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ZHANG Chengzhong, ZHU Xueyan, BU Qitao, WANG Hongrui, HUANG Baokang. Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048
Citation: ZHANG Chengzhong, ZHU Xueyan, BU Qitao, WANG Hongrui, HUANG Baokang. Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048

Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking

doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048
  • Received Date: 2023-03-31
  • Rev Recd Date: 2023-11-04
  • Available Online: 2024-06-21
  •   Objective  To predict the potential Q-markers of Abri herba based on network pharmacology and molecular docking and to establish a quality control characteristic.   Methods  The network relationship of "Abri herba - component - target - pathway" was constructed by using a variety of databases and the method of network pharmacology. The potential Q-markers of Abri herba were predicted and then the characteristic Chromatogram of Abri herba was established by high performance liquid chromatography   Results  Through the network pharmacological prediction, it was found that the components of abrine hypaphorine、schaftoside in Abri herba were closely associated with the main targets, such as AKT1, STAT3, HIF1A, GRB2, MMP9, which could act on HIF-1, PI3K-Akt, JAK-STAT and other signaling pathways and have good pharmacological activities to be potential Q-markers of Abri herba. Then HPLC was used to establish the characteristic according to retention time.   Conclusion  Through network pharmacology and molecular dock-prediction combined with HPLC detection, the characteristic chromatogram was established with the components of abrine hypaphorine, schaftoside as Q-markers, which could control the quality of Abri herba by combining the components and pharmacological activities.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking

doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048

Abstract:   Objective  To predict the potential Q-markers of Abri herba based on network pharmacology and molecular docking and to establish a quality control characteristic.   Methods  The network relationship of "Abri herba - component - target - pathway" was constructed by using a variety of databases and the method of network pharmacology. The potential Q-markers of Abri herba were predicted and then the characteristic Chromatogram of Abri herba was established by high performance liquid chromatography   Results  Through the network pharmacological prediction, it was found that the components of abrine hypaphorine、schaftoside in Abri herba were closely associated with the main targets, such as AKT1, STAT3, HIF1A, GRB2, MMP9, which could act on HIF-1, PI3K-Akt, JAK-STAT and other signaling pathways and have good pharmacological activities to be potential Q-markers of Abri herba. Then HPLC was used to establish the characteristic according to retention time.   Conclusion  Through network pharmacology and molecular dock-prediction combined with HPLC detection, the characteristic chromatogram was established with the components of abrine hypaphorine, schaftoside as Q-markers, which could control the quality of Abri herba by combining the components and pharmacological activities.

ZHANG Chengzhong, ZHU Xueyan, BU Qitao, WANG Hongrui, HUANG Baokang. Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048
Citation: ZHANG Chengzhong, ZHU Xueyan, BU Qitao, WANG Hongrui, HUANG Baokang. Prediction of characteristic chromatogram for Abri herba based on network pharmacology and molecular docking[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202303048
  • 鸡骨草(Abri herba)来源于豆科相思子属植物广州相思子(Abrus cantoniensis Hance),野生资源主要集中分布于岭南地区以及中南半岛等地,《中国药典》(2020年版)[1]及部分地方中药材标准[2]、中药饮片炮制规范[3]等均有收录,药用具有利湿退黄、清热解毒、疏肝止痛之功,常用于湿热黄疸、胁肋不舒、胃脘胀痛、乳痈肿痛、急慢性肝炎、胆囊炎等。鸡骨草含有多种活性物质,包括皂苷类[4]、黄酮类、生物碱类[5]、多糖[6]、氨基酸[7]、挥发油及脂肪酸[8]等,如相思子皂苷Ⅰ、大豆皂苷、槐花皂苷、夏佛塔苷、异夏佛塔苷、相思子碱、刺桐碱等。文献研究发现,鸡骨草具有促进伤口愈合[9]、抗菌[10]、抗病毒[11]、抗氧化[12]、抗肿瘤、免疫调节[13]、抗肝炎病毒[14]、降脂保肝[15-16]等作用,民间也常用鸡骨草制作药膳、凉茶,具有较高的食用价值。目前鸡骨草法定质量标准主要对鸡骨草性状、显微、薄层色谱法(TLC)鉴别相思子碱等项做了初步的质量控制,相思子碱能够较好地反应鸡骨草正品的特性,但是相思子碱在相思子属其他植物中亦有发现,专属性不强,目前市场上常见有相思子属毛相思子(Abrus mollis Hance)与其混淆应用。通过网络药理学[17]及分子对接技术[18]寻找适合鸡骨草质量控制的质量标志物(Q-marker)[19-20],建立符合鸡骨草药用活性特征的质量标准,能够更好地鉴定鸡骨草的质量及药用食用价值。

    • 赛默飞Vanquish Core型液相色谱仪(赛默飞世尔科技有限公司);岛津LC-20A型液相色谱仪(日本岛津株式会社);SK7200H超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司);RH-600A高速多功能粉碎机(浙江荣洁工资有限公司);XS105DU电子天平(梅特勒-托利多公司);鼓风式干燥箱(上海般诺生物科技有限公司);色谱柱:Thermo AcclaimTM 120 C18(4.6 mm×250 mm,5 μm,120Å,赛默飞世尔科技有限公司)、Agilent ZORBAX SB-C18(4.6 mm×250 mm,5 μm,安捷伦科技公司)、Diamonsil® C18(4.6 mm×250 mm,5 μm,北京迪马科技有限公司)。

    • 鸡骨草(经海军军医大学生药学教研室黄宝康教授鉴定为豆科植物广州相思子的干燥全草),亳州、安国及广州药材市场采购或产地采集,根据采集地不同分别设置批号为JGC-xx(采集序号)-xxx(样品序号),共13个批次;相思子碱对照品(中国食品药品检定研究院,批号:111808-202003)、刺桐碱对照品(中国食品药品检定研究院,批号:112058-202001)、夏佛塔苷对照品(中国食品药品检定研究院,批号:111912-202204,纯度:94.9%)、异夏佛塔苷对照品(四川维克奇生物科技有限公司,纯度:98%);乙腈、甲醇(色谱纯,Merck公司);甲酸(分析级,国药集团);蒸馏水(广州屈臣氏食品饮料有限公司)。

    • 检索中药网络药理学常用数据库与分析平台TCMSP(https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)、TCMID(http://www.megabionet.org/tcmid/)、ETCM(http://www.tcmip.cn/ETCM/index.php/Home/Index/)等,结合鸡骨草主要活性化合物文献检索,根据OB值、OD值以及类药五原则等,获取鸡骨草中活性明确且具有成药性的化合物,再通过 Pubchem查询相关化合物Canonical SMILES 编号,输入Swiss Target Prediction(http://www.swisstargetprediction.ch/)获取化合物所对应的靶标蛋白的Uniprot ID。共选取Soyasaponin Bb、Kaikasaponin Ⅲ、Abrisapogenol A、Abrisapogenol D、Sophoradiol、Kudzusapogenol A、 Abrisaponin I、Abrine、Hypaphorine、Schaftoside、Isoschaftoside、butin等12种不同结构的化合物,筛选其药理活性作用靶点,筛去重复靶标,最终获得237个靶标,通过Cytoscape3.8.2软件构建“鸡骨草-成分-潜在靶点”可视化网络图(图1)。网络中包括250个节点和440条边,平均节点度值3.520。

    • 将“2.1.1”项下筛选所得靶标导入STRING 11.0 在线数据库(https://string-db.org/cgi/input.pl)进行PPI 网络分析。选择物种为“Homo sapiens”,蛋白交互参数评分值为“high confidence>0.9”,隐藏网络中无联系的节点,其余参数设置不变,获得化合物靶点PPI网络图(图3)。结果共获得237个节点,360条边,平均节点度为3.04,预期边数135,PPI富集P值< 1.0e-16。再将PPI结果以TSV文本格式导入Cytoscape 3.8.2软件中,进行拓扑属性分析,选取亲密度、间隔度、自由度3个重要参数,共计筛选21个网络参数大于均值(0.322、9.662、5.180)的核心靶标(图5)。包括信号传导与转录激活因子3(STAT3)、基质金属蛋白酶2、9(MMP2、9)、蛋白激酶(AKT1)、表面活性蛋白C(SRC)、淋巴细胞特异蛋白酪氨酸激酶(LCK)、雌激素受体alpha(ESR1)、过氧化物酶体增生激活受体γ(PPARG)、一氧化氮合酶2(NOS2)、缺氧诱导因子-1alpha(HIF1A)、生长因子受体结合蛋白2(GRB2)、双微体2蛋白(MDM2)、糖原合酶激酶3Β(GSK3B)、酪氨酸蛋白激酶受体B2(EPHB2)、α-突触核蛋白(SNCA)等靶标。

    • 应用metascape 数据库(https://metascape.org/gp/index.html)对21个主要潜在的靶点进行基因本体(GO)功能和基因组百科全书(KEGG)通路富集分析。其中,靶点经生物过程(BP)相关条目463 条,主要涉及细胞凋亡正调控(positive regulation of cell death)、蛋白质水解调控(regulation of proteolysis)、细胞对有机氮化合物的反应(cellular response to organonitrogen compound)、TGF-β响应(response to transforming growth factor-beta)等;细胞组分(CC)有34个条目,主要涉及复合物转录调节(transcription regulator complex)、谷氨酸突触(glutamatergic synapse)、细胞质核周区(perinuclear region of cytoplasm)等;分子功能(MF)有42个条目,主要涉及DNA-结合转录因子结合(DNA-binding transcription factor binding)、转录因子结合(transcription factor binding)、蛋白质结构域特异性结合(protein domain specific binding)、蛋白激酶活性(protein kinase activity)、分子适配器活性(molecular adaptor activity)等,各选取显著性前10 条目展示(图4)。KEGG通路富集分析得到79个通路条目,选取显著性前20的条目通过桑基图呈现(图5)。Y轴为信号通路,X轴为该通路靶向基因占总基因的比率,气泡颜色表示该通路基因富集的显著性,气泡大小表示该通路的基因数量。其中AKT1、STAT3、HIF1A、GRB2、MMP9等主要靶点蛋白与松弛素信号通路(relaxin signaling pathway)、甲状腺激素信号通路(thyroid hormone signaling pathway)、B细胞受体信号通路(B cell receptor signaling pathway)、HIF-1信号通路(HIF-1 signaling pathway)、ErbB信号途径(ErbB signaling pathway)、PI3K-Akt信号通路(PI3K-Akt signaling pathway)、JAK-STAT 信号通路(JAK-STAT signaling pathway)、乙肝(hepatitis B)等具有较强的关联性。

    • 通过PubChem获取相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷等化合物3D结构,根据自由度选取“成分-靶点-通路”网络中靠前的靶标,检索PDB数据库(http://www.rcsb.org/)获得靶标蛋白结构,再将蛋白与化合物结构文件导入 pymol 软件进行去水、加氢、删除重复链等预处理,模拟化合物与靶标作用模式,计算结合能,结合能小于0表明可以自由结合。

      靶标 PDB ID 活性成分 结合能能/(kcal/mol)
      AKT1 4GAH 相思子碱 −4.67
      刺桐碱 −4.34
      夏佛塔苷 −2.98
      STAT3 5AX3 相思子碱 −4.72
      刺桐碱 −4.56
      夏佛塔苷 −2.82
      HIF1α 3OUI 相思子碱 −4.02
      刺桐碱 −3.93
      夏佛塔苷 −2.36
      大豆皂苷Bb −0.27
      GRB2 3IMD 相思子碱 −5.0
      刺桐碱 −5.66
      夏佛塔苷 −4.68
      大豆皂苷Bb −2.46
      MMP2 8H78 相思子碱 −7.21
      刺桐碱 −7.02
      夏佛塔苷 −5.83
      大豆皂苷Bb −4.28
    • 成分分析采用C18色谱柱(Thermo、Agilent、Diamonsil);流动相采用梯度洗脱,A相为乙腈,B相为0.2 %甲酸溶液,梯度洗脱程序:0~10 min(5%~10%B);10~20 min(10%~12 %B);20~30 min(12%~13%B);30~35 min(13%~14%B);35~40 min(14%~16%B);40~55 min(16%~18%B);55~60 min(18%~20%B);60~65 min(20%~22%B);65~70 min(22%~30%B);70~75 min(30%~40%B);75~80 min(40%~60%B);80~85 min(60%~75%B);85~95 min(75%~75%B)。柱温设置为25 ℃、30 ℃、35 ℃。流速:0.8 ml/min、1.0 ml/min、1.2 ml/min。检测波长278 nm。进样量:10 μl。

    • (1)对照品储备液的制备:精密称取相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷、异夏佛塔苷对照品5~10 mg,分别置10 ml容量瓶中,加甲醇定容,摇匀,制备对照品储备液。

      (2)供试品溶液的制备:精密称取样品粉末1 g置锥形瓶中,加甲醇50 ml,称定重量,加热回流提取2 h,取出,称定,补足损失的量,滤过,回收溶剂,残渣加甲醇5 ml使溶解,微孔滤膜过滤,制得供试品溶液。

    • 精密量取混合对照品溶液10 μl注入液相色谱仪,测定对照品保留时间及峰面积,平行测定5次,计算相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷、异夏佛塔苷保留时间及峰面积RSD%,保留时间RSD%分别为0.6%、0.7%、0.4%、0.3%;峰面积RSD%分别为0.3%、0.3%、0.3%、0.3%(图7表2)。

      名称 保留时间
      t/min)
      相对保留
      时间
      精密度
      RSD(%)
      峰1 相思子碱 18.058 1.00 0.6
      峰2 刺桐碱 21.658 1.20 0.7
      峰3 夏佛塔苷 42.865 2.37 0.4
      峰4 异夏佛塔苷 47.433 2.63 0.3
    • 取供试品JGC01-010照2.3.2项下供试品溶液制备法制备供试品溶液,分别在0、2、4、12、24 h测定相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷、异夏佛塔苷对照品保留时间,计算RSD%,分别为0.09%、0.10%、0.05%、0.05%(表3)。

      时间(t/h)相思子碱刺桐碱夏佛塔苷异夏佛塔苷
      016.89220.78342.28346.967
      216.89220.78342.28346.967
      416.920.80842.30847.000
      816.86720.75842.25846.950
      1216.85820.74242.24246.942
      2416.87520.77542.30047.000
      RSD(%)0.090.100.050.05
    • 测定13批样品,记录样品中相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷、异夏佛塔苷等色谱峰的保留时间及峰面积,并计算其相对保留时间及偏差(表2)。根据出峰时间及样品化合物峰型特征分析,部分供试品中异夏佛塔苷未检测到或含量较低超出仪器检出范围,不具有共有峰特征。因此选择相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷等3种化合物的色谱峰作为特征峰,相对保留时间为1.00、1.21、2.39,可控制偏差范围±5%。参考《中国药典》(2020年版)通则指导原则的有关规定,拟定:供试品色谱中应呈现相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷3种化合物的特征峰,并应与对照品色谱峰保留时间相对应。

      测试品 相思子碱峰 刺桐碱峰 夏佛塔苷峰 异夏佛塔苷峰
      保留时间(t/min) 保留时间(t/min) 保留时间(t/min) 保留时间(t/min)
      对照品 18.058 1.00 21.658 1.20 42.865 2.37 47.433 2.63
      JGC-01-001 17.717 1.00 21.175 1.20 42.400 2.39 46.767 2.64
      JGC-01-002 17.733 1.00 21.183 1.19 42.200 2.38 46.917 2.65
      JGC-01-003 18.025 1.00 21.658 1.20 42.900 2.38 - -
      JGC-01-004 18.033 1.00 21.683 1.20 43.950 2.44 47.483 2.63
      JGC-01-006 18.183 1.00 21.408 1.18 42.700 2.35 47.542 2.61
      JGC-01-007 17.967 1.00 21.675 1.21 42.933 2.39 - -
      JGC-01-010 16.881 1.00 20.775 1.22 42.279 2.49 47.000 2.78
      JGC-03-004 17.650 1.00 21.225 1.20 42.475 2.41 - -
      JGC-03-012 17.833 1.00 21.350 1.20 42.325 2.37 48.392 2.71
      JGC-04-003 17.000 1.00 21.575 1.27 42.175 2.48 47.083 2.77
      JGC-04-004 17.475 1.00 21.500 1.23 42.417 2.43 45.683 2.61
      JGC-04-006 17.975 1.00 22.650 1.26 42.417 2.36 - -
      JGC-04-007 17.892 1.00 21.400 1.20 42.708 2.39 47.067 2.63
      平均值 17.720 1.00 21.481 1.21 42.606 2.40 47.104 2.67
      RSD% 2.1 0.0 1.9 2.1 1.1 1.7 1.4 2.3
      注:“-”样品中未检测相关色谱峰。
    • 分别采用Thermo、Agilent、Diamonsil色谱柱考察色谱柱的影响;柱温在20、25、30考察柱温的影响;流速为0.8、1.0、1.2 ml/min考察流速的影响。根据测定数据分析,色谱柱、柱温、流速均对特征峰相对保留时间具有一定的影响,其中流速及色谱柱型号对峰3、峰4影响较大,各色谱峰的影响RSD小于5.0%,属于可接受的范围。

      色谱条件 峰1 峰2 峰3 峰4
      色谱柱 Thermo 1.00 1.20 2.37 2.63
      Agilent 1.00 1.22 2.54 2.93
      Diamonsil 1.00 1.24 2.51 2.82
      平均値 1.00 1.22 2.47 2.79
      RSD(%) 0.00 1.30 3.00 4.40
      柱温( ℃) 25 1.00 1.20 2.34 2.60
      30 1.00 1.20 2.37 2.63
      35 1.00 1.19 2.34 2.64
      平均値 1.00 1.20 2.35 2.62
      RSD(%) 0.00 1.40 1.10 0.70
      流速(ml/min) 0.8 1.00 1.20 2.37 2.63
      1.0 1.00 1.20 2.53 2.85
      1.2 1.00 1.19 2.66 3.08
      平均値 1.00 1.20 2.52 2.85
      RSD(%) 0.00 0.40 4.70 6.40
    • 运用网络药理学的方法对中药成分进行研究,然后预测其药理活性作用测靶点、分析通路,再通过实验验证,探索中药的作用机制[21],进而预测中药作用的物质基础,寻找中药质量标志物,能够较好的结合中药的药效建立质量控制标准[22]。通过网络药理学预测发现,鸡骨草主要成分相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷等药理活性与STAT3、MMP2、AR、AKT1、SPC、LCK、ESR1、CTNNB1、PPARG、NOS2、HIF-1α等靶标有关,可能作用于松弛素信号通路、HIF-1信号通路、ErbB信号途径、PI3K-Akt信号通路、JAK-STAT 信号通路等多种信号通路。实验研究发现,相思子碱可以通过抑制NOS、VEGF的表达,促进IL-1β刺激的人软骨细胞C28/I2进行细胞增殖并抑制细胞凋亡,进而起到治疗骨性关节炎的作用[23]。刺桐碱可以通过PI3K-Akt信号通路调控PPARG起到抗炎的作用[24]。夏佛塔苷及异夏佛塔苷等能够通过调控PPARs及其下游蛋白,减少促炎性细胞因子生成,产生抗炎、抗氧化等作用,具有潜在的非酒精性脂肪肝治疗作用[25]。异夏佛塔苷可有效抑制脂多糖诱导的iNOS生成和促炎性细胞因子(TNF-α、IL-1β和COX2)的表达,能够显著降低脂多糖诱导的HIF-1α、HK2和PFKFB3蛋白的表达[26]。文献报道的实验研究结果进一步验证了网络药理学的预测结果。因此,网络药理学在基于药理活性的鸡骨草质量标志物预测上具有一定价值,能够为鸡骨草质量标准的建立提供药效预测及研究基础。

      鸡骨草药用为全草,但市场上鸡骨草药材叶损失严重,这是否会造成药材成分及其含量的变化进而影响药材质量?本实验分别取鸡骨草(JGC-003-012)供试品根、茎、叶等不同部位粉末1 g,参照2.3.2项下制备供试品溶液,测定药材不同部位相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷等化合物的含量,记录保留时间及峰面积。计算含量发现根、茎、叶等不同部位所含三种成分含量分别为根:0.12%、0.08%、未检测;茎:0.02%、0.01%、0.06%;叶:未检出、0.01%、0.20%,相思子碱及刺桐碱主要存在于根、茎中,夏佛塔苷主要存在于叶和茎中,与文献报道[27]一致。因此保证根、茎、叶的相对存量是保障鸡骨草药材质量的重要因素。另外本实验同时测定了13批次鸡骨草药材的水分、总灰分、酸不溶性灰分及浸出物的量,对鸡骨草质量标准的研究具有一定意义。

      鸡骨草除药用外,岭南多地常用于食疗保健中。由于相思子属鸡骨草、毛鸡骨草等基源相近、形态相似、民间及中医临床上常同功效应用,市场上常有毛鸡骨草等混淆或掺伪为鸡骨草药材,而现行版《中国药典》(2020年版)及部分收载鸡骨草的中药标准等对鸡骨草质量的控制主要集中在性状和相思子碱的薄层鉴别上,而相思子碱在相思子属相思子、毛鸡骨草、美丽相思子等植物中均有发现,仅以此为指标化合物专属性不强。目前基于化学成分与药理活性的关联为依据制定中药质量仍然是中药质量标准研究的主要方向。本实验通过网络药理学与分子对接预测鸡骨草主要活性成分,筛选出药理活性较强的成分,并以此为基础,建立鸡骨草质量控制的HPLC特征图谱,最终选择相思子碱、刺桐碱、夏佛塔苷等作为鸡骨草特征图谱的质量标志物。

Reference (27)

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