糖尿病肾病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病最严重的微血管并发症之一,临床表现为蛋白尿和肾功能的逐步损害,约40%的糖尿病患者会发展成DKD,最终发展为终末期肾病
[1,2]。DKD目前治疗方案主要予以对症治疗,如纠正血糖、血压、血脂,改善患者生活方式等,进而延缓肾脏损伤进程
[3]。而近年来中医药在对DKD的临床治疗及基础实验研究方面取得一定的成效,具有独特的优势,已成为治疗DKD的研究热点。
DKD在传统医学文献中并没有与之相对应的病名,其临床症状复杂,并发症多,病机多变,临床多认为与“脾肾亏虚,痰浊瘀互结”相关。本研究在脾肾亏虚的基础上,提出“风伏厥阴,肾络失和”的病机,采用“益气祛风,调和肾络”的治法,运用肾苏Ⅳ对DKD患者进行治疗,临床上取得良好的疗效。前期研究发现
[4,5],肾苏Ⅳ能有效调控podocin、VEGF蛋白表达平衡,恢复足细胞骨架结构损伤,一定程度上改善DKD损伤。为深入了解肾苏Ⅳ的作用机制,预测药物活性成分及潜在作用靶点,拟利用网络药理学和分子对接技术探究肾苏Ⅳ治疗DKD的潜在机制。
1 材料与方法
1.1 网络药理学研究分析
1.1.1 肾苏Ⅳ活性成分和靶点的筛选与预测
在中药系统药理学数据库和分析平台(TCMSP,
https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php/)中检索肾苏Ⅳ的组成药物黄芪、当归、防己、青风藤、泽兰,在本草组鉴数据库(HERB,
http://herb.ac.cn/)中检索僵蚕、重楼的有效成分,以口服生物利用度OB≥30%与类药性DL≥0.18
[6]为条件筛选出每味中药的有效成分,使用成分名或其CAS号在PubChem数据库(
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)找到相应的SMILE号,再将SMILE号放入SwissTargetPrediction数据库(
http://swisstargetprediction.ch/)预测靶点基因,利用UniProt数据库(
https://www.uniprot.org/),物种设置为“HUMAN”, 将获得的靶点基因校正为官方基因名。
1.1.2 潜在作用靶点的预测
以“diabetic nephropathy”、“diabetic kidney disease”为检索词,分别在Disgenet数据库(
https://www.disgenet.org/)、GeneCards数据库(
https://www.genecards.org/)、OMIM数据库(
https://www.omim.org/search/advanced/geneMap)进行DKD靶点的检索与筛选,合并后删除重复靶点。随后,将肾苏Ⅳ中药成分活性靶点和DKD相关疾病靶点输入到Venny 2.1.0(
https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html),制作韦恩图,获得药物‑疾病交集靶点(潜在靶点)。
1.1.3 蛋白质‑蛋白质互作网络的构建及网络拓扑分析
将获得的交集基因上传STRING网站(
https://cn.string-db.org/),设置物种为“Homo Sapiens”构建蛋白质‑蛋白质互作(protein‑protein interactions, PPI)网络,下载相应TSV格式文件,导入Cytoscape3.9.1软件将其可视化,并利用Centiscape2.2插件对网络拓扑图进行分析,以高于度值(Degree),中介中心性(Betweenness),紧密中心性(Closeness)的中心值为条件,进行DKD核心治疗靶点的筛选。
1.1.4 单味药‑活性成分‑作用靶点”网络构建
将肾苏Ⅳ的药物、有效药物成分、药物‑疾病交集的核心靶点与DKD相互作用关系导入Cytoscape3.9.1软件中,构建“单味药‑活性成分‑靶点”可视化网络图,利用软件工具Network Analyzer分析网络的拓扑特征,计算每个节点的Degree。
1.1.5 基因本体富集分析和京都基因组学百科全书途径富集分析
为更好了解潜在基因潜在的生物学过程,将获得的交集基因放入DAVID数据库(
https://david.ncifcrf.gov/tools.jsp)中,将物种设置为“Homo Sapiens”,进行基因本体(gene ontology, GO)功能富集分析及京都基因组学百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)信号通络富集分析。GO富集分析包括生物学过程、细胞组分和分子功能3个部分,KEGG富集分析预测肾苏Ⅳ治疗KEGG可能涉及到的主要信号通路。将获得了GO分析和KEGG分析按Degree值排序后,选择生物学过程、细胞组分和分子功能前10及KEGG前20导入微生信网站(
https://www.bioinformatics.com.cn/),对结果进行可视化分析。
1.1.6 分子对接
在PPI网络中选择Degree值排名前5的靶点基因,“单味药‑活性成分‑靶点”网络中选择节点最多的前5关键药物成分,分别依次进行分子对接。在PubChem数据库下载药物有效成分的结构文件,利用Open Babel 2.3.2软件将SDF文件转化为PDB文件,从pdb数据库(
https://www.rcsb.org/)检索获得受体蛋白。在PyMOL2.3.4软件中对受体蛋白进行去水、去配体等操作,采用AutoDockTools软件对受体蛋白进行加氢、平衡电荷等修饰,将受体蛋白和配体小分子分别转化为pdbqt格式。利用AutoDock Vina 1.1.2对受体蛋白与配体小分子进行分子对接,并利用PLIP分析对接结果。对接结果使用PyMOL软件进行可视化。
1.2 动物实验验证
1.2.1 实验动物
选用雄性大鼠32只,购自江西中医药大学,6周龄,体重160~180 g,常温下饲养于江西中医药大学实验室,自由饮水摄食7 d,进行新环境适应。饲养中心许可证号:SYXK(赣)2017‑0004,动物实验伦理委员会批准(伦理批号:LL‑202304270005),本研究的动物实验设计和操作流程均符合动物伦理要求。
1.2.2 实验主要试剂及仪器
链脲佐菌素(STZ)(Sigma公司,S0130); 厄贝沙坦片(赛菲诺EA1932); 苏木精‑伊红(H&E)染色试剂盒(上海碧云天,C0105S); 罗康血糖试纸条(德国罗氏罗康);sw‑cj‑2fd超净工作台(苏净安泰公司);(优越型)罗康全血糖仪(德国罗氏罗康);SPL0960型实时荧光定量PCR仪器(赛默飞公司);H‑7650型透射电镜(日本日立公司);BH‑2型光学显微镜(日本奥林巴斯公司)。
中药药液为江西中医药大学附属医院中药房煎制,肾苏Ⅳ的组成为黄芪30 g,当归10 g,青风藤15 g,泽兰15 g,防己10 g,僵蚕10 g,重楼10 g,所有药品重复煎煮3次,浓缩为100 mL的汁液备用(1.00 g生药/mL);。
1.2.3 实验动物的分组、造模及给药
所有大鼠适应性喂养1周后,禁食12 h,将大鼠随机分为空白组(NC组),模型组(DN组),肾苏Ⅳ组(SC组)及厄贝沙坦组(DN+厄贝沙坦组),每组各8只。除NC组外的大鼠均予以腹腔注射STZ溶液,60 mg/kg(STZ溶液是由pH值为4.5的柠檬酸盐缓冲液配制,柠檬酸盐含量为0.1 mol/L)建立DN大鼠模型。NC组大鼠予以等体积的柠檬酸钠缓冲液。高脂饲养1周后通过尾静脉测量空腹大鼠血糖,若空腹血糖≥16.7 mmol/L则为造模成功。在造模成功后第1天起,SC组大鼠给予剂量为1.8 mL/400 (g·d)的肾苏Ⅳ(参考相关文献[
7]及课题组前期实验[5])灌胃,DN+厄贝沙坦组按0.0135 g/kg,纯净水配置成2 mL厄贝沙坦悬浊液灌胃,NC组和DN组大鼠灌服同等剂量生理盐水,每日一次,干预6周,灌胃期间继续高脂饲养。
1.2.4 实验动物的取材
6周后处死大鼠,取出双肾,观察肾脏的形态并摄片,用PBS液清洗肾脏至发白,轻柔吸去水分后用于冰盒上分离肾脏,光镜检测部分用10%的甲醛固定;电镜检查部分用2.5%戊二醛固定;剩余肾组织冷藏于液氮中,放置在-80 ℃冰箱中,用于后续PCR检测。
1.2.5 观察指标及检验方法
1.2.5.1 电镜观察各组大鼠肾组织病理变化
将戊二醛固定后的各组肾组织进行丙酮溶液梯度脱水、树脂包埋,烤箱过夜充分聚合,切片后用枸橼酸铅和醋酸铀联合染色,用透射电镜观察并摄片。
1.2.5.2 光镜(H&E染色)观察各组大鼠肾组织病理变化
将10%的甲醛固定的各组大鼠肾组织进行梯度浓度乙醇脱水、二甲苯透明、石蜡包埋、连续5 μm 厚切片后进行H&E染色,染色结束后用二甲苯封片后光镜观察并摄片。
1.2.5.3 RT‑qPCR法检测相关基因表达
在无菌低温环境下将肾脏组织剪碎,用RNA提取试剂盒提取总RNA,检测浓度及纯度。根据A
260 nm/A
280 nm计算纯度,当A
260 nm/A
280 nm在1.8~2.2时,则表示RNA提取合格,取样品RNA 1 000 ng进行反转录合成cDNA。按照说明操作,将取得的cDNA 进行配制成总反应体系为10 μL的qRT‑PCR反应体系,采用全自动PCR仪按以下条件进行PCR反应:95 ℃变性10 s,60 ℃退火/延伸30 s, 进行40次循环。反应结束后获取循环阈值,分析实验数据。引物由武汉塞维尔生物科技有限公司合成。引物序列见
表1。记录每反应管中标本的Ct值,实验结果采用2
-△△Ct法进行相对定量分析。
1.3 统计学处理
通过SPSS 25.0软件进行数据处理,若符合正态分布则以()表示,组间比较采用单因素方差分析,采用Graphpad prism 8.0软件进行数据分析和显著性差异分析。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 网络药理学研究结果
2.1.1 肾苏Ⅳ的活性成分及相应靶点
通过在TCMSP和HERB数据库中对肾苏Ⅳ组成中药进行检索,以OB≥30%与DL≥0.18为条件进行筛选后,共获得53个有效成分,其中黄芪20个,当归2个,防己3个,青风藤6个,泽兰2个,重楼18个,僵蚕8个,其中3个为重复成分。见
表2、
3。
使用有效成分名或CAS号在PubChem数据库中找到相应的SMILE号放入SwissTargetPrediction数据库中预测靶点,去除probability为0的靶点,53个药物成分,去除重复值后,共获得682个靶点作为肾苏Ⅳ的中药活性成分靶点,用UniProt数据库校正为官方基因名。
2.1.2 DKD相关靶点的筛选
用DKD和DN在GeneCards数据库检索分别得到14 653个和4 144个,放入excel中经中位数筛选后保留1 832个和DN 1 052个,在OMIM数据库中分别得到546个和261个,DN在Disgenet数据库中检索得到1 189个,将3个数据库合并后去重,得到3 121个疾病靶点。在Venny2.1.0制作韦恩图,获得交集靶点313个,作为肾苏Ⅳ治疗DKD的潜在靶点进一步研究。见
图1。
2.1.3 PPI网络的构建及核心靶点的筛选
将韦恩图中交集基因上传STRING数据库后得到TSV文件后导入Cytoscape3.9.1进行可视化,得到313个节点,6 535条边,利用Centiscape2.2插件进行数据分析分析后,Degree>41.757、Betweenness>333.234、Closeness>0.001 6为条件进行筛选后,得到60个节点,962条边,60个靶基因,按度值进行排列,颜色越深、形状越大代表相关性越大。筛选过程见
图2。其中度值前5的核心基因为蛋白激酶1(AKT serine/threonine kinase 1,
AKT1)、表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,
EGFR)、雌激素受体1(estrogen receptor 1,
ESR1)、非受体酪氨酸激酶(Proto‑oncogene tyrosine‑protein kinase Src,
SRC)、基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinases 9,
MMP9),见
表4。
2.1.4 “单味药‑活性成分‑作用靶点”网络构建
使用Cytoscape3.9.1软件将7种组方药材、53种药物活性成分和60个核心靶点基因构建药物‑活性成分‑疾病靶点基因网络图,共得到120个节点356条边。见
图3。节点连线交集越多代表药物和疾病靶点基因的联系越密切。利用NetworkAnalyzer对数据进行分析,选择靶点最密集前5的药物成分,见
表5。
2.1.5 GO及KEGG通路富集分析
将313个交集基因导入DAVID数据库,进行GO及KEGG富集分析。GO富集分析中,潜在靶点涉及的生物过程包括对异生物质刺激的反应、蛋白质磷酸化的调控、基因表达的正调控、细胞群增殖的正调、凋亡过程的负调控等;涉及到的细胞组分包括细胞膜、凋亡过程的负调控、质膜、细胞外间隙、细胞外区等;涉及到的分子功能包括蛋白激酶活性、酶结合、ATP结合、蛋白质同源二聚化活性等,见
图4A。KEGG分析中,癌症通路(Pathways in cancer),代谢途径(Metabolic pathways),PI3K‑Akt信号通路、MAPK信号通路、Ras信号通络、糖尿病代谢AGE‑RAGE信号通络等可为肾苏Ⅳ治疗DKD涉及的主要信号通路。见
图4B。
2.1.6 分子对接
结合PPI网络及单味药‑活性成分‑作用靶点网络图结果,选取靶基因AKT1、EGFR、SRC、ESR1、MMP9作为配体,药物活性成分四神经内酯素A(Tetraneurin A)、二氢异黄酮(isoflavanone),山奈酚(kaempferol)、黄芪紫檀烷苷(6aR,11aR)‑9,10‑dimethoxy‑6a,11a‑dihydro‑6H ‐benzofurano[3,2‑c]chromen‑3‑ol、熊竹素(Jaranol)作为受体进行分子对接,结合能见
表6,核心药物成分结构见
图5。其结合能均<0,说明配体分子都能够与受体蛋白自发结合,且结合能越小表明对接效果越佳。重点药物成分与关键靶点结合二维图见
图6。
2.2 动物实验验证结果
实验期间,各组大鼠生活状态良好,体质量稳定增加,无死亡及不良反应发生。
2.2.1 各组实验大鼠肾组织电子显微镜结果
透射电镜观察,DN组基底膜不均匀增厚,系膜区细胞增生且见沉积的免疫复合物。部分肾小球足突融合并伴随线粒体变性,入球小动脉出现透明样变,此外,部分肾小球伴有硬化、炎症细胞浸润等改变。与DN组相比,DN+SC组大鼠病变程度明显减轻。见
图7。
2.2.2 各组实验大鼠肾组织H&E染色结果
与NC组相比,DN组和SC组可见肾小球系膜增生,多处炎症细胞浸润;部分肾小管上皮细胞脱落,少许见空泡样变性;肾间质偶见纤维化,伴有动脉管壁增厚。与DN组相比,SC组大鼠的肾脏病理损伤明显减轻。见
图8。
2.2.3 各组大鼠肾组织潜在靶点基因表达水平
经检验,各组数据均为正态分布,差异具有统计学意义(
P<0.05)。qRT‑PCR检测靶点基因结果显示,与空白组比较,模型组中
AKT1、
PI3K表达明显升高,差异具有统计学意义(
P<0.001);与模型组相比,SC组和厄贝沙坦组
AKT1、
PI3K表达降低,差异具有统计学意义(
P<0.001)。见
图9。
3 讨论
DKD是糖尿病患者常见的慢性并发症,也是终末期肾病的主要原因之一,属于“消渴病”范畴,晚期可归属于“水肿”“腰痛”“关格”等,其病机主要涉及“脾肾亏虚,痰浊瘀互结”,根据前期研究,其进一步发展则多为“脾肾亏虚,风伏厥阴,肾络失和”。本研究基于此病机,提出益气祛风,调和肾络的治法,临床化裁出肾苏Ⅳ方,本方中黄芪、当归益气养血,滋养肾络;防己、青风藤、僵蚕共疏厥阴伏风;重楼、泽兰解毒通络,诸药协同共奏益气祛风、养血和络之效。DKD的发生具体机制尚未明确,可能与氧化应激、炎症反应、细胞凋亡等病理过程相关
[8‑10]。本实验通过网络药理学对肾苏Ⅳ治疗DKD的有效成分进行筛选,对相关靶点与作用机制进行探讨,并进行初步验证。
基于网络药理学结果分析,肾苏Ⅳ共筛选出53个有效成分,作用于682个靶点发挥作用,包括山奈酚、黄芪紫檀烷苷、白桦脂酸、川芎哚、熊竹素、四神经内酯素A等。研究发现山奈酚作为一种多酚化合物,在僵蚕、黄芪、雷公藤
[11,12]等中药中存在,既往研究证实其具有显著的抗氧化、抗炎作用
[13],四神经内酯素A可能通过抑制特定激酶活性,在肾脏纤维化中发挥保护作用
[14,15]。白桦脂酸能够调节高血糖引发的炎症反应,可能通过下调TNF‑α、IL‑1β和IL‑6等炎症因子的水平,抑制肾脏的慢性炎症反应,也可能通过激活AMPK/mTOR/ULK1信号通路,促进细胞的自噬,减轻内质网应激带来的细胞功能障碍
[16,17]。川芎哚通过抗血栓作用,调节凝血因子,减少血小板聚集,改善肾脏的血液灌注,减轻因微循环障碍引发的肾脏损伤
[18,19]。熊竹素能够激活PI3K‑AKT信号通路,从而减少炎症等缓解肾脏损伤
[20,21]。
通过PPI网络分析,筛选出了肾苏Ⅳ的核心靶点AKT1、EGFR、SRC、MMP9,ESR1。AKT1作为PI3K‑AKT信号通路的关键分子,广泛调节细胞存活、增殖、代谢及应激反应,且其过度激活与DKD中的炎症、氧化应激、细胞凋亡和肾脏纤维化密切相关
[22‑24]。EGFR是参与细胞增殖、修复和生长的重要分子,在调节细胞增殖和修复方面具有重要作用,但其异常激活可能导致肾小管间质细胞增殖和纤维化
[25‑27]。SRC作为一种非受体型酪氨酸激酶,广泛参与细胞的增殖、迁移与修复,其异常激活与细胞凋亡、增殖失调和组织纤维化有关
[28‑31]。MMP9是基质金属蛋白酶家族的成员,可诱导足细胞的去分化,中断足细胞的完整性,并为细胞外基质的合成和降解提供稳态环境,以维持肾小球的结构和功能完整性
[32,33]。分子对接表明四神经内酯素A、二氢异黄酮、山奈酚、黄芪紫檀烷苷、熊竹素与AKT1、EGFR、SRC、ERS1、MMP9结合活性较佳,说明肾苏Ⅳ方中的核心成分与核心蛋白结合较稳定,可以起到干预DKD的作用。
根据KEGG富集分析得到肾苏Ⅳ可能通过调控PI3K‑AKT、MAPK、AGE‑RAGE等多个关键信号通路改善DKD肾损伤。MAPK通路在细胞的增殖、迁移和应激反应中发挥着重要作用,特别是在DKD的发病机制中,能够调节慢性肾衰中的炎症介质和细胞外基质的沉积
[34],缓解肾脏的炎症和纤维化
[35‑37]。研究发现槲皮素能够通过降低血清超氧化物歧化酶(SOD)活性和一氧化氮合成酶/β⁃连环蛋白(iNOS/β⁃actenin)等方式调节氧化应激,改善肾脏纤维化。AGE‑RAGE轴通过激活氧化应激、炎症通路,抑制细胞自噬等影响肾脏结构和功能,引发血管损伤,导致细胞的炎症反应和纤维化
[38]。研究发现益糖康颗粒可能通过介导AGE‑RAGE通路调控PI3K/Akt/FoxO1,改善肾脏的功能。
课题组前期研究发现肾苏Ⅳ能有效改善DKD肾足细胞损伤
[5],亦有实验证明,可通过抑制PI3K‑AKT通路增强足细胞自噬减少细胞凋亡
[34,39]。本研究的动物实验进一步验证了这一机制。通过qRT‑PCR分析,肾苏Ⅳ能够显著下调
AKT1、
PI3K的表达,减轻肾脏的细胞损伤和炎症反应,组织学分析进一步验证了肾苏Ⅳ能够减轻肾小管的损伤和纤维化。PI3K‑AKT是DKD中调节细胞增殖、凋亡、代谢及炎症反应的关键通路。高血糖、氧化应激和晚期糖基化终产物积累可激活该通路,导致足细胞损伤、肾小球基底膜增厚、炎症反应加剧及肾小管纤维化,引发肾小球和肾小管的损伤
[40]。AKT是PI3K的关键下游分子,其家族中以AKT1在DKD中的作用最为突出。研究发现,高血糖通过磷酸化PI3K激活AKT1,促进其调控mTOR、FOXO3a等下游分子,从而推动细胞增殖、抗凋亡及炎症反应。AKT1的过度激活可通过增强TGF‑β/Smad信号通路的活性,诱导肾小管上皮‑间质转化及细胞外基质沉积,加重肾小管间质纤维化。多项实验研究证明,PI3K‑AKT的激活促进DKD小鼠模型显示肾脏炎症因子(TNF‑α、IL‑6)水平显著升高,使用抑制剂后能够显著降低了肾脏炎症指标剂纤维化标志物(α‑SMA和Collagen Ⅰ)的表达
[41,42]。
综上所述,肾苏Ⅳ治疗DKD具有多成分、多靶点和多通路的作用特点。联合网络药理学、分子对接和实验初步验证,证实肾苏Ⅳ能有效改善组织病理变化,可能通过多酚类(山奈酚、熊竹素、黄芪紫檀烷苷)及五环三萜类化合物(白桦脂酸等)调控AKT1、EGFR、SRC、MMP9、ESR1靶点或PI3K‑AKT、MAPK、AGE‑RAGE等多个关键信号通路达到治疗DKD的效果。但是,本研究采取的实验研究方法较简单,尚未对预测中可治疗DKD的有效成分进行体内验证,后续有必要开展更深入的分子生物学实验,为本研究所预测结果提供更加精准的实验依据。
作者贡献度说明:
李雪:设计实验方案,开展具体实验,整理、分析数据,撰写论文;张珍珍:协助实验,收集、整理数据;郑航: 协助实验,收集、整理数据;王茂泓:指导实验方案设计,指导论文与修改。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
国家自然科学基金(82160879)