心力衰竭是一组主要以心室收缩和舒张功能障碍的临床综合征,同时是是多种心血管疾病演变为终末期的病理生理过程
[1]。在心血管疾病患者中,每年因心力衰竭死亡的人数超过1210万人且呈上升态势
[2]。由于心力衰竭的致病机制较为复杂,目前尚未发现可靠的治疗策略
[3]。多数心力衰竭患者长期处于肾素-血管紧张素-醛固酮系统过度激活状态,致使心肌细胞不断凋亡、数量减少,心室肌收缩和舒张功能显著减弱,可见心肌细胞凋亡在心力衰竭的发生发展中起着关键作用
[4]。心肌细胞接受外界刺激信号后启动凋亡程序,p38丝裂原活化蛋白酶(p38 MAPK)和细胞外调节蛋白激酶(ERK)通路参与其中,可介导下游内源性凋亡基因Bcl-2、Bax启动,促使心肌细胞凋亡
[5-7]。因此,筛选小分子化合物调节MAPK信号通路以抑制心肌细胞凋亡,是治疗心力衰竭的一种值得参考的策略。
槲皮素是一种广泛存在于食物、植物药中的黄酮类化合物。药理学研究表明,槲皮素具有抗炎、免疫调节、抗肿瘤、抗细胞凋亡等多种生物活性
[8, 9]。近年来,多项研究表明槲皮素对于治疗心肌损伤具有重要的药用价值
[10, 11]。研究发现,槲皮素可通过激活Nrf2/HO-1信号通路改善顺铂介导的心肌损伤及心肌细胞凋亡
[10];另有研究表明,槲皮素可激活MAPK信号通路发挥抗肺动脉高压作用
[11];有学者利用网络药理学结合分子对接方法,筛选出多条信号通路可能与槲皮素治疗心力衰竭有关,但缺少实验验证阶段
[12]。网络药理学具有多靶点、多通路的特点,可多角度地揭示药物成分与疾病靶点的生物网络关系
[13]。本研究拟采用网络药理学方法筛选出槲皮素治疗心力衰竭的主要信号通路及核心靶点,并建立异丙肾上腺素(ISO)诱导的心力衰竭心肌细胞模型,验证MAPK依赖的心肌细胞凋亡在槲皮素治疗心力衰竭中的作用机制,以期为槲皮素的后续研究及临床应用提供参考与依据。
1 材料和方法
1.1 网络药理学分析
1.1.1 药物靶点及疾病靶点的筛选
在中药药物药理学数据库(TCMSP)检索关键词“quercetin”的作用靶点。在PubChem数据库中获取槲皮素的SMILES式输入至Swiss target数据库,筛选条件为probability>0,合并所有靶点并去重,利用Uniprot数据库转换基因ID,最终得到槲皮素作用靶点。
在GeneCards数据库和OMIM数据库中检索关键词“heart failure”、“HF”,所得条目设置筛选条件,即relevance score大于中位数,去重后获取疾病相关靶点。
1.1.2 获取交集靶点
将槲皮素药物靶点和心力衰竭靶点导入Venny 2.1.0获得二者交集基因,并绘制韦恩图,以此作为槲皮素治疗心力衰竭的药物靶点。
1.1.3 蛋白互作分析(PPI)及核心靶点筛选
将1.1.2中得到的交集靶点导入STRING数据库中,物种为“homo sapiens”,设置中等置信度为“0.400”,获得交集基因的PPI图,下载“Exports”中的“tsv”格式导入Cytoscape软件,使用CytoNCA插件,根据“自由度”、“中介性”、“紧密性”的中位数为限制条件,经过2次迭代筛选出9个核心基因
[14]。
1.1.4 交集靶点富集分析
使用DAVID数据库对交集基因进行基因本体(GO)和京都基因组百科全书信号通路(KEGG)富集分析,所得前10项条目使用微生信网站进行数据可视化。
1.1.5 分子对接
将筛选的核心基因作为受体,与槲皮素进行分子对接。先在Pubchem网站中获取槲皮素的mol 2文件,再从PDB数据库中获取核心靶点配体复合物,导入至PyMOL软件中去除水分子和小分子配体。并将槲皮素和核心靶点文件分别导入Autodock Tool软件中预处理,输出pdbqt.格式文件。最后使用PyMOL软件对输出的文件进行分子对接。
1.2 细胞实验研究
1.2.1 药物与试剂
槲皮素(MCE,纯度≥99%);H9C2心肌细胞(武汉普诺赛生命科技有限公司);胎牛血清(Gibco);双抗(赛默飞世尔科技公司);胰酶(武汉普诺赛生命科技有限公司);LDH、MDA检测试剂盒(南京建成生物工程研究所);活性氧探针试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司);cDNA逆转录试剂盒(北京全式金生物技术有限公司);PCR扩增试剂盒(北京全式金生物技术有限公司);p-p38抗体、t-p38抗体、p-ERK抗体、t-ERK抗体、cleaved caspase-3抗体、caspase-3抗体(Abcam);Bcl-2抗体、Bax抗体、GAPDH抗体(上海碧云天生物技术有限公司)。辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔抗体、山羊抗鼠抗体(武汉爱博泰克生物科技有限公司);SB 203580(p38蛋白激动剂)、TBHQ(ERK蛋白激动剂,MCE)。
1.2.2 实验仪器
恒温培养箱(Thermo);倒置相差显微镜(Olympus);倒置荧光显微镜(Nikon);酶标仪(BioTek);电泳仪(Bio-Rad);化学发光显影仪(Bio-Rad)。
1.2.3 ISO诱导心力衰竭细胞模型、分组及给药
H9C2心肌细胞在含有10%胎牛血清+1%双抗的高糖DMEM中恒温培养,培养条件为37 ℃,5% CO2及适宜湿度。待细胞处于对数生长期时,消化细胞用于传代、铺板和给药。
将不同处理的H9C2细胞分为对照组、模型组、槲皮素低、中、高浓度组(25、50、100 μmol/L)。除对照组外,其余各组均用含10 μmol/L ISO的无血清DMEM预处理H9C2心肌细胞24 h,去上清,再分别加入不同浓度的槲皮素(25、50、100 μmol/L)预处理细胞24 h,收集细胞和上清用于后续实验。
完成上述药效实验后,选择100 μmol/L槲皮素用于回复实验验证。分别使用20 μmol/L SB 203580和5 μmol/L TBHQ预处理H9C2心肌细胞1 h,将细胞分为:对照组、Que组、ISO组、ISO+Que组、ISO+Que+SB组、ISO+Que+TB组、ISO+Que+SB+TB组。收集细胞和上清用于后续实验。
1.2.4 CCK-8实验
设置空白组(无心肌细胞的含槲皮素的完全培养液)、对照组、浓度分别为25、50、100、150、200 μmol/L的Que组,共7个组别,每组设置6个副孔。取一定量细胞悬液适当稀释至合适密度,均匀接种至96孔板中,约5×103/孔。于恒温培养箱中孵育24 h使其贴壁,弃上清,PBS洗2次,各孔加入不同浓度槲皮素继续孵育24 h。检测前2 h各孔加入10 μL CCK-8溶液充分混匀,然后避光条件下使用酶标仪检测各孔的吸光度,计算细胞存活率。细胞存活率(%)=[(处理组A450 nm-空白组A450 nm)/(对照组A450 nm-空白组A450 nm)]×100%。
1.2.5 生化指标检测
将各组细胞接种于6孔板中,细胞密度设置为5×105/孔,给药结束后,弃上清、消化、离心后得细胞沉淀,向各组沉淀中加入裂解液充分裂解后再次离心,吸取上清液,分别按照乳酸脱氢酶(LDH)、丙二醛(MDA)试剂盒说明书上的操作测定各组细胞LDH、MDA的水平。
1.2.6 细胞活性氧探针检测
在各组细胞给药结束后,去弃上清,PBS洗涤3次,加入含有DCFH-DA探针的无血清培养液,于恒温培养箱中孵育30 min,避光条件下使用导致荧光显微镜在特定激发光下观察各组细胞的荧光强度,以上操作过程严格按照活性氧检测试剂盒说明书操作,最终使用Image J软件量化各组活性氧(ROS)水平。
1.2.7 Hoechst染色实验
将6孔板细胞密度调整为25万/孔,各组细胞给药孵育完成后,加入4%多聚甲醛固定细胞30 min,PBS洗涤3次,3 min/次,然后按照Hoechst染色试剂盒的说明书操作加入Hoechst染色液,染色结束后于倒置荧光显微镜下观察并拍照。
1.2.8 qRT-PCR
每孔加入1 mL TRIzol提取各组细胞mRNA,根据cDNA逆转录试剂盒操作说明将mRNA逆转录为cDNA,然后检测cDNA的浓度和纯度,以cDNA为模板,辅以不同基因的引物、荧光燃料,上机扩增,最后得到各个基因的Ct值,根据2
-△△Ct进行数据处理。以上所有体系做3次重复。Bcl-2、Bax、caspase-3、ERK、p-ERK、p38、p-p38、GAPDH引物均由北京擎科生物科技股份有限公司设计合成(
表1)。
1.2.9 Western blotting
使用蛋白裂解液充分裂解各组细胞,离心后取上清,BCA测定蛋白浓度后配平。配制SDS-PAGE蛋白凝胶,每孔上样15 μL,依次进行电泳、转膜、封闭,分别用Bcl-2抗体(1∶500)、Bax抗体(1∶500)、cleaved-Caspase-3抗体(1∶1000)、caspase-3抗体(1∶1000)、ERK抗体(1∶2000)、p-ERK抗体(1∶2000)、p38抗体(1∶1000)、p-p38抗体(1∶1000)过夜孵育,TBST洗膜3次,二抗(1∶10 000)孵育1 h,滴加ECL发光液于化学发光显影仪中显影,最后使用Image J分析各条带灰度值进行半定量分析。以上每个目的蛋白独立重复检测3次。
1.2.10 统计学分析
采用SPSS26.0软件对数据进行统计学分析。计量资料以均数±标准差表示,多组间比较采用单因素方差分析,两两比较采用LSD-t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 生物信息分析结果
2.1.1 槲皮素与心力衰竭的交集靶点
从TCMSP数据库中获得潜在靶点148个,Swiss target数据库中获得潜在靶点109个,合并去重后得到靶点168个。Genecards数据库获得疾病靶点1260个(relevance score>14.48),OMIM数据库获得疾病靶点556个,剔重后得到靶点共1436个。将上述槲皮素潜在靶点与心力衰竭疾病基因进行交集,得到槲皮素治疗心力衰竭的潜在作用靶点60个(
图1)。
2.1.2 PPI网络图及核心靶点筛选
利用Cytoscape对PPI网络进行分析,得到9个核心基因,分别是MAPK3、BCL-2、TP-53、KDR、TNF、ESR1、HIF1A、MMP9、PPARG(
图2)。
2.1.3 GO与KEGG富集分析
GO富集分析结果发现:参与生物过程的有236项,包括对细胞发育、信号转导、细胞生理功能等过程的调控上;21个细胞成分中,主要以膜筏和质膜为主;51项与分子功能相关,主要包括蛋白激酶活性、蛋白修饰、受体结合和转录调控等功能。KEGG富集分析共获得138条,其中KEGG富集通路中前10条包括MAPK、PI3K-Akt和HIF-1等信号通路(图3)。
2.1.4 分子对接验证
将与心肌细胞凋亡相关的核心基因MAPK3(PBD,ID:6EGS)、BCL-2(PBD,ID:1K3K)、TP-53(PBD,ID:8SWJ)与槲皮素进行分子对接
[15],分子结合能均<-4.0(
图4)。
2.2 细胞验证实验
2.2.1 槲皮素干预H9C2心肌细胞的适宜浓度筛选
分别利用浓度为0、25、50、100、150、200 μmol/L的槲皮素对H9C2心肌细胞进行处理,细胞的存活率分别为100%、100%、98%、90%、70%、18%,与对照组(0 μmol/L)相比,25、50、100 μmol/L槲皮素对心肌细胞的存活率影响较小(
P>0.05),当槲皮素浓度提升至150、200 μmol/L时,心肌细胞存活率降低(
P<0.05,
图5)。故选取25、50、100 μmol/L分别作为槲皮素低、中、高浓度处理组用于后续细胞实验。
2.2.2 不同浓度槲皮素对ISO诱导心肌细胞损伤的影响
与对照组相比,ISO干预组明显降低细胞的存活率(
P<0.01);在提前24 h使用25、50、100 μmol/L 槲皮素预处理损伤的心肌细胞,细胞存活率呈剂量依赖性地升高(
P<0.05,
图6)。Hoechst染色结果同样显示,与ISO组相比,不同浓度的Que干预组可降低心肌细胞凋亡数量。
2.3 不同浓度槲皮素对各组心肌细胞LDH、MDA、ROS水平的影响
与ISO组相比,不同浓度(50、100 μmol/L)的槲皮素呈剂量依赖形式减少LDH、MDA的产生(P<0.01),但25 μmol/L的槲皮素在降低上述指标的差异无统计学意义(P>0.05);ROS荧光探针实验提示,不同浓度槲皮素可显著减弱ROS的荧光强度(P<0.05,图7)。
2.4 不同浓度槲皮素对各组心肌细胞凋亡相关mRNA、蛋白表达的影响
与对照组相比,ISO组中Bax/Bcl-2、caspase-3 mRNA和蛋白表达增高(
P<0.05);与ISO组相比,不同浓度组的槲皮素干预组中Bax/Bcl-2、caspase-3 mRNA和蛋白表达降低(
P<0.05,图
8、
9)。
2.5 不同浓度槲皮素对各组心肌细胞ERK/p38表达的影响
与对照组相比,ISO组ERK、p38 mRNA表达增高(
P<0.01),且p-ERK/ERK、p-p38/p38蛋白表达亦升高(
P<0.01)。与ISO组相比,不同浓度的槲皮素预处理组可呈剂量依赖性地降低ERK/p38 mRNA(
P<0.01)以及p-ERK/ERK、p-p38/p38蛋白表达(
P<0.01,
图10)。
2.6 槲皮素通过作用于MAPK信号通路抑制心力衰竭
与ISO+Que组相比,ISO+Que+SB组和ISO+Que+TB组中Bax/Bcl-2、c-caspase-3/t-caspase-3蛋白表达升高(
P<0.01);当同时加用ERK、p38蛋白抑制剂阻断MAPK通路后,ISO+Que+SB+TB组中Bax/Bcl-2、c-caspase-3/t-caspase-3蛋白水平升高(
P<0.01),与ISO组比较,凋亡蛋白表达差异无统计学意义(
P>0.05,
图11)。
3 讨论
心力衰竭作为多种心血管疾病发展的终末阶段,是心脏泵血功能衰竭的表现,严重影响患者的生活质量与预后
[1]。目前临床上主要通过抑制神经-内分泌调节机制来治疗心力衰竭,但现有药物如脑啡肽酶抑制剂存在诸多不良反应,促使人们寻求更安全有效的治疗手段
[16, 17]。槲皮素作为一种天然黄酮类化合物,来源广泛且副作用小,已有研究表明其具有减少心肌细胞凋亡、缓解心肌损伤的作用,但其具体作用机制尚未得到充分阐述
[9]。本研究利用网络药理学方法筛选出MAPK、PI3K-Akt和HIF-1等信号通路等与槲皮素治疗心力衰竭相关的信号通路,结合体外实验,旨在深入探讨槲皮素治疗心力衰竭的潜在机制,为临床药物研发提供理论依据。
MAPK信号通路在细胞的生长、分化、凋亡等过程中发挥关键作用,对心脏生理功能的维持及心力衰竭的进展具有重要影响
[18]。已有研究发现,MAPK信号通路的激活可促进去甲肾上腺素诱导的心肌细胞凋亡,加重心肌损伤,而抑制该通路则有助于缓解心肌损伤
[18, 19]。例如,中成药麝香通心胶囊可通过抑制ERK/MAPK信号通路延缓慢性心力衰竭小鼠的心功能恶化
[6];研究表明槲皮素可通过MAPK信号通路治疗房颤,进而改善心功能
[20];有研究发现槲皮素可通过下调MAPK信号通路减少ROS产生,抑制心肌成纤维细胞增殖,从而抑制心肌纤维化
[19]。以上研究均表明MAPK信号通路在心力衰竭的发生发展过程中扮演着重要角色,这与本研究结果相符,进一步提示了MAPK信号通路可能是槲皮素改善心力衰竭的关键途径。同时,PI3K-Akt和HIF-1在心肌保护机制中也占据重要地位
[21, 22]。激活PI3K-Akt信号通路可增强心肌细胞的抗凋亡能力,减轻心肌损伤,改善心脏功能;反之,抑制该通路则可能导致心肌细胞凋亡增加,心功能恶化
[23]。例如,某些药物或干预措施通过调节PI3K-Akt信号通路,影响心肌细胞内的一系列生物学过程,如调节氧化应激、抑制炎症与凋亡等,从而对心力衰竭发挥治疗作用
[23-25]。有研究发现通过调节HIF-1信号通路,可促进心肌血管生成,改善心肌缺氧状态,减少心肌细胞凋亡,从而对心力衰竭产生治疗作用
[26]。有研究表明槲皮素可下调HIF-1α/VEGF信号通路相关的血管生成,提示HIF-1信号通路可能参与了槲皮素对心血管系统的调节过程
[27]。这提示MAPK、PI3K-Akt和HIF-1在心力衰竭的病理生理过程中具有重要意义,但它们的具体作用机制和调节方式存在差异。MAPK信号通路主要通过调节细胞凋亡相关蛋白的表达和活性,影响心肌细胞的凋亡过程
[28];PI3K-Akt信号通路侧重于调节细胞的存活和代谢,维持心肌细胞的正常功能
[29];HIF-1信号通路则主要参与心肌细胞对缺氧环境的适应,调节血管生成和细胞能量代谢
[30]。本研究网络药理学分析结果表明,槲皮素与MAPK、PI3K-Akt和HIF-1等多个通路有着良好的相关性,槲皮素可能通过作用于这些不同的信号通路,调节细胞代谢、凋亡、自噬与氧化应激,从多个方面发挥对心力衰竭的治疗作用。然而,各信号通路之间的相互作用及协同调节机制仍有待进一步深入研究。
细胞凋亡是心肌细胞的主要死亡形式之一。抗凋亡蛋白Bcl-2和促凋亡蛋白Bax同属于Bcl-2家族成员,能介导细胞发生线粒体凋亡途径,即内源性凋亡途径
[31]。当细胞接受到凋亡信号时,胞内Bax/Bcl-2比例上调,线粒体膜通透性和完整性发生改变,使caspase-3活化为c-caspase-3,促使细胞器膜破裂,释放大量的ROS、LDH和MDA,触发级联反应,加速细胞裂解和死亡
[32]。本研究通过分子对接分析发现了槲皮素能够与凋亡相关基因MAPK3、BCL-2和TP-53结合,提示槲皮素可能通过基因调控来抑制凋亡,进而改善心功能。既往研究表明,上调miRNA-15b表达可抑制MAPK3表达,协同Bcl-2表达下调,进而共同加剧心肌细胞凋亡,导致心肌梗死加重
[33];在心肌细胞中,激活TP-53通路,能够改变CDKN1A和MYC等下游凋亡相关基因表达并加重心肌细胞凋亡,相反,敲除小鼠TP-53基因,能够部分挽救心肌纤维化、凋亡及心脏功能
[34]。这些结果提示槲皮素可能通过调控基因表达来实现对凋亡的调控,延缓心力衰竭进展。
既往研究表明,槲皮素能够显著逆转体内实验心功能不全
[27, 35, 36]。有学者报道,槲皮素可恢复ISO致使的损害心肌抗氧化酶活性,调节氧化应激水平以逆转心肌肥大
[36]。此外,槲皮素能够通过AMPK/mTOR通路调节自噬与凋亡,并改善心肌损伤
[35]。本研究显示,槲皮素能够经MAPK通路调控心肌细胞凋亡抗心力衰竭,降低ISO诱导的心肌细胞凋亡相关指标、抑制MAPK通路蛋白激酶磷酸化,在分别使用ERK和p38抑制剂后可逆转槲皮素抗心力衰竭的治疗效果;当同时使用两种抑制剂时,Bax/Bcl-2、c-caspase-3/t-caspase-3比例不仅升高更显著,还与ISO组的差异无统计学意义,这证实了槲皮素依赖于MAPK通路调控凋亡并改善心力衰竭。上述结果在既往研究的基础上进一步深入探讨并丰富了槲皮素改善心肌损伤的机制,明确了槲皮素与MAPK及凋亡的关系。
综上,本研究通过网络药理学筛选出多条与槲皮素治疗心力衰竭相关的信号通路,并通过细胞实验初步验证了MAPK信号通路在槲皮素治疗心力衰竭中的重要作用。这不仅为深入理解槲皮素治疗心力衰竭的分子机制提供了依据,也为心力衰竭的治疗提供了新的潜在靶点和思路。未来将进一步开展研究,补充体内实验数据,深入探讨各信号通路之间的相互关系以及槲皮素对这些信号通路的具体调节机制,为心力衰竭的临床治疗提供更有力的理论支持。