1.1 设计 运用网络药理学分析菟丝子抗绝经后骨质疏松症的作用机制,通过动物随机分组对照实验进行验证。
1.2 时间及地点 实验于2023年6月至2024年10月在山西医科大学基础研究中心开展。
1.3 材料
1.3.1 生物信息数据库 网络药理学分析应用的数据库:TCMSP数据库(https://www.tcmsp-e.com/);UniProt数据库(https://www.uniprot.org/);GeneCards数据库(https://www.genecards.org/);OMIM数据库(https://www.omim.org/);PharmGKB数据库(https://www.pharmgkb.org/);STRING数据库(https://cn.string-db.org/);RCSB数据库(https://www.rcsb.org/);PubChem数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)。
1.3.2 实验动物 选取6月龄SPF级雌性SD大鼠40只,体质量(300±20) g,购自山西医科大学实验动物中心(许可证号:2023146)。大鼠饲养在温度20-25 ℃、相对湿度40%-70%的环境中,自由进食和饮水。实验开始前,大鼠适应性饲养1周。此实验已获山西白求恩医院及山西医学科学院实验动物福利伦理委员会批准(伦理审批号:SBQDL-2023-055)。动物实验过程中严格遵守国际兽医学编辑协会发布的共识以及相关的地区和国家规定。所有手术均在动物被麻醉的状态下进行,以最大程度减轻它们的痛苦和不适,并尽量减少死亡案例。
1.3.3 实验试剂与仪器 苦参碱(麦克林,M813524);生理盐水(碧云天,ST341);10%EDTA脱钙液(博士德,AR1071);40 g/L多聚甲醛(索莱宝,P1110);无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司);二甲苯(国药集团化学试剂有限公司);大鼠白细胞介素6酶联免疫分析试剂盒(贝茵莱生物,RA20607);RIPA裂解液(武汉博士德生物工程有限公司);PMSF蛋白酶抑制剂(武汉博士德生物工程有限公司);蛋白质定量试剂盒(武汉博士德生物工程有限公司);SDS-PAGE凝胶配制试剂盒(Minibio公司);ECL超敏发光液(大连美仑生物技术有限公司);活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFATc1)抗体(ABclonal,A1539);β-actin抗体(Abcam,A5411);山羊抗兔二抗(中国中杉金桥,ZB-2306);高分辨率小动物显微CT(Bruker Daltonik Gmbh,SKYSCAN 1276);低温高速离心机(Thermo Fisher,美国);酶标仪(Molecular Devices,美国);研磨仪(Servicebio);电泳仪(BIO-RAD,美国);转膜仪(BIO-RAD,美国);Chemi Doc MP全能型成像系统(BIO-RAD,美国);RTS轮转式切片机(Leica,RM2125);显微镜(Nikon,日本)。
1.4 实验方法
1.4.1 获取菟丝子和绝经后骨质疏松症的靶点基因 首先在TCMSP数据库内对菟丝子的潜在活性成分进行筛选,以生物利用度≥30%、类药性≥0.18作为筛选标准,获得菟丝子的主要活性成分以及主要活性成分对应的靶点,利用UniProt数据库实现数据格式转换。基于OMIM、GeneCards和PharmGKB数据库获得绝经后骨质疏松症靶点,排除重复靶标后梳理出不同的疾病靶点。
1.4.2 获取并分析菟丝子和绝经后骨质疏松症的交集靶点 将上述菟丝子和绝经后骨质疏松症的靶点基因通过R语言绘制韦恩图,筛选出二者的共同靶点。将菟丝子和绝经后骨质疏松症的共同靶点及对应活性成分等信息添加到Cytoscape 3.10.3软件中构建成分-靶点可视化网络并分析。
1.4.3 蛋白质-蛋白质互作网络分析和核心靶点的筛选 在String数据库中获取蛋白质间的互作关系数据,并添加到Cytoscape软件中,应用Cytoscape软件中的CytoHCA插件所包含的3种核心算法:介数中心性、紧密中心性和度中心性,计算每种算法得到分数的中位数,筛选出超过这些中位数的靶点作为药物作用于疾病的核心靶点。
1.4.4 交集靶点的GO功能分析 通过R 4.1.2软件及Bioconductor相关数据包对核心靶点进行GO分析,并以P < 0.05作为筛选标准,分别筛选出生物学过程、分子功能和细胞组分相关条目。
1.4.5 分子对接 使用AutoDockTools 1.5.6作为分子对接软件,其中靶点蛋白的三维结构数据源自RCSB数据库,而药物的小分子成分的三维结构数据则源自PubChem数据库,将药物的小分子成分定义为配体,靶点蛋白定义为受体,进一步使用PyMOL 3.1.3软件对原始配体和蛋白质结构进行预处理,包括分离、脱水和清除有机杂质;随后在AutoDockTools中进行氢化、电荷校验以及识别所选配体的可扭键;完成对接过程后,评估靶点蛋白与小分子成分之间的亲和力,借助PyMOL软件进行三维结构的分析以及可视化。
1.4.6 动物实验验证 将40只6月龄雌性SD大鼠随机分为假手术组10只和模型组30只。
(1)大鼠绝经后骨质疏松症模型的制备:模型组大鼠采用背部双侧卵巢摘除法构建绝经后骨质疏松大鼠模型[19]。SD雌性大鼠适应性喂养1周后,术前禁食禁水12 h,称体质量并记录,计算每只大鼠所需3%戊巴比妥钠(30 mg/kg)的注射量,进行腹腔注射麻醉,等待麻醉起效后采用俯卧位固定于操作台上,以背部肋下1 cm、脊柱旁开1.5-2.0 cm处为中心剃除被毛,乙醇消毒后,行纵向切口1.0-2.0 cm,切开皮肤,钝性钳插入皮肤和肌肉之间,一边扩张一边剥离,用直镊夹住从创口看到的肌层,在离脊柱1 cm 肋下剪开腰肌,立即可见包绕菜花样卵巢的脂肪组织及紧密相连的子宫角,用弯镊夹住脂肪组织将其拉出创口,在子宫角上部及下部的输卵管的部位做两个结扎,结扎后用弯剪切断子宫角,将卵巢摘除,手术过程中注意保护肠管,并检查有无出血,把脂肪组织推回腹腔内,将腹膜与肌层一起缝合,最后缝合皮肤。假手术组在找到卵巢后提出卵巢,仅切除卵巢周围等量脂肪,不做卵巢摘除,其余过程与模型组一致。缝合完成后切口涂以红霉素软膏,并连续3 d肌注庆大霉素(每天每只大鼠注射20 000 U)。在大鼠苏醒后定期观察进食进水以及尿便情况,关注有无腹部胀气、切口感染等。造模8周后每组随机抽取1只行Micro-CT扫描以检验模型,影像显示骨小梁稀疏、髓腔内间隙扩大,则表明造模成功。
(2)造模后的分组与处理:造模8周后,将造模成功的大鼠分为模型组、苦参碱低剂量组和苦参碱高剂量,每组11只,苦参碱低剂量组大鼠腹腔注射苦参碱溶液(33 mg/kg)[20],苦参碱高剂量组大鼠腹腔注射苦参碱溶液(50 mg/kg)[20],每2 d给药1次,连续给药干预8周。
(3)动物处死及相关标本取材:在末次给药后,大鼠禁食禁水12 h。提前准备好无菌手术器械、冰盒以及耗材并做好分组标记。将大鼠腹腔麻醉后经腹主动脉取血,即消毒后经两侧膝关节水平面和腹中线作倒“T”字形切口,暴露腹腔找到腹主动脉,约30°倾斜进针,见回血后平刺向上进针约5 mm,采血针另一端插入10 mL真空采血管取全血≥5 mL,室温静置1.0-2.0 h后等待离心。然后分离大鼠胫骨和股骨,首先从膝关节到髂嵴处剪开皮肤,剥离肌肉以暴露髋关节和膝关节,轻轻提起股骨,使髋关节处于半脱位状态,然后分别剪开髋关节囊、膝关节囊和踝关节囊,取下双侧胫骨和股骨,用眼科剪剔除胫骨、股骨上附着的软组织和筋膜,胫骨用PBS冲洗后放入10 mL无菌冻存管内,迅速放于-80 ℃冰箱保存待测;股骨用40 g/L多聚甲醛组织固定液固定于5 mL无菌冻存管内,放于4 ℃保存待测。
(4)酶联免疫吸附(ELISA)法检测血清白细胞介素6水平:将静置分层后的腹主动脉血置于预冷的离心机中,3 000 r/min离心10 min,取上层血清,根据试剂盒说明书的步骤检测血清中白细胞介素6水平。
(5) Western blot法检测胫骨组织活化T细胞核因子1蛋白表达:将大鼠胫骨组织剪碎,加入RIPA裂解液进行充分研磨,离心后收集上清液,利用BCA法测定蛋白浓度。蛋白样品通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,并转移至PVDF膜,封闭处理后,加入稀释比例为1∶750的活化T细胞核因子1一抗,以β-actin为内参,于4 ℃条件下孵育过夜,加入稀释比例为1∶2 000的二抗,在室温下孵育1 h,然后进行显影操作,使用Image Lab软件对电泳条带进行灰度分析。
(6)苏木精-伊红染色观察股骨组织形态:将大鼠股骨组织在40 g/L多聚甲醛中固定24-48 h,固定完成后使用10%EDTA脱钙液进行脱钙处理,期间每4 d更换1次脱钙液,直至骨组织整体变得柔韧,以针头能轻松扎透组织为脱钙成功的标准,脱钙完成后漂洗去除脱钙液并切取股骨远端至骨骺线上1 cm用于后续操作。将装有骨组织的脱水盒放入乙醇中梯度脱水,脱水完成后放入二甲苯中透明处理,然后置于60 ℃恒温箱中对骨组织进行浸蜡处理,浸蜡完成后将骨组织进行冠状位分割、修整切面,切面向上将骨组织放入倒有蜡液的模具中,待室温自然凝固后,将蜡块固定于轮转式切片机上,设置切片厚度为5 μm作连续切片,将切片置于45 ℃温水中展片,待切片平整后迅速用载玻片捞片,将载玻片置于60 ℃烤箱烘烤30 min,常温保存。在切片染色前进行脱蜡至水并漂洗,将处理好的切片进行苏木精和伊红染色,根据染色情况适当调整染色时间。将染色完成的切片进行脱水封固,置于室温中晾干避光保存,最后使用显微镜选择骨骺线上5 mm的区域进行观察和图像采集。
(7) Micro-CT扫描股骨进行三维重建和骨微结构的形态计量学参数分析:将股骨组织置于样品杯中固定,随后进行Micro-CT扫描,具体参数为:扫描电压70 kV,扫描电流200 μA,层距14.80 μm,平面分辨率300 ms,连续扫描约808层。扫描完成后,选取股骨头及骨干区域作为感兴趣区域,设定三维重建阈值后使用CTvox软件对各标本感兴趣区域进行三维图像构建,并使用CTAn软件分析如下主要参数:①骨密度参数:骨矿物质密度;②骨结构参数:感兴趣区域体积、相对骨体积、骨小梁数量、骨小梁分离度、骨小梁厚度。所有CT操作及图像分析均由同一名专业人员完成。
1.5 主要观察指标 ①网络药理学分析结果;②验证模型的Micro-CT影像;③血清中白细胞介素6水平;④胫骨中活化T细胞核因子1的蛋白表达水平;⑤股骨形态学改变;⑥股骨三维图;⑦股骨微结构参数。
1.6 统计学分析 采用GraphPad Prism 6.0软件进行统计分析。数据以x±s表示。组间差异比较运用单因素方差分析法,P < 0.05为差异有显著性意义。该统计方法已由山西医科大学生物统计学专家审核通过。