Mechanistic insights into the amelioration effects of diabetic cardiomyopathy by berberine: an integrated systems pharmacology study and experimental validation
01
文章亮点
本文通过网络药理学方法预测，小檗碱通过激活PI3K-AKT-GSK3β信号通路、调节线粒体平衡和抑制细胞凋亡，缓解糖尿病性心肌病。这为传统中医药治疗糖尿病性心肌病提供了理论依据。
引用信息：
Ji HM, Yang W, Hua Y, et al. Mechanistic insights into the amelioration effects of diabetic cardiomyopathy by berberine: an integrated systems pharmacology study and experimental validation. Tradit Med Res. 2025;10(3):17. doi:10.53388/TMR20240522001
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研究背景
糖尿病性心肌病（DCM）是一种由长期糖尿病引起的心肌病，其特征是心肌结构和功能异常，可导致心力衰竭。小檗碱是从中药黄连中分离的季铵盐生物碱，具有卓越的抗糖尿病和保护心脏特性，本研究的目的是评估小檗碱对糖尿病性心肌病的影响。
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研究结果
基于网络药理学的糖尿病心肌病作用机制研究策略流程图
该实验从三个方面进行，首先通过网络数据分析得出小檗碱和糖尿病心肌病之间交集的靶点和相关通路，然后从该数据分析的结果来推理小檗碱影响糖尿病心肌病的机制路径，最后用糖尿病小鼠的心肌细胞进行荧光染色、蛋白表达量等实验方法来应征猜想。
图1 基于网络药理学的糖尿病性心肌病作用机制研究策略流程图
生信分析、PPI网络构建和小檗碱治疗DCM的GO分析
通过数据库的筛选，得到了与小檗碱成分相对应的134个靶点，与糖尿病心肌病相关靶点3531个靶点：其中的交际靶点有86个（图2A）。在这些靶点中占比最多的就是蛋白修饰酶（图2B）。将相交的靶点构建PPI网络，取相关程度最高的前二十个靶点为核心靶点（图2C-2E）。GO分析得出小檗碱与糖尿病心肌病之间的交叉靶标大多主要定位于膜，可发现质膜（GO:0005886）、质膜的完整组分（GO:0005887）、内质网（GO:0005783）、突触后（GO:0098794），甚至线粒体（GO:0005739）（图2F、2G）。
图2 生信分析、PPI网络构建和小檗碱治疗糖尿病心肌病的GO分析
KEGG富集分析得到小檗碱抗DCM靶点及分子对接
KEGG分析得出脂质和动脉粥样硬化（hsa05417）、糖尿病并发症中的AGE-RAGE信号通路（hsa04933）和PI3K-Akt信号通路（hsa04151）位居前列，这三条通路的交叉靶标数量也位居前列（图3A-3B），在PI3K-AKT 信号通路图，PI3K-AKT信号通路的20个靶标中，有5个是核心靶标——HSP90AA1、IKBKB、INS、NOS3、TP53。PI3K-AKT信号通路靶点的PPI中核心靶点相关性也很高（图3C、3D）。我们在PDB蛋白数据库中挑选核心靶点的蛋白进行评估，其中，3NMQ的结合能为9.6 kcal/mol，2YKJ的结合能为9.6 kcal/mol，3WF6的结合能为9.5 kcal/mol，结合能大于5，在使用pymol映射时，图中的1E1V、2YKJ、2FO0和3WF6内部也发现了氢键链接（图3E）。
图3 小檗碱对糖尿病引起的心肌病KEGG分析，显示了PI3K-AKT-GSK3β信号通路和该通路内靶点的PPI图表
交集基因与调控凋亡基因的交集
由于交集靶点与线粒体和PI3K-Akt信号通路关系密切，我们推测交叉点基因可能与内源性凋亡通路有关。我们将交集靶点与调控凋亡相关靶点进行再次交集，发现在PPI网络中前十个中有七个是核心靶点：CDKN1A、CDK1、TP53、PTGS2、ANXA5、CASP3、JUN（图4A、4B）。将交集靶点进行KEGG和GO分析，发现细胞组分主要是纺锤体，CASP3是进行细胞调控的关键蛋白，CDK1是候选的Bcl-2激酶，而Bcl-2是决定细胞周期继续进展和诱导细胞程序性死亡之间的关键控制点，由此我们将进一步从线粒体调亡和PI3K-Akt信号通路方向进行小鼠实验。
图4 小檗碱和凋亡基因的生物学分析
小檗碱改善糖尿病心肌病的病理形态
与对照组相比，糖尿病（DM）组心肌纤维紊乱、排列松散、断裂多，受损组织染色深。给药后，这些情况得到了一定程度的改善（图5A）。Massion染色法显示，DM组的动脉和心肌有明显的纤维化。然而，给予小檗碱和二甲双胍后，这种纤维化得到了改善（图5B-5D）。DM组观察到心肌细胞肥大，给药后肥大程度减轻（图5E、5F）。
图5 小檗碱可以改善糖尿病心肌病的病理形态
小檗碱调节线粒体的融合和分裂
DM组的OPA1荧光比对照组略暗，而p-Drp1荧光比对照组更亮（图6A、6B）。在给予小檗碱后，DM组中这两种蛋白的荧光强度趋于正常表达（图6C）。在线粒体融合蛋白中，MFN1与线粒体外膜相关，而OPA1是唯一被发现协调融合事件的线粒体内膜蛋白。DM组中MFN1和OPA1的表达量低于对照组，而给予小檗碱处理后，MFN1和OPA1的表达量增加（图6D、6E）。Mff和p-Drp1在DM组的表达高于对照组，且在小檗碱治疗后有所改善。
图6 小檗碱可以调节线粒体的融合和分裂
小鼠心脏凋亡相关蛋白的表达
DM组的Bax和Caspase-3表达与正常组相比较高，服用小檗碱后有所改善。Bcl-2在DM组的表达低于对照组，而在服用小檗碱后有所增加（图7A、7B）。据统计，DM组p-PI3K、p-AKT和p-GSK3β的表达量低于对照组。幸运的是，在使用小檗碱治疗后，这些蛋白的下降趋势显著减弱（图7C、7D）。
图7 小檗碱可改善糖尿病心肌病的细胞凋亡
小檗碱可通过激活PI3K-AKT-GSK3β通路、调节线粒体平衡、促进抗凋亡蛋白Bcl-2的表达以及抑制促凋亡因子Bax的释放来缓解糖尿病心肌病（图8）。Bcl-2和Bax蛋白位于线粒体上游，是线粒体膜通透性变化的重要调节因子，可控制下游Caspase-3蛋白酶的激活，从而介导细胞凋亡，有效治疗糖尿病心肌病。
图8 小檗碱通过激活 PI3K-AKT-GSK3β信号通路、调节线粒体平衡和抑制细胞凋亡来缓解糖尿病心肌病
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结论
本研究结果表明，小檗碱对糖尿病心肌病的保护作用可能是通过激活PI3K-AKT-GSK3β通路介导，未来的研究应包括更多的动物模型和临床试验数据，以阐明小檗碱治疗糖尿病心肌病的确切机制，并探索其潜在的临床应用。
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