偏头痛是一种常见的、复发性的神经血管性头痛疾病。根据全球疾病负担调查(GBD),偏头痛的全球患病率约为14%~15%,是导致全球残疾的第2大原因
[1-3]。其中,慢性偏头痛(CM)通常由发作性偏头痛(EM)引起,影响约1%~2%的普通人群
[4]。CM的特点包括严重的功能障碍、频繁的复发、对治疗的反应不佳、药物过度使用率高,以及神经精神合并症的显著增加
[5, 6]。
近年来,关于CM的病理机制的研究不断深入,中枢敏化被广泛认为是其核心病理机制之一。中枢敏化的核心特征是疼痛刺激引起三叉神经脊束尾核 (TNC) 中神经元兴奋性的持续增强
[7, 8]。神经炎症与CM中枢敏化相关,TLR4/NF-κB信号通路在CM的炎症反应中起重要作用。当识别到感染、损伤或蛋白质聚集物时,小胶质细胞会迅速“激活”,并释放炎症介质,如TNF-α和IL-1β
[9-16]。这些介质与特定的神经元受体结合,进一步促进中枢敏化,最终导致自发性疼痛、痛觉过敏和异常疼痛感知,如皮肤异常性疼痛等
[17, 18]。尽管当前对CM的病理生理学已有一定认识,但针对该病症的有效治疗手段仍然有限,现有药物疗效较为单一,且副作用较大
[5]。
中医药在临床治疗头痛上具有独特优势
[19]。基于头痛“多风、多瘀、多湿、多虚”中医理论,全国名中医陈宝田教授和广东省名中医谢炜教授制定了活血疏风颗粒,在临床实践中对多种类型的原发性头痛表现出良好疗效。活血疏风颗粒以葛根、川芎为君,共奏活血化瘀、行气止痛之功;当归、白芍、红花、丹参四者共用为臣,增强君药活血化瘀之功;羌活、白芷、威灵仙、薏苡仁、菟丝子诸药共为佐使,共奏疏风、祛湿、补虚之功。课题组前期临床研究发现,中药治疗可有效降低偏头痛患者的发作天数和持续时间,且药物不良反应少
[20]。在偏头痛动物模型中,活血疏风颗粒显著降低SP、CGRP含量,改善疼痛程度
[21],但具体的分子机制不明。
现有研究多集中在活血疏风颗粒对临床症状的改善,而对其分子机制的理解仍不全面,尤其是在网络药理学视角下的深入分析不足。因此,本研究通过网络药理学分析结合动物实验,系统性地揭示了活血疏风颗粒的潜在作用靶点和机制,填补了该药物作用机制研究的空白,进一步验证了活血疏风颗粒的临床疗效及其分子基础。研究成果有望为CM的治疗提供新的理论依据和实践指导,拓展CM的治疗途径。
1 材料和方法
1.1 网络药理学方法
1.1.1 活血疏风颗粒活性成分与靶点获取
活血疏风颗粒由葛根、川芎、当归、白芍、红花、羌活、白芷、威灵仙、薏苡仁、丹参和菟丝子共11味中药颗粒组成。其活性成分信息来源于中药系统药理学数据库(TCMSP,
http://tcmspw.com/tcmsp.php)和BATMAN-TCM数据库(
http://bionet.ncpsb.org.cn/batman-tcm/index.php)。在上述数据库中,活性化合物的筛选标准为口服生物利用度(OB)≥ 30%以及药物相似性(DL)≥0.18。
1.1.2 偏头痛疾病靶点基因获取
以“偏头痛”为关键词,通过OMIM(
https://omim.org)、TTD (
http://db.idrblab.net/ttd/)和GeneCards(
https://www.genecards.org/)3个数据库中检索预测偏头痛相关的靶点基因数据。筛选疾病相关靶标的标准为相关性评分(Relevance Score)>1,并对结果进行整合与去重,最终获得偏头痛的疾病相关靶点。
1.1.3 venn图制作
将活血疏风颗粒的相关靶点与偏头痛的疾病靶点取交集,获得活血疏风颗粒对偏头痛的共同靶点,通过微生信平台(
www.bioinformatics.com.cn)构建Venn图,直观展示靶点重叠情况。
1.1.4 蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络构建
将活血疏风颗粒与偏头痛的共同靶点基因导入STRING数据库(wwww.string-db.org)进行蛋白质-蛋白质相互作用分析,分析模式设定为“Multiple proteins”,物种限定为“Homo sapiens”。经过数据预处理,设定置信度(Confidence Score)≥0.4。在网络图中,节点的大小代表节点度(Degree)的大小,节点度越高表明该蛋白质在网络中的相关性越强。
1.1.5 GO功能富集和KEGG通路富集分析
GO注释从生物过程(BP)、细胞成分(CC)和分子功能(MF)3个方面描述和定义基因产物的功能;KEGG是一个整合基因组、化学和系统功能信息的数据库。将共同靶点导入Metascape数据库(
https://metascape.org/gp/index.html#/main/step1)进行GO功能富集和KEGG通路分析,筛选标准为调整后的
P值(Adjusted p-value)≤0.05,以明确可能的作用机制和通路。
1.2 动物实验
1.2.1 试剂及仪器
硝酸甘油(北京益民药业有限公司);中药颗粒(南方医科大学南方医院中药房);生理盐水(万物生物科技有限公司);4%多聚甲醛溶液(科隆化学品有限公司);OCT包埋胶(Sakura);CGRP抗体(Santa Cruz);c-Fos 抗体(Novus Biologicals);p-NF-κB、NF-κB、IL-1β、TNF-α抗体(CST),TLR4抗体(Proteintech),β-actin抗体(赛维尔),Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) HRP、Goat Anti-Mouse IgG(H+L) HRP抗体(Affinity);von Frey纤维丝(Danmic Aesthesio);小动物智能热板仪(上海洛维生物科技有限公司);5417R台式冷冻高速离心机(Bio.Tck);冰冻切片机(上海徕卡显微系统贸易有限公司);正置荧光电动显微镜(Nikon)。
1.2.2 实验动物及分组
SPF级C57BL/6J小鼠,雄性,6~8周龄(南方医科大学实验动物中心提供,合格证号: SYXK(粤)2021-0167)。经南方医科大学动物实验伦理委员会批准(伦理批号:L202406032),根据干预方式的不同,小鼠共分为5组:对照组、CM模型组、阳性对照药托吡酯组、活血疏风颗粒低剂量组、活血疏风颗粒高剂量组,12只/组。托吡酯组和活血疏风颗粒低、高剂量组造模前提前3 d开始给药。给药方式如下:托吡酯组通过腹腔注射,10 mg/kg,1次/d;活血疏风颗粒组通过灌胃,1次/d,0.3 mL/次。
1.2.3 小鼠慢性偏头痛模型的构建
硝酸甘油(NTG)反复注射诱发偏头痛是一种经典的慢性偏头痛动物模型
[22]。将5 mg/mL硝酸甘油原液用生理盐水稀释至1 mg/mL后现配现用。造模方法为每隔1 d腹腔注射10 mg/kg硝酸甘油,共注射5次,造模周期为9 d。
1.2.4 小鼠慢性偏头痛模型行为学检测
通过von Frey纤维丝刺激小鼠后爪,定量评估其机械痛阈值。测试前30 min,让小鼠适应测试设备及环境。将小鼠单独置于带有金属丝网平台的透明室中,逐一使用von Frey纤维丝按一定力矩刺激小鼠足底,力度从小到大逐步增加。每根纤维丝的压力作用时间保持在1~2 s,且两次刺激之间间隔5 s,确保每次测量独立且稳定。观察并记录小鼠是否出现痛觉反应(如爪部缩回、舔爪或其他防御行为)。根据“up-down”方法的公式,将实验记录转化为50 %机械痛阈值(以g为单位),代表小鼠对机械刺激的敏感性。在每次硝酸甘油(NTG)注射前测量基础机械痛阈值,注射后2 h测量急性机械痛阈值,每只鼠间隔至少5 min重复测量3次,取3次结果的平均值作为此次的阈值进行后续统计分析,用于评估偏头痛模型的疼痛反应变化。
使用热板试验评估热阈值。热板装置的温度保持在55±0.2 ℃。将小鼠轻轻抓取并小心放置在热板表面,确保其四肢与热板完全接触,并保持姿态自然。从小鼠接触热板的瞬间开始计时,观察并记录小鼠首次出现疼痛反应(如舔爪,跳跃)的潜伏时间(即热痛阈值)。在每次硝酸甘油(NTG)注射前测量基础热痛阈值,注射后2 h测量急性热痛阈值。
1.2.5 实时荧光定量PCR
使用TRIzol试剂从TNC组织中提取总RNA,利用 DS-C分光光度计测定样品的260/280和260/230比率,以评估RNA的浓度和纯度。每个样本的RNA(1 μg)通过PrimeScript™ RT Kit逆转录为cDNA。RT-qPCR使用 SYBR® Premix Ex Taq™ 在 LightCycler 96 仪器上进行,具体反应条件如下:初始变性步骤为 95 ℃ 30 s,随后进行40个循环,每循环包括 95 ℃ 5 s、60 ℃ 30 s和 72 ℃ 30 s。靶基因mRNA的相对表达量通过2-
ΔΔCT方法计算,所有数据均以内参基因GAPDH的平均值进行标准化处理。本实验涉及的引物由北京擎科生物科技有限公司合成制作(
表1)。
1.2.6 Western blotting
使用含蛋白酶和磷酸酶抑制剂的RIPA缓冲液提取TNC组织总蛋白。提取的蛋白质通过SDS-PAGE分离后,转移至聚偏氟乙烯(PVDF)膜。使用5% BCA封闭溶液在室温下封闭膜以阻断非特异性结合。随后,将膜与稀释的一抗孵育,在4 ℃条件下过夜。一抗包括:CGRP(1∶1000)、c-Fos(1∶1000)、TLR4(1∶2000)、p-NF-κB(1∶1000)、NF-κB(1∶1500)、IL-1β(1∶1000)、TNF-α(1∶1000)及 β-actin(1∶1500)。次日,用 HRP 偶联的二抗(Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) HRP 和 Goat Anti-Mouse IgG (H+L) HRP,1∶7000)在室温下孵育。最后,通过免疫印迹分析系统(Western blotting)获得相关数据。
1.2.7 免疫荧光染色
首先,将组织切片在室温下用4%多聚甲醛固定15 min,随后用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗。接着,用0.1% Triton X-100 透化切片15 min,并使用2.5%山羊血清封闭1 h,以阻断抗体的非特异性结合。随后,将切片与c-Fos抗体(1∶3000)和CGRP抗体(1∶200)在4 ℃下孵育过夜。次日,用PBS清洗切片后,在室温下与荧光标记的Alexa Fluor 488偶联抗兔或Alexa Fluor 594偶联抗鼠IgG抗体孵育1 h。最后,用DAPI对切片进行复染,并使用正置荧光显微镜进行观察和成像。
1.3 统计学分析
所有统计分析均使用GraphPad Prism 8软件完成。计量资料以均数±标准差表示。统计检验包括Kruskal-Wallis检验、非配对t检验以及单因素方差分析,并结合事后多重比较检验以进一步分析组间差异。 P<0.05为差异有统计学意义。所有实验都是重复实验3次。
2 结果
2.1 网络药理学结果
2.1.1 活血疏风颗粒活性成分及其靶点的筛选
活血疏风颗粒含有167种活性化合物,包括皂苷、总皂苷、黄酮类等,涉及271个潜在靶点(图1A、B)。
2.1.2 活血疏风颗粒改善偏头痛核心靶点的筛选
将活血疏风颗粒活性成分的靶点与慢性偏头痛的疾病靶点进行交集分析,得到171个共同靶点。通过STRING数据库生成PPI网络后,导入Cytoscape软件进行可视化和网络分析,识别出排名靠前的核心靶点蛋白,如IL-1β、IL-6、TNF、AKT1、STAT3、ALB、NFKB1等(图1C)。
2.1.3 GO功能富集和KEGG通路分析
GO功能富集分析共得到492条信号通路,其中生物过程366条,细胞组分46条,分子功能80条,靶基因涉及生物过程包括细细胞对炎症的反应,白细胞介素-1介导的信号通路等;KEGG共富集到167条通路,关键靶点涉及等Toll 样受体4及NF-κB相关信号通路(图1D、E)。
2.2 动物实验结果
2.2.1 活血疏风颗粒部分逆转慢性偏头痛小鼠机械痛阈值、热痛阈值的降低
NTG反复注射后小鼠出现典型的偏头痛样痛觉过敏现象。与正常对照组(腹腔注射生理盐水组)比较,模型组在每次注射NTG后出现小鼠机械痛及热痛阈值的降低,出现急性痛觉过敏(
P<0.01);在反复NTG刺激后,模型组小鼠逐渐出现基础机械痛和热痛阈值的降低,大致在第3次给予NTG后具有统计学意义。与模型组比较,活血疏风颗粒低/高剂量组和西药对照组小鼠可提升基础机械痛/热痛阈值和急性机械痛/热痛阈值(
P<0.01,
图2)。
2.2.2 活血疏风颗粒下调慢性偏头痛小鼠TNC脑区c-Fos的表达水平
免疫荧光染色结果显示,与正常对照组比较,模型组小鼠在反复腹腔NTG注射后,三叉神经脊束尾核(TNC)中c-Fos阳性细胞数量增加(
P<0.01);Western blotting结果分析显示,模型组c-Fos蛋白表达水平升高(
P<0.01)。与模型组比较,活血疏风颗粒低/高剂量组和西药对照组小鼠可下调TNC中c-Fos表达水平(
P<0.01,
图3)。
2.2.3 活血疏风颗粒下调慢性偏头痛小鼠TNC脑区CGRP的表达水平
免疫荧光染色结果显示,与正常对照组比较,模型组小鼠在反复腹腔NTG注射后,TNC中CGRP平均荧光强度增加(
P<0.01);Western blotting结果分析显示,模型组CGRP蛋白表达水平升高(
P<0.01,
图4)。与模型组比较,活血疏风颗粒低/高剂量组和西药对照组小鼠可下调TNC中CGRP表达水平(
P<0.01)。
2.2.4 活血疏风颗粒下调慢性偏头痛小鼠炎症指标
与正常对照组比较,模型组小鼠在反复腹腔NTG注射后,TNC中的炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α、IFN-γ表达水平显著升高(
P<0.01)。与模型组比较,活血疏风颗粒低/高剂量组和西药对照组小鼠可下调炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α、IFN-γ表达水平(
P<0.01,
图5)。
2.2.5 活血疏风颗粒下调慢性偏头痛小鼠TLR4/NF-κB信号通路
与正常对照组比较,模型组小鼠在反复腹腔NTG注射后,TNC中的TLR4、p-NF-κB/NF-κB、IL-1β、TNF-α蛋白表达显著升高(
P<0.01)。与模型组比较,活血疏风颗粒低/高剂量组和西药对照组小鼠可下调TLR4、p-NF-κB/NF-κB、IL-1β、TNF-α蛋白表达水平(
P<0.01,
图6)。
3 讨论
本研究结合网络药理学和动物实验,从多角度探讨了活血疏风颗粒在慢性偏头痛治疗中的作用及机制。我们的研究不仅证实了活血疏风颗粒能够显著减轻慢性偏头痛模型小鼠的中枢敏化,还揭示了其通过调控TLR4/NF-κB信号通路及多靶点干预发挥抗炎和神经保护作用。本研究结果为活血疏风颗粒在慢性偏头痛治疗中的应用提供了科学依据,同时也为新型中药治疗策略的开发提供了思路。
与传统的单靶点药物相比,中药复方如活血疏风颗粒具有多成分、多靶点的特点。这一特性使其在治疗慢性偏头痛这类复杂病理机制的疾病中展现出独特的优势
[21]。传统药物大多聚焦于单一的致病因素,而中药复方则通过多靶点、多途径作用,能够更全面地干预疾病过程。本研究通过网络药理学分析,进一步揭示了活血疏风颗粒在炎症反应、神经保护及细胞代谢等多个生物学通路中的潜在作用,突出了其多靶点治疗的优势。
本研究的创新性体现在以下几个方面:首先,我们通过多维度的研究手段,结合行为学、分子生物学及网络药理学分析,全面揭示了活血疏风颗粒通过抑制TLR4/NF-κB信号通路及相关炎症因子(如IL-1β、TNF-α等)的表达来减轻慢性偏头痛中枢敏化的机制。这一发现为慢性偏头痛的中药治疗提供了新的治疗靶点和理论依据。其次,本研究发现活血疏风颗粒能够显著降低CGRP和c-Fos的表达,这为理解其在中枢敏化中的作用提供了重要线索。CGRP和c-Fos作为关键的中枢敏化标志物,其在慢性偏头痛中的作用已被广泛研究
[23-28],而本研究的结果进一步验证了活血疏风颗粒在调控这些分子表达方面的有效性。再者,活血疏风颗粒中的主要活性成分如芒柄花素、芍药苷、槲皮素和丹参酮等具有神经保护作用。例如,芒柄花素、芍药苷可通过抑制NF-κB信号通路改善神经炎症
[29, 30];槲皮素可减少CGRP和c-Fos的表达,改善中枢敏化
[31]。相比之下,现有的慢性偏头痛治疗药物多侧重于单一靶点的干预,而活血疏风颗粒通过多成分协同作用展现了更强的治疗潜力。
综上,本研究揭示了活血疏风颗粒在慢性偏头痛治疗中的多靶点作用机制,并通过综合性实验数据验证了其在减轻中枢敏化、改善神经炎症和神经保护方面的显著效果。这些发现不仅为活血疏风颗粒的临床应用提供了科学依据,也为开发新的慢性偏头痛治疗策略,尤其是基于中药复方的治疗方法,提供了新的视角和实践方向。
2023年度省基础与应用基础研究基金企业联合基金(公共卫生与医药健康领域)(2023A1515220030)