糖尿病肾脏病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病最常见的微血管并发症,是以肾功能进行性下降、大量持续性蛋白尿、血脂代谢紊乱、代谢产物积聚引起尿毒症等临床症状为主的内分泌代谢性疾病
[1],DKD患者最早出现的组织学病变为肾小球基底膜增厚和系膜扩张,随后为结节性肾小球硬化和肾小管间质的改变,包括炎症细胞浸润和毛细血管结构的丢失
[2]。
目前DKD的治疗策略是基于症状支持治疗,尽管这些策略在DKD中显示出了良好的结果,但许多糖尿病患者继续进展为DKD和终末期肾病(end-stage renal disease, ESRD)
[3]。ESRD患者需要长期透析或肾移植,这严重影响了他们的生活质量和生存时间,同时大大增加了社会经济负担
[4]。因此,迫切需要基于多个靶点的新型治疗药物延缓DKD进展。
毛蕊花糖苷(Acteoside,ACT)为一种天然的糖苷类物质,主要从肉苁蓉、地黄、车前子等中草药中提取而来,研究证实ACT具有消炎、增强免疫、抗缺氧、抗神经性疼痛等多种药理作用
[5]。近年来,以ACT为主要活性成分的中成药制剂—地黄叶总苷胶囊在DKD的治疗中应用广泛且疗效显著
[6],但目前基于ACT治疗DKD的药理学作用及潜在分子机制尚缺乏系统性研究。故本文借助于网络药理学及分子对接技术,来探讨 ACT 对 DKD 的治疗作用及其潜在机制,并通过动物实验验证了其抗炎机制,旨在为ACT的机制研究和临床应用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
选用32只SPF级雄性SD大鼠(5周龄),体重120~140 g,购买并饲养于山西省人民医院实验动物中心。动物许可证号:SYXK(晋2019-0003)。所有大鼠均在温度(22±1)℃和湿度(55±10)%下进行12∶12 h的光/暗循环,不限制饮用水和食物。实验按照《山西省人民医院动物实验伦理审查委员会指南》(审批号:2023-431)进行,符合《实验动物护理使用指南》。
1.1.2 实验试剂
毛蕊花糖苷购自美国MCE公司;卡托普利片剂购自上海衡山药业有限公司;链脲佐菌素购自美国 Sigma公司;NF-κB抗体(批号D14E12,稀释比例1∶1 000)、p-NF-κB-p65(ser536)(批号93H1,稀释比例 1∶1 000)购自美国CST公司;β-actin抗体(批号bs-0061R,稀释比例 1∶5 000)购自中国北京博奥森生物技术有限公司;HRP标记的羊抗兔二抗(批号BA1054,稀释比例 1∶5 000)购自武汉博士德生物技术有限公司。
1.2 方法
1.2.1 ACT潜在活性成分和相关靶点的收集
通过SwissTargetPrediction、GeneCards、TargetNet、SuperPred、SEA和Pharmmapper数据库以“Acteoside”作为检索关键词进行检索,使用UniProt数据库(
https://www.uniprot.org/)
[7]进行标准化,提取基因名称,得到的靶点即为ACT的靶点。
1.2.2 DKD疾病靶点的获取
以“diabetic kidney disease”、“diabetic nephropathy”、“DKD”、“DN”为关键词,分别在 GeneCards 数据库(
http://www.genecards.org/)
[8]、OMIM 数据库(
http://www.omim.org/)
[9]、TTD 数据库(
http://db.idrblab.net/ttd/)
[10]和 DrugBank 数据库(
https://go.drugbank.com/)
[11]进行检索,筛选去重得到DKD相关靶点。
1.2.3 PPI网络的构建及核心靶点的筛选
将筛选得到的ACT对应靶点与DKD相关靶点导入Venny2.1.0 平台绘制 Venn 图
[12],交集基因作为ACT治疗DKD的潜在作用靶点,导入STRING数据库(
https://string-db.org/)
[13],进行蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interactions,PPI),使用Cytoscape3.9.0软件构建PPI网络。利用CytoNAC插件,以“Betweenness,Closeness,Degree”进行筛选核心靶点并进行可视化分析。
1.2.4 GO富集分析和KEGG通路富集分析
通过Metascape网站(
https://metascape.org/gp/index.html)
[14]的GO(gene ontology,GO)插件对与潜在靶标相关的生物过程(BP)、细胞组分(CC)和分子功能(MF)项进行富集分析。以及利用京都基因和基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路富集分析,运用微生信平台(
http://www. bioinformatics. com. cn/login/)制作 GO富集分析结果的柱状图和 KEGG通路注释分析结果的气泡图。
1.2.5 分子对接验证关键靶标蛋白
利用CB-DOCK2
[15]对接关键基因。从PubChem中获取ACT三维结构,并以SDF文件格式保存。从PPI网络中根据度值选择关键基因,在PDB数据库
[16]获取关键基因的3D结构,以PDB格式保存为文件。使用CB-DOCK2进行分子对接和可视化分析,以显示分子与靶标之间的相互作用力。对接亲和分数小于-5.0千卡/摩尔表明化合物与目标之间有很强的结合。
1.2.6 DKD大鼠模型构建
动物适应性喂养 7 d后,随机分为造模组(24 只)和正常组(8 只)。所有大鼠均按饲喂标准饮食,自由饮水。正常对照组采用普通饲料,造模组大鼠采用高糖高脂饲料喂养4周,禁食10 h后单次腹腔注射35 mg/kg链脲佐菌素(STZ),正常组腹腔注射等量柠檬酸盐缓冲液。STZ注射72 h后从尾静脉测量血糖水平。大鼠血糖水平持续高于16.7 mmol/L,继续高脂喂养4周后,尿蛋白超过30 mg/d,判定为糖尿病肾病大鼠模型
[17]。
1.2.7 实验动物分组及药物处理
动物模型建立后,将造模组大鼠重新随机分为3组:模型组(DKD)、毛蕊花糖苷组(DKD+ACT 120 mg·kg
-1·d
-1)和卡托普利组(DKD+CAP 10 mg·kg
-1·d
-1)除正常组(CON)外继续给予高糖高脂饲料喂养。据报道,卡托普利可通过降低血压、改善肾脏血流灌注,减少蛋白尿来治疗糖尿病肾病,但不会降低血糖
[18]。正常对照组及DKD组给予等量生理盐水灌胃,所有大鼠每天灌胃1次,连续8周,每两周检测一次血糖和体重。动物模型中ACT和CAP的剂量基于既往文献
[19, 20]。
1.2.8 血尿标本检测
大鼠在戊巴比妥钠(60 mg/kg)麻醉下进行心脏穿刺收集血液标本,静置离心后,取血清用于检测血清肌酐(SCr)、血尿素氮(BUN)水平。使用ELISA试剂盒检测血清中TNF-α、IL-6和IL-1β的水平。药物干预最后一周从代谢笼中收集24 h尿液样本,用试剂盒检测大鼠24 h尿蛋白(24 h-UPro)。
1.2.9 肾组织病理染色
将肾组织用固定脱水后进行包埋,切片进行苏木精伊红(H&E)和过碘酸-雪夫(PAS)染色观察肾脏组织学病理改变。
免疫组化:石蜡切片脱蜡至水后,进行抗原修复,血清封闭。与一抗p-p65(1∶400)抗体在4 ℃下孵育过夜。HRP偶联的二抗兔IgG在37 ℃孵育30 min。DAB显色5~10 min后洗涤,用苏木精进行核染色2~3 min,各级酒精脱水,封片。
电镜:将肾皮质在2.5%的戊二醛缓冲液中固定,然后用1%的饿酸固定液浸泡。脱水包埋后切片,在铜网中用醋酸铀酰和柠檬酸铅双重染色,在电子显微镜下观察不同组肾脏的变化。
1.2.10 免疫印迹分析
提取肾组织总蛋白,测定蛋白浓度。煮沸冷却后,电泳将蛋白进行分离,并转移到PVDF膜上,5%脱脂牛奶室温下封闭2 h。一抗在4 ℃冰箱孵育过夜。室温下孵育二抗一小时后,用增强化学发光显色液通过ECL化学发光检测系统,检测蛋白信号。ImageJ软件分析蛋白质灰度值,以β-actin作为内参对照。
1.3 统计学处理
本研究使用SPSS 23.0统计软件进行数据分析,数据采用()表示。每个独立实验至少重复3次。两组间比较采用Student′s t检验,多组间比较采用单因素方差分析。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 网络药理学及分子对接
2.1.1 ACT治疗DKD的潜在靶点
通过SwissTargetPrediction、GeneCard、TargetNet、SuperPred、SEA和Pharmmapper数据库筛选去重得到ACT的有效作用靶点469个;在GeneCards、OMIM、TTD、Drugbank 4个公共疾病数据库进行DKD靶点基因的收集,去重复后取并集,得到疾病潜在靶点1 073个。将ACT的469个靶点和1 073个DKD潜在靶点进行Venn分析,获得65个药物-疾病交集靶点,结果见
图1。
2.1.2 构建PPI网络与核心靶点分析
将65个共同靶点基因导入STRING数据库得到PPI网络,再导入Cytoscape3.9.0软件进行可视化,如
图2所示,PPI网络由65个节点和418条边组成。利用CytoNAC插件,以“Betweenness,Closeness,Degree”的平均数为截值进行筛选,结果显示度值基因排名前六的蛋白基因为TP53,CASP3,MMP9,STAT3,NFKB1,PTGS2,见
表1,推测这些靶点是ACT调控DKD的关键靶点。
2.1.3 GO和 KEGG富集分析
通过 Metascape平台将ACT治疗DKD的潜在靶点进行GO富集分析,共富集到441个BP(对肽的反应;细胞对非生物刺激的反应;对外来刺激的反应;细胞对细胞因子刺激的反应),42个CC(分泌颗粒管腔;内体腔;细胞质核周区;转录调控复合体),90个MF(非跨膜蛋白酪氨酸磷酸酶活性;氧化还原酶活性;蛋白同型二聚化活性;蛋白磷酸酶结合),见
图3A。
KEGG分析共获得153条富集通路,根据P值筛选前15条通路进行可视化,如
图3B所示,其中有显著性的通路包括癌症信号通路,HIF-1信号通路,TNF信号通路,NF-κB信号通路,P53信号通路,AMPK信号通路等。
2.1.4 分子对接结果
将筛选得到的核心靶点和ACT进行分子对接。从PDB数据库中下载核心靶点PTGS2(5F19)、CASP3(3H0E)、MMP9(6ESM)、NFKB1(1SVC)、STAT3(6NJS)和TP53(4KVP)的蛋白结构,与ACT配体分别进行对接。分子对接结果显示,ACT与潜在的作用靶点的对接结合能均为≤-5 kJ/mol,说明ACT与预测的作用靶点的构象能量低,具有较强的结合活性。对接结合能见
表2,分子对接示意图见
图4。
2.2 动物实验验证
2.2.1 ACT对DKD大鼠血糖和体重的影响
与CON组相比,各组大鼠血糖均有不同程度升高(
P<0.001);与DKD组相比,ACT和CAP组大鼠虽然血糖有所下降,但差别无统计学意义,见
图5A。与CON组相比,各组大鼠体重在8周后有减轻(
P<0.001),与DKD组相比,ACT和CAP组大鼠给药后体重均有显著上升(
P<0.01),ACT组和CAP组大鼠体重差别无统计学意义。见
图5。
2.2.2 ACT对DKD大鼠血尿素氮、血肌酐及24 h尿蛋白的影响
如
图6所示,与CON组比较,DKD组大鼠血尿素氮和血肌酐显著升高(
P<0.001);与DKD组相比较,ACT和CAP组血尿素氮和血肌酐显著下降(
P<0.05),且两治疗组无明显差异。与CON组比较,DKD组大鼠24 h-UPro显著升高(
P<0.001);与DKD组相比较,ACT组、CAP组24 h-UPro显著下降(
P<0.01),且两治疗组无明显差异。
2.2.3 ACT对DKD大鼠肾脏病理的影响
H&E染色结果显示未经治疗的DKD组的肾脏显示肾小球肥大,肾小管上皮细胞脱落,系膜基质扩张。PAS染色显示DKD模型组大鼠肾组织间质增生和肾小球基底膜增厚。治疗8周后,与模型组相比,ACT组和CAP组显著减弱了肾小球肥大和系膜基质扩张,同时减少了肾小管上皮细胞脱落。透射电镜图像显示DKD小鼠有明显的组织学改变,如足细胞脱离、足突消失和GBM增厚,而ACT和CAP处理明显逆转了这些改变,见
图7。
2.2.4 ACT对DKD大鼠血清促炎细胞因子表达的影响
ELISA结果显示,在DKD组大鼠中,IL-6、IL-1β和TNF-α水平较CON组明显升高(
P<0.01),而ACT和CAP处理显著降低了上述炎症因子的表达(
P<0.05)。见
图8。
2.2.5 ACT对DKD大鼠NF‑κB信号通路表达的影响
免疫组化结果显示,在DKD组大鼠中,p-P65表达增加,在ACT和CAP处理后p-P65表达降低(
图9A),此外,Western blot也显示了类似的趋势,在DKD大鼠肾脏中p-P65大量表达(
P<0.01),而在经过ACT和CAP治疗后,p-P65表达明显较DKD模型组降低(
P<0.05),ACT与CAP组比较没有统计学意义(
P>0.05),见
图9B。综上所述,ACT的抗炎作用可能与抑制NF-κB信号通路有关。
3 讨论
近年来,糖尿病的患病率呈上升趋势,2型糖尿病患者并发DKD的风险约为21.8%
[21]。其发病机制错综复杂,涉及晚期糖基化终产物(AGEs)积累、炎症反应、肾素-血管紧张素系统(RAS)激活、氧化应激等多种因素
[22, 23]。虽然药物治疗在延缓DKD的进展中已有较为系统的体系,但是目前的治疗效果尚未达到预期水平,仍需开发靶向治疗肾脏疾病的新策略。地黄叶总苷胶囊具有滋阴补肾、凉血活血的功效,常用于治疗慢性肾小球肾炎、糖尿病肾病和非急性期肾衰竭等疾病
[6]。大量临床研究证明地黄叶总苷胶囊可以减少DKD患者的蛋白尿、延缓肾脏病进展
[24]。ACT为中成药地黄叶总苷胶囊的主要有效成分之一,已被证实具有良好的抗炎、抗氧化、抗癌、神经保护、心血管保护、抗糖尿病、骨骼和软骨保护、肝脏保护和抗微生物等作用
[25],有研究发现,ACT可以通过调节NADPH/氧化酶-TGF-β/Smad信号通路改善糖尿病db/db小鼠和HK-2细胞的肾脏损伤
[26]。刘艳文等人发现ACT可下调HMGB1/RAGE/NF-κB信号通路蛋白表达,抑制动脉粥样硬化大鼠炎症和氧化应激
[27]。既往研究发现ACT可以通过抑制AKT/GSK-3β信号通路减轻db/db小鼠足细胞凋亡
[19]。以及我们的前期研究发现ACT可通AKT/mTOR信号通路抑制高糖诱导的足细胞凋亡
[25]。上述研究均表明ACT在治疗慢性炎症和多种肾脏疾病中显示出良好的疗效,但其治疗DKD的潜在分子机制尚缺乏系统性研究。
为了研究ACT治疗糖尿病肾病的药效学基础和潜在的生物学机制,首先,我们从网络药理学的角度前瞻性地预测了ACT治疗DKD潜在靶点,筛选得到65个交叉的靶点,然后构建蛋白质相互作用网络,筛选出在ACT干预DKD的生物过程中可能起关键作用的六个靶点,具体如下:TP53、CASP3、MMP9、STAT3、NFKB1、PTGS2。其中NFKB1、PTGS2、MMP9已被证实在DKD被激活,而通过特异性抑制后可改善DKD的炎症反应,减缓DKD的进展
[28]。接着,笔者对ACT治疗DKD的潜在靶点进行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析,发现上述核心靶点可能参与了炎症反应,并通过调节NF-κB信号、TNF信号通路等进一步发挥其多靶点、多网络的肾脏保护作用。其中NF-κB信号通路的激活可诱发肾脏内慢性炎症,进而导致肾脏疾病
[29]。最后,将ACT与核心靶点进行分子对接。结果显示ACT与靶蛋白结合稳定。进一步证明了ACT治疗DKD的可行性。
在本研究中,笔者通过体内实验验证了ACT对DKD大鼠的生化指标、肾脏病理损伤、炎症反应及NF-κB信号通路的影响。生化结果显示,ACT治疗能显著改善DKD大鼠的体重、血尿素氮和血肌酐水平,这表明ACT对DKD大鼠的肾功能具有显著的改善作用,但我们的结果显示ACT不具有降低DKD大鼠血糖的作用,说明ACT并不是通过降低血糖来发挥肾脏保护作用。同时,肾脏病理染色和电镜观察结果显示,ACT治疗能显著减轻肾小球肥大和系膜基质扩张程度,减少肾小管上皮细胞脱落,改善DKD大鼠的肾脏病理损伤。
在糖尿病肾病中,NF-κB通路的激活被认为是一个重要的病理机制。NF-κB通路的异常激活会引发炎症反应,并促进炎症介质的释放
[30]。笔者的ELISA检测结果显示,ACT治疗能显著降低DKD大鼠血清中促炎细胞因子IL-6、IL-1β和TNF-α的水平,免疫组化和Western blot结果表明,ACT治疗能显著降低DKD大鼠肾脏中NF-κB信号通路的表达,上述结果说明ACT具有抑制DKD大鼠炎症反应的作用,其保护作用机制可能与抑制NF-κB信号通路有关。体内实验验证了网络药理学及分子对接预测的结果,并揭示了ACT在治疗DKD中可能的作用机制。这些结果为进一步的研究和临床应用提供了重要的参考信息,为ACT治疗DKD的潜在机制提供了有力的支持。
然而,本研究也存在一些局限性。首先,虽然通过网络药理学的方法筛选出了ACT的潜在靶点,但实际作用靶点是否完全符合预测还需进一步验证。其次,体内实验验证虽然表明了ACT对DKD的治疗效果,但动物模型与人体疾病仍有差异,临床应用还需要更多的临床试验数据支持。
综上所述, ACT可以有效降低促炎细胞因子水平,改善DKD大鼠肾功能和肾脏病理改变,并且其作用机制通过网络药理学、分子对接和动物实验验证可能与调控NF-κB信号通路有关。
作者贡献度说明:
王军伟:实验实施和数据处理;马桂巧:论文撰写;翟新茹、董彩宙:收集数据;邵婧:文献检索;马婵娟:实验设计,实验指导及论文修改指正。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
山西省自然科学基金项目(201901D111437)
山西省留学人民科技活动(20220046)