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基于网络药理学探讨三物白散治疗胃癌的分子机制及初步验证

2021-07-06娄余朱莹彭瑶王燚霈易书林

湖南中医药大学学报 2021年4期
关键词:网络药理学胃癌

娄余 朱莹 彭瑶 王燚霈 易书林

〔摘要〕 目的 運用网络药理学联合分子对接探讨三物白散治疗胃癌的作用机制,通过体外细胞实验对相关靶点作初步验证。方法 利用TCMSP数据库获取三物白散的活性成分及潜在靶点;通过Genecards、OMIM、TTD数据库,收集胃癌相关的作用靶点;将三物白散潜在靶点与胃癌靶点相匹配,获得三物白散抗胃癌的作用靶点,使用STRING数据库对作用靶点进行蛋白互作分析,构建PPI网络,并进行拓扑分析筛选核心靶点;用R语言对作用靶点进行GO生物学过程和KEGG通路富集分析;采用Auto Dock Vina软件对核心靶点与对应活性成分进行分子对接;运用qPCR验证三物白散对胃癌细胞SGC-7901中Caspase-3、Caspase-7作用靶点的调控作用。结果 经筛选获得三物白散活性成分17个,三物白散作用靶点84个,经拓扑分析得到12个核心作用靶点,包括TP53、AKT1、MAPK1、JUN、CASP3等。三物白散作用靶点涉及PI3K-AKT、p53、HIF-1、IL-17等多条信号通路,通过诱导细胞凋亡、抑制细胞增殖、调节缺氧及炎性微环境发挥抗肿瘤作用。分子对接结果表明,活性成分与核心靶点有良好的结合能力。体外实验结果证实,三物白散可上调凋亡相关分子Caspase-3、Caspase-7的表达,这在一定程度上证实了网络药理学预测及指导实验设计的可靠性。结论 本研究结果体现了三物白散多成分、多靶点、多通路的治疗特点,系统地揭示了其抗胃癌的药效物质、核心靶点和信号通路,为后续深入研究作用机制提供参考。

〔关键词〕 胃癌;三物白散;网络药理学;作用靶点;分子对接;体外细胞实验

〔中图分类号〕R285.5        〔文献标志码〕A       〔文章编号〕doi:10.3969/j.issn.1674-070X.2021.04.013

〔Abstract〕 Objective To investigate the mechanism of Sanwubai Powder in the treatment of gastric cancer based on network pharmacology combined with molecular docking, and to preliminarily verify the related targets by in vitro cell experiments. Methods TCMSP was used to screen and predict the compounds and targets in Sanwubai Powder. Targets related to gastric cancer were collected by GeneCards, OMIM and TTD databases. The potential targets of Sanwubai Powder were matched with the targets of gastric cancer to obtain the anti-gastric cancer targets of Sanwubai Powder, STRING was used to analyze the protein-protein interaction of targets, PPI network was structured and then the core targets were screened by using topology analysis. GO biological process analysis and KEGG pathway enrichment analysis were performed by R language. Auto Dock Vina software was used to dock the core targets with the active ingredients. qPCR was used to verify the regulatory effects of Sanwubai Powder on the targets of Caspase-3 and Caspase-7 in gastric cancer cells SGC-7901. Results 17 active components were screened, and 12 hub targets of 84 targets including TP53, AKT1, MAPK1, JUN and CASP3 were obtained of Sanwubai Powder. The targets of Sanwubai Powder involved PI3K-Akt, p53, HIF-1, IL-17 signal pathways, which played an anti-tumor role by inducing cell apoptosis, inhibiting cell proliferation, regulating hypoxia and inflammatory microenvironment. The results of molecular docking showed that active ingredients had good binding capacity with targets. The results of in vitro experiments confirm that, Sanwubai Powder could up-regulate the expression of apoptosis-related molecules Caspase-3 and Caspase-7, which to a certain extent confirmed the reliability of network pharmacological prediction and experimental design guidance. Conclusion The results of this study reflected the therapeutic characteristics of Sanwubai Powder with multiple components, multiple targets and multiple pathways, revealed the active components, key targets and important pathways of Sanwubai Powder in the treatment of gastric cancer, and provided research ideas and reference basis for further discussion on the mechanism of action.

〔Keywords〕 gastric cancer; Sanwubai Powder; network pharmacology; effect target; molecular docking; in vitro cell experiment

胃癌是最常见的恶性肿瘤之一,据全国肿瘤登记中心发布的数据显示,我国胃癌的发生率及病死率位居各类肿瘤的第二位[1],已严重危害了人们的生命和健康。目前,胃癌的发病机制尚未完全明确,但不可否认的是,胃癌的发生发展是由癌基因和抑癌基因大量遗传改变积累而成,导致多种信号通路失调,扰乱细胞周期和细胞增殖与死亡的平衡[2]。在治疗上,早期胃癌缺乏特异性的症状与体征,导致其早期检出率较低,多数患者在确诊时已处于进展期,治疗效果不佳,且无论是放化疗,还是靶向治疗,毒副作用都较大,严重降低了患者的生存质量,甚至可能因不能耐受而被迫终止治疗。

中医药治疗胃癌具有独特优势,其在减轻化疗不良反应、增强疗效、改善生存质量、延长生存期等方面发挥重要作用[3-4]。中医学基于胃癌临床症状,将其归于“噎膈”“反胃”“积聚”等范畴,认为胃癌的发生发展是一个邪正斗争、正邪力量不断变化的过程,进展期胃癌表现为邪盛为主,兼顾正虚。在治疗上,医家张从正认为“医之道,损有余乃所以补其不足”“不补之中有真补存焉”,突出强调了“祛邪以扶正”的治疗原则[5]。三物白散是温下攻邪的代表方,出自《伤寒论·辨太阳病脉证并治》:“寒实结胸,无热证者,与三物白散”,方中巴豆温通寒实、攻逐痰水;贝母消痰散结;桔梗宣畅气机,辅以祛痰,共奏温下逐瘀、消痰散结之功。前期研究[6]发现,三物白散治疗胃癌具有确切的临床疗效,相关基础实验研究[7]证实了该复方能够抑制胃癌细胞增殖,促进其凋亡,但其抗癌作用的分子机制尚未完全阐明。

中药复方具有多成分、多靶点、多通路的整体性作用特点,其作用机制的研究较为复杂。网络药理学是发展于系统生物学和多向药理学基础上的,利用多种数据库平台及计算机软件,构建药物成分、作用靶点、疾病网络关系,其整体性的研究策略与中医学整体观的理念不谋而合[8-9]。因此,本研究借助网络药理学系统地预测三物白散治疗胃癌的活性成分、潜在靶点、信号通路,利用分子对接法初步模拟成分与靶点的结合,并结合体外实验进行初步验证,为后续深入研究提供参考依据。

1 资料

1.1  主要材料及试剂

人胃癌细胞SGC-7901购自上海吉凯基因技术有限公司;SPF级雄性SD大鼠,体质量180~220 g,由湖南斯莱克景达实验动物有限公司提供(动物合格证号:43004700030743),饲养于湖南中医药大学动物实验中心[场地许可证号:SKY(湘)2013-0005]。

二甲基亚砜(北京索莱宝科技有限公司,批号:D8370);MTT试剂(北京索莱宝科技有限公司,批号:M8180);Giemsa染色液(北京索莱宝科技有限公司,批号:G1010);逆转录试剂盒(promega公司,批号:A3500);q-PCR mix(promega公司,批号:A6001)。三物白散混悬液由巴豆霜(含10%油)、浙贝母、桔梗以1∶3∶3组成,所需饮片购自湖南中医药大学第二附属医院中药房。

1.2  主要仪器

二氧化碳培养箱(德国 Eppendorf公司,型号:Galaxy 48 R);超净工作台(苏州苏净仪器自控设备有限公司,型号:SW-CJ-1FD);倒置显微镜(德国ZEISS公司,型号:Axio Vert.A1);多功能酶标仪(美国BioTek公司,型号:Cytation3);台式高速冷冻离心机(美国Thermo Scientific公司,型號:Fresco17);实时定量PCR仪(美国Bio-Rad公司,型号:CFX Connect)。

2 方法

2.1  活性成分的筛选

利用TCMSP数据库(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php),检索三物白散方中巴豆、浙贝母、桔梗3味药物的化学成分,以口服生物利用度(OB)≥30%和化合物类药性(DL)≥0.18为筛选标准[10],选出三物白散方中具有较高活性的成分。利用PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/),收集与校对活性成分的名称,下载对应的活性成分信息,以3D结构保存为SDF格式,以备分子对接。

2.2  作用靶点的筛选

2.2.1  活性成分靶点预测  利用TCMSP数据库获取三物白散活性成分的潜在作用靶点,利用UniProt数据库(https://www.uniprot.org/),限定物种为“Homo sapiens”,对靶点进行规范化基因注释。

2.2.2  胃癌靶点筛选  在GeneCards(https://www.genecards.org/)、OMIM(http://www.omim.org/)和TTD数据库(http://db.idrblab.net/ttd/)三大数据库中输入检索词“gastric cancer”,收集胃癌相关的非重复靶基因。

2.2.3  作用靶点筛选  将胃癌相关靶点与药物活性成分作用靶点进行匹配,最终获得三物白散治疗胃癌的作用靶点,用作后续分析。

2.3  “药物成分-作用靶点”网络构建

应用Cytoscape 3.8.0软件将药物活性成分与疾病作用靶点进行关联,构建药物活性成分与作用靶点的关系网络图,其中“节点(node)”代表活性成分、作用靶点,“边(edge)”代表节点之间的相互关系,进而分析出主要的药物活性成分。

2.4  蛋白相互作用(PPI)和网络拓扑分析

2.4.1  PPI网络  利用STRING数据库(https://string-db.org)分析作用靶点,选择Multiple Protein,限定物种为“Homo sapiens”,设定combined score>0.7,将获得的信息导入Cytoscape 3.8.0软件构建靶蛋白互作网络,并对网络图进行拓扑分析,进一步筛选获得核心靶点,网络拓扑分析过程见方法“2.4.2”项。

2.4.2  网络拓扑分析  将方法“2.4.1”项构建的PPI网络分析结果导入Cytoscape 3.8.0软件,根据3个主要参数度(DC)、度介中心度(BC)和接近中心度(CC)大于中位数进行网络拓扑分析,筛选核心靶点。

2.5  作用靶点GO和KEGG富集分析

应用R软件对疾病与药物共同作用靶点进行GO富集分析,将富集结果以柱状图形式呈现,分析其涉及的主要生物学过程。并应用R软件对以上靶点进行KEGG通路富集分析,将结果以气泡图形式呈现,并根据P值的大小分析核心通路富集程度,以探讨三物白散抗胃癌的可能作用机制。

2.6  分子对接

选取PPI网络拓扑分析后筛选出的核心靶蛋白作为核心受体蛋白,在PDB数据库(https://www.rcsb.org)中输入靶蛋白名称,设置ORGANISM为“Homo sapiens”,选取分辨率高的靶蛋白三维结构。使用Pymol软件对原受体蛋白pdb文件去除水分子及原配体分子,将处理后的受体和配体的pdb文件导入Auto Dock Tools,进行常规处理,保存为pdbqt的格式文件,再用Auto Grid得到对接位点参数,运行Auto Dock Vina[11]进行分子对接。以最低结合能作为靶蛋白和配体对接的结果,使用Pymol软件进行分析及可视化。

2.7  SGC-7901细胞体外实验验证

2.7.1  含药血清制备  将20只SD雄性大鼠适应性喂养7 d后,随机分为空白对照组和三物白散组,每组10只。参照课题组前期研究的方法[12]进行含药血清制备:三物白散组按0.07 g/kg剂量灌胃,空白对照组给予等体积生理盐水灌胃,1 次/d,连灌7 d。于末次给药1 h后,腹腔注射10%水合氯醛(4 mL/kg)麻醉后,腹主动脉采血,4 ℃下静置4 h,以3 000 r/min离心20 min,分离血清。经56 ℃水浴锅灭活30 min后,经0.22 ?滋m微孔滤膜无菌过滤后,放置于-20 ℃冰箱保存备用。

2.7.2  细胞培养  SGC-7901细胞用含10%胎牛血清的DMEM培养基(含100 IU/mL青霉素、100 μg/mL鏈霉素),在37 ℃、5% CO2、饱和湿度条件下培养,至细胞生长至70%~80%开始传代,以备后续实验。

2.7.3  MTT法检测细胞增殖活性  SGC-7901细胞分为空白对照组与三物白散组,空白对照组加入含5%空白对照组大鼠血清的DMEM培养基;三物白散组加入含5%含药血清的DMEM培养基。培养48 h后,每孔加5 mg/mL MTT试剂10 ?滋L,继续放入培养箱孵育4 h。弃培养液,每孔加DMSO 150 ?滋L,振荡10 min。在490 nm波长下用酶标仪测定每孔吸光度(OD)值。

2.7.4  Giemsa染色法检测细胞克隆形成  将SGC-7901细胞以500个/孔接种到6孔板,每组设3个复孔。干预方法同上。当6孔板中出现肉眼可见克隆时终止培养,PBS浸洗细胞2次,甲醇固定5 min,Giemsa染色30 min,冲去染色液,室温下干燥。在显微镜下计数含50个细胞以上的细胞克隆数。

2.7.5  q-PCR法检测Caspase-3、Caspase-7 mRNA的表达  提取各组细胞总RNA,按试剂盒指导逆转录为cDNA。Caspase-3上游引物为5-TGGAAGCGAATCAATGGACTCTGG-3,下游引物为5-CCAGACCGAGATGTCATTCCAGTG-3,扩增片段为132 bp;Caspase-7上游引物为5-GCTGACTTCCTCTTCGCCTATTCC-3,下游引物为5-TGCCTGGCAACTCTGTCATTCAC-3,扩增片段为167 bp。β-actin上游引物为5-TATGACTT GTTGCGTTACAC-3,下游引物为5-CCTTCCCGTTCAGTTT-3,扩增片段为155 bp。按如下程序扩增:94 ℃ 4 min;94 ℃ 40 s,60 ℃ 30 s,×40 cycle。导出CT值,采用2-?荭?荭CT法计算mRNA的相对表达量。

2.7.6  统计学方法  采用SPSS 21.0进行统计分析,数据以“x±s”表示,若满足正态性和方差齐性,两组间比较采用独立样本t检验,均以P<0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1  活性成分及作用靶点

通过检索TCMSP共检索到三物白散方中化学成分158个,其中包括桔梗102个,浙贝母17个,巴豆39个。以OB≥30%和DL≥0.18为条件筛选出18个化学成分,去重后得到17个活性成分。见表1。

3.2  作用靶点的筛选结果

通过TCMSP数据库共得到三物白散活性成分潜在作用靶点176个,其中巴豆35个、桔梗85个、浙贝母56个,剔除重复部分,共有潜在靶点90个。利用Genecards、OMIM、TTD 3个数据库分别获得8 611、170、37个与胃癌相关的疾病靶基因,整合数据并删除重复靶点,获得与胃癌相关的靶点共8 633个。将药物活性成分靶点与疾病靶点取交集,最终收集84个共同作用靶点用于后续分析。见图1。

3.3  “药物成分-作用靶点”网络

为进一步分析三物白散中发挥抗胃癌的关键活性成分,应用Cytoscape软件将11个药物成分与84个作用靶点进行关联,构建“药物成分-作用靶点”网络(图2),共包括95个节点(药物活性成分11个,作用靶点84个)和134条边,结果显示三物白散关键作用成分有木犀草素(luteolin,与51个靶点相关),?茁-谷甾醇(beta-sitosterol,与25个靶点相关),金合欢素(acacetin,与21个靶点相关)及天竺葵素(pelargonidin,与13个靶点相关),这些关键作用成分主要是黄酮类和甾醇类。

3.4  PPI网络构建与分析

将84个共同靶点输入STRING数据库,得到靶蛋白间互作关系,节点数(靶点蛋白)78个,边数(蛋白间相互作用)441条,将数据导入Cytoscape 3.8.0软件构建PPI网络。并采用CytoNCA插件,根据DC、BC、CC对此网络进行拓扑分析,选取大于中位值的靶点构建三物白散抗胃癌的核心靶点网络。对由78个节点和441条边组成的PPI网络进行筛选,经过第1次筛选(DC≥10,BC≥25.581 7,CC≥0.450 2)初步得到含26个节点和172条边的互作网络图,经过第2次筛选(DC≥12,BC≥5.003 9,CC≥0.657 9)得到含12个节点和57条边的核心作用网络(图3),12个核心靶点信息详见表2。

将12个核心靶点与其他靶点进一步构建PPI网络,按节点大小降序排序(图4),节点越大说明该靶点连接的节点越多,在网络中作用越重要,如TP53、AKT1、MAPK1、JUN、CASP3、CCND1等,可作为三物白散抗胃癌的潜在作用靶点。

3.5  GO功能富集分析

应用R软件对共同靶点进行GO富集分析,得到柱状图(图5),主要涉及外源性凋亡信号通路、半胱氨酸型内肽酶活性参与凋亡过程、细胞对药物的反应、肌细胞增殖、细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶全酶复合物等生物学过程,体现了三物白散抗胃癌作用可能通过调控多种生物学过程协同作用的结果。

3.6  KEGG通路富集分析

为了揭示三物白散对胃癌的抗癌作用机制,应用R软件对筛选出的84个共同靶点进行KEGG富集分析,节点的大小表示富集到该通路的靶点数目,节点越大表示靶点富集数目越多;节点的颜色由蓝色至红色表示P值大到小,故红色节点越大表明信号通路的显著性越高,作用越重要。图6中列出了排名前30的信号通路,包括PI3K-Akt、p53、HIF-1及IL-17等涉及调控细胞凋亡、缺氧代谢、免疫炎症等的信号通路,提示了三物白散可通过多条通路发挥抗胃癌作用,且作用靶点可作用于多条通路发挥作用,通路间存在着较为复杂的交互作用。

3.7  分子对接结果分析

利用Auto Dock Vina軟件,将12个核心靶蛋白与对应的活性成分进行分子对接,结果见表2,结合能<-5.0 kcal/mol,表明靶蛋白与活性成分结合性好,且结合能越小表明两者对接越好[13]。TP53与luteolin、AKT1与luteolin、MAPK1与luteolin、JUN与luteolin、CASP3与beta-sitosterol、CCND1与luteolin、EGFR与luteolin、AR与luteolin、VEGFA与luteolin、ESR1与6-Methoxyl-2-acetyl-3-methyl-1,4-naphthoquinone-8-O-beta-D-glucopyranoside、RELA与acacetin、MMP9与luteolin为靶蛋白与活性成分对接最好的组合。见图7。

3.8  体外实验验证结果

3.8.1  细胞活性检测结果  MTT检测结果表明,与空白对照组比较,三物白散组细胞增殖活性明显降低(P<0.05)。见图8。

3.8.2  细胞克隆形成实验结果

与空白对照组比较,三物白散组SGC-7901细胞克隆形成数显著降低(P<0.05)。见图9。

3.8.3  靶基因Caspase-3、Caspase-7 mRNA的表达  与空白对照组相比,三物白散组Caspase-3、Caspase-7 mRNA的表达量显著增高(P<0.05)。见图10。

4 讨论

研究[7,14-15]发现,三物白散可通过抑制肿瘤细胞增殖、拮抗多药耐药、减少免疫抑制因子释放等方面抑制胃癌发展,并能在整体水平上发挥抗肿瘤免疫正相调节作用,但其具体分子机制尚不清楚。因此,本研究采用网络药理学和分子对接法,对三物白散抗胃癌的药效物质及其作用机制进行了探讨。

通过构建药物活性成分-作用靶点网络、PPI网络及对PPI网络进行拓扑分析,得到核心靶点及相作用的药物活性成分关系,利用分子对接法对两者进行初步模拟验证,证实其具有良好的结合能力,发现木犀草素、金合欢素、β-谷甾醇、天竺葵素等可能是三物白散抗胃癌作用的关键药效成分。木犀草素具有抑制胃癌细胞集落形成、迁移、侵袭及促进细胞凋亡的作用,参与调控胃癌细胞PI3K/AKT等信号通路[16]。β-谷甾醇可抑制肿瘤细胞增殖,诱导其发生细胞凋亡,其机制可能与上调凋亡相关分子Caspase-3、Caspase-8及Caspase-9 mRNA和蛋白的表达相关[17]。金合欢素可通过线粒体通路,即金合欢素减少Bcl-2表达,Bax/Bcl-2比例上调,引发线粒体膜电位的丧失,诱导细胞色素C的释放,启动Caspase级联反应,激活下游的Caspase-3,诱导肿瘤细胞凋亡[18]。天竺葵素具有抗细胞肿瘤转化的防御作用,其分子机制可能是通过Nrf2启动子去甲基化激活Nrf2-ARE防御途径[19]。同时发现一个活性成分可作用多个靶蛋白,一个靶蛋白亦能同时被多个活性成分干预,不同靶蛋白之间可通过直接或间接作用组成强大的互作网络,充分说明了三物白散是通过多种活性成分作用于多靶点协同发挥抗癌效应。

通过对靶点进行功能富集分析,其涉及的生物学过程主要有凋亡信号通路的调控、半胱氨酸型内肽酶活性参与凋亡过程、细胞对药物的反应、肌细胞增殖、细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶全酶复合物等。靶点通路富集分析结合已有研究发现[20-23],胃癌的发生发展与PI3K-AKT、p53、HIF-1、IL-17等多条信号通路相关。细胞异常增殖、凋亡抑制在肿瘤发生发展过程中起着重要作用,PI3K-AKT信号通路对细胞增殖起促进作用,PI3K和AKT蛋白激活后可促进下游抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL的表达增强,其异常可导致包括胃癌在内的恶性肿瘤的发生、发展[24-25]。p53是人体内与肿瘤相关性最高的抑癌基因,具有重要的促使细胞周期停滞和细胞凋亡的功能[26-27],故可介导2条信号通路:其一,是p53能转录上调细胞周期素依赖性激酶抑制因子p21的表达,导致细胞周期停滞[28];其二,是通过下调Bcl-2、上调Bax,使Bcl-2/Bax蛋白比例下降,进而激活线粒体通路中的Caspase-9和Caspase-3,触发Caspase级联反应引起细胞凋亡[29-30]。缺氧在肿瘤的发展和进程中起着重要作用,HIF-1信号通路对血管内皮细胞、巨噬细胞具有细胞特异性反应,已证实在多种肿瘤细胞中过表达的HIF-1α,可上调促血管生成因子VEGF的表达,诱导血管生成,发挥促癌作用[31]。炎症细胞因子IL-17在炎症相关癌变中发挥重要作用,其可通过JAK2/STAT3信号通路促进胃癌细胞的上皮间质转化[32-33]。因此,推测三物白散活性成分可能通过靶向作用于介导肿瘤细胞增殖、凋亡、缺氧及炎性微环境的关键信号通路发挥抗胃癌作用。

体外细胞实验结合前期研究[12]结果证实,三物白散具有抑制人胃癌SGC-7901细胞增殖、诱导其凋亡、抑制其迁移的作用。通过网络药理学方法,对三物白散的作用靶点进行GO和KEGG富集分析,发现其主要涉及对凋亡信号通路的调控,细胞凋亡抵抗是肿瘤发生发展的重要机制之一,Caspase家族对细胞凋亡具有十分重要的作用,在预测的药物作用靶点中涉及多个Caspase家族成员,有Caspase-3、Caspase-7、Caspase-8及Caspase-9,其中Caspase-8和Caspase-9属于细胞凋亡的启动分子[34-35],Caspase-3和Caspase-7是执行细胞凋亡的效应分子[36]。经qPCR法验证,三物白散可上调Caspase-3和Caspase-7 mRNA的表达,在一定程度上验证了本研究中网络药理学筛选结果的准确性和可靠性。

综上所述,本研究借助网络药理学和分子对接的方法,预测了三物白散抗胃癌的药效物质、作用靶点,系统分析了其潜在的分子机制,充分体现了中药复方多成分、多靶点、多通路协同治疗的独特优势。同时,细胞实验结果初步证实了网络药理学的预测结果有一定的可靠性,为后续指导实验设计、研发新药、推广临床应用提供依据。

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(本文編辑  匡静之)

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