银屑病是一种免疫性皮肤病,全球患病率为2%~3%,临床表征常见皮肤病变如红斑、鳞屑、脓疱等,伴有瘙痒和疼痛感,病变范围较广。严重情况下可引发其他伴发症,如银屑病关节炎、心脏代谢综合征、抑郁症等,严重降低患者生活质量,造成较大心理负担
[1, 2]。银屑病是国内外重点关注的疾病之一,探讨银屑病的发生机制与其药物治疗具有重要意义。巨噬细胞是银屑病发病过程中的关键免疫细胞,脂多糖(LPS)诱导的RAW264.7炎症细胞模型常用于开展药物体外抗银屑病作用机制研究
[3, 4],活化后的巨噬细胞可生成多种炎症因子如白介素-23(IL-23)、IL-17A、α-肿瘤坏死因子(TNF-α)、IL-6以及NO等炎症介质影响银屑病的发生发展
[5-7],现有的生物治疗如IL-23、IL-17以及TNF-α抑制剂的有效性证实了这些发现
[8]。IL-23/IL-17A炎症信号通路在银屑病的发展环节中发挥极其关键性的影响
[9, 10]。IL-23影响Th17细胞和巨噬细胞等免疫细胞,激活STAT3通路刺激这些细胞释放IL-17(IL-17家族,其中IL-17A在银屑病病理机制中有着关键地位),随之促进TNF-α、IL-6等炎性介质的分泌,从而诱发局部炎症反应
[8, 11, 12]。银屑病的治疗手段多采用抗感染药物、皮质类固醇激素、免疫抑制剂、生物制剂、维生素类和维A酸类药物以及中波紫外线照射等
[13]。大部分药物治疗后,短期疗效显著而长期疗效不佳,复发间隔时间短,且存在较多毒副作用
[14]。因此,寻找一种疗效可靠、简便易行、副作用小的药物,不仅可以减轻患者痛苦,同时也具有较大的社会意义和经济效益。
积雪草为伞形科草本植物,常用其干制全草,性味甘微咸,性凉,可清热、除烦、止渴,还可治疗湿疹、腹泻、石淋、痈肿疮疡、跌打损伤等疾病,具有显著的抗炎功效
[15],现代药理研究积雪草提取物通过抗氧化和抑制NF-κB及JAK/STAT3通路发挥抗银屑病作用
[16],但积雪草抗银屑病的具体物质基础和作用机制尚不明确,开展积雪草抗银屑病活性成分和作用机制研究具有重要的意义。
本研究基于网络药理学及实验验证,通过网络药理学获取积雪草抗银屑病主要活性成分和相关靶点,结合细胞实验进一步验证积雪草中关键成分的抗炎功效,揭示积雪草及其活性成分抗银屑病的分子机制,为银屑病的治疗提供新的思路。
1 材料和方法
1.1 实验材料
1.1.1 实验药物与试剂
小鼠RAW264.7细胞(ATCC);胎牛血清(Opcel);双抗、DMEM培养基(Gibco);槲皮素(纯度98.5%)、积雪草苷(纯度≥98%)、积雪草酸(纯度98%)、丙酸氯倍他索(纯度≥98%)(阿拉丁),Western blotting及IP细胞裂解液和LPS(索莱宝);Griess试剂盒(碧云天);CCK-8试剂盒(美仑);ELISA试剂盒TNF-α、IL-6(联科生物);RNA提取试剂盒(简石生物);反转录试剂盒和PCR定量试剂盒(abm Inc);GAPDH和STAT3抗体(三鹰);p-STAT3(Tyr705)和p-STAT3(Ser727)抗体(CST);ECL化学发光试剂盒(飞克特)。
1.1.2 实验仪器
细胞培养箱(Thermo),离心机(Eppendorf),电子天平(Sartoroius Stedim Biotech),酶标仪(BioTek),PCR仪(东胜国际贸易有限公司),荧光定量PCR仪(Thermo),垂直电泳仪(BioRad),凝胶成像系统(森西赛智科技有限公司)。
1.2 实验方法
1.2.1 积雪草活性成分筛选及相关靶点收集
以“积雪草”为关键词在TCMSP(
https://tcmsp-e.com/)、TCMIP(
http://www.tcmip.cn/)数据库中进行检索
,以口服生物利用度(OB)≥30%或类药性(DL)≥0.18作为筛选阈值,获取积雪草抗银屑病的潜在活性成分。使用PharmMapper(
http://www. lilab-ecust. cn/pharmmapper/submitfile. html)和Swiss Target Prediction数据库(
http://www.swisstargetpr ediction.ch/)获取目标活性化合物的靶点,选取“智人(Homo Sapiens)”,分别以z'-score≥1.5和top 15作为阈值,获取积雪草活性成分潜在靶点。
1.2.2 银屑病疾病靶点预测与收集
1.2.3 获取交集靶点
使用Venny 2.1.0数据库(
http://www.liuxiaoyuyuan.cn/)对积雪草活性成分相关靶点和银屑病疾病靶点取交集,得到积雪草活性成分抗银屑病靶点。
1.2.4 “药物-活性成分-作用靶点”网络构建
Cytoscape 3.10.0软件导入积雪草活性成分、银屑病共同靶点,构建“药物-活性成分-作用靶点”网络图,借助Network Analysis插件对其进行拓扑分析,得到积雪草抗银屑病的关键活性成分。
1.2.5 蛋白质相互作用(PPI)网络构建和核心靶点的收集
通过STRING(
https://cn.string-db.org/)数据库,设定“智人”,置信度设定为0.400,构建PPI蛋白网络图,并使用Cytoscape 3.10.0的Network Analysis插件进行数据分析,对所获取的PPI网络进行拓扑分析
[18, 19],设置指标Degree、Closeness、Betweenness的中位数为阈值筛选核心节点,取排名前10的靶点作为积雪草抗银屑病的关键靶点。
1.2.6 生物过程注释及代谢通路分析
将1.2.3中积雪草活性成分抗银屑病靶点借助DAVID(
https://david.ncifcrf.gov/)数据库进行GO富集分析和KEGG通路分析。
1.2.7 细胞培养
小鼠单核巨噬细胞RAW264.7使用含10 %胎牛血清(FBS)和1%双抗(青霉素和链霉素)的DMEM培养液于37 ℃,5% CO2的细胞培养箱中培养。当RAW264.7细胞达到70%~80%融合度时,进行细胞传代。
1.2.8 CCK-8细胞活力检测
RAW264.7细胞以5.0×103/孔接种至96孔板中,培养24 h后进行药物处理,分别加入不同浓度(7.5、15、30、60、120、240 μmol/L)槲皮素(Que)、积雪草苷(Asi)、积雪草酸(Asi acid),加或不加LPS(100 ng/mL)。培养箱中继续孵育24 h,加入10 µL CCK-8继续孵育1 h,酶标仪测定样本的A450 nm值,并计算细胞活力。
1.2.9 Griess试剂检测NO含量
RAW264.7细胞(1.0×10
5/孔)接种至48孔板中培养,24 h后分别加入不同浓度(7.5、15、30、60 μmol/L)的槲皮素、积雪草苷、积雪草酸及1 μmol/L的阳性药丙酸氯倍他索(Clo)
[20, 21]预处理1 h后,加入LPS(100 ng/mL)
[4, 22],培养箱中孵育24 h。收集细胞培养上清,按Griess试剂盒说明书检测样本的
A540 nm值,并根据Griess试剂盒制作的标准曲线计算NO含量。
1.2.10 ELISA法检测相关细胞因子表达
RAW264.7细胞(5.0×105/孔)接种至6孔板中培养,24 h后加入不同浓度的槲皮素(7.5、15、30、60 μmol/L)及Clo(1 μmol/L)预处理1 h,加入LPS(100 ng/mL)孵育24 h。取细胞培养上清,按照ELISA试剂盒(TNF-α、IL-6)说明书检测样本的A450 nm值并计算TNF-α、IL-6含量。
1.2.11 RT-qPCR检测细胞IL-23、IL-17A、TNF-α、IL-6 mRNA表达
RAW264.7细胞(5.0×10
5/孔)接种至6孔板中培养,24 h后加入不同浓度(7.5、15、30、60 μmol/L)的槲皮素及Clo(1 μmol/L)预处理1 h,加入LPS(100 ng/mL)孵育24 h。使用试剂盒提取RNA,立即反转录为cDNA,实时荧光定量PCR仪检测荧光信号值(反应条件:95 ℃酶激活3 min,1个循环;95 ℃变性15 s;60 ℃退火/延伸1 min,40个循环),反应结束获得IL-23、IL-17A、TNF-α和IL-6 mRNA的循环阈值(Ct值),根据2
-△△Ct公式计算基因的相对表达量,相关引物由北京擎科生物科技股份有限公司合成(
表1)。
1.2.12 Western blotting检测相关蛋白表达
RAW264.7细胞(1.6×106/皿)接种于100 mm培养皿中培养24 h,加入不同浓度的槲皮素(7.5、15、30、60 μmol/L)及Clo(1 μmol/L)预处理2 h后,加入LPS(100 ng/mL)刺激24 h,加入蛋白裂解液于冰上裂解30 min,离心收集上清液并用BCA法测定蛋白浓度,总蛋白样品60 µg上样,经10% SDS-PAGE凝胶分离后电泳转移至PVDF膜上,室温封闭1 h,一抗(1∶1000)4 ℃孵育过夜,二抗(1∶3000)室温孵育1 h,ECL法显色检测,使用Image J 软件定量分析蛋白条带灰度值。
1.3 统计学分析
运用统计学分析软件Graphpad Prism 9.5对实验数据进行统计分析,实验结果用均数 ± 标准差表示。多组比较采用student's T test(双尾),P<0.05认为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 积雪草活性成分筛选结果
以“积雪草”为关键词利用TCMSP、TCMIP数据库筛选积雪草活性成分,共得到15个抗银屑病潜在活性成分(
表2)。
2.2 积雪草活性成分-银屑病共有靶点筛选结果
利用PharmMapper和Swiss Target Prediction数据库获取目标活性化合物的相关靶点139个,基于GeneCards、OMIM和TTD数据库中得到关于银屑病的相关靶点4604个。通过Venny 2.1.0数据库将得到积雪草活性成分靶点和银屑病靶点取交集,获得77个共同靶点(
图1)。
2.3 “药物-活性成分-作用靶点”和PPI网络分析
Cytoscape软件对“药物-活性成分-作用靶点”网络图进行拓扑分析(
图2A),根据度值大小确定积雪草抗银屑病的关键成分主要有槲皮素、积雪草酸、积雪草苷等。对PPI蛋白互作网络图进行分析,得到各靶点之间的相互作用关系(
图2B)。对核心靶点数据在Cytoscape进行拓扑分析,依据Degree、Closeness、Betweenness等指标筛选排名前10的关键靶点,确定CASP3、EGFR、PTGS2、ESR1等靶点为抗银屑病关键靶点(
图2C),将核心靶点与关键活性成分进行匹配,结果显示槲皮素、积雪草酸、积雪草苷等关键活性成分所涉及的靶点为积雪草抗银屑病的关键靶点。
2.4 GO功能注释及KEGG通路分析
对积雪草活性成分治疗银屑病潜在靶点进行GO富集及KEGG通路分析,结果显示,生物过程(BP)包括信号转导等232个。注释到细胞组成(CC)包括胞质、细胞核等38个。注释到分子功能(MF)主要与ATP结合、酶结合、蛋白结合等76个转运机制密切相关(
图3A)。根据KEGG结果分析显示积雪草有效活性成分主要通过癌症通路、IL-17信号通路以及MAPK通路等发挥免疫和抗炎作用治疗银屑病(
图3B)。
2.5 积雪草活性成分对LPS诱导RAW264.7细胞活力的影响
CCK-8结果显示,相比于Control组,槲皮素、积雪草苷、积雪草酸浓度在7.5~60 μmol/L时对RAW264.7活力无明显影响(
P>0.05),槲皮素、积雪草苷、积雪草酸浓度大于120 μmol/L时,RAW264.7细胞活力下降(
P<0.01),产生明显毒性。因此选择7.5~60 μmol/L无细胞毒性浓度开展后续实验(
图4)。
2.6 积雪草活性成分对LPS诱导RAW264.7细胞NO产生的影响
Griess法结果显示,与Control组相比,LPS组细胞上清液的NO含量升高(
P<0.01)。与LPS组相比,积雪草苷、积雪草酸处理组NO含量变化无统计学意义(
P> 0.05),槲皮素处理组从15 µmol/L始NO含量明显下降(
P<0.01),呈剂量依赖性。槲皮素浓度为60 µmol/L时对炎症细胞模型产生NO的抑制作用与阳性对照丙酸氯倍他索(Clo)相当(
图5)。
2.7 槲皮素对LPS诱导RAW264.7细胞促炎因子含量的影响
ELISA实验结果显示,相比于Control组,LPS处理组细胞培养上清中TNF-α和IL-6含量上升(
P<0.01),槲皮素处理组从15 µmol/L浓度始细胞培养上清中TNF-α和IL-6含量呈剂量依赖性降低(
P<0.01)。槲皮素浓度为60 µmol/L时,对RAW264.7细胞分泌TNF-α和IL-6的抑制作用与阳性对照丙酸氯倍他索(Clo)相当(
图6)。
2.8 槲皮素对LPS诱导RAW264.7细胞IL-23、IL-17A、TNF-α和IL-6 mRNA表达的影响
实时荧光定量PCR结果显示,相比于Control组,IL-23、IL-17A、TNF-α和IL-6 mRNA相对表达量在LPS处理后上升(
P<0.01),经槲皮素处理后炎症细胞模型中IL-23、IL-17A、TNF-α和IL-6 mRNA相对表达量呈剂量依赖性降低(
P<0.01)。槲皮素浓度为60 µmol/L时对炎症细胞中IL-23、IL-17A、TNF-α和IL-6 mRNA表达的抑制作用与阳性对照丙酸氯倍他索(Clo)相当(
图7)。
2.9 槲皮素对LPS诱导RAW264.7细胞STAT3蛋白磷酸化的影响
Western blotting实验结果表明,相比于Control组,各处理组STAT3蛋白表达变化无统计学意义(
P>0.05)。在STAT3蛋白磷酸化表达方面,相比于Control组,LPS组两个位点的STAT3磷酸化(Tyr705和Ser727)蛋白表达明显升高(
P<0.01)。与LPS组相比,槲皮素处理组呈剂量依赖性地抑制p-STAT3(Tyr705)和p-STAT3(Ser727)蛋白表达(
P<0.01),尤其是对p-STAT3(Ser727)的表达槲皮素表现出相比p-STAT3(Tyr705)更为明显的抑制作用。槲皮素浓度为60 µmol/L时对STAT3蛋白磷酸化水平的抑制作用与阳性对照Clo相当,能有效抑制STAT3蛋白的磷酸化(
图8)。
3 讨论
银屑病为一类全身性免疫炎症性皮肤病,表现症状为鳞屑、脓疱、红斑、瘙痒等,该病患者不仅有皮肤症状,还会累及其全身多处器官包括心血管、肾脏、关节等
[23, 24],严重影响患者身心健康。银屑病的发病机制复杂,目前认为其主要的病理特征为角质细胞过度增殖以及炎症细胞浸润
[25]。目前银屑病多以激素药物、紫外光疗以及生物制剂等治疗为主,但这些治疗方式往往存在副作用多、长期使用疗效不佳、容易反跳等情况
[26, 27]。中医药治疗银屑病被认为是一个很好的方向
[28, 29],现有研究表明积雪草及其提取物,对于特应性皮炎、银屑病均有治疗作用
[16, 30]。但积雪草抗银屑病的物质基础和作用机制尚不清楚,本课题组将积雪草-银屑病进行了网络药理学分析,通过大数据分析助力积雪草抗银屑病活性成分的挖掘,结果发现积雪草有15种成分可能与其抗银屑病作用有关,PPI网络结果揭示CASP3、EGFR、PTGS2、ESR1为积雪草活性成分主要关键抗炎靶点,KEGG富集通路分析显示癌症通路和IL-17信号通路以及MAPK信号通路为积雪草活性成分抗银屑病相关通路,其中IL-17信号通路在银屑病发生发展中占有非常关键地位
[31, 32]。本研究通过网络药理学确定积雪草抗银屑病主要成分有槲皮素、积雪草苷、积雪草酸。结合已有报道中积雪草抗银屑病活性主要与其抗炎作用相关
[16, 33]。我们在LPS刺激的RAW264.7细胞中评价3种化合物槲皮素、积雪草苷、积雪草酸抗炎活性,结果发现在非毒性剂量下,除槲皮素外,其他2个化合物对于炎症细胞模型中NO的释放没有明显的抑制作用,槲皮素则具有显著抗炎活性。因此本课题选用槲皮素作为积雪草代表性成分开展后续抗银屑病作用机制研究。
已有研究证明银屑病患者皮损处巨噬细胞显著增多
[34],活化的巨噬细胞释放TNF-α、IL-6等细胞因子诱导表皮细胞活化,进而诱导表皮细胞产生多种趋化因子,这些趋化因子吸引炎症细胞如单核细胞、巨噬细胞进入表皮,以维持和扩大炎症并刺激表皮增殖,加剧银屑病的发展
[7, 35]。本课题选用银屑病体外研究经典模型LPS诱导RAW264.7细胞炎症模型开展后续实验
[3, 36]。实验结果显示槲皮素处理后,LPS所致炎症细胞模型的炎症因子TNF-α和IL-6的分泌明显减少,且TNF-α和IL-6 mRNA表达也明显降低。鉴于上述巨噬细胞及其分泌的促炎因子如TNF-α和IL-6在银屑病的发生和维持中起着关键作用
[36],我们推测槲皮素很有可能通过抑制活化的巨噬细胞中TNF-α和IL-6的产生发挥抗银屑病的作用。
此外,银屑病病变部位角质细胞产生的IL-23可以直接激活巨噬细胞,IL-23通过激活巨噬细胞STAT3信号通路释放IL-17A
[37]。文献调研显示IL-17A对维持银屑病病理特征起着非常关键的作用
[10, 38, 39],临床实验也证明抗IL-17A的生物制剂治疗银屑病获得了良好的效果
[31, 40, 41]。研究过程中通过网络药理学结果分析可得IL-17信号通路是积雪草活性成分抗银屑病的关键通路,同时我们的实验结果发现,槲皮素处理LPS激活的RAW264.7巨噬细胞中IL-23和IL-17A的mRNA表达明显下降,鉴于在银屑病病理机制中IL-23/IL-17A轴的关键作用
[31],IL-23/IL-17A轴很有可能是槲皮素发挥抗银屑病活性的关键因素。那么槲皮素是如何抑制炎症细胞模型中IL-17A的产生的呢?针对细胞中IL-17A分泌的上游通路JAK/STAT3展开追溯,研究者提出设想槲皮素是否通过介导STAT3调控IL-23/IL-17A炎症轴发挥抗银屑病作用?对此课题组开展了后续实验,Western blotting数据显示,活化巨噬细胞中,槲皮素处理组明显抑制STAT3的磷酸化,对STAT3两个磷酸化位点(Tyr705和Ser727)的磷酸化均有明显抑制作用,其中对p-STAT3(Ser727)的抑制更为显著。综合上述研究结果,我们分析槲皮素可能通过抑制IL-23介导的STAT3磷酸化从而抑制IL-17A的分泌发挥抗银屑病作用。
综上所述,本研究通过网络药理学和实验验证研究积雪草抗银屑病物质基础和作用机制,发现槲皮素可能是积雪草抗银屑病的主要活性成分。以槲皮素为代表利用LPS诱导RAW264.7细胞建立炎症细胞模型研究其抗银屑病作用机制。结果显示积雪草主要活性成分槲皮素一方面抑制炎症细胞TNF-α和IL-6产生,另一方面通过介导STAT3磷酸化抑制IL-23/IL-17A炎症轴减少炎症细胞IL-17A的分泌发挥抗银屑病作用。
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