基于代谢组学技术表征中药石韦治疗尿路感染的活性组分和作用机制

Over one thousand years of experience have shown the Traditional Chinese Medicine Pyrrosla lingua (Thunb) to be an effective therapy for urinary tract infections (UTIs). However, chemical complexity of this herbal preparation has seriously impeded identification of its bioactive components and mechanism of action, which is a barrier to wider use. In the present project, multiple in vitro and in vivo (bacteria/cell/animal) biochemical approaches will be applied to discover and identify bioactive components of Pyrrosla lingua (Thunb) with activity against UTIs. An integrated metabolomics platform will be established to functionally screen these bioactive components, to clarify their targeted metabolic pathways and relevant biological functions against urinary pathogens. We will seek to identify potential therapeutic mechanisms of Pyrrosla lingua (Thunb) by characterizing metabolic pathways responses to these bioactive components. Identification of these components would permit quality control of and selective breeding of P. lingua for optimal efficacy and would also potentially permit purified bioactive components to be recombined as a novel, Chinese medicine-based therapeutic for UTI therapy. By integrating network pharmacology with metabolomics approaches, we can assure that the mechanism of action is different from existing antibiotic drugs, thus permitting P. lingua to be used against drug resistant pathogens.

中药石韦具有利尿通淋，清热止血之功，可用于热淋，血淋，石淋等多种临床实症。尿路感染属于中医"淋证"范畴，已有研究证实中药石韦对尿路感染有很好的疗效。但中药石韦化学成分复杂，且作用过程多环节多靶点，致使目前中药石韦的活性组分仍尚不明晰，且作用机制也未被有效阐明。本项目将主要以代谢组学技术为核心研究手段，兼顾多种交叉学科技术，以体外大肠杆菌培养系统、巨噬细胞大肠杆菌侵染系统和大肠杆菌所致尿路感染动物模型为参考模板，对中药石韦治疗尿路感染的活性组分进行快速发现和功能表征，进而从大肠杆菌与生物机体相互作用角度阐明中药石韦的作用模式、作用靶点和作用机制。通过本项目的实施，不仅可以从代谢组学角度发现表征尿路感染发生发展的生物标记物和靶标代谢通路，以更好的认识尿路感染的病原机制和实现快速诊断；更重要的是将有效阐明中药石韦治疗尿路感染的活性组分和相关作用机制，进一步支撑以活性组分为基础的组分中药的创制。

本课题主要利用代谢组学整合遗传学策略开展铁载体的发现与功能表征研究，以及铁载体代谢调控机理研究，寻找新的靶点和靶点群，以及开展中药石韦功能组分的辨识与表征，为后续石韦组分中药研究和作用机制阐释提供科学基础。 首先，石韦化学物质组的分析与表征研究。当前对石韦化学物质组的研究基本按传统的分离、提纯和鉴定的方式进行，很难全面掌握该药物的化学物质组成信息。本部分研究系统整合应用HPLC-Q-TOF-MS/MS策略对石韦醇提物进行定性分析，辨识全新16种祖坟，其为石韦的药效物质基础的辨识与表征提供新基础。其次，本研究整合遗传学和代谢组学策略将合成的底物的关键基因ybtS敲除，同时在另外一组敲除基因的菌株培养基中，加入不同浓度的水杨酸，以达到外源性提供合成底物水杨酸的目的，经过全局代谢组分析得到一系列以水杨酸为底物的差异化合物和ybtS基因功能相关的代谢产物， 在所有差异化合物中，质核比m/z:307.0206的物质具有水杨酸底物依赖属性，同时具有和已知的铁载体yersiniabactin相同的生物合成属性和表达模式，最终确定该物质为HPTZTN-COOH，接下来的转运和络合金属离子的属性证明其为全新铁载体。再者， 本课题首次应用代谢组学-遗传学整合策略，以致病型大肠杆菌E. coli 83972（生物合成yesiniabactin，enterobactin，salmochelin和aerobactin四种铁载体）和非致病性大肠杆菌MG1655（仅合成保守型铁载体enterobactin）为参考模型，围绕致病性大肠杆菌与宿主尿液间是否存在有别于非致病性大肠杆菌与宿主尿液间的特征性相互作用代谢组，以及铁载体生物合成是否又如何调控这些与大肠杆菌致病力相关的特征代谢组等关键科学问题，从微生物系统代谢角度进行全景式研究。惊奇的发现铁载体生物合成协同调控大肠杆菌中上述致病力相关的特征代谢组。 他们主要覆盖能量代谢、氨基酸代谢等代谢通路，这些通路的表征和活性修饰分析有助于我们从微生物与人体系统共代谢角度探究尿路感染的发病机制，并为中药石韦功能组分的发现与机理研究提供药新的靶点和靶点群。