敖卓君,張云帆,洪佳娜,肖 雪,李莎莎,嚴詩楷,3
(1. 廣東藥科大學(xué)中醫(yī)藥研究院 廣州 510006;2. 廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院 廣州 510006;3. 上海交通大學(xué)藥學(xué)院 上海 200240)
白及又名白芨,為蘭科植物白及Bletilla striata(Thunb.)Reichb.f.的干燥塊莖,其性味苦、甘、澀,微寒,入肺經(jīng)。具有補肺,止血,消腫,生肌,斂瘡的功效,主治肺傷咳血,衄血,金瘡出血,潰瘍疼痛等疾病[1]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,白及具有抗菌、止血、抗腫瘤、抗?jié)儭⒖估w維化、促進傷口愈合等藥理活性,臨床常用于治療咯血、吐血、外傷出血、瘡瘍腫毒、婦科肌瘤、腫瘤栓塞等病癥[2]。白及素有“血家圣藥、肺科良藥”的美稱,為中醫(yī)臨床治療肺部疾病的首選要藥[3]。
肺癌是全世界發(fā)病率和死亡率最高的惡性腫瘤之一[4],包括非小細胞癌(Non-small cell lung cancer,NSCLC)和小細胞癌(small cell lung cancer,SCLC),前者發(fā)病率高達80%且呈逐年升高趨勢[5,6]。目前的治療方法仍以單一或聯(lián)合化療、靶向治療等手段為主。化療可以殺滅體內(nèi)癌細胞,也可以殺滅體內(nèi)正常細胞,如骨髓細胞、頭發(fā)毛囊細胞,副作用極大。而靶向治療專門打擊特異性的腫瘤細胞,副作用大大減少,但仍可出現(xiàn)皮疹、惡心、嘔吐、腹瀉、用藥后的疲憊感等副作用。中醫(yī)藥在腫瘤多靶點綜合治療中具有獨特的療效優(yōu)勢,且副作用小,已被聯(lián)合用于晚期癌癥二、三線化療后患者的治療[7]。臨床上白及常與白花蛇舌草、半枝蓮等中藥配合用于抗肺癌治療中[8],具有良好的應(yīng)用前景。現(xiàn)代研究表明,白及對肺癌細胞具有明顯的抑制作用[3,9],但其潛在靶標及作用機制尚不明確。
網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)利用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析及生物信息學(xué)方法來解釋藥物、靶標、信號通路與疾病之間的復(fù)雜關(guān)系,為中藥復(fù)方作用機理的研究及臨床應(yīng)用提供了新思路[10],是新藥開發(fā)設(shè)計的一種新方法。本文將這一技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測白及治療肺癌的靶標及其信號通路,探討其多靶標、多途徑的調(diào)控機制。本研究將為白及進一步的基礎(chǔ)實驗、臨床研究以及新藥開發(fā)等提供科學(xué)依據(jù),為肺癌的治療提供新的思路。
在中藥系統(tǒng)藥理學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析平臺TCMSP(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php)[11]及中醫(yī)百科全書ETCM數(shù)據(jù)庫(http://www.nrc.ac.cn:9090/ETCM/)[12]中檢索“白及”,獲得白及化學(xué)成分。為了不遺漏可能的有效成分,應(yīng)用OB/DL 值和Lipinski 五規(guī)則兩種方法對成分進行虛擬篩選并對篩選結(jié)果進行合并去重。OB值和DL值是藥物成分篩選的常用參數(shù)[13],根據(jù)口服生物利用度(OB)≥30%、類藥性(DL)≥0.18篩選白及活性成分并收集成分作用靶標。Lipinski 五規(guī)則包括相對分子量小于500、脂水分配系數(shù)(ClogP)小于5、氫鍵給體數(shù)目小于5、氫鍵受體數(shù)目小于10、化合物中可旋轉(zhuǎn)鍵的數(shù)量小于10,符合此規(guī)則的化合物往往具有較好的生物利用度和藥動學(xué)性質(zhì)。但此規(guī)則實際應(yīng)用上具有局限性,為了盡量減少漏篩, 本研究基于前三項進行篩選[14]。
利用Uniprot(http://www.uniprot.org/)數(shù)據(jù)庫將白及活性成分作用靶蛋白轉(zhuǎn)換為相應(yīng)基因名,在Excel表格中對相同基因靶點進行去重,刪除uniprot 里搜尋不到的靶蛋白。在Pubchem 數(shù)據(jù)庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/search/)中搜索成分的SMILES 號,通過Swiss Target Prediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)在線工具進行靶標預(yù)測,設(shè)置為Homo sapiens[15],篩選可能性排前的15個靶標作為候選靶標,整合TCMSP、ETCM數(shù)據(jù)庫中獲得的靶標。
GeneCards 數(shù)據(jù)庫(http://www.genecards.org/)包含了豐富的疾病相關(guān)靶標信息,是常用的疾病靶標預(yù)測工具[16]。在數(shù)據(jù)庫中以“Lung Cancer”為關(guān)鍵詞檢索得到肺癌疾病相關(guān)基因,作為候選靶標基因。
將白及活性成分和相應(yīng)作用靶標按照不同類別導(dǎo)入Cytoscape3.7.0軟件中,構(gòu)建“白及活性成分-作用靶標”網(wǎng)絡(luò);利用Cytoscape中的STRING插件構(gòu)建肺癌靶標“蛋白質(zhì)相互作用(PPI)”網(wǎng)絡(luò);使用Merge 功能取上述網(wǎng)絡(luò)的并集,獲得白及與肺癌的共同靶標,構(gòu)建“活性成分-共同靶標蛋白互作”網(wǎng)絡(luò)。
將共同靶標同時導(dǎo)入Metascape 生物分子功能注釋系統(tǒng)(www.metascape.org/)進行GO 基因本體功能和KEGG 通路富集分析,設(shè)置P Value Cutoff 為0.01,選擇生物過程(Biological Processes)、分子功能(Molecular Functions)、細胞組成(Cellular Components)、KEGG 通路(KEGG Pathway)進行富集分析。
為進一步探究成分、靶標與信號通路之間的相互作用關(guān)系,利用Cytoscape3.7.0軟件構(gòu)建“靶標-信號通路”網(wǎng)絡(luò),并采用Merge功能將其與“活性成分-共同靶標蛋白互作”網(wǎng)絡(luò)進行合并,構(gòu)建白及“成分-潛在靶標互作-信號通路”網(wǎng)絡(luò)圖。
在TCMSP 和ETCM 數(shù)據(jù)庫中共收集到44 種白及化學(xué)成分。根據(jù)簡化后的Lipinski 五規(guī)則篩選活性成分,得到22個活性成分,結(jié)果見表1;根據(jù)OB ≥30%、DL ≥0.18 篩選出9個活性成分,結(jié)果見表2。整合二者得到的結(jié)果,去重后共計得到27個活性成分。
通過Swiss Target Prediction 在線工具的分子反向?qū)蛹夹g(shù)和TCMSP、ETCM 數(shù)據(jù)庫,共獲得362個靶標,去重后為137個。
在GeneCards 數(shù)據(jù)庫中檢索得到20104個肺癌疾病相關(guān)基因,選取score ≥20 分的靶點,共得575個疾病基因靶標。
利用Cytoscape3.7.0 軟件中的Merge 功能取“白及活性成分-作用靶標”網(wǎng)絡(luò)與“蛋白質(zhì)相互作用(PPI)”網(wǎng)絡(luò)的并集,獲得白及活性成分與肺癌的25個共同靶標,構(gòu)建“活性成分-共同靶標蛋白互作”網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。
表1 基于Lipinski五規(guī)則篩選的22個白及活性成分
表2 基于口服生物利用度(OB)和類藥性(DL)篩選的9個白及活性成分
將共同靶標同時導(dǎo)入Metascape數(shù)據(jù)庫中進行GO功能富集分析和KEGG 通路富集分析,得到21個富集條目,如圖2所示(P<0.01),詳情見表3。
通過GO 功能富集分析,共確定了16個GO 條目。其中分子功能有2 條,分別是跨膜受體蛋白酪氨酸激酶活性和一氧化氮合酶調(diào)節(jié)活性;細胞成分有1條,即囊腔;涉及生物過程有13條,分別是前列腺增長、雌二醇反應(yīng)、毒性反應(yīng)、共生過程、肌肉細胞增殖、酸性化學(xué)反應(yīng)、細胞缺氧反應(yīng)、線粒體膜電位調(diào)節(jié)、橫紋肌組織發(fā)育的正向調(diào)節(jié)、離子平衡、有絲分裂細胞周期相變、細胞激素代謝過程、細胞成分組織的負調(diào)控。
通過KEGG 通路富集分析,得到白及治療肺癌可能參與的5條通路,包括表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑耐藥、PI3K-Akt信號通路、流體剪切應(yīng)力與動脈粥樣硬化、卵巢類固醇生成、癌癥中的轉(zhuǎn)錄失調(diào)過程。
圖1 “活性成分-共同靶標蛋白互作”網(wǎng)絡(luò)
圖2 GO、KEGG富集分析熱圖
表3 GO功能和KEGG通路富集結(jié)果
利用Cytoscape3.7.0 軟件分別構(gòu)建“成分-疾病潛在靶標互作”、“靶標-信號通路”網(wǎng)絡(luò),并采用其Merge功能將其與上述網(wǎng)絡(luò)進行合并,構(gòu)建白及“成分-潛在靶點互作-信號通路”網(wǎng)絡(luò)圖,按degree 值大小進行排布,如圖3所示。
圖3 成分-潛在靶標-信號通路網(wǎng)絡(luò)圖
由圖可見,白及的25個活性成分主要通過20個潛在靶標對肺癌起治療作用。對該網(wǎng)絡(luò)進行拓撲結(jié)構(gòu)分析,該網(wǎng)絡(luò)共包含55個節(jié)點和248 條邊,其中248條邊代表成分、靶標和通路間的相互作用關(guān)系。25個綠色節(jié)點代表白及活性成分,節(jié)點平均度為2.84,大于成分節(jié)點平均度的節(jié)點有14個,包括白及菲螺醇(blespirol)、2,4,7-三甲氧基-9,10-二氫菲(2,4,7-trimethoxy-9,10-dihydrophenanthrene)、3′-氧-甲基山藥素III(3′-O-Methylbatatasin III)、7-甲氧基-9,10-二氫菲-2,5-二醇(7-methoxy-9,10-dihydrophenanthrene-2,5-diol)、山藥素III(Batatasin III)、山藥素IV(Batatasin IV)、4-羥基苯甲醛(HBA 4-Hydroxybenzaldehyde)、大黃素甲醚(Physcion)等;25個飛鏢形節(jié)點代表成分作用靶標,節(jié)點平均度為15.08,大于靶標節(jié)點平均度的節(jié)點有10個,分別是雌激素受體α(estrogen receptor alpha,ERα/ESR1)、前列素內(nèi)環(huán)氧化物合成酶2(prostaglandin endoperoxide synthase2,PTGS2)、ALB、熱休克蛋白90α(heat shock protein 90 alpha family class A member 1,HSP90AA1)、v-erb-b2 紅細胞白血病病毒癌基因同源物2/人類表皮生長因子受體II(verb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 2/human epidermal growth factor receptor-2,ERBB2/HER2)、表皮生長因子受體(Epidermal growth factor receptor,EGFR)、雌激素受體β(estrogen receptor beta,ERβ/ESR2)、激酶插入?yún)^(qū)受體(kinase insert domain protein receptor,KDR)、BCL2L1、MET,其中ALB 與通路無關(guān),故除此靶點其余皆可視為該白及治療肺癌的關(guān)鍵靶點。5個橙色節(jié)點代表肺癌發(fā)生可能涉及通路,平均節(jié)點度為9.6,大于平均節(jié)點度的是表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑耐藥、PI3K-Akt 信號通路,可能為白及治療肺癌的關(guān)鍵通路。
肺癌是常見的原發(fā)性惡性腫瘤,其早期診斷率低于20%,我國80%的Ⅲ-Ⅳ期肺癌患者5年生存率僅17.7%[17-18],預(yù)后不良。臨床以化療、放療以及外科手術(shù)作為肺癌的主要治療方式,其中最為有效的治療手段當屬化療,針對癌細胞的靶向藥物能較為準確地定位腫瘤,并促使癌細胞凋亡[19],靶向藥物近年來具有針對性的優(yōu)勢而被應(yīng)用于晚期肺癌的化療中,但存在較大的副作用,故而中藥的多靶點多通路且副作用小的治療優(yōu)勢愈來愈受到重視?!妒備洝费?“肺積息賁氣脹滿咳嗽,涕唾膿血”[20],肺癌咯血吐膿的特點與白及補肺、止血、消腫生肌的功效及歸經(jīng)相契合,具有良好的理論基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)基于“多成分-多靶標-多通路”的理念構(gòu)建“藥物-靶標-疾病”多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),達到從整體上預(yù)測藥物靶標的目的[21]。本研究旨在運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的方法,對白及中可能抑制肺癌細胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移的潛在成分,作用靶標以及信號通路進行分析,為進一步借助實驗探究確切機制提供依據(jù)。
白及的化學(xué)成分中,聯(lián)芐類、二氫菲類、聯(lián)菲類、聯(lián)菲醚類、菲并吡喃類、三萜等為其主要成分[4,22]。其藥理活性主要有抗菌、止血、抗腫瘤、抗?jié)?、抗纖維化、促進傷口愈合等[23]。茋類化合物是聯(lián)芐類、菲類及二苯乙烯類化合物的總稱,對肺癌細胞有明顯的抑制作用,而白芨藥材中含量較多的主要是聯(lián)芐類和菲類化合物,如白及中的關(guān)鍵成分Blespirol、2,4,7-trimethoxy-9,10-dihydrophenanthrene 等都屬菲類化合物。仰蓮[3]曾運用MTT 法初步驗證了白及中的茋類化合物對非小細胞肺癌A549 細胞的增殖具有顯著抑制作用,誘導(dǎo)A549細胞阻滯于G0/G1期。白及塊莖含有粘液質(zhì)多糖,其抗癌作用可能與其抑制微管蛋白的聚合有關(guān)[24]。茋類化合物通過抑制癌細胞增殖、轉(zhuǎn)移和誘導(dǎo)癌細胞凋亡、自噬發(fā)揮治療肺癌作用[3]。
雌激素受體是一種核轉(zhuǎn)錄因子,包括雌激素受體α(estrogen receptor alpha,ERα/ESR1)和雌激素受體β(estrogen receptor beta,ERβ/ESR2)[25,26]。雌激素的表達和腫瘤的預(yù)后有著極為密切的關(guān)系,ER 具有增強腫瘤細胞惡性程度和刺激腫瘤細胞生長的作用[27-29]。ER 通過控制細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)控細胞周期從而影響細胞生存[30]。故抑制ERα和ERβ的表達從而抑制肺癌細胞的增殖成為可能[31]。Hamilton DH[28]發(fā)現(xiàn)用Fulvestrant 靶向雌激素受體信號可增強人肺癌的免疫和化療介導(dǎo)的細胞毒性,雌激素信號通路通過誘導(dǎo)EMT影響肺癌進展。
EGFR 是上皮生長因子細胞增殖和信號傳導(dǎo)的受體,其在腫瘤發(fā)生以及介導(dǎo)腫瘤細胞的生物學(xué)行為過程上發(fā)揮著重要的作用[32]。EGFR 與腫瘤細胞的增殖、凋亡、血管的生成、腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移受到抑制相關(guān)。其可能機制有:EGFR 的高表達導(dǎo)致下游信號傳導(dǎo)的增強;突變型EGFR 受體表達的增加引起EGFR的持續(xù)活化;自分泌環(huán)的作用增強;受體下調(diào)機制的破壞;異常信號傳導(dǎo)通路的激活等。EGFR 的過表達在惡性腫瘤的演進中起重要作用,其過表達主要與基因擴增、活化后降解減少有關(guān)。EGFR 的配體也極大影響了細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)。它通過自分泌激活EGFR,從而促進癌細胞增殖,這二者的共表達往往提示腫瘤預(yù)后不良。Kopp[33]對結(jié)直腸癌的研究結(jié)果表明,在EGFR 的過表達及其配體共同表達作用下,腫瘤開始自分泌生長。另外,EGFR 可以通過調(diào)節(jié)Ang-1 和VEGF 等因子水平而影響腫瘤血管生成。李夢穎[34]發(fā)現(xiàn)肺腺癌胸水癌細胞EGFR 突變狀態(tài)和肺腺癌增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移生物學(xué)行為有關(guān)。
PTGS2 基因又稱誘導(dǎo)性即刻反應(yīng)基因,其在正常狀態(tài)下大多不表達,但在良性癌前病變和惡性腫瘤中為高表達。其表達上調(diào),往往是受到某些炎性介質(zhì)、激素、生長因子、促癌因子等刺激因素影響。前列腺素是PTGS2 高表達的主要產(chǎn)物,具有抑制細胞凋亡和免疫監(jiān)視、促進細胞增殖和血管生成等作用[35]。
Hsp90α是機體在應(yīng)激狀態(tài)下合成的一組蛋白質(zhì)分子,參與蛋白的合成、折疊和調(diào)控細胞內(nèi)多種信號蛋白功能穩(wěn)定,作為細胞內(nèi)關(guān)鍵信號通路和細胞轉(zhuǎn)錄的調(diào)控者[36]。它在腫瘤細胞的凋亡和增殖、細胞周期和細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中起著調(diào)節(jié)作用,從而影響肺癌的發(fā)生和發(fā)展過程。WANG X F 等[37]的研究發(fā)現(xiàn)血漿中Hsp90α表達水平高低與多種惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移過程密切相關(guān),細胞Hsp90α的分泌量隨腫瘤惡性程度增高而升高。Hsp90α是潛在的肺癌腫瘤標志物,聯(lián)合其他肺癌標志物可顯著提高肺癌檢出率[38]。
ERBB2是原癌基因erbB-2編碼的185kDa的細胞膜受體,為表皮生長因子受體(epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR)家族成員之一。ErbB2 高表達時,腫瘤細胞增殖能力增強,其分化成熟和凋亡機制受到抑制,Ras-MAPK 和PI3K-Akt 信號傳導(dǎo)活性增強,從而增強細胞惡性程度。周轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等發(fā)現(xiàn)[39]非小細胞肺癌中ErbB2 陽性表達率較癌旁組織明顯升高,可作為腫瘤免疫生物治療的理想靶點。
KDR 能與VEGF 結(jié)合并發(fā)揮信號傳遞的作用[40],其表達水平影響著血管新生過程,高表達的KDR基因促使腫瘤細胞新生血管,從而提高了腫瘤細胞的復(fù)發(fā)率和轉(zhuǎn)移率[41]。婁曉宇等發(fā)現(xiàn)[42]VEGF 和KDR 參與了肺癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程,其可作為肺癌惡化的一項生物學(xué)指標。
c-MET 是肝細胞生長因子的受體酪氨酸激酶,被證實為NSCLC 患者的不良預(yù)后因素[43],c-MET 過表達與NSCLC 預(yù)后差有關(guān)。c-MET 陽性往往可引起局部復(fù)發(fā),而脈管受侵也可引起遠處轉(zhuǎn)移。脈管受侵是NSCLC 患者遠處轉(zhuǎn)移的危險因素,由于血管、淋巴管是腫瘤細胞的存儲庫,故成為了腫瘤細胞轉(zhuǎn)移、擴散的常見途徑。c-MET 與癌癥的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切,主要與腫瘤細胞的增殖、遷移、浸潤、凋亡及血管生成過程有關(guān)[44]。
3.3.1 表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑抗性
表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑(epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibition,EGFRTKI)在NSCLC 中的療效值得肯定。識別突變和抑制其活性的藥物已成為晚期肺癌的主要治療手段,但不幸的是,這些藥物療效受到普遍耐藥性發(fā)展的限制。AXL 屬于受體酪氨酸激酶家族,在多種腫瘤細胞中過表達,是多種腫瘤常規(guī)化療和藥物靶向耐藥治療過程的重要分子標記[45]。AXL 激酶是NSCLC 活化后的受體酪氨酸激酶之一,其過表達是攜帶EGFR 敏感突變因子的肺癌患者對EGFR-TK1 產(chǎn)生耐藥的重要機制之一。研究酪氨酸激酶抑制劑耐藥的生物化學(xué)機制可能為提高靶向治療的療效提供新的治療靶點。
3.3.2 PI3K-Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑
PI3K 參與多種細胞因子轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,阻斷此途徑可降低肺癌細胞中SKP-2 蛋白表達水平,將細胞周期阻滯于G1/S 期復(fù)合體。Akt 是PI3K 的下游分子,也是PI3K/AKT 信號通路的關(guān)鍵,活化后的AKT 通過磷酸化反應(yīng)激活下游靶蛋白,從而控制轉(zhuǎn)錄、翻譯、凋亡和細胞周期等生物學(xué)效應(yīng)。。PI3K/Akt 信號通路在超氧化物和雌激素抵抗腫瘤壞死因子等因素誘導(dǎo)凋亡的過程中具有重要意義,如雌激素可通過Ras/PI3K/Akt信號通路誘導(dǎo)凋亡相關(guān)蛋白BAD的磷酸化過程。
綜上所述,白及的活性成分通過多靶標作用于多條信號通路上,通過抑制癌細胞增殖、轉(zhuǎn)移和誘導(dǎo)癌細胞凋亡、自噬等過程發(fā)揮治療肺癌的作用。在臨床實際應(yīng)用中,白及雖然常被運用于中醫(yī)肺癌治療中,但往往僅作為隨證加減輔助用藥,多為了緩解肺部咯血癥狀或者用于消腫生肌,其治療肺癌的能力還有待不斷挖掘驗證。目前針對白及治療肺癌的相關(guān)基礎(chǔ)研究較少,大多數(shù)研究關(guān)注點在于白及治療腫瘤的活性成分,且對其發(fā)揮抑癌作用的機理尚不明確。隨著白及在抗腫瘤領(lǐng)域研究的深入與發(fā)展,不僅要明確白及化學(xué)成分及藥理作用,還要進一步闡明白及的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)及作用機制。本文首次基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法,挖掘出白及發(fā)揮治療肺癌作用的潛在靶標及相關(guān)通路,并建立起“藥物成分-靶標-信號通路”之間發(fā)揮藥效作用的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。立足于現(xiàn)有預(yù)測靶點及其相關(guān)通路,結(jié)合細胞水平、動物水平等實驗,驗證白及的抗肺癌活性,為白及的藥理作用、新藥研發(fā)、質(zhì)量控制等提供科學(xué)依據(jù)。
世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化2020年4期