心力衰竭(HF)是多种原因导致心脏结构和功能的异常改变,使心室收缩或舒张功能发生障碍,从而引起一组复杂临床综合征
[1]。已成为全球性重大公共卫生问题。全球成年人群HF患病率为1%~3%
[2],《中国心力衰竭诊断和治疗指南2024》数据显示,我国35岁以上HF患者已达1370万,5年病死率高达42.3%
[3]。且随着人口老龄化及高血压、糖尿病等危险因素持续增加,HF 防控形势愈发严峻,亟需安全有效的干预策略。
中医药在HF治疗中具有多靶点、多通路、整体调节的独特优势,可显著改善患者临床症状、延缓心肌重构。在中医理论中,心力衰竭属于“心悸”、“怔忡”、“水肿”、“喘证”等范畴
[4, 5],其核心病机可概括为“本虚标实”:本虚以气虚、阳虚为主,标实以血瘀、水饮、热毒为要。其中,热毒内盛是缺血性HF发生发展的核心病理环节:心肌缺血缺氧后,氧化应激爆发、慢性炎症持续激活
[6],在中医理论中对应“热毒壅滞心脉”,热毒灼伤心络、耗伤心气,进而引发心肌细胞损伤、心功能进行性衰退,最终导致HF。这一病机与现代医学HF的病理生理过程高度契合,氧化应激、炎症反应、心肌细胞凋亡等病理改变,本质上是中医“热毒伤心”的现代生物学体现,为“清热解毒法”干预HF提供了坚实的理论基础。
金银花(JYH)作为清热解毒类中药的代表,性味甘寒,归肺、心、胃经,具有清解热毒、凉血消肿的功效,临床广泛用于感染、炎症相关疾病的治疗。研究证实,金银花及其核心活性成分(绿原酸、獐牙菜苷、异绿原酸类等)具有显著的抗炎、抗氧化、抗心肌损伤作用
[7-10],可通过清除活性氧、抑制炎症因子释放、减轻心肌细胞凋亡,发挥心肌保护效应,为其干预HF提供了药理依据。
研究进一步表明,氧化应激过度激活、线粒体能量代谢紊乱是HF发生发展的核心病理环节,而STAT3/PGC‑1α信号轴是调控这两大进程的关键枢纽
[11]。STAT3 作为核心转录因子,既可通过激活下游抗氧化基因表达、抑制ROS过量生成减轻心肌氧化损伤,也可直接调控PGC‑1α的转录活性;PGC‑1α作为线粒体生物合成与能量代谢的核心调控因子,其表达下调会导致心肌线粒体功能障碍、能量供应不足,进一步加剧心肌重构与心功能恶化
[12]。在缺血性心脏病中STAT3/PGC‑1α信号轴功能受损,会引发线粒体功能障碍与氧化应激放大,最终促进心肌重构与HF进展,因此该轴成为干预缺血后HF的关键分子靶点。
目前,金银花的心血管保护研究多集中于抗炎、抗氧化的整体效应,但其通过STAT3/PGC‑1α轴改善缺血后HF的作用机制尚未明确,且针对金银花的系统药效与机制研究存在明显的研究缺口。基于此,本研究以金银花水提冻干粉为受试物(由金银花药材经水煎煮、浓缩、冷冻干燥制备而成),聚焦STAT3/PGC‑1α信号轴,系统探讨其改善缺血后HF的作用及分子机制。本研究的意义在于从体内外阐明金银花水提冻干粉治疗HF的核心机制,为中医药“清热解毒法”干预HF的理论体系提供实验依据;验证STAT3/PGC‑1α轴作为金银花干预HF的有效靶点,进一步丰富中西医结合治疗HF的理论框架;同时为基于金银花的新型抗心衰中药制剂开发提供科学支撑,具备重要的理论价值与临床转化潜力。
1 材料和方法
1.1 实验细胞
小鼠心肌细胞H9C2(武汉普诺赛)。
1.2 实验动物
SPF级C57BL/6 雄性小鼠36只,8周龄,体质量20±2 g,购买及饲养于广州中医药大学大学城校区动物实验中心[生产许可证号:SYXK(粤)2023-0068、使用许可证号:SYXK(粤)2023-0342]。小鼠饲养于SPF级动物房中,温度保持在18~26 ℃,湿度维持在40%~70%,购买后适应性饲养1周。本研究通过了广州中医药大学动物实验伦理审核(伦理批号:20241214001)。
1.3 药物与试剂
金银花(安徽亳州中药材市场);Colivelin(阿拉丁生化科技);DMEM培养基、PBS、胎牛血清、青霉素-链霉素、胰蛋白酶(Invitrogen);BCA试剂盒、Annexin V-FITC细胞凋亡检测试剂盒、CCK-8试剂(碧云天);电泳液、电转液、活性氧检测试剂盒(索莱宝);柱式动物组织/细胞总蛋白抽提试剂盒(雅酶生物医药科技);反转录试剂盒(含基因组DNA去除剂)、2×SYBR qPCR预混液 (ROX2 plus)(EZBioscience);过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α(PGC-1α)抗体、信号转导与转录激活因子3(STAT3)抗体、磷酸化信号转导与转录激活因子3(p-STAT3)抗体、内参β-actin抗体(武汉三鹰)。
1.4 仪器
冷冻干燥机(EYELA);小动物超声(VINNO);多功能酶标仪(BioTek);实时荧光定量PCR仪(Applied Biosystems);化学发光仪(Bio-rad);超微量紫外分光光度计(赛默飞);台式冷冻离心机(Eppendorf);冷冻切片机(Lecia);流式细胞仪(Agilent);全景数字切片荧光扫描、倒置显微镜、倒置荧光显微镜、共聚焦显微镜(Olympus);代谢标志物群精准定量分析系统、成像质谱系统、代谢标志物群精准定量分析系统(Waters)。
1.5 网络药理学探究金银花治疗心力衰竭的作用机制
通过TCMSP平台筛选OB≥30%且DL≥0.18的候选化合物,经SwissADME验证符合≥3项类药性标准及高胃肠道吸收者定义为活性成分;通过SwissTargetPrediction预测靶点(Probability>0),与DisGeNET等数据库的疾病靶点映射后,构建PPI网络并进行GO与KEGG富集分析。
1.6 金银花冻干粉制备及指标含量测定
本研究采用金银花水提冻干粉为研究对象,具体制备方法如下:金银花中药材250 g,加入适量水浸泡1 h后在砂锅煎煮中煎煮1 h再进行2次煎煮0.5 h,合并水煎液,滤过并浓缩至适量体积,使用冻干粉机冻干处理,称取最后得到冻干粉为70.54 g,其得率为28.216%。《中华人民共和国药典》指出金银花中含量测定:绿原酸≥1.5%;酚酸类(绿原酸+异绿原酸A+异绿原酸C)≥3.8%;木犀草苷≥0.050%,为测金银花水提冻干粉质控体系,采用色谱进行检测。色谱条件:色谱柱C18色谱柱4.5 mm×250 mm×5 μm;以A:乙腈B:0.1%磷酸水溶液为流动相(梯度洗脱A:10%~10%~30%,0~15~25 min);检测波长为250 nm,柱温:35 ℃,流速:1.0 mL/min。
1.7 动物造模及分组
使用C57BL/6雄性小鼠,通过LAD结扎法建立缺血性心力衰竭模型
[13],麻醉采用三溴乙醇腹腔注射,夹趾实验验证麻醉深度,避免术中小鼠苏醒;手术区双重消毒,降低感染风险;呼吸机参数固定为110 次/min,气管插管后确认胸廓起伏与呼吸机同步,保障术中小鼠呼吸供氧,防止缺氧死亡。取三、四肋间开胸,可最大程度暴露心脏前壁的LAD区域;撕开少量心包而非完全剥离,减少对心脏的机械损伤。选择7-0带针缝线在左心耳下缘2 mm处结扎LAD,诱导心梗;胸腔闭合采用6-0缝线逐层缝合,以2.5 mg/kg标准于小鼠尾静脉注射曲马多,以达到镇痛目的;术后当天开始,每天腹腔注射5万单位青霉素,连续注射3 d。造模7 d后将EF<40%的小鼠随机分模型组,金银花低、中、高剂量组,福辛普利组(
n=6);假手术组(
n=6)。参照小鼠与人等剂量公式计算小鼠灌胃量,低、中、高剂量分别给予0.5、1.0、2.0 g/(kg·d)冻干粉水溶液灌胃,假手术组及模型组给予等量0.9%氯化钠灌胃,福辛普利组给予等效剂量的福辛普利10 mg/(kg·d)灌胃。连续灌胃2周,心脏灌流后剥离心脏组织,分别固定于多聚甲醛和-80 ℃中待测。
1.8 小动物超声检测
各组小鼠给药2周后,超声前用3%异氟烷麻醉,维持浓度1.5%进行超声检测。在心脏舒张末期,使用根据在心室短轴上垂直测量的左心室内径计算心脏左室射血分数(LVEF)、左室短轴缩短分数(LVFS)、左心室收缩期内径(LVIDs)、左心室舒张期内径(LVIDd)、左心室收缩末期容积(LVESV)和左心室舒张末期容积(LVEDV)等心脏参数。
1.9 心脏组织病理染色
分离小鼠心脏,采用4%多聚甲醛进行组织固定,石蜡包埋及切片。通过HE染色分析心脏结构改变,Masson 染色分析心脏纤维化情况,WGA染色分析心肌细胞变化情况。随后采用数字病理切片扫描系统进行扫描分析。
1.10 小鼠血清生化检测
眼眶静脉取血,室温静置1 h后,4 ℃,3000 r/min离心15 min,分离血清后保存-80 ℃冰箱,进行生化检测。
1.11 实时荧光定量 PCR(RT-qPCR)法检测基因表达
使用Color Reverse Transcription Kit (with gDNA Remover)试剂盒提取小鼠心脏组织的总RNA。根据说明书,使用4×RT Master Mix从1000 ng总RNA合成互补DNA。在PCR仪上进行qPCR,以GAPDH为内参,按照2
-ΔΔCT算法计算基因相对表达量。引物设计合成由生工生物工程(上海)有限公司完成,引物序列见
表1。
1.12 细胞培养与造模
H9C2心肌细胞在细胞培养皿中培养至80%融合,传代至孔板及细胞培养皿中,分为对照组、OGD组、金银花低、中、高剂量组,给药组预给药18 h后,将细胞放入缺氧小室中37 ℃孵育6 h,建立OGD模型进行后续检测。
1.13 CCK-8检测
用CCK-8试剂盒检测各组的细胞活力。将细胞接种在96孔板中,给药组预给药18 h后建立OGD模型,使用CCK-8试剂盒测定各组细胞活力。
1.14 细胞凋亡实验
将细胞接种于六孔板中,待细胞融合至80%左右进行造模及给药,处理后使用凋亡检测试剂盒进行处理。
1.15 ROS染色检测活性氧变化
将各组细胞种于共聚焦皿中并进行不同的处理,处理后的细胞按照试剂盒说明书进行染色,染色完成后置于共聚焦显微镜下进行观察及拍摄。
1.16 Western blotting法检测蛋白表达
提取心脏组织和细胞总蛋白并进行浓度测定,使用2×Loading Buffer变性,进行蛋白凝胶电泳,每孔上样30 μg总蛋白,电泳后转膜至PVDF膜上,进行封闭、一抗(1∶1000稀释)孵育过夜、洗膜、HRP标记二抗(1∶5000稀释)孵育等流程后,滴加ECL发光液进行曝光成像并分析条带灰度值。
1.17 免疫荧光检测
心脏组织切片或共聚焦皿上的细胞4%多聚甲醛固定后进行封闭、透膜、一抗(1∶200稀释)孵育、Alexa Fluor 594荧光二抗(1∶500稀释)孵育后,避光置于共聚焦显微镜下进行观察。
1.18 质谱检测小鼠入组织成分
参照Reagan-Shaw等
[14]提出的体表面积折算法,将金银花临床成人日剂量(10~15 g/60 kg)换算为小鼠等效剂量。结合本研究冻干粉28.216%的得率进行校正后,确定小鼠临床等效剂量为0.240 g/(kg·d)。为确保体内暴露量充足以满足血清及组织成分检测需求,本研究采用3倍临床等效剂量进行入组织成分分析。
将9只C57BL/6小鼠分对照组及3倍临床剂量组
[15] 0.720 g/(kg·d),给药4 h后收集心脏组织,使用80%乙腈水提取,离心后提取上清液,采用UPLC-C18柱,以0.1%甲酸水-乙腈梯度洗脱分离,使用高分辨质谱正负离子模式下鉴定代谢物。
1.19 分子对接检测有效成分及关键靶点的结合能
从PDB下载STAT3(5AX3)、PGC-1α(6W9L)晶体结构,经PyMOL去杂、AutoDockTools加氢及定义口袋;从PubChem获取小分子结构,用Openbabel转存为PDB文件;通过AutoDock Vina 1.2.0将小分子对接到蛋白口袋,提取最低结合自由能构象,用PyMOL可视化分析。
1.20 统计学分析
以上实验均独立重复3次。采用SPSS22.0统计软件进行分析。数据均以均数±标准差描述,多组间比较使用单因素方差分析,组内差异使用Bonferroni事后分析。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 网络药理学分析金银花治疗心力衰竭的作用机制
通过TCMSP平台筛选金银花有效成分,得到301个靶点,并与心力衰竭相关的3086个疾病靶点进行交集分析,得出213个共同靶点。使用PPI网络分析和Cytoscape可视化,确定了40个关键靶点,其中包括AKT1、TNF、SRC、STAT3、BCL2等。GO和KEGG富集分析表明,金银花与心力衰竭有潜在的生物学联系,并与氧化还原反应相关(
图1)。
2.2 金银花水提冻干粉质量控制
对金银花水提冻干粉样品进行色谱检测分析,样品浓度为4 mg/mL,对照品为绿原酸、异绿原酸A、异绿原酸C、木犀草苷、獐牙菜苷,绘制指纹图谱并计算对照品在样品中的含量。计算可得金银花水提冻干粉样品中绿原酸含量≥1.5%;酚酸类(绿原酸+异绿原酸A+异绿原酸C)含量≥3.8%;木犀草苷含量≥0.05%,故金银花水提冻干粉样品符合要求(
图2、
表2)。
2.3 金银花对LAD小鼠心力衰竭的改善作用
2.3.1 各组小鼠心功能水平变化
给药2周后检测各组小鼠的心功能,超声心动图结果显示,与假手术组相比,模型组LVEF、LVFS、IVSd、IVSs、LVPWd、LVPWs明显降低,LVIDs、LVIDd升高;与模型组相比,给药组LVEF、LVFS、IVSd、IVSs、LVPWd、LVPWs升高,LVIDs、LVIDd降低(
P<0.05,
图3)。
2.3.2 各组小鼠心脏组织病理变化及血清分析
与假手术组相比,模型组小鼠心脏HE、Masson及WGA染色染色显示心肌细胞排列紊乱,炎症细胞浸润,心肌细胞肥大且胶原纤维沉积明显(
P<0.001),肌酸激酶MB型同工酶(CK-MB)、α-羟丁酸脱氢酶(α-HBDH)、乳酸脱氢酶(LDH)、丙二醛(MDA)的含量明显上升,超氧化物歧化酶(SOD)含量下降(
P<0.05);与模型组比较,低、中、高剂量组及福辛普利组小鼠心肌细胞肥大改善,炎症减少,胶原纤维沉积减轻(
P<0.05),CK-MB、α-HBDH、LDH、MDA的含量明显下降,SOD含量上升(
P<0.01),且上述改善效应呈现出明显的剂量依赖性:随着给药剂量的升高,心肌纤维化面积、心肌细胞横截面积及心肌损伤标志物水平逐步降低,氧化应激指标的改善程度也逐步增强,其中高剂量组的保护效果最为显著,与阳性对照福辛普利组的差异无统计学意义(
图4)。
2.3.3 各组小鼠心脏组织炎症指标的表达
通过 RT-qPCR检测小鼠心脏组织中与炎症相关指标的mRNA和蛋白表达情况。模型组中炎症指标IL-6、IL-1β、TNF-α的表达量明显上升(
P<0.05),提示模型组心肌炎症反应显著激活;与模型组对比,而金银花给药组中IL-6、IL-1β、TNF-α的表达量明显下降(
P<0.05),其中,金银花高剂量组IL-6、IL-1β、TNF-α的表达水平低于低、中剂量组(
P<0.05),呈剂量依赖性,金银花水提冻干粉具有一定的抗炎作用(
图5)。
2.4 金银花对OGD后H9C2细胞起保护作用
与对照组相比,模型组细胞活力下降(
P<0.001);与模型组比较,给药组中50、100、200 μg/mL的细胞活力明显上升(
P<0.001),且200 μg/mL组细胞活力显著高于50 μg/mL组(
P<0.05),呈现剂量依赖效应。因此根据CCK-8结果选择给药组中50、100、200 μg/mL分别作为低、中、高浓度进行后续实验的探究。ROS染色结果显示,金银花能够减少OGD后H9C2细胞的ROS生成(
P<0.001),且中、高剂量组ROS水平低于低剂量组(
P<0.05),高剂量组低于中剂量组(
P<0.05)。流式细胞术分析表明,细胞凋亡水平降低(
P<0.001),
图6)。
2.5 金银花通过STAT3/PGC-1α轴减缓氧化应激水平防治心衰
2.5.1 金银花通过STAT3/PGC-1α轴防治心衰
动物组织和H9C2细胞的Western blotting和免疫荧光实验发现,与假手术组和对照组相比,模型组PGC-1α的表达水平下降(
P<0.001),STAT3的磷酸化水平的表达水平上升(
P<0.001);与模型组相比,给药组PGC-1α的表达水平上升(
P<0.05),STAT3的磷酸化水平下降(
P<0.01),其中,金银花高剂量组PGC-1α的上调幅度和STAT3磷酸化水平的下调幅度均优于低、中剂量组(
P<0.05,图
7、
8)。
2.5.2 STAT3激动剂Colivelin逆转金银花的抗氧化应激治疗心衰的作用
加入Colivelin后,逆转了p-STAT3的表达(
P<0.001),消除了金银花降低ROS的生成情况(
P<0.001,
图9)。
2.6 金银花有效成分及其对STAT3和PGC-1α的作用
将獐牙菜苷、绿原酸和1,5-二咖啡酰奎宁酸这3种主要成分与STAT3和PGC-1α分别进行分子对接分析其结合能,结果发现STAT3与獐牙菜苷、绿原酸和1,5-二咖啡酰奎宁酸的结合能分别为-7.7 kcal/mol、-8.1 kcal/mol、-8.2 kcal/mol,PGC-1α与獐牙菜苷、绿原酸和1,5-二咖啡酰奎宁酸的结合能分别为-7.6 kcal/mol、-7.8 kcal/mol、-8.1 kcal/mol,均具有较好的结合。通过PCR检测3种主要成分(浓度为50 μmol/L)
[16-18]对STAT3和PGC-1α的作用,结果显示3种成分STAT3的表达水平显著下降(
P<0.001),PGC-1α的表达水平明显上升(
P<0.001,
图10)。
3 讨论
HF作为心血管疾病的终末阶段,其核心病理特征为心肌重构、线粒体功能障碍及持续性炎症反应
[19]。尽管临床“新四联”
[1, 20]疗法不断优化,但晚期患者的预后仍不容乐观,药物治疗可能伴随低血压、肾功能损伤、电解质紊乱及心动过缓等副作用,影响患者对药物的耐受性及长期应用效果,部分患者依然难以有效控制症状
[21, 22]。因此挖掘具有多靶点效应的天然药物亟待深入。
研究证实金银花作为经典的“清热解毒”中药,在心血管疾病防治中应用广泛,其核心活性成分(绿原酸、獐牙菜苷、1,5-二咖啡酰奎宁酸等)具有抗炎、抗氧化、抗心肌损伤等药理作用,可通过不同通路发挥心血管保护效应
[8-10];同时,STAT3/PGC-1α轴是调控心肌氧化应激、炎症反应及线粒体能量代谢的关键通路,该轴失衡(STAT3过度激活、PGC-1α表达下调)是心衰发生发展的重要分子机制,参与心肌重构、线粒体功能障碍的调控过程
[11, 23, 24]。但现有研究尚未完全阐明金银花具体调控线粒体质量控制与炎症平衡的分子机制,尤其缺乏金银花整体提取物对STAT3/PGC-1α轴的系统性调控研究,也未明确金银花中核心活性成分与该轴关键分子的相互作用关系。
本研究结果证实,金银花水提冻干粉可显著改善缺血性心衰小鼠的心功能,表现为EF%、FS%提升及心肌纤维化程度减轻;体外实验中,金银花水提冻干粉预处理有效逆转了OGD诱导的H9C2细胞损伤,表现为细胞活力恢复、ROS蓄积减少及凋亡率降低。这些体内与体外实验的一致性结果,有力验证了金银花提取物对心肌的保护作用,也为其传统临床应用提供了现代实验依据。机制上,心衰模型心肌组织p-STAT3升高、PGC-1α降低,提示STAT3过度激活与PGC-1α下调共同参与心肌氧化应激与线粒体功能障碍
[25, 26]。已有研究证实,缺血负荷下STAT3持续磷酸化可促进炎症与氧化应激,加剧心肌重构
[27];而PGC-1α作为线粒体生物合成关键分子
[28],其表达不足会导致能量代谢紊乱、ROS蓄积
[29],二者失衡是心衰进展的重要分子机制
[30]。本研究中金银花可抑制p-STAT3、恢复PGC-1α表达,使用STAT3激动剂Colivelin可逆转金银花的抗氧化作用,直接证明金银花依赖STAT3通路发挥效应,与上述病理机制高度吻合,提示其通过纠正STAT3/PGC-1α失衡实现心肌保护。
有研究显示,绿原酸可通过抑制铁死亡改善心衰
[31, 32],獐牙菜苷可通过Keap1/Nrf2通路抑制氧化应激与焦亡
[17],1,5-二咖啡酰奎宁酸可激活Nrf2促进GSH合成
[16]。但这些研究多聚焦于单一活性成分的单一作用通路,未将其整合至金银花整体提取物的作用体系中,也未明确其与STAT3/PGC-1α轴的关联。本研究通过质谱检测金银花入小鼠心肌组织成分分析发现三种金银花特征成分獐牙菜苷、绿原酸、1,5-二咖啡酰奎宁酸在给药小鼠体内含量较高;结合分子对接结果,金银花中獐牙菜苷、绿原酸、1,5-二咖啡酰奎宁酸均能与STAT3、PGC-1α稳定结合,提示这些成分可能是调控该轴的核心物质基础。与现有研究相比,本研究将上述单体效应整合至金银花整体提取物,并将其作用靶点锚定STAT3/PGC-1α轴,实现了“中药整体-活性成分-关键通路”的机制串联,为金银花治疗心衰提供了更完整的分子解释。
综上所述,本研究通过体内外实验证实,金银花水提冻干粉通过调节STAT3/PGC-1α轴,抑制氧化应激反应,减少心肌损伤和凋亡,从而改善缺血后心衰。这一发现不仅揭示了金银花“清热解毒”功效的现代生物学内涵,还为其抗心衰作用的机制提供了支持,进一步验证了STAT3/PGC-1α轴作为中医药干预心衰的有效靶点,为中西医结合治疗心衰提供了理论依据。
国家重点研发项目(2022YFC3500100)
国家自然科学基金重点项目(82230126)
国家自然科学基金重点项目(U24A20800)
国家科技重大专项(2023ZD0502600)
广东省方证研究重点实验室(2022B1212010012)
中医药广东省实验室(横琴实验室)科技培植项目(HQL2024PZ045)