银屑病是一种常见的慢性复发性皮肤病,发病率较高,易于复发,病程较长,对患者的身体健康和精神影响大,是当前皮肤病领域内重点研究的疾病之一
[1]。槐花“治皮肤风并肠风泻血”首载于《日华子本草》,宋代及以后多部本草专著亦有其治疗“皮肤风”的记载
[2]。槐花中主要含有黄酮类、多糖类、脂肪酸和挥发油等化学成分
[3-5],其中包括芦丁、槲皮素、山奈酚等在内的黄酮类成分是槐花中主要活性成分
[6, 7]。现代药理研究表明,槐花具有抗炎
[8]、抗氧化
[9],以及抑制糖基化终产物进而改善血热证
[10]等作用,而这些药效作用均有助于改善银屑病病症。强燕等
[11]对治疗银屑病处方中药物使用频次进行统计,其中槐花的使用频率高居前10位,常见的验方有《土槐饮》、《凉血止血汤》和《犀角地黄汤》等。现代医家也善用槐花治疗银屑病,翟永丽
[12]治疗银屑病的凉血止血汤中以槐花为君药,段行武在犀角地黄汤中以槐花为主药治疗银屑病
[13]。
虽然经方典籍和现代医家均认为槐花治疗银屑病效果优异,但目前关于其治疗银屑病的药理学研究尚浅,物质基础也未明确。本研究通过网络药理学和分子对接的方法对槐花治疗银屑病的有效成分及作用靶点进行筛选并预测调控通路,通过动物实验验证药效及作用靶点,初步探究槐花治疗银屑病的作用机制,为开发治疗银屑病药物提供研究基础。
1 材料和方法
1.1 药物与试剂
甲氨蝶呤片(通化茂祥有限公司);复方青黛胶囊(天宁制药有限责任公司);咪喹莫特乳膏(规格:3 g,四川明欣药业有限责任公司);薇婷脱毛膏(利洁时家化有限公司);凡士林(湖南尔康制药股份有限公司);4%多聚甲醛溶液(biosharp生物科技有限公司);槐花(重庆上药慧远药业有限公司)。
1.2 仪器与设备
BSA 124-S 万分之一天平、CPA 225-D十万分之一天平(德国赛多利斯集团);超声波清洗机(广东固特超声股份有限公司);超纯水机(四川优普超纯科技有限公司);台式高速离心机(贝克曼库尔特公司);酶标仪(上海闪谱生物科技有限公司);科德士宠物用修毛器(深圳科德士电器有限公司);显微镜(重庆澳浦光电技术有限公司)。
1.3 动物
SPF级BALB/c雄性小鼠(18~22 g)42只,由湖南斯莱克景达实验动物有限公司提供[实验动物生产许可证号:SCXK(湘)2019-0004],饲养于重庆市中药研究院实验动物研究所SPF级动物饲养室[实验动物使用许可证SYXK(渝)2017-0003]。实验室通风良好,室温(25±2)℃,相对湿度约为(40±5)%。小鼠自由取食,标准饮食和水由实验室提供。所有研究均经重庆市中药研究院实验动物伦理委员会批准,所有方法均按照相关指导方针和规定进行(伦理批号:430727220100804051)。
1.4 方法
1.4.1 网络药理学
1.4.1.1 活性成分的筛选及靶点的预测
通过TCMSP数据库,条件设定为口服生物利用度(OB)≥20%、药物相似度(DL)≥0.1。得出槐花中的化学成分、靶点基因。查阅相关文献补充槐花中其他与治疗银屑病相关的化学成分信息,导入SwissTargetPrediction平台预测相应靶点,以P≥0.05筛选,初步获得银屑病的潜在靶点,筛选后得到银屑病疾病靶点,两者交集即为关键靶点。
1.4.1.2 蛋白互作(PPI)网络的构建及核心靶标的筛选
将药物成分及靶点基因导入Cytoscape 3.8.0,构建蛋白互作网络图。通过Network Analyzer工具进行拓扑分析,根据degree、Betweenness Centrality和Closeness Centrality值均大于中位数值进行排名筛选核心靶标
[14]。
1.4.1.3 GO和KEGG通路富集分析
使用微生信在线平台对共有靶点进行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析,绘制出生物学过程、细胞组成和分子功能三合一图和KEGG通路气泡图。
1.4.1.4 “中药—有效成分—关键靶点—信号通路—疾病”网络的构建
将槐花、有效成分、关键靶点、信号通路及银屑病导入Cytoscape 3.8.0软件,构建“中药—有效成分—关键靶点—信号通路—疾病”网络,计算各有效成分在网络中的度值,筛选与治疗银屑病关联最大的有效成分。
1.4.1.5 分子对接
采用Discovery Studio 2019软件将槐花潜在活性成分与靶蛋白进行对接验证。首先在RCSBPDB数据库下载槐花治疗银屑病的关键靶点的蛋白晶体结构,采用Discovery Studio 2019软件中Clean Protein工具对其进行相关处理,将槐花潜在活性成分导入Discovery Studio 2019软件中进行分子对接,计算对接打分值(-CDOCKER ENERGY),对其结果进行可视化分析。
1.4.2 槐花治疗银屑病的药效验证
1.4.2.1 银屑病小鼠模型的构建、给药
小鼠适应性喂养3 d,随机分为7组:空白组(Normal)、模型组(Model)、甲氨蝶呤片组(MTX)、复方青黛胶囊组(QDCC)、槐花低、中、高剂量组(FS-L、FS-M、FS-H),6只/组。对各组小鼠背部脱毛,裸露皮肤2 cm×3 cm,除空白组外,其余各组在裸露处涂抹41.7 mg咪喹莫特乳膏(IMQ),1次/d,连续涂抹8 d,诱导银屑病模型;空白组以等量凡士林代替
[15]。槐花组(FS-L、FS-M、FS-H)及阳性药组(MTX、QDCC)于造模前先灌胃给药7 d,并在造模第1天起固定时间灌胃,直至造模结束;空白组和模型组灌胃给予等体积0.5% CMC-Na。槐花组给药剂量根据2020年版《中国药典》中槐花的人用剂量(5~10 g)进行选择,以10 g/60 kg为中剂量,根据体表换算法得到小鼠灌胃剂量为1.5 g饮片/kg,以此制备槐花水煎液浓度分别为:高(0.3 g饮片/mL)、中(0.15 g饮片/mL)、低(0.075 g饮片/mL);阳性药组按临床等效剂量配置药物浓度分别为MTX(0.045 g/mL)和QDCC(0.09 g/mL),灌胃体积为0.1 mL/10 g。饲养期间,各组均给予饮食和饮水自由(
图3A)。
1.4.2.2 皮损指数评价
于造模第1天起,每日拍照记录各组小鼠皮肤变化,进行银屑病皮损面积及严重程度指数(PASI)评分。根据文献
[16]观察小鼠皮损中红斑、鳞屑、浸润程度依次计0~4分,具体PASI评分细则见下
表1。
1.4.2.3 体质量变化及脾脏指数分析
每日记录小鼠体质量变化情况。实验结束后,收集小鼠的脾脏,称重,拍照,与当天对应的小鼠体质量进行计算分析。其计算公式如下:脾脏指数 = 脾脏质量/小鼠体质量×100%
1.4.2.4 HE染色
分离小鼠皮肤组织,4%多聚甲醛固定,于24 h后常规脱水、石蜡包埋,组织切片(4 μm)后进行HE染色并显微观察。
1.4.2.5 免疫组化(ICH)染色检测皮肤p-PI3K、p-AKT蛋白表达
取皮肤组织蜡块,切片,抗原处理后用血清密封,分别用p-PI3K和p-AKT一抗(1∶400)在4 ℃下孵育过夜;加入二抗,室温孵育50 min。细胞核DAB染色,脱水封片,镜检,采集图像并利用Image-Pro Plus 6.0软件对进行分析。
1.4.2.6 Western blotting检测皮肤p-PI3K、p-AKT蛋白表达
按照组织质量(mg)∶裂解液体积(μL)∶PMSF体积(μL)=10∶150∶1加入裂解液和PMSF液,BCA试剂盒测定浓度,在100 ℃下变性10 min,用SDS-PAGE分离,以240 mA电流转移到PVDF膜上,用5% BSA封闭1.5 h,1×TBST清洗3次,5 min/次,一抗在4 ℃下孵育过夜,1×TBST清洗3次,二抗在室温下孵育1.5 h。1× TBST清洗3次,用ECL化学发光试剂盒显色检测,以GAPDH为内参,以目的蛋白灰度值/内参灰度值表示蛋白相对表达量。
1.4.3 统计学分析
使用GraPhPad Prism 8.0进行统计分析,多组间比较采用单因素方差分析和Duncan的多范围检验分析数据。P<0.05被认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 槐花化学成分和作用靶标的筛选
通过TCMSP数据库中共检索到27个化学成分,筛选得到9个化学成分,增加1个化学成分(芦丁)
[17],共10个化学成分(
表2)。使用TCMSP数据库筛选得到200个化学成分作用靶点。利用Uniprot平台进行筛选得到1630个银屑病相关靶点。将筛选的化学成分靶点与银屑病靶点取交集,得到110个关键靶点。
2.2 PPI网络的构建
将上述药物—疾病共同靶点输入到STRING数据库中进行检索,得到槐花治疗银屑病潜在靶点共有110个节点、2092条边(
图1A)。其中,Degree值越大,节点越大,则蛋白之间的关系越密切。根据Degree值进行排名(
图1B),排名前10的靶点分别为:IL-6、AKT1、TNF、ACTB、IL-1β、TP53、VEGF-A、PTGS2、CASP3和MMP-9。
2.3 KEGG和GO富集分析
通过KEGG通路富集分析,选取与银屑病关系密切的15个通路绘制气泡图(
图1C),包括PI3K-AKT信号通路、TNF信号通路、IL-17信号通路、Toll样受体信号通路、Th17细胞分化等15条相关信号通路。GO分析结果显示(
图1D),在CC中,“染色质”所富集的基因个数最多,为21个。MF中,“锌离子结合”和“DNA结合”,同为20个。在BP中,“细胞对环状有机化合物的反应”所富集的基因个数次于前3者,为9个。
2.4 中药—有效成分—关键靶点—信号通路—疾病
基于上述分析结果,利用Cytoscape 3.8.0软件构建“中药—有效成分—关键靶点—信号通路—疾病”网络(
图1E)。网络中共有136个节点、385条连线,节点大小和Degree值大小呈正相关,节点越大,Degree值越高,该节点在网络中越重要。从网络中发现了9个可能通过作用于关键靶点及信号通路来影响银屑病的有效成分,分别为槲皮素、山奈酚、异鼠李素、β-谷甾醇、亚麻酸、芦丁、西多糖苷、亚油酸、N-[6-(9-吖啶氨基)己基]苯甲酰胺。网络中Degree值较高的关键靶点包括IL-6、AKT1、ACTB、TNF、IL-1Β和TP53等。此外,槐花各关键成分分别与多个靶点蛋白相互作用,而同一靶点又参与多个信号通路的功能调节,体现了槐花通过多成分、多靶点、多通路的方式治疗银屑病的特点。其中,Degree值较高的信号通路包括“PI3K-AKT信号通路(hsa04151)”、“TNF信号通路(hsa04668)”和“IL-17信号通路(hsa04657)”等。
2.5 分子对接验证
对网络分析得到的5个核心靶点与其对应的Degree值较高的活性成分进行分子对接,预测槐花活性成分与核心靶点的关系。CDOCKER-ENERGY值越高对接结果越可靠(
表3、
图2)。Refinement resolution值越小代表该蛋白越稳定越可靠,表明蛋白的可靠性较高。其中AKT1与山奈酚的对接结果得分最高,达到68.900 4,其次为TP53与槲皮素、AKT1与槲皮素以及IL-1β与槲皮素。
2.6 槐花对银屑病小鼠体质量、脾脏指数的影响
与正常组相比,模型组小鼠在造模第2天体质量下降;给药治疗后,各组小鼠体质量都升高,与模型组相比,除FS-H外,FS-M和FS-L小鼠体质量升高趋势都较明显,其中以FS-L效果最佳;FS-L和MTX小鼠体质量恢复程度持平,FS-M比QDCC小鼠体质量恢复程度稍好,而FS-H小鼠体质量比模型组小鼠体质量恢复程度略低(
图3B)。
造模第8天小鼠脾脏形态与正常组相比,模型组小鼠脾脏肿胀明显,与模型组相比,阳性药组(MTX、QDCC)小鼠脾脏肿胀程度得到不同程度的减轻,FS-L小鼠脾脏肿胀程度有轻微缓解,但FS-M小鼠肿胀程度改善不明显,FS-H小鼠脾脏略有肿大趋势(
图3C)。与正常组比,模型组小鼠脾脏指数升高(
P<0.001);与模型组比,MTX小鼠脾脏指数降低(
P<0.01);除FS-H外,FS-M和FS-L小鼠脾脏指数都有降低趋势,其中以FS-L效果最为明显(
图3D)。
2.7 槐花提取物对IMQ诱导的银屑病小鼠皮肤PASI评分、形态结构的影响
造模第5天后各组小鼠背部皮肤状态,正常组小鼠背部皮肤光滑完整,模型组小鼠部皮肤出现红斑、鳞屑及浸润增厚的银屑病样皮炎症状,表明造模成功;给予槐花治疗后,FS-M、FS-H小鼠背部皮肤鳞屑、浸润增厚情况改善不明显,但红斑情况稍有缓解;FS-L小鼠背部皮肤鳞屑较少,斑块增厚症状明显改善(
图3E)。
当造模到第5天后,除正常组外,各组小鼠背部皮肤严重程度达到顶峰。与模型组相比,槐花各剂量组对其银屑病症状均有缓解,但以FS-L效果更为明显(
图3F)。
2.8 槐花提取物对IMQ诱导的银屑病小鼠皮肤HE染色的影响
正常组小鼠皮肤组织边界整齐,无明显角化,棘层和颗粒层细胞正常,无炎细胞浸润;与正常组相比,模型组小鼠呈现明显银屑病样改变,包括表皮增厚(
P<0.001)、炎细胞浸润、角化过度,表明咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型构建成功。与模型组相比,槐花各剂量组小鼠背部皮肤表皮增厚、角化过度和炎细胞浸润等现象有所改善;阳性组(MTX、QDCC)小鼠背部皮肤炎性细胞浸润改善程度更好,而FS-L小鼠表皮增厚情况减轻(
P<0.05,
图3G、H)。
2.9 对IMQ诱导的银屑病小鼠皮肤组织中PI3K/AKT蛋白表达的影响
与正常组相比,模型组小鼠背部表皮内p-PI3K和p-AKT的阳性表达量升高(
P<0.0001);与模型组相比,槐花剂量组p-PI3K和p-AKT阳性表达量呈降低趋势,其中FS-L组的抑制p-PI3K和p-AKT阳性表达量效果更明显(
P<0.001,
图4A~C),呈现出非线性的量效关系
[18]。对低剂量组皮肤组织进一步进行Western blotting检测,与正常组相比,模型组的p-PI3K和p-AKT蛋白表达水平升高(
P<0.01);与模型组相比,FS-L的p-PI3K和p-AKT蛋白表达水平降低(
P<0.05,
图4D~G)。
3 讨论
中医治疗银屑病历史悠久,其处方中药物多以清热类为主
[19]。槐花属于清热凉血药,中医药典籍中记载其除了具有凉血止血的作用外,还能够祛皮肤风热,用于治疗“白疕”(即“银屑病”)
[20]。本研究对槐花与银屑病进行网络药理学及分子对接研究,验证了槐花与银屑病之间有密切联系。为进一步验证槐花对银屑病的改善作用,复制了IMQ诱导的银屑病小鼠模型并给予槐花水煎液干预治疗,结果表明槐花(低剂量)对于促进银屑病小鼠体质量恢复、减轻脾脏肿大和背部皮肤鳞屑及浸润增厚方面效果明显。
有研究表明,诱导银屑病发病是由于皮肤创伤或受感染引起的表皮抗原对树突状细胞的激活
[21],进而促进了IL-6和IL-23的分泌,使T淋巴细胞分化为Th1和Th17细胞
[22],破坏Treg/Th17平衡,分泌IL-17、IL-23等细胞因子,促进炎症反应。网络药理学结果表明,PPI网络中IL-6、AKT1、ACTB、TNF、IL-1β和TP53等Degree值排名靠前,推测可能是槐花治疗银屑病的核心靶点。此外,IL-17A、IL-22和IL-23等炎症细胞因子能够激活PI3K/AKT信号通路,从而导致角质形成细胞过度增殖并抑制其正常分化,诱导银屑病病变
[23, 24]。在KEGG、GO富集通路中,PI3K/AKT信号通路富集的靶点最多,可能是槐花治疗银屑病重要调控通路。黄酮类成分是槐花的主要药效物质基础之一,而槲皮素和山奈酚又是其中含量较高的苷元类成分
[25]。分子对接结果表明,槲皮素和山奈酚与IL-6、AKT1及TNF等银屑病核心靶点对接结合度高,表明槐花可能通过作用于上述靶点发挥治疗银屑病的效应。PI3K/AKT信号通路是调节细胞生长、增殖、分化的经典信号途径,在调控表皮稳态方面起到了关键性的作用
[26],而AKT作为PI3K的关键下游靶点,可以抑制细胞凋亡,进而促进银屑病角质形成细胞的快速成熟过程,包括表皮增生、免疫病理、血管生成等生理或病理过程
[27, 28]。动物实验进一步验证了槐花低剂量可下调IMQ诱导的银屑病小鼠皮肤组织中p-PI3K、p-AKT的表达,表明槐花可通过调控PI3K/AKT信号通路改善银屑病症状。
值得注意的是,槐花中、高剂量对银屑病小鼠的改善效果明显弱于低剂量,在实验剂量范围内没有呈现剂量依赖性,该现象在其他药物治疗银屑病的研究中也有出现
[29, 18]。在选择给药剂量时,本研究以《中国药典》(2020年版)中槐花的建议剂量为5~10 g为依据,选择上限10 g/kg作为中剂量,高剂量(20 g/kg)为建议剂量的2倍。而对供试品槐花的含量测定结果表明,其芦丁含量为27.68%,远高于药典标准要求(槐花≥6.0%,槐米≥15.0%),因而使得中、高剂量组芦丁含量处于较高水平(415.2 mg/kg和830.4 mg/kg),远超其他银屑病研究中的芦丁及其苷元(槲皮素)单体用量
[30, 18]。此外,槐花属凉血药范畴,过量服用会产生“苦寒易伤脾胃”的副作用。实验过程中,FS-H小鼠出现了腹泻、体质量下降和脾肿大加剧的情况,表明小鼠经IMQ处理后身体处于极度虚弱状态,再给予过量寒凉药物可能会加剧脾胃及肠道负担。杨素清等
[31]表明,槐花虽为凉血止血佳品,但过于苦寒,脾胃虚寒之人不宜使用。在后续研究中,将进一步深入探究槐花治疗银屑病的有效剂量范围及高剂量下对胃肠道生理、病理指标的影响。
综上所述,本研究通过网络药理学与分子对接预测了槐花改善银屑病的药效及作用机制,并通过体外实验进一步证明了槐花可通过调节PI3K/AKT信号通路,减轻炎症反应,从而发挥抗银屑病的作用。本研究初步揭示了槐花改善银屑病的作用机理,可为槐花治疗银屑病的临床应用及产品开发提供研究基础。