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基于网络药理学研究大川芎方治疗偏头痛的作用机制

论文编号:lw201703092329343853 所属栏目:医药学论文 发布日期:2018年02月28日 论文作者:无忧论文网
大川芎方源于金·刘完素《宣明论方》,由川芎、天麻2味中药组成,具有活血化瘀、平肝熄风之功效,为治疗偏头痛的经典复方,并已被开发成用于治疗多种头痛的中成药(如天舒胶囊、天舒片、天舒滴丸等)。而偏头痛是临床常见的、易反复发作的且发作时疼痛剧烈的顽固性疾病,以占主导地位的三叉神经血管学说认为,该病机理主要涉及到脑膜的血管扩张、血管活性肽释放引起神经源性炎症以及中枢疼痛调节系统的功能异常。正是这种复杂系统与复杂系统间的相互作用极大的限制了大川芎方及其相应制剂的作用机制解析。融合系统生物学(Systemsbiology)和多向药理学(Polypharmacology)提出的网络药理学,利用网络分析(Networkanalysis)理论从整个系统角度研究药物作用机制,这为多成分药物作用机制的阐释提供了另一种研究策略。
而中医药正是在中医理论指导下由一味或多味中药合理配伍而成的复方,经现代药物化学研究,其恰好是多成分药物的一种典型代表。因此,网络药理学思想正被引入到中药的药效物质基础和分子作用机制研究中以阐释其科学内涵。在此背景下,本文尝试采用分子对接与网络分析相结合的方法来研究大川芎方治疗偏头痛的分子作用机制,进而诠释其临床应用的科学内涵。

1材料与方法

1.1靶蛋白与分子数据集构建
通过文献分析认为,偏头痛是血管神经性脑部疾病,各种原因导致脑膜血管扩张,血浆外渗,造成脑膜周围神经炎症,激活三叉神经产生头痛。同时,兴奋的神经释放血管激活物质和致痛物质,激活内皮细胞、肥大细胞和血小板,进而引起胞外胺类、AA类代谢物、肽类及多种离子增加,增强感觉神经元的敏感性,造成头痛增强延长。基于发病过程分析,根据是否人源、晶体结构分辨率以及是否含配体等方面从Uniprot数据库和RCSB数据库共筛选出21个含原配体靶蛋白晶体复合物。同时,根据大川芎处方组成,从UNPD数据库检索建立中药川芎、天麻所含的111个小分子三维结构数据库。

1.2分子对接
在建立的小分子三维结构数据库和靶蛋白数据库基础上,依据靶蛋白uniprot和化合物UNPD编号从TCMN数据库筛选大川芎方中小分子与靶点的分子对接得分。分子对接具体参数如下:以AutoDock4.0为内核的DOVIS2.0平台上完成分子对接,以原配体为活性中心,盒子大小为4nm×4nm×4nm,格点间隔为0.0375nm,分子构象搜索采用拉马克遗传算法(LGA),初始种群数为150,平移步长为0.2nm,旋转步长为50°,突变率为0.02,交叉率为0.8,局部搜索频率为0.06,其余为默认值。

1.3网络构建
根据分子对接得分,在高于原配体基础上,选取得分较高(Score≥5.5)的111个分子-靶蛋白数据对导入Cytoscape3.2.1软件构建分子-靶蛋白网络,并通过插件Networkanalyzer分析网络特征,识别大川芎方主要活性成分群和可能靶蛋白,以阐释其治疗偏头痛科学内涵。

2结果

2.1分子对接结果分析
在分子计算中,分子与靶蛋白对接得分越高,则分子与靶蛋白相互作用的可能性越大。通过对大川芎方分子对接结果分析,发现与偏头痛靶蛋白有较高对接得分(Score≥5.5)的38个分子(表2),其中32个分子(大部分属于苯酞及苯酞二聚体类)来自川芎,6个分子(主要属于酚类化合物)来自天麻。对38个分子活性报道分析发现,川芎内酯I(Sen-kyunolideI,UNPD152094)可通过调节神经递质的水平显著提升疼痛阈值来缓解偏头痛小鼠的疼痛;z-藁本内酯(Z-ligustilide,UNPD37822)能抑制小神经胶质细胞介导的促炎反应治疗神经元性炎症反应;diligustilide(UNPD28251)能明显抑制小鼠扭体次数。综述所述,这个38个分子可能是大川芎方发挥治疗偏头痛的活性成分。

2.2活性成分的药动学分析
口服大川芎方后,其活性成分经胃肠道吸收入血,再分布到病变部位发挥治疗作用。而这些活性分子透过生物膜屏障入血或到达病灶部位与其结构密切相关。因此,可通过刻画分子结构特征的分子描述符的分析来初步预测化合物进入体内的药代动力学过程。
通过OpenBabel2.3.2对38个潜在活性分子进行分子描述符计算和结构特征的统计学分析(表3),从MW、logP、HBAs和HBDs的均数和中位数可看出,绝大部分化合物均符合“类药5规则”;分子描述符RBs和PSA均数远远小于13,中位数远远小于1.4nm2,提示绝大部分化合物可能有较好口服生物利用度(≥20%)。同时,表3中显示,在38个化合物中,大部分化合物的MW<450,HBDs<3,HBAs<7,RB<8,PSA<0.7nm2,进一步提示这些潜在活性化合物在中枢神经可能也有较高暴露量。
另外,对大川芎方相关药动学研究报道显示,ligustilide、butylphthalide、senkyunolideA、senkyunolideI等苯酞及苯酞二聚体类化合物可吸收入血,senkyunolideI等可移行入脑脊液,并分布到脑组织中,吻合了上述部分预测结果。这也进一步说明38个化合物可能是大川芎方的活性成分。

2.3分子-靶蛋白作用网络分析
分子对接结果显示,38个活性化合物不仅仅与一个蛋白或生物通路作用,而是调节多个靶蛋白的多条生物通路,构成成分与靶蛋白间的复杂作用网络,这需要有效的数据分析方法来挖掘网络特征,进一步揭示大川芎方的主要活性成分群和作用机制。作为计算机生物化学一个分支,网络分析(Networkanalysis)为复杂数据关系研究提供了有效方法,并在医药领域中被广泛用于病机分析、靶蛋白发现、老药新用及作用机制预测等。
在网络分析中,网络度(Degree)和介数(Betweenness,BW)两个参数常被用于刻画节点在维持分子-靶点治疗网络的重要性,进而分析大川芎方治疗偏头痛的主要活性成分群和关键靶蛋白。根据虚拟筛选结果,构建了由38个分子和18个靶蛋白组成的大川芎方治疗偏头痛的分子-靶蛋白网。整体网络特征分析发现,cDTN网由56个节点构成1个模块,整个网络的度分布服从幂律函数,且平均最短路径3.19(整个网络直径6),表明cDTN网络具有典型的无标度(Scale-free)和小世界(Small-world)特性,是一个稳健(Robustness)的生物网络,故cDTN网络具有一定抗扰动的能力,能保证处方在一定范围内的波动不会影响其疗效。
进一步局部网络特征分析,发现16个分子具有较高网络度和介数,可与18个靶蛋白相互作用,在保证cDTN网络稳定方面具有重要作用,提示16个分子的变化更可能会破坏大川芎方分子-靶蛋白治疗网络的完整性,进而严重影响治疗偏头痛的效果。因此,这16个化合物可能是大川芎方主要活性成分群,也是其制剂质量控制的重要指标。
同时,在分子-靶蛋白网络中靶蛋白节点网络特征分析显示,大川芎方中部分活性成分与一氧化氮合酶(iNOS,eNOS)、CGRP受体(CGRP1)作用,抑制血管激活物质(NO,CGRP,SP)产生与释放[10],与ACE作用促进血管活性物质(P物质、缓激肽)降解,从而降低由NO-cGMP、CGRP通路介导的神经性炎症;同时与mPLA2、COX、PG-ES作用,抑制PGE2合成,与TNF-α和p38MAPK激酶(p38α,p38β)作用抑制TNF介导的硬脑膜血管感受器对伤害的增敏化,进而缓解偏头痛;还有部分化合物与NMDA受体(iGluR5)和AMPA受体(AMPA2)作用,对抗由谷氨酸盐参与的偏头痛发作时的皮层扩布性抑制(Corticalsprea-dingdepression)的发生和传播;另外,还有可与多巴胺受体(D2R)和阿片受体(κopioidreceptor),调控多巴胺能神经,抑制疼痛感受器信息传输。前期实验研究报道也部分证实,大川芎方能降低偏头痛模型大鼠的NOS、CGRP受体表达。

3讨论


随着系统生物学发展,发现疾病是致病因素攻击生物系统,扰动生物网络的平衡,导致生物功能异常,最终造成特定疾病的形成,因此疾病可视为特定的生物网络扰动,与之对应的药物开发策略,也逐渐的由单靶点特异性设计向组合性多靶点药物转变,开始注重强调对整个生物系统的调整,但这种基于系统方法设计药物还面临着诸多挑战。
而中药是以中医理论为指导,由单味或多味中药组合配伍后,调整生物体环境,逐渐纠正失衡网络,进而达到治疗疾病目的,这恰好吻合了多靶点组合药物设计理念。
目前,虽然对偏头痛的治疗选择很有限包括用于急性发作时的色胺类药物、用于预防发作的onabotulinumtoxinA及舒马普坦,但对偏头痛的病理生理研究不断深入,发现了一