基于代谢组学和网络药理学的附子水溶性生物碱与人参总皂苷配伍治疗急性心力衰竭的作用机制研究

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目的:研究附子-人参药对中的主要有效组分——附子水溶性生物碱(FWA)与人参总皂苷(RTG)配伍对急性心力衰竭的治疗作用,并结合代谢组学和网络药理学技术探究二者配伍的作用机制。方法:1.采用静脉注射盐酸普罗帕酮(16.5 mg/kg)的方法建立大鼠急性心衰的疾病模型。大鼠被随机分为空白对照组(BCG)、模型组(MG)、附子水溶性生物碱组(FZG)、人参总皂苷组(RSG)、配伍组(FZRSG)。其中,BCG大鼠静脉注射生理盐水后,通过十二指肠给予纯水;MG、FZG、RSG、FZRSG大鼠在造模后通过十二指肠分别给予纯水、FWA(0.48 g/kg)、RTG(0.6 g/kg)、FWA(0.48 g/kg)与RTG(0.6 g/kg)的混合液。通过生理记录仪检测大鼠在给药前和给药60 min内血流动力学指标(±LV dp/dtmax、HR)和心电图指标(QRS波时限)的变化,ELISA试剂盒检测给药60 min后各组大鼠心衰相关的血清细胞因子(TNF-α、Ang-Ⅱ、Nt-pro BNP、ANP)水平的差异,以探究FWA-RTG配伍对急性心衰大鼠的治疗作用。2.采用基于UPLC-LTQ Orbitrap XL MS/MS的液质联用技术,采集各组大鼠给药60 min后的血清进行代谢组学研究,分析大鼠血清中的内源性小分子代谢物整体水平的改变情况。通过多元统计分析寻找FWA和RTG配伍给药对急性心衰大鼠作用的差异代谢物,并对差异代谢物进行定性和定量的分析。通过KEGG通路分析寻找被造模和给药明显影响的差异代谢通路,从机体代谢水平揭示FWA-RTG配伍治疗急性心衰可能的作用机制。3.基于文献和在线数据库收集FWA和RTG中的单体成分,并利用药物的ADME属性筛选其中的候选活性成分。随后通过在线数据库进行活性成分与急性心衰疾病相关的靶点信息预测与筛选;整合收集到的药物靶点与疾病靶点找出FWA-RTG治疗急性心衰的潜在靶点;构建“候选活性成分-潜在靶点”网络,进行网络拓扑学分析、潜在靶点的蛋白互作网络分析、GO富集分析、KEGG通路分析,以探究FWA-RTG配伍治疗急性心衰的主要活性成分、关键作用靶点以及信号通路。采用基于Auto Dock软件的分子对接技术对网络药理学研究得到的主要活性成分和信号通路中涉及到的关键靶蛋白进行对接,通过计算机模拟研究成分与靶点之间的相互作用关系,从而对FWA-RTG配伍治疗急性心衰的具体作用机制进行验证。4.整合前三部分的研究结果发现FWA-RTG配伍治疗急性心衰可能与NOS3、β2-AR、Ca MKⅡδ等靶点有重要关系。因此研究通过试剂盒检测FWA-RTG配伍和单独给药对大鼠血清NOS3、NO含量的影响和心肌组织NO含量的影响,通过RT-q PCR和WB的分子生物学研究技术检测大鼠左心室心肌组织中的β2-AR、SERCA2a、NOS3、Ca MKⅡδ、PI3k、Akt m RNA的表达水平和β2-AR、NOS3、p-NOS3、Ca MKⅡδ、Akt、p-Akt、SERCA2a蛋白的表达情况,从分子层面验证FWA-RTG配伍对急性心衰模型大鼠治疗作用的具体机制。结果:1.造模后,大鼠的+LV dp/dtmax下降到造模前的50%以下并保持5 min以上没有升高,表明急性心衰造模成功。造模后大鼠的+LV dp/dtmax、HR均明显下降,-LV dp/dtmax明显升高。给药后,大鼠的上述三项指标都有一定程度的恢复,表现为+LV dp/dtmax、HR上升,-LV dp/dtmax下降。FZRSG在给药后60 min时的+LV dp/dtmax明显高于MG。并且FZRSG的恢复速度较单独给药组更快,程度更大。FZRSG在给药后10 min时的+LV dp/dtmax明显高于FZG,在给药后30 min时的+LV dp/dtmax明显高于FZG和RSG,结果均有显著性差异。FZRSG在给药后5、60 min的-LV dp/dtmax相比MG大鼠明显降低。RSG大鼠的HR在给药后5 min时明显高于MG,FZRSG在给药后5、20、30、60 min时的HR也明显高于MG;FZRSG大鼠HR升高的程度高于单独给药组,且在给药后30 min时与FZG有显著性差异。造模后,大鼠的心电图QRS波群变得宽大畸形,Q波幅度加深,QRS波时限显著延长。给药60 min后,各组大鼠心电图的QRS波时限均有所恢复,其中FZRSG与MG相比,QRS波时限显著缩短。MG大鼠血清中的TNF-α、ANP、Ang-Ⅱ和Nt-pro BNP含量均明显高于BCG,表示急性心衰模型成立。给药60 min后,除FZG的ANP外,其他各组指标均有不同程度的下降。FZRSG中TNF-α和Nt-pro BNP的含量均明显低于MG,FZG和RSG中Nt-pro BNP的含量也显著降低,与MG有显著性差异。FZRSG与单独给药组比较,FZRSG的Nt-pro BNP含量明显低于FZG和RSG,FZRSG的TNF-α含量明显低于RSG。2.代谢组学实验得到与FWA-RTG配伍治疗大鼠急性心衰相关的6个差异代谢物:L-哌啶甲酸、L-精氨酸、尿酸、N-苯甲酰甘氨酸、鞘氨醇-1-磷酸和磷脂酰肌醇溶血素16:0。MG大鼠血清L-哌啶甲酸、L-精氨酸、尿酸和N-苯甲酰甘氨酸水平较BCG均明显降低,鞘氨醇-1-磷酸和磷脂酰肌醇溶血素16:0水平明显升高。给药后各代谢物水平均有所恢复。FZRSG大鼠的L-哌啶甲酸、L-精氨酸、尿酸、N-苯甲酰甘氨酸水平明显高于MG,鞘氨醇-1-磷酸和磷脂酰肌醇溶血素16:0水平明显低于MG大鼠。FWA-RTG配伍给药与单独给药相比,FZRSG的L-精氨酸水平明显高于FZG和RSG,N-苯甲酰甘氨酸水平明显高于RSG,磷脂酰肌醇溶血素16:0明显低于RSG。这些差异代谢物涉及到的代谢通路包括赖氨酸降解、氨基酰基-t RNA生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢、鞘脂代谢、嘌呤代谢、D-精氨酸和D-鸟氨酸代谢、苯丙氨酸代谢。3.网络药理学共得到35个FWA-RTG中的候选活性成分,99个FWA-RTG配伍治疗急性心衰的潜在靶点;筛选出FWA-RTG配伍治疗心衰的主要物质基础可能为去甲乌药碱、人参皂苷Rh3、准噶尔乌头碱、北乌宁、3-去氧乌头原碱等成分;蛋白互作网络表明IL-6、VEGFA、TNF、PTGS2、NOS3可能为FWA-RTG配伍治疗心衰的关键靶点;与潜在靶点相关的信号通路有钙信号通路、c GMP-PKG信号通路、c AMP信号通路、PI3k/Akt等多条通路。选择去甲乌药碱、人参皂苷Rh3、准噶尔乌头碱、北乌宁、3-去氧乌头原碱与钙信号通路中的蛋白进行分子对接,结果表明成分与靶点间都有一定结合趋势,其中准噶尔乌头碱、去甲乌药碱、人参皂苷Rh3与钙离子信号通路中的AA2BR、TNNC1、AA2AR等多个关键靶蛋白结合能力较强。在所有靶蛋白中,ADRB1(β1-AR)和ADRB2(β2-AR)与成分间的结合最好,表明β肾上腺素能受体可能是FWA-RTG配伍作用的重要靶点。4.造模后MG大鼠心肌组织中的NO水平较BCG大鼠明显降低,而给药后FZRSG的大鼠心肌组织NO含量升高,与MG相比有显著性差异。MG大鼠血清NO含量比BCG大鼠明显增加,FZG、RSG和FZRSG大鼠血清NO含量下降,与MG均有显著性差异。MG大鼠血清中NOS3含量相比BCG显著升高;给药后,FZG、RSG、FZRSG大鼠血清中NOS3含量降低,其中FZRSG的NOS3水平明显低于FZG和MG。MG大鼠心肌组织的β2-AR、SERCA2a、NOS3、Ca MKⅡδm RNA表达水平与BCG相比明显降低;给药组的以上目标基因m RNA相比MG有不同程度的升高,其中FZG大鼠心肌组织的Ca MKⅡδm RNA表达显著上调,FZRSG大鼠心肌组织的β2-AR、SERCA2a、NOS3、Ca MKⅡδm RNA表达与MG相比也明显升高。比较单独给药组和配伍给药组,FZRSG的β2-AR、NOS3、Ca MKⅡδm RNA表达水平明显高于FZG和RSG,FZRSG的SERCA2a m RNA表达水平也高于FZG。MG大鼠心肌组织的β2-AR、NOS3、p-NOS3、p-Akt、Ca MKⅡδ、SERCA2a蛋白表达与BCG大鼠相比明显降低,p-NOS3/NOS3相对表达量的比值也明显下调。给药后,FZG、RSG、FZRSG大鼠的β2-AR、Ca MKⅡδ、NOS3、p-NOS3蛋白表达均显著升高,RSG和FZRSG的p-NOS3/NOS3比值显著升高,FZRSG的p-Akt表达显著升高。对比单独给药组和配伍组,结果显示FZRSG的p-NOS3/NOS3比值和SERCA2a表达水平明显高于FZG和RSG。另外,FZRSG的Ca MKⅡδ水平也显著高于FZG。结论:1.FWA-RTG配伍对盐酸普罗帕酮所致的大鼠急性心衰具有良好的治疗作用,可以改善急性心衰大鼠的血流动力学和心电图异常,调节心衰相关的细胞因子水平,并且二者配伍后的疗效优于单独给药。2.FWA-RTG配伍通过调控急性心衰大鼠被扰乱的精氨酸和脯氨酸代谢等代谢通路和钙信号通路等信号传导通路发挥抗急性心衰的作用;激活β2-AR、Akt/NOS3/NO、Ca MKⅡδ/SERCA2a信号通路,从而促进心肌组织NO生成、调控心肌细胞内钙离子稳态可能是其治疗急性心衰的重要作用机制。
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