,表明其在改善小鼠ICH症状中的作用。同时,研究通过检测观察到细胞凋亡率BAX/Bcl-2比值和M1型小胶质细胞相关促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6的降低,表明天麻钩藤饮对ICH小鼠的神经功能保护作用可能与抗炎和抗凋亡作用相关。
TLR4是Toll样受体(TLR)成员之一,与免疫和炎症反应密切相关,在ICH早期即可识别与损伤相关的分子模式并介导宿主对损伤的炎症反应
[20]。TLR4经由Myd88和TRIF路径发出信号,激活下游NF-κB等信号通路的功能表达,最终上调TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎因子表达以放大神经炎症,其中血液诱发的促炎反应通常被更多地认为是Myd88路径依赖性的
[20-21]。此外,HMGB1是由巨噬细胞、单核细胞和免疫细胞分泌的核蛋白,在ICH后神经炎症早期被释放,一方面HMGB1与TLR4/髓样分化蛋白(myeloid differentiation protein,MD2)直接结合以介导巨噬细胞激活和细胞因子释放,另一方面HMGB1又受到NF-κB的调控而进一步放大TLR4信号,因此HMGB1被认为是ICH后治疗的绝佳靶点
[21-24]。
该项研究中,研究通过Western blotting验证了天麻钩藤饮能够降低ICH后的HMGB1、TLR4、Myd88、NF-κB等通路蛋白表达,表明了天麻钩藤饮对ICH小鼠脑组织的抗炎和抗凋亡作用可能与HMGB1/TLR4信号通路相关,且可能依赖于Myd88路径。此外,研究进一步在中药干预基础上联合HMGB1活性抑制剂甘草酸,验证了天麻钩藤饮对于HMGB1的表达抑制作用
[25]。
中药处方通常以多味药物组合以实现多部位、多靶点的疾病综合治疗效果。研究通过质谱分析鉴定出509种化合物,其中部分主要成分已被现代药理学证明对于ICH有治疗作用,如:Ginsenoside Rg1被指出可以抑制ICH后细胞凋亡,促进细胞存活与增殖
[26];Parishin C被指出可以抑制小胶质细胞激活,同时改善脑组织损伤后的氧化应激和炎症反应
[27-28];Genipin-1-O-gentiobioside被验证可以改善神经元凋亡
[29];等。
此外,通过网络药理学对天麻钩藤饮药物成分靶点和ICH疾病靶点进行预测,发现了75个具有良好成药性的化学成分和195个可能具备干预效果的分子靶点,其中TLR4、NF-κB、TNF-α、IL-1β等靶点出现在Hub靶点之中。将195个可能具备干预效果的分子靶点进行功能和通路富集分析,发现功能上与神经细胞密切相关,涉及ICH后的炎症表达、血肿形成、组织缺氧、细胞存活、迁移和修复等过程,而通路富集分析结果也与研究通路密切相关,如:HMGB1与AGE-RAGE信号相互影响,在ICH疾病中AGE/RAGE信号通过上调HMGB1/TLR4/NF-κB诱导炎症因子的释放和中性粒细胞浸润,而HMGB1也可通过上调RAGE促进小胶质细胞M1型极化来加重脑组织损伤
[30-31]。这进一步验证了天麻钩藤饮干预ICH的过程与炎症相关通路密切相关。
综上,研究验证了天麻钩藤饮能够通过降低脑组织炎症表达和抑制神经细胞凋亡来减轻ICH模型小鼠的神经功能缺损和脑组织损伤情况,其潜在机制可能与HMGB1/TLR4信号通路相关,为未来研究中药干预ICH的作用机制提供了一定的参考。但是,研究仍存在许多不足和问题有待进一步讨论,如:研究样本量较少;仅观测ICH急性期的药物干预作用;治疗作用依赖于何种活性物质;等。因此,未来仍需进一步完善实验设计和验证特定化学成分的功效及作用机制。