人参皂苷Rb1作为心力衰竭的多靶点调节剂：基于网络药理学、分子动力学和结合自由能分析，对细胞外重塑及转录途径的机制机制洞察

《Computational Biology and Chemistry》：Ginsenoside Rb1 as a Multi-Target Modulator in Heart Failure: Mechanistic Insights into Extracellular Remodeling and Transcriptional Pathways from Network Pharmacology, Molecular Dynamics, and Binding Free Energy Analyses

本研究通过网络药理学、蛋白互作分析和分子模拟，揭示人参皂苷Rb1多靶点调控Ang II介导的心力衰竭关键蛋白（MMP9、FN1、JUN、FGF2、STAT3），其结合亲和力与参考药物相当或更优，为心衰治疗提供新策略。

　　

强音|刘颖|易卜拉欣·凯欣德|马哈茂德·索利曼|白宝宝

西安交通大学第一附属医院血管外科，中国西安710061

摘要

背景

心力衰竭是全球主要的健康负担之一，通常由血管紧张素II（Ang II）引发的一系列过程导致，如炎症、纤维化和细胞外基质重塑。这些机制涉及多个蛋白质枢纽，使得单一靶点药物难以发挥充分作用。天然产物如人参皂苷Rb1（Panax ginseng的主要生物活性成分）已成为有前景的多靶点药物，尽管其在心血管保护中的具体机制作用尚未完全阐明。

方法

本研究采用了网络药理学、蛋白质-蛋白质相互作用分析、分子对接、分子动力学（MD）模拟以及MM/GBSA结合自由能计算等多种方法。首先识别出与Ang II介导的心力衰竭相关的枢纽蛋白，随后通过对接和MM/GBSA分析比较Rb1与参考药物（洛沙坦、依那普利和卡维地洛）的结合亲和力。通过蛋白质-配体相互作用图谱、疏水性分析和静电势（ESP）分析来阐明结合机制。

结果

研究发现五种枢纽蛋白——MMP9、FN1、JUN、FGF2和STAT3——在Ang II驱动的纤维化、炎症和转录调控中起核心作用。MM/GBSA分析显示Rb1的ΔG_bind值具有明显优势，分别为?36.40 kcal/mol（FN1）、?35.30 kcal/mol（STAT3）和?33.70 kcal/mol（JUN），与参考药物相当或更高。相比之下，Rb1在MMP9（?31.80 kcal/mol）和FGF2（?30.70 kcal/mol）上的亲和力较低。相互作用图谱表明，Rb1的两亲性结构（含有庞大的疏水骨架和多个极性羟基）使其能够通过多齿氢键、范德华力稳定作用及π-烷基相互作用与多种结合位点结合。疏水性和ESP分析进一步证实了Rb1能够有效适应疏水和极性微环境，这解释了其相比结构更受限的参考药物具有更广泛的多靶点结合能力。

结论

本研究证明人参皂苷Rb1是一种有前景的心力衰竭多药理学候选药物，能够强效且灵活地与多个Ang II相关靶点结合。

引言

心力衰竭（HF）是一种复杂的进行性临床综合征，其特征是心脏无法满足身体的循环需求1, 2。它是全球发病率和死亡率的主要原因之一，其发病率上升与人口老龄化、高血压、缺血性心脏病和代谢紊乱有关3, 4。尽管临床管理取得了进展，现有疗法往往长期效果有限，并且经常受到患者耐药性、反应不佳和遗传变异性的影响[5]。心力衰竭病理生理学的核心问题是肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）的失调，尤其是血管紧张素II（Ang II）的作用[6]。Ang II通过促进氧化应激、内皮功能障碍、炎症、肥大和纤维化对心血管组织产生有害影响，这些都是心脏重塑的不良表现。长期的RAAS激活不仅会导致左心室功能障碍，还会引起神经激素和结构变化，从而逐渐恶化心输出量[7]。虽然标准药物干预措施（如血管紧张素转换酶（ACE）抑制剂、血管紧张素受体阻滞剂（ARBs）、β-阻滞剂和盐皮质激素拮抗剂）针对这一途径，但由于潜在的遗传多态性和分子异质性，许多患者仍会出现治疗抵抗或反应不一[8, 9, 10]。

近年来，人们越来越关注利用天然存在的生物活性化合物作为多功能药物，以调节复杂疾病网络中的多个靶点[11, 12, 13, 14]。其中，人参皂苷Rb1（来自Panax ginseng的主要皂苷）因其广泛的心脏保护作用而受到关注[15]。临床前研究表明，Rb1能够减轻心肌缺血、抑制氧化损伤、抑制炎症细胞因子的释放、减轻心肌凋亡并防止纤维化重塑[15, 16]。这些多重效应使Rb1成为治疗心力衰竭的有希望的候选药物，尤其是在Ang II引起的心脏损伤情况下[17, 18]。

对于像心力衰竭这样的复杂疾病，多靶点药物设计作为一种更有效的替代方案正逐渐受到重视。人参皂苷Rb1通过同时针对参与心肌损伤和功能障碍的多种分子途径，体现了这一理念[19, 20]。新兴的计算机模拟和实验研究表明，Rb1不仅通过拮抗Ang II信号通路发挥治疗效果，还能通过增强保护性途径恢复细胞稳态和心肌完整性[21]。

尽管人参皂苷Rb1表现出良好的心脏保护作用，但其确切的分子机制仍不清晰。更重要的是，对其多靶点药理活性的研究尚未充分展开，因为以往的研究主要集中在单一靶点或孤立途径上。为填补这一空白，本研究采用综合计算方法，系统探讨了Rb1在Ang II介导的心力衰竭中的心脏保护潜力。具体而言，网络药理学被用作核心框架，以捕捉Rb1多效作用的复杂靶点-途径相互作用，从而全面评估其在多个疾病相关分子网络中的协调调控。网络药理学用于预测和绘制Rb1与疾病相关蛋白的潜在靶点，蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）分析用于确定关键枢纽蛋白和参与心脏病理的关键信号通路。为了探究结构层面的分子识别，进行了分子对接模拟以评估结合模式和相对亲和力，随后通过分子动力学（MD）模拟评估Rb1-蛋白复合物在接近生理条件下的稳定性。此外，还进行了MM/GBSA热力学结合自由能计算以量化结合强度，并将Rb1与已批准的心血管药物进行对比[29, 30]。这种多层次的方法为Rb1的药理多样性提供了机制上的见解，弥合了其经验性心脏保护效果与其分子基础之间的差距，突显了其在心力衰竭联合治疗中的潜在作用。

方法部分

方法

图1所示的综合工作流程概述了人参皂苷Rb1与心力衰竭之间枢纽靶点的识别过程。

人参皂苷Rb1靶点及血管紧张素诱导的心力衰竭相关靶点的检索与制备

本研究的初始阶段包括系统检索和整理与人参皂苷Rb1相关的分子靶点，以及与血管紧张素II（Ang II）诱导的心力衰竭相关的靶点。数据来自多个成熟的靶点预测平台，包括SwissTargetPrediction、BATMAN-TCM、TCMSP和PharmMapper，共得到324个潜在靶点。经过严格去重处理后

结论

本研究提供了有力的计算证据，支持人参皂苷Rb1作为多靶点调节剂的潜力，能够调节血管紧张素II诱导的心力衰竭中的关键分子因子。Rb1对MMP9、FN1、JUN、FGF2和STAT3等枢纽蛋白的活性位点表现出强烈的结合亲和力和良好的相互作用。疏水性分析进一步揭示了两者之间高度互补的物理化学环境

局限性与未来方向

本研究仅基于计算分析，虽然这种方法在早期药物发现中被广泛接受，但仍存在局限性。对接分数和MM/GBSA能量依赖于简化的评分函数和力场近似，可能无法完全反映生物复杂性。尽管分子动力学模拟具有信息价值，但无法完全模拟体内生化环境。尽管本研究基于计算分析，但

利益冲突

作者声明与所提交论文无任何直接或间接的财务或非财务利益关系。

作者贡献

所有作者对本工作做出了同等贡献，并同意提交。

资助

本项目由中国秦创源科技资助（资助编号：L2024-QCY-ZYYJJQ-269）

CRediT作者贡献声明

强音：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念构建。刘颖：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念构建。易卜拉欣·凯欣德：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、数据分析、数据整理。马哈茂德·索利曼：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。白宝宝：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。