类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种慢性全身性自身免疫性疾病,以关节滑膜炎症为主要病理特征[1]。研究表明,在患者病变关节滑膜区有大量的经典激活型(M1)巨噬细胞分泌促炎因子和趋化因子诱导关节炎症反应[2]。RA严重影响患者的日常生活和工作[3]。桂枝麻黄附子细辛汤来源于《金匮要略》[4],可用于治疗寒湿痹阻型的RA。由附子、麻黄、桂枝、细辛、大枣、甘草、生姜组成。桂枝麻黄附子细辛汤具有良好的治疗RA的作用。《金匮要略》中指出,本方以桂枝配伍麻黄,取其辛温发汗、宣散水气之效;附子温经助阳,与细辛合用,共奏祛寒化饮之功。佐以生姜、大枣,既能协同麻黄宣散水气,又能配合桂枝温通营卫;佐以甘草调和诸药。现代药理学研究发现,附子具有抗炎、镇痛作用,可调节免疫(如抑制TNF-α、IL-6等炎性因子)[5],减轻关节滑膜炎症,适用于寒湿痹阻型关节炎;桂枝中的桂皮醛可扩张血管,改善微循环,缓解疼痛[6];麻黄中的麻黄碱可兴奋中枢神经,缓解疼痛[7];细辛挥发油具有抗炎、镇痛作用[8];而甘草中的甘草酸苷具有免疫抑制作用[9],由此推测,全方可能通过多途径调节机体免疫功能,协同缓解自身免疫性关节损伤。本研究采用网络药理学及分子对接方法探究桂枝麻黄附子细辛汤抗RA活性成分及作用靶点,揭示桂枝麻黄附子细辛汤治疗RA的相关信号通路及作用机制。
1 实验部分
1.1 药物活性成分及靶点收集
通过中药系统药理学数据库与分析平台(Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis PlatformLab of Systems Pharmacology,TCMSP)(https://tcmsp-e.com/tcmsp.php)检索麻黄、大枣、甘草等 7 味中药的活性成分,按口服生物利用度≥30%、类药性≥0.18 筛选[10],经通用蛋白质资源库(Universal Protein Resource,UniProt )(https://www.uniprot.org/)将靶点蛋白转换为标准基因名。
1.2 RA靶点筛选
以“Rheumatoid arthritis”为关键词,从基因卡片数据库(GeneCards)(https://www.genecards.org/)和药物与药物靶点综合数据库(DrugBank)(https://go.drugbank.com/)获取 RA 相关靶点[11],经 UniProt 数据库标准化(限定人源),按相关性评分≥10 筛选后整合去重。
1.3 共同靶点预测
采用 Venny 2.1.0 平台(https://www.genecards.org/)分析方剂成分靶点与 RA 疾病靶点的交集,确定潜在治疗靶点。
1.4 药物-成分-靶点网络构建
基于交集靶点,利用 Cytoscape 3.10.3 构建网络,通过 Network Analyzer 插件筛选核心活性成分[12]。
1.5 PPI网络构建与核心靶点筛选
将交集靶点导入注释、可视化和综合发现数据库(Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery,DAVID)(https://string-db.org/cgi/input.pl),选择物种为“人源”,置信度阈值设为≤0.95。导出数据后用 Cytoscape 3.10.3 构建 PPI 网络,通过拓扑分析按度值筛选核心靶点。
1.6 通路富集分析
将治疗靶点导入注释、可视化和综合发现数据库(Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery,DAVID数据库)(https://david.ncifcrf.gov/),进行基因本体说(gene ontology,GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)富集分析[13],以 P<0.05 筛选结果并对排名靠前的条目可视化。
1.7 分子对接验证
选取前 6 位核心靶点与关键活性成分对接。从蛋白质数据库(Protein Data Bank,PDB 数据库) (https://www.rcsb.org/)选择物种为“人源”,获取“X-RAY DIFFRACTION”解析的蛋白结构,经 PyMOL 预处理[14];从TCMSP 下载成分结构,用 AutoDockTools 转换格式后,通过 AutoDockVina 进行对接,用Discovery Studio 可视化。以亲和力大小评价结合活性(亲和力<-5.0 kcal·mol 为较佳,亲和力<-7.0 kcal·mol为较强)。
2 结果与讨论
2.1 药物成分及靶点筛选
根据生物利用度(oral bioavailability,OB)≥30%、类药性(drug-likeness,DL)≥0.18获得有效成分,其中大枣有效成分3个,附子有效成分5个,甘草有效成分82个,桂枝有效成分6个,麻黄有效成分14个,生姜有效成分4个,细辛10个。通过TCMSP、PubChem、SwissTargetrediction数据库预测,去除重复后剩余241个靶点。
2.2 疾病靶点筛选
从GeneCards 数据库和drunkbank数据库获取RA靶点,合并去重后筛选出类风湿性关节炎靶点6 629个。桂枝麻黄附子细辛汤治疗类风湿性关节炎交集靶点见图1。
2.3 药物-活性成分-靶点网络
桂枝麻黄附子细辛汤治疗类风湿性关节炎药物-活性成分-靶点网络见图2,包含279个节点、1 255条边,度值前18位活性成分见表1。
2.4 蛋白相互作用网络与核心靶点
桂枝麻黄附子细辛汤治疗类RA PPI网络见图3,包括节点149个、 边561条、平均度值为4.96。桂枝麻黄附子细辛汤治疗类风湿性关节炎核心靶点网络见图4,包含节点142个,557条边。
2.5 GO功能与KEGG通路富集分析
GO功能富集分析得到生物过程(biological process,BP)5 127个,涉及细胞对氧化应激、氮化合物、脂质、细胞因子刺激的反应、细胞迁移的正向调控、细胞群体增殖等;细胞组分(cellular component,CC)487个,涉及转录调节复合体、膜的侧面、膜泡结构、受体复合物、细胞质的核周区域、细胞的顶端部分(极化细胞中远离基部、形成尖端的特定结构区域,负责物质转运和信号接收)、核膜、囊泡腔、细胞外基质;分子功能(molecular function,MF)899个,涉及、转录因子结合、氧化还原酶活性、磷酸酶结合等。见图5。
KEGG通路富集分析得到197条通路,选择P值前20位条目见图6,涉及糖尿病性心肌病、MAPK信号通路、IL-17信号通路等。由图6可知,桂枝麻黄附子细辛汤治疗RA的关键通路可能与炎症、癌症等相关通路密切相关。
2.6 分子对接结果
将药物-活性成分-靶点网络筛选出的活性成分槲皮素、叶黄素、山奈酚、汉黄芩素、柚皮素、甘草查尔酮 a、7-甲氧基-2-甲基异黄酮分别与PPI网络度值前6位靶点进行分子对接,结合能见表2。将结合能力较强的ESR1与活性成分进行可视化展示,见图7。
3 结论与讨论
3.1 PPI网络对该汤剂治疗相关核心靶点的分析
PPI网络分析结果显示,排名前6位的靶点依次为TP53、TNF、AKT1、STAT3、ESR1、HSP90AA1,推测其可能是该药治疗类RA的核心靶点。在RA患者的滑膜成纤维细胞(FLS)中,TP53常呈现“低表达或突变失活”状态,这一异常会导致FLS增殖失控、抗凋亡能力增强,进而形成具有侵袭性的滑膜组织,并大量分泌MMP-1、MMP-3等基质金属蛋白酶,最终加速关节软骨的降解[15]。已有文献报道,TP53可通过抑制炎症因子的产生发挥RA治疗作用,而TP53功能缺陷在RA的发病机制中扮演着关键角色[16-17]。此外,该汤剂可能通过上调TP53表达发挥双重治疗效应:一方面通过激活p53/p21通路阻滞FLS的异常增殖,另一方面通过促进促凋亡蛋白Bax的表达,诱导过度活化的FLS凋亡;同时,TP53可通过结合炎症因子启动子区域的p53结合位点,抑制IL-6、TNF-α等炎症因子的转录[18],从而实现抑制滑膜侵袭与平衡炎症反应的双重功效。
此外,TNF与STAT3均参与机体炎症反应调控:肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是RA发病机制中的关键细胞因子[19],其过量产生是RA重要的致病因素,在协调炎症免疫反应中发挥核心作用。RA患者体内会产生大量炎症因子,目前已有TNF-α抑制剂应用于RA治疗的临床实例[20]。
在免疫方面,STAT3被IL-6、IL-17等细胞因子激活后进入细胞核,可促进Th17细胞分化并抑制Treg细胞功能,进一步加剧机体免疫失衡[21];在骨代谢层面,核内STAT3可直接结合破骨细胞分化相关基因的启动子,促进破骨细胞活化,加重骨损伤[22]。
分子对接结果显示,山奈酚可与STAT3的DNA结合域结合(结合能为-8.0 kcal/mol),推测其可能通过阻止STAT3与靶基因启动子结合、抑制STAT3二聚化的方式,同时改善RA患者的免疫紊乱与骨侵蚀,这与KEGG富集分析中“IL-17信号通路”的调控作用相吻合。
3.2 GO功能结果分析的结果分析
GO功能富集分析结果显示,BP基因显著富集于炎症反应、氧化应激调控及细胞增殖与迁移,提示该汤剂可能通过抑制炎症因子过量产生、减轻氧化损伤,并调控免疫细胞增殖与浸润,从而缓解RA的关节破坏。该汤剂可能通过抑制TNF-α/IL-6/IL-17介导的信号通路,减少巨噬细胞向滑膜组织的募集,同时抑制中性粒细胞的趋化与活化,进而减轻滑膜组织的慢性炎症浸润[23]。
此外,该方剂并非完全抑制机体免疫功能,而是通过上调IL-10、TGF-β等抗炎因子,恢复机体“促炎-抗炎”平衡,避免因过度抑制免疫而引发的感染风险,这与中医药“扶正祛邪”的治疗原则高度一致。
CC功能主要富集于膜受体复合物、核调控结构及囊泡运输,表明该方剂的作用可能与细胞信号转导、核内基因转录调控及细胞外基质重塑密切相关。其中,“膜受体复合物”对应RA中TLR4、TNFR1、IL-6R等炎症受体,方剂中的活性成分(如槲皮素)可与这些受体结合,抑制其与配体(LPS、TNF-α、IL-6)的相互作用,从而阻断下游信号通路的启动;“核调控结构”(如核小体、转录因子复合物)对应NF-κB、STAT3、p53等转录因子的核转位及靶基因结合过程,山奈酚、柚皮素等成分可通过抑制这些转录因子的核转位,或阻止其与DNA结合,进而调控促炎基因的表达;“囊泡运输”对应炎症因子的分泌过程,推测该方剂可能通过调控囊泡的形成与释放,减少炎症因子的胞外分泌[24]。
分子功能(MF)功能关键涉及蛋白激酶活性(如MAPK信号通路中的相关激酶)、转录因子结合(如STAT3、NF-κB)及氧化还原酶活性,这进一步证实桂枝麻黄附子细辛汤可通过抑制促炎信号通路(如IL-17、MAPK通路)及抗氧化应激,发挥RA治疗作用。
3.3 KEGG通路富集分析的结果与讨论
KEGG通路富集分析结果显示,该汤剂治疗RA的关键作用通路分别为癌症相关通路、MAPK信号通路、IL-17信号通路等。其中,MAPK通路的调控机制如下:TNF-α、IL-17等炎症因子可激活MAPK通路的p38、ERK1/2、JNK三个分支,分别调控炎症因子转录、FLS增殖及FLS凋亡抵抗;该方剂中的槲皮素、山奈酚可抑制p38与ERK1/2的磷酸化[25],汉黄芩素可抑制JNK活性,从而实现对MAPK通路全分支的协同调控。
Th17细胞分泌的IL-17可通过激活NF-κB、MAPK通路,促进炎症因子及MMPs的分泌,并通过RANKL诱导骨破坏;该方剂可通过抑制STAT3表达减少Th17细胞分化,同时山奈酚可阻断IL-17与IL-17RA的结合,从通路上下游双环节实现阻断调控。
TNF信号通路作为RA炎症反应的启动通路,其激活后可进一步启动NF-κB、MAPK、PI3K/AKT等下游通路;该方剂通过槲皮素抑制TNF-α活性,汉黄芩素阻断TNFR1二聚化,并抑制AKT1/NF-κB等下游通路的激活,实现对TNF信号通路多节点的干预调控。
3.4 分子对接结果的分析与讨论
分子对接结果显示,该汤剂中关键活性成分(槲皮素、叶黄素、山奈酚、汉黄芩素、柚皮素、7-甲氧基-2-甲基异黄酮)与RA核心蛋白靶点(ESR1、TNF、AKT1、HSP90AA1、STAT3)均具有良好的结合活性,仅甘草查尔酮A与所有靶点的结合能力较弱;其中,ESR1与上述7种活性成分均表现出较好的结合活性,且柚皮素与ESR1的结合能最低(-8.6 kcal/mol),提示柚皮素与ESR1的结合可能在RA治疗中发挥关键作用。
槲皮素、山奈酚来源于方剂中的麻黄和甘草。其中槲皮素具有抗氧化、抗炎等药理作用,其可通过减少炎性细胞因子及介质释放、减轻氧化应激、抑制FLS增殖、迁移与侵袭、促进FLS凋亡,同时调节Th17/Treg细胞失衡及Th17细胞分化以调控自身免疫反应,从而缓解RA症状[26]。
山奈酚具有抗炎、抗菌、抗氧化及神经保护作用,在RA治疗中表现出显著疗效,其可能通过调控NLRP3/CASP1/GSDMD轴及T细胞活化发挥抗炎作用,进而保护软骨细胞[27]。
柚皮素来源于甘草,具有抗癌、神经保护、抗炎、抗氧化及减轻组织损伤的药理作用,研究显示其可通过抑制神经元CRMP2磷酸化,逆转脊髓致敏并改善关节炎疼痛[28]。甘草查尔酮A结合活性较弱,推测其可能发挥辅助作用,与其他成分协同抑制炎症反应 [29]。
综上所述,该汤剂可通过山奈酚、槲皮素、柚皮素等活性成分,作用于TP53、TNF、AKT1、STAT3、ESR1、HSP90AA1等核心靶点,从炎症调控、免疫平衡、抗氧化应激、关节保护等综合干预RA,发挥多成分,多作用多靶点综合作用。未来需进一步开展临床试验验证其临床疗效,并深入探索方剂中各成分的精准配伍优化方案。