高内涵成像分析系统为中医药现代化“插上翅膀”

中成药（中草药制品）主要是以中药材为原料，在中医药理论指导下，为了预防及治疗疾病的需要，按规定的处方和制剂工艺将其加工制成一定剂型（如丸、散、膏、丹等）的中药制品。中成药是历代医药学家经过千百年医疗实践、创造和总结的有效方剂之精华。通脉养心丸（TMYX，乐仁堂）是一种中成药，由地黄、鸡血藤、甘草、桂枝、党参等 11 种中药材组成，具有通脉止痛、补血养心的功效，能够用于治疗冠状动脉粥样硬化性心脏病或心律不齐所导致的心绞痛、心悸、胸闷等症状^[1]。

研究表明，世界范围内心血管病的患病率处于持续上升阶段。作为心脏衰竭的先兆，心肌肥大是心脏对长期压力（如慢性压力、体积超载或神经激素刺激）的刻板响应^[2]。线粒体对于心肌应激反应非常重要，能量代谢改变是心脏衰竭的重要特征，Sirt 3 是线粒体中的一个重要的去乙酰化修饰酶，能够调控线粒体中代谢酶的活性，进而调控细胞线粒体的代谢。研究表明，Sirt 3 是重要的药物靶标，Sirt 3 的活化与抗衰老、抗肿瘤和提高免疫力等密切相关^[3]。为了研究通脉养心丸的心肌保护作用及功能机制，科学家们分离得到了其中的有效成分，并且发现通脉养心丸中的甘草异黄酮 A 可以通过上调 Sirt 3 的表达量，有效减轻心肌肥大。该研究发表在《Phytomedicine》杂志上，标题为 “ High content screening identifies licoisoflavone A as a bioactive compound of Tongmaiyangxin Pills to restrain cardiomyocyte hypertrophy via activating Sirt3 ”（图 1）^[4]。

图 1. 文章

首先，科学家们使用异丙肾上腺素（ISO）处理诱导构建了小鼠心肌肥大模型，使用 TMYX 治疗 2 周。与对照组小鼠相比，ISO 处理后小鼠心脏纤维化水平增加及导致心力衰竭，TMYX 治疗可以改善心脏结构，显著减少纤维化积累，并且可以逆转 ISO 引起的病理变化，恢复心脏的正常功能（图 2）。

图 2. TMYX 可以减弱 ISO 诱导的小鼠心力衰竭

心肌肥大的特点是心肌细胞体积增大，包括直径增宽、长度和肌节数量增加以及间质的增生。作为将细胞生物学的研究方法与图像采集、处理和分析相结合的技术手段，高内涵成像分析系统可以有效可靠地测定复杂的表型结果^[5]。血管紧张素 II（Ang II）在心肌肥大和心力衰竭的发病机制和进展中发挥着重要作用，是一种广泛应用于诱导心肌肥大的模型药物^[6]。本文中，科学家们使用 HCS（Molecular Devices）评估测定了 Ang II 刺激的 H9c2 心肌细胞模型中的心肌肥大程度。结果表明，与对照组相比，Ang II 刺激后心肌细胞的直径、长度及平均面积显著增加。TMYX 可以以剂量依赖的方式降低 Ang II 心肌细胞的大小。卡托普利属于血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）类降压药物，在降压的同时，还可以治疗充血性心力衰竭，保护心血管^[7]。对照组、卡托普利治疗组和 TMYX 治疗组的心肌细胞横截面积没有显著差异（图 3）。

图 3. TMYX 减轻心肌肥大的作用

研究人员将 HCS 测定与液相色谱质谱分析（LC-MS）方法相结合，以筛选 TMYX 中的抗心肌肥大活性组分。通过高通量荧光成像，对通脉养心丸提取的有效组分进行粗筛，鉴定出 5 种活性组分（图4）。将有效组分进行色谱分离，通过 LC-MS 分析测定得到 8 种候选有效成分（图5），并且利用 HCS 成像鉴定 8 种候选成分的抗心肌肥大作用（图 6）。

图 4. TMYX 抗心肌肥大活性成分的筛选

图 5. TMYX 中有效组分的分离鉴定

图 6. 成像鉴定候选成分的减轻心肌肥大作用

Sirtuin 家族的去乙酰化酶 SIRT 3 主要通过调控线粒体功能抑制心肌肥大。在 ISO 刺激的小鼠模型中，研究人员发现在 ISO 组中 Sirt 3 的表达显著下调，但在  TMYX 治疗后 Sirt 3 的表达显著上调。成像结果表明，TMYX 中的甘草异黄酮 A 可以通过上调 Sirt 3 的表达量，从而减弱心肌肥大（图7）。

图 7. TMYX 中活性成分的作用机制

总结

高通量筛选与药理学验证相结合是从天然产物中鉴定新的先导化合物的一种可行且有效的方法。本研究中，科学家们从中成药通脉养心丸中鉴定了活性化合物甘草异黄酮 A，作为潜在的 Sirt 3 激活剂，对心肌肥大具有治疗效果。研究中作者多次通过 Molecular Devices 高内涵成像分析系统观察细胞表型及进行数据统计分析，为深刻探究内在机制提供有利支撑，也为寻找和设计新的心肌肥大以及 Sirt 3 相关的其他疾病的治疗方法提供理论支撑。

参考文献：

[1] Li, L., Liu, N., Dai, X., et al. Development of a dual screening strategy to identify pro-angiogenic compounds from natural products: application on tongmai yangxin pills. Rsc Advances, 6(116), 115308-115316 (2016).

[2] Lang, D. Cardiac hypertrophy and oxidative stress: a leap of faith or stark reality?. Heart, 87(4), 316 (2002).

[3] Dikalova, A. E., Itani, H. A., Nazarewicz, R. R., et al. Sirt3 impairment and sod2 hyperacetylation in vascular oxidative stress and hypertensionnovelty and significance. Circulation Research, 564 (2017).

[4] Guo, R., Liu, N., Liu, H., et al. High content screening identifies licoisoflavone A as a bioactive compound of Tongmaiyangxin Pills to restrain cardiomyocyte hypertrophy via activating Sirt3. Phytomedicine, 68:153171(2020).

[5] Shantanu, S., Anne, E, et al. Increasing the Content of High-Content Screening: An Overview. Journal of biomolecular screening, DOI:10.1177/1087057114528537 (2014).

[6] Sadoshima, J. I., et al. Signal transduction pathways of angiotensin II-induced c-fos gene expression in cardiac myocytes in vitro. Circulation Research. 73(3):424-438 (1993).

[7] Romankiewicz, J. A., Brogden, R. N., Heel, R. C., et al. Captopril: an update review of its pharmacological properties and therapeutic efficacy in congestive heart failure. Drugs, 25(1), 6-40 (1983).

以上文章转载自美谷分子公众号