
編者按
西洋參(Panax quinquefolium L., AG)是一種具有多種心血管保護(hù)作用的中藥。這些年來,人們在 AG 中發(fā)現(xiàn)了許多生物活性成分;然而,研究者們對這些抗心力衰竭活性的關(guān)鍵藥效學(xué)成分的理解是不夠的。
今天,我們分享2022年10月由山東第一醫(yī)科大學(xué)、山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Frontiers in Pharmacology》的一項(xiàng)研究成果——Identification of key pharmacodynamic markers of American ginseng against heart failure based on metabolomics and zebrafish model,該研究建立了斑馬魚心力衰竭模型,評價(jià)西洋參的抗心力衰竭活性,并通過基于超高效液相色譜-四極桿靜電場軌道阱-質(zhì)譜技術(shù)(UHPLC-QE-Orbitrap-MS)的非靶向代謝組學(xué)分析對AG樣品中的差異組分進(jìn)行了篩選,使用斑馬魚模型驗(yàn)證了其潛在的活性成分;同時(shí),利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接技術(shù)預(yù)測了可能的機(jī)制。最后,研究人員使用定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng) (Q-PCR) 技術(shù)在斑馬魚中驗(yàn)證了六種關(guān)鍵藥效學(xué)成分的關(guān)鍵靶點(diǎn)。通過鹽酸維拉帕米處理,成功建立了受精后(hpf)斑馬魚幼魚48 h的心力衰竭模型。
斑馬魚試驗(yàn)表明,AG的抗心力衰竭作用因產(chǎn)區(qū)而異。基于 UHPLC-QE-Orbitrap-MS 的草藥代謝組學(xué)分析結(jié)果表明,人參皂甙Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙Rg6、蘋果酸、奎尼酸、L-精氨基琥珀酸、3-甲基-3-丁烯基-芹糖(1→ 6) 葡萄糖苷、擬人參皂苷 F11 和番荔枝堿是差異成分,可能是導(dǎo)致療效變化的原因。
利用斑馬魚模型、網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和Q-PCR 技術(shù)進(jìn)一步分析表明,人參皂甙 Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙 Rg6、蘋果酸、奎尼酸和擬人參皂甙F11是抗心力衰竭的藥效學(xué)標(biāo)志物(P標(biāo)志物)。通過斑馬魚模型和代謝組學(xué)技術(shù),研究人員快速鑒定了 AG 中抗心力衰竭的P標(biāo)志物,這些P標(biāo)志物可能為AG的質(zhì)量控制和新藥開發(fā)提供新的參考標(biāo)準(zhǔn)。
文章題目
Identification of key pharmacodynamic markers of American ginseng against heart failure based on metabolomics and zebrafish model
雜志:Frontiers in Pharmacology
發(fā)表時(shí)間:2022年10月
作者:王松松,韓利文等
單位:山東第一醫(yī)科大學(xué)、山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院等
01、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

02、研究結(jié)果
1. 各地區(qū)西洋參樣品抗心力衰竭效果評價(jià)
表1列出了 AG 樣本及其收集時(shí)間,Q-PCR 檢測的引物序列見表 2。模型組斑馬魚心包面積、靜脈充血面積、SV-BA距離(靜脈竇和動(dòng)脈球之間的距離)較對照組顯著增加(p < 0.01),說明鹽酸維拉帕米處理成功地誘導(dǎo)斑馬魚心力衰竭。我們用陽性藥物地高辛處理后,斑馬魚心臟的靜脈充血面積和SV-BA距離顯著逆轉(zhuǎn)(p <0.05)。與模型組相比,S6、S12 和 S14 治療組的斑馬魚心包面積顯著減少(圖 1C)。
然而,與模型組的斑馬魚相比,S8、S13 和 S15 治療組斑馬魚的心包面積沒有顯示出差異。治療后,與模型組相比,S6、S8、S10、S12、S14和S15治療組斑馬魚靜脈充血得到緩解(圖1D)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于模型組,所有 AG 樣本均顯著降低了各自組別斑馬魚心臟的 SV-BA 距離(除 S15 外)(圖 1E)。如圖 1F 所示,S13 對心力衰竭的改善率最低,S6 和 S10 的改善率較高。

表1 AG 樣本的采集信息

表2 Q-PCR 分析的引物序列

圖1 從不同地區(qū)收集的 AG 抗心力衰竭活性的比較。(A) 斑馬魚心力衰竭實(shí)驗(yàn)藥物治療示意圖;(B) 斑馬魚心臟的表型顯微照片;(C) 斑馬魚心臟心包面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10; (D) 斑馬魚心臟靜脈充血面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10; (E) 各組斑馬魚心臟中SV-BA的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10; (F)不同地區(qū)AG樣本心力衰竭改善率的比較。心力衰竭改善率=(A1+A2+A3)/3,A=(Φ-a)/Φ*100%,Φ:模型組平均值,(A)樣本組值;##p < 0.01 與對照組相比;*p < 0.05 和 **p < 0.01 與模型組相比。
2. 非靶向代謝組學(xué)篩選西洋參潛在活性成分
研究人員對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以獲得總離子色譜圖的疊加圖(圖 2A、B),使用保留時(shí)間的校準(zhǔn)曲線可視化校準(zhǔn)過程。此外,峰的保留時(shí)間應(yīng)在可用標(biāo)準(zhǔn)中觀察到的保留時(shí)間的±0.2 分鐘保留時(shí)間窗口內(nèi)。
如圖 2C、D 所示,AG 樣品的峰符合標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)XCMSonline軟件預(yù)處理后,共得到4535個(gè)正離子模式p<0.01的色譜峰和2668個(gè)負(fù)離子模式色譜峰。

圖2 AG 樣品的總離子色譜圖疊加圖。(A) 正離子模式下校正的總離子色譜圖;(B) 負(fù)離子模式下校正的總離子色譜圖;(C) AG樣品在正離子模式下的保留時(shí)間偏差圖;(D) AG樣品在負(fù)離子模式下的保留時(shí)間偏差圖。
研究人員將12批AG的MS數(shù)據(jù)輸入OneMap進(jìn)行主成分分析。如圖3A所示,PCA散點(diǎn)圖由正離子模式下的第一主成分(53.2%)和第二主成分(11.8%)構(gòu)成。
他們觀察到從兩個(gè)區(qū)域獲得的AG樣品明顯分離,表明兩組的某些化合物不同。在負(fù)離子模式下,第一和第二主成分分別為 53.1% 和 15.3%(圖 3D)。AG樣品與散點(diǎn)圖沒有完全分離,因此需要進(jìn)一步建模和分析。

圖3 AG代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的多變量統(tǒng)計(jì)分析。(A) 正離子模式下的 PCA 散點(diǎn)圖;(B) 正離子模式下的 OPLA-DA 散點(diǎn)圖;(C) OPLA-DA 在正離子模式下的 S 圖;(D) 負(fù)離子模式下的 PCA 散點(diǎn)圖;(E) 負(fù)離子模式下的 OPLA-DA 散點(diǎn)圖;(F) OPLA-DA 在負(fù)離子模式下的 S 圖;(G) 人參皂苷 Rg6 的 MS2 光譜。
此外,在主成分分析之后,研究人員使用有監(jiān)督的 OPLS-DA 進(jìn)一步分析這兩組之間的差異。如圖 3B 所示,E OPLS-DA 分析可以顯著區(qū)分來自兩個(gè)區(qū)域的 AG 樣本。正負(fù)離子模型中R2Y(cum)和Q2(cum)的值分別為0.98、0.85、0.92和0.84,表明OPLS-DA模型具有良好的可測性和適用性。
置換檢驗(yàn)驗(yàn)證了 OPLS-DA 模型是否過擬合。PT 的結(jié)果是 R2 = (0.0, 0.21) 、 Q2 = (0.0, -0.51) 、 R2 = (0.0, 0.33) 和 Q2 = (0.0, -0.65)。Q2值與縱坐標(biāo)的回歸線交點(diǎn)小于零,左側(cè)所有Q2值均小于右側(cè)最高值,說明了模型的可用性。 VIP 值 > 1.5,p < 0.05,并且 |pcorr| > 0.58 用于篩選可能重要的碎片離子(表 3)。結(jié)果使用 OPLA-DA 模型的 S 圖表示(圖 3C,F(xiàn))。
通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或 MS/MS 數(shù)據(jù)確定了總共九種潛在重要成分對心力衰竭的保護(hù)作用(表 4)。化合物3是展示化合物結(jié)構(gòu)識別過程的一個(gè)例子。化合物3測定了 m/z 767.4917[M + H]+ 的準(zhǔn)分子離子;因此,研究人員推算出的分子式為C42H70O12,誤差為3.7 ppm,與人參皂苷Rg6的分子式一致。
MS/MS顯示,與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比,得到了明顯的m/z 605.4393、587.4288、569.4183、443.3870和425.3762碎片離子,推斷碎片離子為m/z 605.4393 [M + H-Rha]+;587.4288[M+H-Rha-OH]+;569.4183[M+H-Rha 2OH]+; 443.3870 [M + H-Rha/Glc]+和 425.3762 [M + H-Rha/Glc-OH]+。因此,化合物 3 被推測為人參皂甙 Rg6(圖 3G)。

表3 篩選AG的潛在活性成分對抗心力衰竭

表4 使用 UHPLC-QE-Orbitrap-MS 鑒定來自 AG 的不同活性成分
3. 斑馬魚模型對已鑒定生物活性化合物的生物活性評價(jià)
研究人員使用斑馬魚模型驗(yàn)證代謝組學(xué)篩選的潛在差異成分。其中,人參皂甙Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙Rg6、蘋果酸、奎尼酸和擬人參皂甙F11可顯著改善鹽酸維拉帕米處理斑馬魚引起的心力衰竭。
人參皂甙Rg3、人參皂甙 Rg6、奎尼酸和擬人參皂甙F11可以改善斑馬魚心臟心包面積、靜脈充血面積和SV-BA距離的擴(kuò)張。人參皂甙Rg5和蘋果酸僅改善斑馬魚心臟的靜脈充血。不同濃度的 L-精氨基琥珀酸并未改善斑馬魚的心力衰竭(圖 4)。

圖4 人參皂甙 Rg3、人參皂甙 Rg5、人參皂甙 Rg6、蘋果酸、L-精氨基琥珀酸、奎尼酸和擬人參皂甙 F11 的抗心力衰竭活性驗(yàn)證。(A-G)斑馬魚心包區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10; (A'-G')斑馬魚心臟靜脈充血面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10; (A”-G”) 斑馬魚心臟SV-BA距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。n = 10。##p < 0.01 對比對照組,*p < 0.05 和 **p < 0.01 對比模型組。
4. 生物活性化合物作用機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測
人參皂甙Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙Rg6、蘋果酸、奎尼酸和擬人參皂甙F11的靶點(diǎn)和調(diào)控途徑如圖5A-5F所示。結(jié)果表明,這六種化合物可分別靶向α7煙堿型乙酰膽堿受體(CHRNA7)、過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARA)、Bcl-2樣蛋白1(BCL2L1)、肝細(xì)胞生長因子受體(MET)、成纖維細(xì)胞生長因子 1 (FGF1) 以及參與多種信號通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子 3 (STAT3)。
此外,結(jié)果表明分子對接中的結(jié)合能很高。蘋果酸靶向兩個(gè)靶點(diǎn),即法尼基二磷酸法尼基轉(zhuǎn)移酶 1 (FDFT1) 和 CHRNA7。奎尼酸靶向兩個(gè)途徑和七個(gè)靶點(diǎn),包括 PPARA、脂肪酸結(jié)合蛋白 2 (FABP2) 和 FABP3。
在網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析中,人參皂苷Rg3靶向BCL2L1,這是信號通路中的關(guān)鍵靶點(diǎn)。 MET 編碼肝細(xì)胞生長因子 (HGF) 的受體酪氨酸激酶 c-MET,這是人參皂甙 Rg5 對抗心力衰竭的重要靶點(diǎn)。人參皂甙Rg6靶向6個(gè)靶點(diǎn)和4條通路,正如擬人參皂甙 F11 所執(zhí)行的那樣。

圖5 抗心力衰竭和分子對接二維圖的 C-T-P 網(wǎng)絡(luò)。(A-F)人參皂苷 Rg3、奎尼酸、人參皂苷 Rg6、擬人參皂苷 F11、蘋果酸和人參皂苷 Rg5 的 C-T-P 網(wǎng)絡(luò);(A'-F') 生物活性分子的分子對接二維圖;(A”-F”) 正分子的分子對接二維圖。
預(yù)測靶點(diǎn)及相關(guān)分子對接信息見表5,顯示了六種藥效化合物的作用模式及其對應(yīng)的對接靶點(diǎn)(圖5A'~5F'和5A“~5F”)。
蘋果酸的結(jié)合能(-4.117 kcal/mol)低于附著在受體上的陽性對照分子。羧基與 Val99 和 GLN103活性部位中的兩個(gè)氨基酸殘基形成氫鍵。奎尼酸與 PPARA 靶標(biāo)的結(jié)合能為 -7.835 kcal/mol。雖然奎尼酸的結(jié)合能低于與受體結(jié)合的分子的結(jié)合能,但奎尼酸的結(jié)合能很高,因?yàn)樵贏SN219 和 LEU331活性部位中,它涉及羥基和兩個(gè)氨基酸殘基之間形成三個(gè)氫鍵。人參皂苷Rg3的結(jié)合能與附著在受體上的陽性對照分子的結(jié)合能略有不同。碳 20 的羥基和人參皂苷 Rg3 的糖苷部分與活性部位的三個(gè)氨基酸殘基(TYR108、ARG146 和 GLN118)形成三個(gè)氫鍵。
人參皂甙 Rg5 在活性部位中的四個(gè)氨基酸殘基(ASP1164、GLU1082、LYS1161 和 TYR1159)與極性糖苷部分的葡萄糖環(huán)結(jié)構(gòu)上的羥基之間形成五個(gè)氫鍵。人參皂苷Rg6的結(jié)合能為-5.438 kcal/mol,高于受體FGF1配體。人參皂苷Rg6主要在活性不問中的兩個(gè)氨基酸殘基(GLY4126和LYS4113)與極性部分糖苷上的羥基之間形成三個(gè)氫鍵。擬人參皂苷 F11 與氨基酸殘基形成兩個(gè)氫鍵。

表5 對接蛋白的化合物信息
5. 西洋參關(guān)鍵化合物抗心力衰竭相關(guān)基因表達(dá)
為了闡明關(guān)鍵活性化合物對斑馬魚心力衰竭的改善作用的機(jī)制,我們通過 Q-PCR 分析確定了參與調(diào)節(jié)心力衰竭的基因的 mRNA 水平(圖 6)。
與對照組相比,維拉帕米處理組FGF2、VEGFA和STAT3的mRNA水平顯著升高(p < 0.01)。模型組FGF1、PPRA、CHRNA7 mRNA表達(dá)較對照組有中度升高。用人參皂甙 Rg3 處理可抑制 FGF1 和 STAT3 的 mRNA 表達(dá)水平(p < 0.05)。
與維拉帕米處理的斑馬魚相比,人參皂苷Rg5處理顯著降低了FGF2的mRNA表達(dá)水平(p < 0.05),而VEGFA的mRNA表達(dá)水平與模型組相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。人參皂甙Rg6處理明顯減弱模型組FGF2和VEGFA的mRNA表達(dá)水平(p < 0.05)。人參皂苷F11處理組FGF1、VEGFA、FGF2的mRNA表達(dá)水平顯著低于模型組(p < 0.05)。奎尼酸和蘋果酸對 PPARA 和 CHRNA7 的 mRNA 表達(dá)沒有顯著影響,但這兩種成分分別降低了 PPARA 和 CHRNA7 的 mRNA 表達(dá)水平。

圖6 潛在活性化合物對心力衰竭相關(guān)基因表達(dá)的影響。(A-F)用人參皂苷 Rg3、奎尼酸、蘋果酸、人參皂苷 Rg6、人參皂苷 Rg5 和擬人參皂苷 F11 處理的斑馬魚基因表達(dá)結(jié)果,##p < 0.01 與對照組相比,*p < 0.05 和 **與模型組相比,p < 0.01。
05、編者點(diǎn)評
據(jù)報(bào)道,西洋參作為一種補(bǔ)氣的中藥,對心臟有保護(hù)作用。因此,研究人員建立了斑馬魚心力衰竭模型作為評估本研究中 AG 主要活動(dòng)的工具。作為介于細(xì)胞和哺乳動(dòng)物之間的新型脊椎動(dòng)物模式生物,斑馬魚近年來被廣泛應(yīng)用于心臟保護(hù)藥物的篩選。本研究采用鈣離子阻滯劑鹽酸維拉帕米對斑馬魚進(jìn)行處理,建立了心力衰竭藥物快速篩選模型。AG廣泛分布于北緯37°附近的低山地區(qū),如北美五大湖區(qū)、中國東北、華北地區(qū)。中國目前有四個(gè)產(chǎn)區(qū):東北、陜西、北京和山東。研究表明,AG的生長受氣候、溫度、水、土壤等環(huán)境因素的影響。我們的研究發(fā)現(xiàn),由于生長環(huán)境不同,AG在這四個(gè)產(chǎn)區(qū)的抗心力衰竭活性存在差異。
各種案例研究報(bào)告稱,AG 中的許多成分對心臟具有保護(hù)作用。目前,已鑒定的人參皂苷是人參屬植物的主要次生代謝產(chǎn)物。人參皂甙 Re 可改善異丙腎上腺素誘導(dǎo)的大鼠心力衰竭。人參皂甙 Rh2 可改善 1 型糖尿病大鼠的心臟纖維化。人參皂甙 Rb1 通過抑制線粒體復(fù)合物 I 的 ROS 產(chǎn)生來減輕心肌缺血/再灌注損傷。本研究篩選人參皂甙Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙Rg6、蘋果酸、奎尼酸和擬人參皂甙F11作為AG的P標(biāo)志物。值得注意的是,人參皂甙 Rg6、擬人參皂甙 F11 和奎尼酸的抗心力衰竭活性首次被報(bào)道。
藥效標(biāo)志物(P-marker)是在中藥質(zhì)量標(biāo)志物(Q-marker)的基礎(chǔ)上提出的一個(gè)新概念。P標(biāo)志物是中藥發(fā)揮部分或全部藥效作用的關(guān)鍵成分。P標(biāo)志物和Q標(biāo)志物的區(qū)別在于后者是反映中藥質(zhì)量的標(biāo)志物,而前者側(cè)重于與生物活性直接相關(guān)的標(biāo)志物。本研究綜合了斑馬魚模型和代謝組學(xué)的優(yōu)勢,建立了“組分-活性”一體化研究策略的新模式,可以快速發(fā)現(xiàn)與特定活性相關(guān)的標(biāo)志物。這一策略在我們之前的研究中已經(jīng)應(yīng)用于梔子藥效成分的研究。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是一門集藥理學(xué)、生物信息學(xué)、物理化學(xué)為一體的新興學(xué)科。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的出現(xiàn)為中藥多成分、多靶點(diǎn)的研究提供了新的方法。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多成分靶點(diǎn)識別,對已知或新藥成分進(jìn)行靶點(diǎn)預(yù)測。本研究發(fā)現(xiàn)的藥效成分與FGF1、FGF2、VEGFA、STAT3、BCL2L1等靶點(diǎn)高度相關(guān),網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)預(yù)測為后續(xù)深入驗(yàn)證提供依據(jù)。
斑馬魚的表型和基因表達(dá)結(jié)果可以部分揭示本研究中發(fā)現(xiàn)的P標(biāo)記的潛在作用機(jī)制。 FGF1、FGF2和 VEGFA被認(rèn)為是刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖和促進(jìn)血管生成的重要因素。此外,STAT3 的結(jié)構(gòu)激活也可以促進(jìn)血管生成。在目前的研究中,維拉帕米處理的斑馬魚中 FGF1、FGF2、VEGFA 和 STAT3 mRNA 表達(dá)的增加表明它們可能對啟動(dòng)心臟損傷中的血管生成作出反應(yīng)。人參皂甙Rg3、人參皂甙Rg5、人參皂甙Rg6和擬人參皂甙F11預(yù)保護(hù)后,斑馬魚的心臟損傷得到緩解,研究人員推測這些成分可能在心力衰竭早期就通過參與調(diào)節(jié)心臟血管生成和早期心臟自我修復(fù)來保護(hù)心臟。 PPRA是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。
心力衰竭激活 PPARA 以調(diào)節(jié)脂肪酸代謝并為心肌細(xì)胞提供能量。經(jīng)奎尼酸對斑馬魚進(jìn)行預(yù)保護(hù)后,研究人員觀察到PPARA 的低 mRNA表達(dá),表明心力衰竭期間 PPARA 的激活改善了心肌功能和能量學(xué)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,奎尼酸對抗心力衰竭可能與調(diào)節(jié)脂肪酸代謝給心肌細(xì)胞提供能量有關(guān)。作為線粒體途徑中凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,BCL2L1 是促進(jìn)細(xì)胞存活的常見抗凋亡蛋白。
MET是HGF 的酪氨酸激酶受體,主要激活促生存途徑,比如防止細(xì)胞凋亡。人參皂苷Rg3、人參皂苷Rg5和擬人參皂苷F11處理后BCL2L1和MET的mRNA表達(dá)增加,表明這三種成分可能通過抑制細(xì)胞凋亡來保護(hù)心肌細(xì)胞免受損傷,從而改善心力衰竭。乙酰膽堿與巨噬細(xì)胞上表達(dá)的 CHRNA7 結(jié)合,將促炎物質(zhì)極化為抗炎亞型。 STAT3 通過抑制促炎基因轉(zhuǎn)錄而發(fā)揮抗炎作用,啟動(dòng)有效的修復(fù)機(jī)制。經(jīng)蘋果酸、人參皂甙Rg3、擬人參皂甙F11預(yù)保護(hù)后,CHRNA7、STAT3 mRNA的表達(dá)降低,提示蘋果酸、人參皂甙Rg3、假人參皂甙F11的心臟保護(hù)作用可能與炎癥反應(yīng)的激活有關(guān)。
總之,我們使用斑馬魚模型和代謝組學(xué)技術(shù)確定了 AG 中抗心力衰竭的六個(gè)關(guān)鍵 P 標(biāo)志物。本研究為發(fā)現(xiàn)和鑒定中藥潛在活性成分提供了一種新策略,與傳統(tǒng)研究模式相比具有優(yōu)勢。這些結(jié)果可能有助于評估 AG 的內(nèi)部質(zhì)量。
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