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多成分單標靶──中藥研究的新面向

相較於西藥以單一成分針對單一靶點治療單一疾病(one drug-one target-one disease)的特性,中藥傾向採取多成分多標靶(multiple components hitting multiple targets)的模式發揮藥效 [1],但是這方面的研究目前著重於複方藥中不同結構的化合物對於疾病治療的協同作用,關於特定中藥成分與其結構相似的代謝物於體內作用的探討著墨較少。因此,南京中醫藥大學的團隊以人蔘為研究主體,提出「中藥主成分與其代謝物會作用於人體內的相同靶點,透過作用的累積達到最終的治療效果」的假說,並且以一系列的實驗進行驗證 [2]。

這篇研究涵蓋五個部分:

一、結合藥物化學、藥動學和藥效學的知識和技術,鑑測人蔘主成分與其代謝物

為了解在生物體內實際發揮免疫調節作用的代謝物,團隊分析給予免疫功能低落的小鼠口服人蔘皂苷(ginsenoside) Rb1 後血清的代謝體變化,偵測到 Rd、Rg3、F2、Rh2、與 CK 等五個結構相似物(圖一)。

圖一、推測人蔘主成分 Rb1 經過代謝後,產生 Rd、Rg3、F2 等代謝物之途徑。圖片來源:DOI: 10.1038/s42003-021-02084-3.

二、利用已被 LPS/ATP 誘導的 RAW264.7 巨噬細胞偵測人蔘皂苷在相同劑量下的免疫調節作用,比較各成分個別以及合併後產生的效果差異

團隊分析 RAW264.7 巨噬細胞在加入不同人蔘皂苷之後的 DNA 含量變化,發現細胞在受到人蔘皂苷刺激之後會傾向於停留在 G0/G1 期。另外,qRT-PCR 和 ELISA 的結果皆顯示人參皂苷可以成功抑制被 LPS/ATP 誘導的 RAW264.7 巨噬細胞產生的發炎反應,而且將人蔘皂苷合併之後產生的免疫調節效果最顯著(圖二)。

圖二、團隊利用 qRT-PCR 偵測 mRNA 含量(第一列),透過 ELISA 偵測細胞激素含量(第二列)。從圖中可以看到 iNOS、TNF-α、IL-1β 等促進發炎的因子在加入不同人蔘皂苷(Rb1、Rd、Rg3、F2)之後皆會減少,而且以合併組別(Com)的減少幅度最大;IL-4 和 IL-10 等抑制發炎的因子在加入人蔘皂苷後則會增加,而且以合併組別的增加幅度最大。 圖片來源:DOI: 10.1038/s42003-021-02084-3.

三、利用系統藥理學來預測人蔘皂苷的共同標的

團隊利用蛋白質交互作用網路分析(protein-protein interaction network analysis)和 KEGG 資料庫(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)找出可能與人蔘皂苷有關的作用途徑和標的,並且建立出一個化合物─標的─途徑的連結網路,最終透過中心演算分析(centrality algorithm analysis)推論這些人蔘皂苷的作用機轉可能與 NLRP3 最具相關性。過去的研究已知 NLRP3 發炎體 (inflammasome)的不正常活化是眾多代謝失調與自體免疫疾病的一項誘發因子 [3]。因此,接下來團隊想探討人蔘皂苷能否透過抑制 NLRP3 的活化解決免疫失調的問題。

四、利用分子嵌合(molecular docking)和生物膜干涉技術(bio-layer interferometry assay)了解每個人蔘皂苷與靶點的結合方式與強度

團隊透過分子嵌合(molecular docking)預測每個人蔘皂苷與 NLRP3 的鍵結方式和結合強度(binding affinity),並且利用生物膜干涉技術(bio-layer interferometry assay)測得人蔘皂苷和 NLRP3 之間的解離常數(dissociation constant, KD)。依據得出的實驗數據,團隊發現人蔘皂苷皆能與 NLRP3 直接產生分子間鍵結,且結合親和力相當高。

五、利用已被 LPS/ATP 活化的 RAW264.7 巨噬細胞分析人蔘皂苷個別和共同針對靶點產生的效果

團隊透過免疫螢光染色(immunofluorescence)和西方墨點法(western blot)分析人蔘皂苷抑制被活化的 RAW264.7 巨噬細胞所產生的發炎反應的成效。結果顯示:若單獨給予個別的人蔘皂苷,其效果不一定能壓制 RAW264.7 巨噬細胞所產生的發炎反應,但將人蔘皂苷合併給予,不但可以有效抑制發炎,且成效最為顯著(圖三、圖四)。另外,若利用慢病毒載體(lentiviral vector)使 NLRP3 過度表現,則會阻礙合併給予人蔘皂苷所引致的免疫調節作用,並且對於細胞遷移、侵入和焦亡作用(pyroptosis)有反轉的效果,驗證 NLRP3 的確是人蔘皂苷克服免疫缺陷的重要標靶

圖三、免疫螢光染色(immunofluorescence)結果顯示將人蔘皂苷合併給予(Com)可以有效降低 NLRP3 的表現。圖片來源:DOI: 10.1038/s42003-021-02084-3.

圖四、西方墨點法(western blot)結果顯示,將人蔘皂苷合併給予(Com),除了可以有效降低 NLRP3 的表現之外,也可以減少 Caspase-1、IL-1β、IL-18 等促發炎因子的產生。圖片來源:DOI: 10.1038/s42003-021-02084-3.

綜合以上,可以得知人蔘皂苷能有效透過抑制 NLRP3 的作用機轉來達到壓制 RAW264.7 巨噬細胞被活化後產生的發炎反應。

隨著科學家將研究思維和方向從「單一成分單一標的」轉為「多成分多靶點」之後,中藥領域裡尋找候選新藥的命中率逐漸提升。這篇研究除了找出人蔘皂苷抗發炎的機轉之外,更證實了中藥也有可能透過「多成分針對單一標的」的方式讓作用加成而達到治療效果,為日後中藥領域的研究開闢一條新的道路。

參考文獻:

[1] Kim, H. U., Ryu, J. Y., Lee, J. O., & Lee, S. Y. (2015). A systems approach to traditional oriental medicine. Nature Biotechnology, 33(3), 264–268. https://doi.org/10.1038/nbt.3167

[2] Zhang, W., Tao, W. W., Zhou, J., Wu, C. Y., Long, F., Shen, H., Zhu, H., Mao, Q., Xu, J., Li, S. L., & Wu, Q. N. (2021). Structural analogues in herbal medicine ginseng hit a shared target to achieve cumulative bioactivity. Communications Biology, 4(1). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02084-3

[3] Shen, H. H., Yang, Y. X., Meng, X., Luo, X. Y., Li, X. M., Shuai, Z. W., Ye, D. Q., & Pan, H. F. (2018). NLRP3: A promising therapeutic target for autoimmune diseases. Autoimmunity Reviews, 17(7), 694–702. https://doi.org/10.1016/j.autrev.2018.01.020

撰文|張芷榕
審稿|陳品萱

About the author

張 芷榕

張 芷榕

目前就讀於陽明交通大學藥學系。
大學期間曾前往日本藥科大學&九州大學交換,
並且透過健喬信元獎學金計畫完成一年的神經藥理學專題。
期待能在Investigator TW認識更多對生醫對研究有興趣的人,和大家一起切磋學習。

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