揭开中药的神秘面纱（三）：探索黄连素的奇幻世界

9 月 23, 2022

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俗话说“哑巴吃黄连，有苦说不出”，中药文化博大精深，在一众苦味中药中，黄连可谓是拥有举足轻重的江湖地位。我们今天的主角黄连素（Berberine，BBR）就是从黄连中分离提取得到的一种异喹啉类生物碱，具有抗菌、降血糖血脂、抗痢疾等多种药理活性。

随着现代科研水平的不断提高，黄连素还在持续展现着更多的生物学活性，例如抑制凝血酶的活性，免疫检查点的抑制剂，抗癌症的作用等等。黄连素作为一种分子量只有336的小分子天然产物，科研工作者都不约而同地选择高灵敏度的Biacore检测技术在分子水平上进行研究。接下来大家就跟随小编一起走进黄连素的奇幻世界吧。

01. 高效的凝血酶抑制剂

凝血酶（Thrombin）是血液凝固级联反应中的关键酶，被认为是多种心血管疾病中重要的药物靶点。首都医科大学和北京中医药大学的科研团队在传统中药中筛选特异性抑制凝血酶的小分子抑制剂，最终得到的黄连素（Berberine，BBR）被证明可以直接结合凝血酶从而抑制其诱导的血小板聚集。

研究人员首先在Biacore上证明了Berberine可以直接与凝血酶结合，两者的亲和力为16.39 μM（图1A/B），比已上市的抗凝血药阿加曲班（Argatroban）的亲和力更高（图1C/D，K_D=53.78 μM）。

图1， Biacore检测Berberine/ Argatroban与Thrombin的结合

接下来，研究人员利用Biacore特有的ABA进样设计竞争实验，证明Berberine与Argatroban结合在Thrombin相同的位点上。ABA 的进样方式简化了竞争实验的设置，允许两种不同的溶液按照溶液 A/溶液 B/溶液 A 的顺序在同一个循环内进样，由于竞争样品无需再溶解在运行缓冲液里，大大减少了竞争样品的消耗量，非常适用于药物的竞争分析（图2）。

图2，ABA进样设置Berberine和Argatroban的竞争实验

从图3 的实验结果中可以看到，Berberine不存在时Argatroban与Thrombin有明显的结合信号（图3，red line）；而在300 μM Berberine存在的情况下（ABA样品设置参照图2），Argatroban与Thrombin的结合响应值明显降低（图3，blue line）。证明Berberine在Thrombin上的结合位点与Argatroban是一样的。综合后续的血小板凝集实验，这一研究说明Berberine是潜在的安全有效的凝血酶抑制药物。

图3，Berberine和Argatroban竞争实验结果

02. 全新的免疫检查点抑制剂

PD-1/PD-L1是肿瘤免疫疗法研究的热点，目前已有多款PD-1/PD-L1单抗药物上市。2020年，中国医学科学院北京协和医院的研究人员发现黄连素（Berberine，BBR）也是一种潜在的免疫点抑制剂，能够通过减少癌细胞表面PD-L1的表达，增强免疫T细胞对癌细胞的杀伤作用。

研究发现，Berberine通过结合泛素化调节靶点CSN5，抑制其去泛素化活性，促进PD-L1的泛素化降解（图4A）。如何直接证明Berberine与靶点CSN5的结合呢？研究人员在Biacore上将CSN5直接偶联到CM5芯片上，Berberine作为分析物进样，得到两者之间的亲和力K_D=16.25 μM，有力证明了Berberine与靶点的结合（图4B）。该研究揭示了一种全新的Berberine抗肿瘤机制，表明Berberine是一种潜在的免疫检查点抑制剂。

图4，Biacore检测Berberine与CSN5靶点的结合

03. 胰腺癌转移及肿瘤代谢抑制剂

胰腺癌在肿瘤领域素有“癌症之王”的称号，科研工作者从未停止对胰腺癌相关机制及治疗药物的研究。近年来多个研究工作中发现黄连素在胰腺癌的转移和肿瘤代谢方面有明显的抑制作用。

2022年北京大学第三医院等单位研究发现黄连素（Berberine，BBR）能够有效抑制胰腺癌的肺部转移。Biacore直接验证了Berberine与转化生长因子β受体1（TGFBR1）的结合（图5B），两者的亲和力K_D=18 μM。Berberine通过抑制TGFBR1的活性，保护内皮屏障免受破坏从而阻止癌细胞的跨内皮迁移（图5A）。文章认为Berberine在临床中是一个有潜力的抑制胰腺癌肺部转移的药物。

图5，Biacore检测Berberine与TGFBR1靶点的结合

同样是在胰腺癌的研究中，2021年复旦大学的研究人员报道了黄连素（Berberine，BBR）通过抑制乳酸脱氢酶A（LDHA）延缓肿瘤发展的作用。研究认为，LDHA的催化产物乳酸可以调节肿瘤微环境，促进肿瘤细胞转移、浸润、侵袭和恶化；同时还能通过AMPK/mTOR这一信号通路促进肿瘤的发展（图6A）。因此LDHA是胰腺癌治疗中的一个重要靶点。Biacore结果表明，Berberine可以特异性结合LDHA（图6B，K_D=4.59 μM）并抑制其活性，阻止胰腺癌细胞增殖和侵染。

图6，Biacore检测Berberine与LDHA的结合

04. 抑制耐药性细菌形成生物被膜

黄连素（Berberine）广泛用于治疗微生物感染，北京大学的研究团队解析了黄连素抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）的内在机制。金黄色葡萄球菌的耐药性往往与其形成生物被膜密切相关，在MRSA的被膜基质中均发现有淀粉样纤维（amyloid fibril）的存在，而这种淀粉样纤维主要是由称作酚可溶性调节肽（Phenol-Soluble Modulins，PSMs）的小肽组成的。

研究发现Berberine特异性结合PSMα2单体中Phe19的苯环（图7A），抑制PSM聚集形成淀粉样纤维，从而抑制MRSA形成生物被膜，加强抗生素对MRSA的抑制效率。在分子水平上通过Biacore验证了两者的结合，实验中将合成的PSMα2多肽（fMGIIAGIIKFIKGLIEKFTGK）固定在芯片上，Berberine作为分析物进样，成功地检测到多肽和小分子的相互作用（图7B）。

图7，Biacore检测Berberine与PSMα2多肽的结合

05. 总结

我们近期推出的《揭开中药的神秘面纱》系列主题（揭开中药名方的神秘面纱，原来得靠它；揭开中药的神秘面纱（二）：Biacore解析中药治疗新冠机制）所展现的只是中医药浑厚延绵的画卷中一个小小的缩影，但从中就已经深深体会到Biacore在中医药天然产物研究中的重要作用。作为分子互作领域的“金标准”，Biacore在中医药天然产物的研究中体现了无与伦比的高灵敏度、坚实的数据质量和广泛的应用场景，助力中医药这一中华文明的瑰宝发挥更加重要的作用，推动健康事业的进步。

参考文献：

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2.Liu, Yang, et al. “Berberine diminishes cancer cell PD-L1 expression and facilitates antitumor immunity via inhibiting the deubiquitination activity of CSN5.” Acta Pharmaceutica Sinica B 10.12 (2020): 2299-2312.

3.Tian W, Hao H, Chu M, Gong J, Li W, Fang Y, Zhang J, Zhang C, Huang Y, Pei F and Duan L (2022) Berberine Suppresses Lung Metastasis of Cancer via Inhibiting Endothelial Transforming Growth Factor Beta Receptor 1. Front. Pharmacol. 13:917827. doi: 10.3389/fphar.2022.917827

4.Cheng C.-s, Tan H-Y, Wang N, et al. Functional inhibition of lactate dehydrogenase suppresses pancreatic adenocarcinoma progression. Clin Transl Med. 2021;11:e467. https://doi.org/10.1002/ctm2.467

5.Chu M, Zhang MB, Liu YC, Kang JR, Chu ZY, Yin KL, Ding LY, Ding R, Xiao RX, Yin YN, Liu XY, Wang YD. Role of Berberine in the Treatment of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Infections. Sci Rep. 2016 Apr 22;6:24748. doi: 10.1038/srep24748.PMID:2710306

2;PMCID: PMC4840435.