本研究通过液相色谱-串联质谱分析、网络药理学以及体内和体外验证表明,六味地黄丸(LWDHW)可通过抑制NF-κB信号通路,抑制破骨细胞分化及卵巢切除诱导的骨丢失。
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研究文章
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本研究通过液相色谱-串联质谱分析、网络药理学以及体内和体外验证表明,六味地黄丸(LWDHW)可通过抑制NF-κB信号通路,抑制破骨细胞分化及卵巢切除诱导的骨丢失。
六味地黄丸(LWDHW)是一种经典的传统中药方剂,广泛用于治疗与肾虚相关的多种疾病,在绝经后骨质疏松症(PMOP)中表现出满意的临床疗效。然而,其药理机制尚不明确。为此,我们首先采用液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)分析了LWDHW的化学成分,共鉴定出1,615种组分。通过网络药理学分析预测,炎症反应和NF-κB信号通路可能是LWDHW治疗PMOP的潜在作用机制。随后,将27只雌性C57BL/6J小鼠随机分为假手术组(Sham)、模型组(Model)和LWDHW组。后两组小鼠接受双侧卵巢切除术(OVX),LWDHW组小鼠术后每日口服LWDHW 9.75 g/kg,持续8周。收集血清和股骨样本,进行酶联免疫吸附测定(ELISA)、显微计算机断层扫描(µCT)、组织学检查和免疫组化(IHC)分析。分离原代骨髓来源巨噬细胞(BMMs),用LWDHW处理后进行TRAP染色和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)。在OVX小鼠中,LWDHW显著缓解了骨量丢失和骨微结构恶化,同时伴有血清β‑CTX水平降低以及股骨组织中破骨细胞数量减少。免疫组化染色显示,与模型组相比,LWDHW治疗组小鼠股骨组织中TNF-α、IL-1β和p-P65的表达水平明显降低。体外实验中,TRAP染色表明LWDHW可抑制RANKL/M-CSF诱导的BMMs向破骨细胞分化,并下调Ctsk、MMP9和Nfatc1的表达。Western blot分析进一步显示,LWDHW处理后BMMs中P65、p-P65、IκBα和p-IκBα蛋白水平显著下降。综上所述,LWDHW可能通过抑制NF-κB信号通路介导的破骨细胞生成,从而缓解绝经后骨质疏松症。
绝经后骨质疏松症(PMOP)是一种常见的代谢性骨病,其特征是骨量丢失和骨微结构恶化1。随着人口老龄化加剧,PMOP发病率不断上升,已成为威胁全球绝经后女性健康的公共卫生问题2。在中国,PMOP的总体患病率高达32.1%3。患者更容易出现慢性腰背痛、脊柱畸形和脆性骨折等严重并发症4,5。目前,美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于治疗骨质疏松症的药物包括双膦酸盐6、甲状旁腺激素67和地诺单抗8,这些药物在临床实践中广泛应用。然而,其长期使用常因多种不良反应而受限9。因此,迫切需要开发更安全、更有效的PMOP治疗药物。在潜在替代疗法中,中药因其已被证实的疗效和良好的安全性而受到越来越多关注10。
六味地黄丸(LWDHW)是中医经典方剂,首次记载于古代文献 儿童疾病治疗的关键 在宋朝时期。数千年来,六味地黄丸(LWDHW)在临床实践中被广泛用于治疗各种由肾虚引起的疾病11,12,13,14根据中医“肾主骨,绝经后骨质疏松症患者骨量减少和骨质退变主要源于肾精亏虚所致的滋养不足15因此,LWDHW 常用于 PMOP 的临床治疗,并已显示出明确的治疗效果16,17然而,尽管动物实验和临床研究已表明,LWDHW 具有多种药理作用,包括抗氧化18抗炎19 抗纤维化活性14其对抗PMOP的潜在机制仍 largely unknown。
骨稳态依赖于破骨细胞介导的骨吸收与成骨细胞介导的骨形成之间的平衡20。在炎症条件下,破骨细胞的分化和活性增强,导致骨吸收加速,从而破坏这一平衡21。在此过程中,NF-κB 信号通路发挥核心调控作用。肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)等炎症因子可诱导 IκBα 的磷酸化与降解,进而触发磷酸化的 p65(p-P65)向细胞核内转位22。随后,下游破骨细胞特异性基因(如 Ctsk、Mmp9 和 Nfatc1)被激活,促进破骨细胞的生成23,24。
网络药理学是一门交叉学科,融合了计算机科学、药理学和生物信息学25在全面探究中药治疗作用背后的药理机制方面具有显著优势26在本研究中,采用网络药理学方法预测六味地黄丸(LWDHW)抗骨质疏松作用所涉及的潜在生物过程和信号通路。同时,利用LC-MS/MS技术分析LWDHW的化学成分。此外, 体内 使用OVX小鼠模型进行验证及 体外 使用原代骨髓来源的巨噬细胞(BMMs)进行实验,以进一步探究六味地黄丸(LWDHW)对抗PMOP的药理机制。工作流程如图所示 图1.
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所有动物实验均经浙江中医药大学动物伦理委员会批准(IACUC-202402-07)。
复方丹参滴丸的制备及液相色谱-串联质谱分析
六味地黄丸(LWDHW)处方由六种中药组成:Rehmannia glutinosa(Gaertn.)、Cornus officinalis(Sieb.)、牡丹(Paeonia suffruticosa)(Andr.)、Dioscoreae opposita(Thunb.)、Poria cocos(Schw.)和Alisma orientale(Sam.)。这些中药的详细信息列于表1中。所有生药由浙江中医药大学附属第一医院(中国杭州)提供,并按0.1 kg/L的药材与水比例在纯化水中煎煮。所得水提物经滤过、浓缩,制备成0.5 g/mL的工作溶液,用于后续的LC-MS/MS分析和动物实验。此外,该工作溶液进一步加工成冻干粉末,用于细胞实验。
在LC-MS/MS分析中,液相色谱条件如下:流动相A(水相)和流动相B(有机相)在正离子模式下分别为含0.1%甲酸的水溶液和乙腈,在负离子模式下分别为含5 mM甲酸铵的水溶液和乙腈。总运行时间为8 min,流速为0.3 mL/min,柱温为40 °C,进样体积为2 µL。质谱分析采用Full MS-ddMS2模式采集数据,喷雾电压设置为+3.50 kV(正离子模式)和–2.50 kV(负离子模式)。
六味地黄丸的生物活性成分及靶点预测
将六味地黄丸中六味组成药材的名称分别输入中药系统药理学(Traditional Chinese Medicine System Pharmacology, TCMSP)数据库,以获取LWDHW的完整成分列表。随后利用口服生物利用度(oral bioavailability, OB)≥ 30% 和类药性(drug-likeness, DL)≥ 0.18 的药代动力学参数筛选出具有生物活性的成分27,28,29,30。鉴定这些生物活性成分对应的作用蛋白,并提交至UniProt数据库以获取其标准化的基因名称,这些基因被确定为LWDHW的最终基因靶点。
六味地黄丸与绝经后骨质疏松症的共同作用靶点
通过在2024年10月2日于GeneCards和DisGeNET数据库中以关键词"postmenopausal osteoporosis"进行检索,获取与绝经后骨质疏松症(PMOP)相关的基因靶点。使用DisGeNET中评分阈值>0.1和GeneCards中评分阈值>10对靶点进行筛选,并去除重复条目,从而获得一组非冗余的PMOP相关基因。随后,将LWDHW的草药来源靶点与PMOP相关靶点导入Venny在线工具,生成维恩图以展示LWDHW与PMOP之间重叠的靶点。
基因本体(GO)与 信号通路富集分析
利用DAVID数据库对LWDHW与PMOP之间的重叠靶点进行GO富集分析。所获得的GO条目被分为三类,包括细胞组分、分子功能和生物过程(BP)。在筛选FDR < 0.01后,按富集倍数从高到低列出前30个BP条目,并以气泡图展示。
接下来,将重叠的靶点输入京都基因与基因组百科全书(KEGG)和Metascape数据库,进行信号通路富集分析。根据KEGG和Metascape数据库中每条通路所对应靶点的数量,按降序排列,分别展示各数据库中排名前25的通路,以柱状图表示。
网络构建
使用 Cytoscape 构建“"方剂-草药-成分-靶点-疾病"和“"靶点-通路"”网络,以可视化各组分之间的相互关系。通过将交集靶点输入 STRING 数据库生成蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络。基于拓扑特征(包括度中心性(DC)、介数中心性(BC)和接近中心性(CC))筛选,识别网络中的核心靶点。
动物分组、OVX诱导的骨质疏松模型及药物干预
共使用27只雌性C57BL/6J小鼠(2月龄,体重22 ± 2 g),由浙江中医药大学(中国浙江杭州)动物实验中心提供。所有动物均饲养于特定病原体阴性(SPF)环境中,光照周期为12小时明/12小时暗,环境温度维持在25 °C,相对湿度控制在40%至60%之间,并可自由摄食和饮水。经过1周的适应性喂养后,采用随机数字表法将小鼠随机分为三组(每组n = 9):假手术组(Sham)、模型组(Model)和LWDHW组(LWDHW)。模型组和LWDHW组小鼠接受双侧卵巢切除术(OVX)以建立绝经后骨质疏松症(PMOP)模型,而假手术组仅切除等量的卵巢周围脂肪组织作为对照。术后第2天开始,LWDHW组小鼠每日接受LWDHW工作液灌胃,剂量为9.75 g/kg/天(根据体表面积换算的人体等效剂量),模型组和假手术组则给予等体积的生理盐水。给药8周后采集血清和股骨组织等生物样本用于后续分析。在整个实验期间,各组均未出现意外死亡或非预期死亡情况。
血清酶联免疫吸附测定(ELISA)
通过眶后静脉丛采集全血,于4 °C条件下以1000 × g 离心15分钟,获取血清。根据制造商说明书,使用相应的ELISA试剂盒检测血清中骨钙素(OCN)和I型胶原β-端肽(β-CTX)的浓度。
µCT 与生物力学分析
使用高分辨率微型计算机断层扫描(µCT)设备对股骨样本进行扫描,体素各向同性分辨率为10 µm。采用NRecon软件从所获取的图像中重建远端股骨的三维(3D)显微结构。随后,在远端股骨感兴趣区域(ROI)内定量分析以下骨微结构参数:骨矿物密度(BMD,g/mm3)、骨体积分数(BV/TV,%)、小梁厚度(Tb.Th,mm)和小梁数量(Tb.N,1/mm)。
采用轴向-扭转疲劳测试系统通过三点弯曲试验评估股骨样本(每组 n = 3)的生物力学特性。在骨干中段施加压缩载荷,位移速率为 2 mm/min,直至结构失效。系统软件自动记录最大载荷(N)。
组织形态学、免疫组织化学(IHC)和免疫荧光(IF)染色
用4%多聚甲醛固定后,经14% EDTA溶液脱钙,并通过梯度乙醇系列脱水,股骨样本被处理成3 µm厚的石蜡切片,方法如前所述31。切片采用阿利新蓝-苏木精(ABH)/橙G染色以进行形态学评估。使用OsteoMetrics软件对股骨远端干骺端小梁骨面积进行定量分析。
肝脏和肾脏样本经固定、石蜡包埋后,切成4 µm的切片。常规脱蜡和水化后,切片用苏木精和伊红染色。组织学检查在光学显微镜下进行。
根据既定程序对石蜡包埋切片进行免疫组化(IHC)和免疫荧光(IF)检测。简言之,将切片置于0.01 M柠檬酸缓冲液中,60 °C孵育4小时以进行抗原修复。随后,切片与一抗在4 °C下过夜孵育,所用一抗包括ALP(1:300)、IL‑1β(1:500)、TNF‑α(1:500)和p‑P65(1:300)。切片再与相应二抗在室温孵育20分钟,之后进行二氨基联苯胺(DAB)显色并用苏木精复染以完成IHC染色,或使用DAPI对细胞核进行标记以完成IF染色。为定量阳性染色,每份样本选取三个组织切片,每个切片随机选取四个视野进行图像采集。在IHC染色中,平均光密度定义为总光密度(IOD)与相应腔面面积的比值,使用Image‑Pro Plus软件测定。在IF染色中,阳性染色区域占整个视野面积的比例以百分比表示,并使用相同软件进行定量分析。
原代骨髓巨噬细胞(BMMs)培养与细胞计数实验
用磷酸盐缓冲液(PBS)从2月龄C57BL/6小鼠的股骨和胫骨中冲洗出骨髓细胞。将所得细胞悬液经70 µm细胞筛过滤后,以200 × g 离心5分钟。弃去上清,将细胞沉淀重悬于含10%胎牛血清的α-MEM完全培养基中。在37 °C、5% CO₂条件下培养24小时后,去除未贴壁细胞。为诱导巨噬细胞分化,将贴壁细胞在含有50 ng/mL巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和40 ng/mL RANKL的培养基中继续培养5–7天,直至观察到成熟的骨髓来源巨噬细胞(BMMs)。
将BMMs以每孔3 × 104个细胞的密度接种于96孔板中。经梯度浓度LWDHW处理24小时后,加入10% Cell Counting Kit-8(CCK-8)工作液,在37 °C孵育1小时。使用酶标仪在450 nm处测定各孔的吸光度。
原代BMMs中基因表达的定量分析
将BMMs以每皿3 × 106个细胞的密度接种至6 cm培养皿中。用500和1,000 µg/mL的LWDHW处理24小时后,根据试剂盒说明书,使用RNA-Quick Purification Kit从BMMs中提取总RNA。经分光光度法定量后,取500 ng总RNA逆转录为cDNA。采用基因特异性引物(表2)进行定量实时PCR(qRT-PCR),PCR扩增程序如下:95 °C预变性30 s,随后进行40个循环,每个循环为95 °C变性5 s、60 °C退火延伸30 s。以GAPDH为内参基因,采用2ΔΔCt法分析基因表达水平。
原代BMMs的Western印迹分析
将BMMs以每皿3 × 106个细胞接种于6 cm培养皿中,经不同干预处理后,在冰上用RIPA裂解缓冲液裂解细胞。收集总蛋白,并使用BCA蛋白定量试剂盒进行定量。取30 µg蛋白样品每泳道,在12.5%聚丙烯酰胺凝胶上进行SDS-PAGE分离,随后转移至0.2 µm PVDF膜上。膜在室温下封闭20分钟后,于4 °C与以下一抗孵育过夜:P65(1:1000)、p-P65(1:1000)、IκBα(1:1000)、p-IκBα(1:1000)和β-actin(1:1000)。次日,将膜在室温下与二抗孵育1小时。使用ECL化学发光检测试剂盒显色,并通过自动化学发光图像分析系统捕获蛋白条带信号。
股骨组织和BMMs的TRAP染色
采用抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色试剂盒,按照制造商说明书对股骨组织切片以及以每孔1 × 105个细胞接种于24孔板中的骨髓来源巨噬细胞(BMM)进行染色。使用Image-Pro Plus软件定量分析组织切片中破骨细胞覆盖的骨小梁表面(Oc.S/BS)以及BMM培养中破骨细胞形成区域的面积。
统计学分析
所有数据均以均值 ± 标准差表示。采用 SPSS 软件进行单因素方差分析,随后进行 Dunnett 检验。*p < 0.05 和 **p < 0.01 被认为具有统计学显著性。
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通过液相色谱-串联质谱法分析LWDHW的化学成分
采用LC-MS/MS分析对LWDHW水溶液的化学成分进行了表征。 共鉴定出1615种成分,其中正离子化模式下检出968种,负离子化模式下检出647种(图2A)。每种离子化模式下前10种成分的详细信息列于图2B、C中。
利用网络药理学预测六味地黄丸治疗绝经后骨质疏松症的治疗靶点
为预测六味地黄丸(LWDHW)对抗绝经后骨质疏松症(PMOP)的潜在治疗靶点,采用了网络药理学方法。首先,通过应用口服生物利用度(OB)≥ 30% 和药物相似性(DL)≥ 0.18 的筛选标准,从TCMSP数据库中检索出LWDHW的69种生物活性成分。随后,利用UniProt数据库鉴定了与这些成分相...
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随着全球人口老龄化,绝经后骨质疏松症(PMOP)已成为一个严重的全球性健康问题,每年影响数百万女性36。鉴于目前抗骨质疏松药物存在副作用,开发更安全、更有效的治疗策略势在必行。六味地黄丸(LWDHW)是中医中经典的补肾方剂,可作为治疗多种骨病的替代药物37,38。临床证据已表明其在增加PMOP患者骨量方面的疗效39,但其确切作用机制尚不明确。在本研究中,我们通过整合网络药理学与动物及细胞实验验证的方法,证实了LWDHW在去卵巢(OVX)小鼠中的骨保护作用,并揭示LWDHW通过抑制NF-κB信号通路来抑制破骨细胞介导的骨吸收。
成骨细胞和破骨细胞的协调活动对维持骨稳态至关重要。与老年性骨质疏松不同,绝经后骨质疏松(PMOP)是一种高转换状态,其特征是骨形成和骨吸收均增强,但破骨细胞介导的骨吸收速率显著超过成骨细胞介导的骨形成40
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所有作者均声明不存在竞争性财务或非财务利益。
本工作由浙江省自然科学基金(ZCLQN25H2701)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.01 M 柠檬酸缓冲液 | Solarbio | C1010 | 用于第10步实验方案中股骨切片免疫组化(IHC)和免疫荧光(IF)染色的抗原修复 |
| 0.2 μm PVDF 膜 | BioRad | 1620177 | 用于第13步实验方案中将蛋白质从 SDS-PAGE 转移至膜上的电转印 |
| 12.5% 聚丙烯酰胺凝胶 | Epizyme Biotech | PG113 | 用于第13步实验方案中蛋白质的 SDS-PAGE 分离 |
| ALP 抗体 | ARIGO | ARG57422 | 用于第10步实验方案中股骨切片的免疫组化检测 |
| 自动化学发光图像分析系统 | Tanon | 5200 | 用于第13步实验方案中 Western blot 条带的可视化 |
| 轴向-扭转疲劳测试系统 | Instron | model 5569R1412 | 用于第9步实验方案中股骨样本的生物力学测试 |
| BCA 蛋白检测试剂盒 | Beyotime | P0010S | 用于第13步实验方案中 Western blot 前的蛋白定量 |
| CCK-8 | Beyotime | C0039 | 用于第11步实验方案中 BMMs 细胞活力的测定 |
| Cytoscape | 不适用 | 不适用 | 版本 3.8.0 |
| DAVID 数据库 | 不适用 | 不适用 | 版本 6.8;https://david.ncifcrf.gov/home.jsp |
| DisGeNET 数据库 | 不适用 | 不适用 | https://www.disgenet.org/ |
| ECL 化学发光检测试剂盒 | Vazyme | E411-04 | 用于第13步实验方案中 Western blot 信号的化学发光检测 |
| OCN 的 ELISA 试剂盒 | MEIMIAN | MM-0551M1 | 用于第8步实验方案中血清骨钙素水平的测定 |
| β-CTX 的 ELISA 试剂盒 | MEIMIAN | MM-44858M1 | 用于第8步实验方案中血清 β-CTX 水平的测定 |
| GeneCards 数据库 | 不适用 | 不适用 | https://www.genecards.org/ |
| Green Premix Ex Taq II FAST | Takara | CN830A | 用于第12步实验方案中的 qRT-PCR 扩增 |
| 高分辨率显微计算机断层扫描(μCT)设备 | Bruker | Skyscan 1176 | 用于第9步实验方案中股骨骨微结构的高分辨率 μCT 成像 |
| IL-1β 抗体 | BIOSS | bs6319R | 用于第10步实验方案中股骨切片的免疫组化检测 |
| IκBα 抗体 | CST | 4812 | 用于第13步实验方案中的 Western blot 检测 |
| 京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库 | 不适用 | 不适用 | https://www.kegg.jp/ |
| M-CSF | AMIZONA | AMK1001-S1 | 用于第11步实验方案中诱导 BMMs 分化 |
| Metascape 数据库 | 不适用 | 不适用 | https://metascape.org/ |
| Orbitrap Exploris 120 | Thermo Fisher Scientific | BRE725531 | 用于第2步实验方案中 LWDHW 的 LC-MS/MS 分析 |
| P65 抗体 | CST | 8242 | 用于第13步实验方案中的 Western blot 检测 |
| p-IκBα 抗体 | CST | 2859 | 用于第13步实验方案中的 Western blot 检测 |
| p-P65 抗体 | CST | 3033S | 用于第13步实验方案中的 Western blot 检测 |
| p-P65 抗体 | 苏州锐颖 | RLP0187 | 用于第10步实验方案中股骨切片的免疫组化检测 |
| PrimeScript RT 试剂盒 | Takara | RR047A | 用于第12步实验方案中 BMMs 总 RNA 的逆转录,以进行 qRT-PCR 分析 |
| QuantStudio 5 系统 | Applied Biosystems | A28573 | 用于第12步实验方案中破骨细胞标志基因的 qRT-PCR 分析 |
| RANKL | AMIZONA | AMK1001-S1 | 用于第11步实验方案中诱导 BMMs 分化 |
| RIPA 裂解缓冲液 | Epizyme Biotech | PC101 | 用于第13步实验方案中从 BMMs 提取总蛋白 |
| RNA-Quick 纯化试剂盒 | TransGen Biotech | ER501-01-V2 | 用于第12步实验方案中 BMMs 总 RNA 的提取 |
| SPSS 软件 | IBM | version 26 | 用于第15步实验方案中实验数据的统计分析 |
| STRING 数据库 | 不适用 | 不适用 | https://string-db.org/ |
| 抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色试剂盒 | AMIZONA | AMK1001-S1 | 用于第14步实验方案中 TRAP 染色以鉴定和定量破骨细胞 |
| Thermo Vanquish UPLC 系统 | Thermo Fisher Scientific | TSLC-002 | 用于第2步实验方案中 LWDHW 的 LC-MS/MS 分析 |
| TNF-α 抗体 | 苏州锐颖 | RLM3472 | 用于第10步实验方案中股骨切片的免疫组化检测 |
| 中药系统药理学(TCMSP)数据库 | 不适用 | 不适用 | http://lsp.nwu.edu.cn/tcmsp.php |
| UniProt 数据库 | 不适用 | 不适用 | https://www.uniprot.org/ |
| UPLC 色谱柱 | Waters | ACQUITY HSS T3 | 用于第2步实验方案中 LWDHW 的 LC-MS/MS 分析 |
| Venny 在线工具 | 不适用 | 不适用 | https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/index.html |
| β-actin 抗体 | Abcam | ab8227 | 用于第13步实验方案中的 Western blot 检测 |
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