补骨脂素和异补骨脂素对体外细胞色素P450酶活性的抑制和诱导作用

2012-01-16 06:28钟玉环沈国林原梅刘万卉李桦
中国药理学与毒理学杂志 2012年4期
关键词:微粒体底物孵育

钟玉环,沈国林,原梅,刘万卉,李桦

(1.烟台大学药学院,山东烟台265300;2.军事医学科学院毒物药物研究所,北京100850)

补骨脂素和异补骨脂素对体外细胞色素P450酶活性的抑制和诱导作用

钟玉环1,2,沈国林2,原梅2,刘万卉1,李桦2

(1.烟台大学药学院,山东烟台265300;2.军事医学科学院毒物药物研究所,北京100850)

目的探讨补骨脂素(PSO)和异补骨脂素(IPSO)对细胞色素P450(CYP)活性的抑制和诱导作用。方法将人肝微粒体或鼠肝微粒体与PSO或IPSO以及CYP特异性探针底物共孵育30 min,分别以非那西丁O-脱乙基、甲苯磺丁脲4-羟基化、美芬妥因-4-羟基化、右美沙芬O-脱甲基化和咪达唑仑1'-羟基化为同工酶CYP1A2,CYP2C9,CYP2C19,CYP2D6(大鼠2D2)和CYP3A4(大鼠3A1/2)代谢活性的标志,用HPLC-MS/MS法检测相应代谢产物的生成量并计算相应的IC50值,评价PSO和IPSO对5种CYP同工酶的潜在抑制作用。将PSO和IPSO或阳性诱导剂与“三明治”培养大鼠肝原代细胞共孵育72 h后,再加入CYP探针底物孵育1 h,检测相应代谢产物的生成量,与阳性诱导剂组比较,评价二者对CYP1A和CYP3A的诱导作用。结果PSO和IPSO对人肝微粒体和鼠肝微粒体的CYP1A2均有较强的抑制作用,在人肝微粒体中的IC50值分别为0.17和0.13 μmol·L-1;在鼠肝微粒体中的IC50值分别为0.47和0.36 μmol·L-1。二者对人肝微粒体的CYP2D6也有中等强度的抑制作用,IC50值分别为3.59和9.51 μmol·L-1。PSO和IPSO 100 μmol·L-1可分别将大鼠肝细胞的CYP3A活性提高1.18和0.96倍,有一定的诱导作用。结论PSO和IPSO能显著抑制CYP1A2酶活性,对CYP3A有一定的诱导作用。

补骨脂素类;异补骨脂素;细胞色素类;药物相互作用;微粒体,肝

补骨脂素(psoralen,PSO)和异补骨脂素(isopsoralen,IPSO)属于呋喃香豆素类化合物,主要存在于补骨脂、无花果、独活和北沙参等中药中,具有抗肿瘤、抗白血病、拟雌激素、补骨及治疗白癜风等皮肤顽疾等药理作用[1-3],在临床上广泛应用,是补骨脂酊、白癜风片、仙灵骨葆胶囊和益肾补血胶囊等多个中药复方和制剂中的主要成分。血清动力学研究表明,PSO和IPSO是服用补骨脂水煎剂大鼠血清中的主要活性成分[4]。呋喃香豆素类化合物与CYP450酶的相互作用非常复杂,它们通常由CYP酶介导代谢,也可以抑制CYP酶的活性[5]。有报道,雄性小鼠连续28 d服用PSO和IPSO后,肝脏CYP3A11的活性和蛋白水平显著增高,CYP2E1的活性和蛋白水平则减低[6]。但PSO和IPSO对CYP同工酶抑制和诱导作用的系统研究尚未见报道。

CYP酶是最重要的药物代谢酶,参与约75%临床药物的体内代谢,其中CYP1A2,CYP2C9,CYP2C19,CYP2D6和CYP3A4是介导临床药物代谢的5个主要的CYP同工酶,对CYP酶的诱导和抑制是药物临床产生代谢性相互作用的主要原因[7-8]。近年来,服用中草药制剂引起的不良反应受到较大的关注。文献报道,在同时服用化学药品和中草药制剂或天然补剂的人群中,约有40%的患者可能因中草药-化学药品的相互作用导致不良反应[8]。中草药制剂中的各种有效成分对CYP酶产生诱导或抑制作用可以引起合用药物药代动力学行为的改变,从而产生代谢性相互作用。因此,了解中药有效成分对CYP酶的诱导和抑制潜能,对于降低临床药-药相互作用的风险、提高用药安全性具有重要意义。本研究在体外系统中以非那西丁O-脱乙基、甲苯磺丁脲4-羟基化、美芬妥因-4-羟基化、右美沙芬O-脱甲基化和咪达唑仑1'-羟基化为5种同工酶代谢活性的标志,评价PSO和IPSO对5个主要人CYP同工酶的抑制作用以及对大鼠肝细胞CYP1A和3A酶的诱导作用,并比较其对大鼠CYP1A2的抑制活性,为两药的临床合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 药品和试剂

PSO、IPSO、咪达唑仑和盐酸普萘洛尔购自中国药品和生物制品检定所;非那西丁、甲苯磺丁脲、S-美芬妥因和右美沙芬购自美国Sigma公司;对乙酰氨基酚(扑热息痛)、4-羟基甲苯磺丁脲、4-羟基美芬妥因、右啡烷和1'-羟基咪达唑仑均购自美国BD Gentest公司;CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6和CYP3A4阳性抑制剂α-萘黄酮、磺胺苯吡唑、反苯环丙胺、奎尼丁和酮康唑,以及CYP1A和CYP3A的阳性诱导剂3-甲基胆蒽和苯巴比妥钠购自Sigma公司。甲醇和乙腈为色谱纯,购自美国Fisher公司,其他试剂为分析纯。

50人混合肝微粒体(蛋白含量20 g·L-1,批号:34689)购自美国BD Gentest公司。20只雄性SD大鼠混合肝微粒体为实验室自制,蛋白含量10 g·L-1。NADPH购自瑞士Roche公司。Agilent 6410B液质联用仪和ZORBAX SB-C18色谱柱(2.1 mm×50 mm,3.5 μm)为美国Agilent公司产品。

1.2 动物

雄性SD大鼠,体质量200~240 g,由军事医学科学院实验动物中心提供,动物合格证号:SCXK-(军)2007-004。

1.3 大鼠肝原代细胞的分离和培养

按照文献[9]采用两步灌流法分离获得大鼠肝原代细胞,以“三明治”夹心培养法[10]培养分离获得的肝原代细胞。

1.4 LC-MS/MS定量检测CYP探针底物的代谢产物

色谱条件:流动相A为含有0.1%甲酸和甲酸铵5 mmol·L-1溶液,B为含有0.1%甲酸的乙腈。洗脱梯度程序为30%B(0 min),95%B(0.5~1.5 min),30%B(1.8~2.5 min),运行时间2.5 min,流速0.3 ml·min-1。内标为盐酸普萘洛尔100 μg·L-1。

质谱条件:以ESI源正离子MRM方式检测,毛细管温度300℃,毛细管电压+4000 V,碰撞能为120 V,各代谢产物的选择性检测离子对如表1所示。

1.5 PSO和IPSO在人和大鼠肝微粒中IC50的测定

孵育体系为200 μl的K2HPO4/KH2PO4缓冲液0.05 mol·L-1(pH 7.4),含有人肝微粒体(human live microsomes,HLM)或大鼠肝微粒体(rat liver microsomes,RLM)(终浓度0.2 g·L-1),NADPH 1 mmol·L-1,受试药物或阳性抑制剂,CYP1A2,CYP2C9,CYP2C19,CYP2D6和CYP3A4的探针底物非那西丁50 μmol·L-1,甲苯磺丁脲120 μmol·L-1,S-美芬妥因40 μmol·L-1,右美沙芬5 μmol·L-1和咪达唑仑5 μmol·L-1,在Km值上下选择各探针底物实验浓度。

Tab.1 LC-MS/MS MRM transition and CYP probe metabolites

实验设置空白对照组、阳性抑制剂对照组以及PSO和IPSO组。PSO和IPSO分别为0,0.0015,0.005,0.015,0.05,0.15,0.5,1.5,5,15,50和100 μmol·L-1;阳性抑制剂α-萘黄酮(CYP1A2)、奎尼丁(CYP2D6)和酮康唑(CYP3A)分别为0,0.003,0.015,0.06,0.3,1.5和6 μmol·L-1;磺胺苯吡唑(CYP2C9)分别为0,0.03,0.15,0.6,3,15和60 μmol·L-1;反苯环丙胺(CYP2C19)浓度为0,0.3,1.5,6,30,150和600 μmol·L-1;每个浓度重复3次。

孵育实验开始前先将配制在K2HPO4/KH2PO4缓冲液中的肝微粒体与各CYP酶的探针底物和不同浓度的药物或阳性抑制剂混合,37℃水浴预孵育5 min后加入同样已预孵育5 min的NADPH启动反应,37℃孵育30 min,在孵育终点用200 μl含有盐酸普萘洛尔100 μg·L-1的甲醇∶乙腈(1∶1)溶液终止反应,13 000×g,4℃下离心10 min,取上清液进样定量分析各底物的代谢产物生成量,测得酶活性。将肝微粒体阳性抑制剂组的IC50值与文献比较,验证体外实验体系的可靠性。

1.6 PSO和IPSO对大鼠肝原代细胞CYP酶的诱导性测定

将药物母液以0.22 μm的微孔滤膜过滤除菌后用细胞培养液配制含药培养液:苯巴比妥钠2 mmol·L-1、3-甲基胆蒽5 μmol·L-1;PSO和IPSO 1,10和100 μmol·L-1(最高浓度根据MTT测定结果确定);CYP探针底物咪达唑仑10 μmol·L-1,非那西丁50 μmol·L-1。

实验平行设置空白对照组、阳性诱导剂对照组以及PSO和IPSO组。用阳性诱导剂或受试药的含药细胞培养液诱导“三明治”培养肝原代细胞,连续3 d,每个浓度重复3次。3 d诱导期结束后,吸去含药培养液,换用等体积含CYP1A或CYP3A探针底物的细胞培养液孵育1 h。在孵育终点取孵育液200 μl,用200 μl含内标的甲醇∶乙腈(1∶1)终止反应,13 000×g,4℃离心10 min,取上清液进样定量分析各底物代谢产物的生成量,测得酶活性。将阳性对照组的酶活性与空白对照组进行比较,酶活性提高2倍以上表明诱导模型建模成功。

1.7 PSO和IPSO对CYP酶抑制或诱导作用的数据处理

CYP酶抑制作用的评价以IC50值为指标,IC50值计算如下:通过测定探针底物代谢产物的生成量确定CYP酶的相对活性,由公式1计算不同浓度药物作用下的相对酶活性Er:

式中,ci(n)为不同浓度药物组测得的代谢产物量;ci(0)为空白对照组的代谢产物量。用Graph Pad Prism 5软件将相对酶活性Er对药物浓度的对数值作图,并计算IC50值。

CYP酶诱导评价:参照美国FDA 2006年9月发布的《药物相互作用研究指导原则草案》[11],以药物组酶活性相对于阳性诱导剂组酶活性的百分比评价受试药物对CYP1A和CYP3A酶活性的诱导作用,药物组的酶活性改变≥空白对照组的40%可判定受试药具有酶诱导作用。由公式②计算相对于阳性对照组的百分比。

式中,Er代表受试药的相对诱导百分比,c药物,c对照和c阳性对照分别代表药物组、空白对照组和阳性对照组探针底物代谢产物生成量。

2 结果

2.1 CYP酶探针底物代谢产物的HPLC-MS/MS检测方法确证

肝微粒体和肝细胞培养液中的物质均不干扰各代谢产物的检测,各代谢产物的线性范围为1~1000 μg·L-1,r2值均大于0.99;通过测定高中低3个浓度质控样品的批内和批间相对标准差(RSD)和相对误差(RE)评价方法的精密度和准确度,各代谢产物的批内RSD<8.4%,批间RSD<12.8%;批内RE在-2.68%~7.37%,批间RE-6.47%~9.58%;回收率均>81.6%。所建检测方法符合定量要求。

2.2 PSO和IPSO对CYP酶抑制活性评价

CYP特异性抑制剂均能显著地抑制CYP1A2,CYP2C9,CYP2C19,CYP2D6和CYP3A4的活性,得到的抑制曲线呈现典型的倒S形特征,经计算所得的IC50值符合参考文献范围[12],表明所用的实验体系可以满足CYP酶抑制活性评价的要求。

由PSO和IPSO 100 μmol·L-1对HLM中5种CYP同工酶活性的抑制率(表2)可见,PSO和IPSO 100 μmol·L-1对CYP1A2的抑制都达到100%,对CYP2C19和CYP2D6的抑制率大于80%;而对CYP2C9和CYP3A4的抑制率约50%,抑制作用较弱,预测其IC50值将在100 μmol·L-1或更高。

将剩余酶活性对对数抑制浓度作图,得到PSO和IPSO对CYP同工酶的抑制曲线,以CYP1A2为代表的抑制曲线见图1(A,B)。由抑制曲线计算得到的IC50值(表3)。按照通用的CYP酶抑制剂强度分级规则[13],IC50<1 μmol·L-1为强抑制剂,1<IC50<10 μmol·L-1为中等强度抑制剂,IC50>10 μmol·L-1为弱抑制剂。因此,在HLM中,PSO和IPSO均为CYP1A2的强抑制剂,IC50值分别为0.17和0.13 μmol·L-1;同时PSO和IPSO是CYP2D6的中等程度抑制剂,IC50值分别为3.59和9.51 μmol·L-1;PSO和IPSO对CYP3A4和CYP2C9的IC50值均大于100 μmol·L-1,在临床上产生显著酶抑制作用的可能性较小。对于CYP2C19,虽然PSO和IPSO 100 μmol·L-1酶抑制率大于90%,但不同浓度的抑制实验未能获得规律性的结果,因此无法计算IC50值。

Tab.2 Inhibitory effect of psoralen(PSO)and isopsoralen(IPSO)on human liver microsomes(HLM)CYP isoenzymes

Tab.3 IC50of PSO and IPSO on HLM CYP isoenzymes

本研究在RLM孵育体系中以上述的同工酶特异性反应,评价了PSO和IPSO对RLM CYP1A2,2D2和3A1/2酶的抑制作用。平行设置的阳性抑制剂组的结果显示,RLM中这几个CYP同工酶的活性正常。PSO和IPSO 100 μmol·L-1对大鼠CYP同工酶活性的抑制率如表4所示。PSO和IPSO对RLM CYP1A2的抑制也达到100%,对CYP3A1/2酶没有显著的抑制作用。在RLM孵育体系中,PSO和IPSO对CYP2D2的抑制率仅分别为36.4%和60.6%。

由PSO和IPSO对大鼠CYP1A2的抑制曲线图1C和D计算得到IC50值。在RLM中,PSO和IPSO也表现为CYP1A2的强抑制剂,IC50值分别为0.47和0.36 μmol·L-1。PSO和IPSO对CYP3A1/2和CYP2D2的IC50值均>100 μmol·L-1,产生显著酶抑制的可能性较小。

Tab.4 Inhibitory effect of PSO and IPSO on rat liver microsomes(RLM)CYP isoenzymes

2.3 PSO和IPSO对CYP酶诱导活性评价

CYP1A和CYP3A的阳性诱导剂3-甲基胆蒽和苯巴比妥钠与“三明治”夹心培养大鼠肝原代细胞孵育3 d后均能显著诱导两个同工酶的活性,诱导倍数分别为4.01和3.24,验证了本研究所用大鼠肝细胞诱导模型的可行性。PSO和IPSO 1~100 μmol·L-1显示出对大鼠肝原代细胞CYP1A活性的抑制作用。底物非那西丁100 μmol·L-1代谢产物的生成浓度低于LC-MS/MS检测的定量限,与肝微粒体抑制实验的结果相符。

Fig.1 Inhibitory effect of PSO and IPSO on CYP1A2 of HLM(A and B)and RLM(C and D).See Tab.2 for the incubation system and procedure.

如表5所示,PSO和IPSO 100 μmol·L-1与肝细胞孵育3 d后能将CYP3A的活性分别提高1.18和0.96倍,PSO和IPSO引起的酶活性改变均超过阳性对照组的40%。而PSO和IPSO 1~10 μmol·L-1未能引起酶活性的显著改变。由此可知,PSO和IPSO在较高浓度对CYP3A有一定的诱导作用。

Tab.5 Induction effect of PSO and IPSO on CYP3A in RLM

3 讨论

本研究评价了PSO和IPSO对5个主要CYP酶的抑制活性,这5个CYP酶介导了约90%临床药物的代谢转化,是药物相互作用评价的重点[7]。在体外孵育体系中PSO和IPSO对人和大鼠肝微粒体的CYP1A2均表现出强烈的抑制作用,IC50值均小于1 μmol·L-1。人类CYP1A2主要在肝表达,其含量约占肝总CYP氧化酶含量的13%,仅次于CYP3A和CYP2C家族。在人体内CYP1A2参与了华法林、咖啡因、安替比林、对乙酰氨基酚、茶碱、维拉帕米、硝苯地平和丙米嗪等20多种药物的代谢转化[14]。本研究结果提示,当PSO和IPSO与这些药物合用时,存在CYP1A2酶抑制的药-药相互作用风险。此外,两药对CYP2D6和CYP2C19也表现出一定的抑制作用。

由于CYP3A和2C家族酶诱导是PXR受体活化导致的,CYP1A的诱导则由AhR受体介导[8],而CYP2D通常不被诱导,因此本研究首选CYP1A和3A作为酶活性诱导评价的对象。在大鼠肝细胞上高浓度的PSO和IPSO能诱导CYP3A1/2酶,这与小鼠连续服用两药后能诱导肝脏CYP3A11酶活性的报道相符[6]。美国FDA指导原则草案建议[11],如果诱导评价结果显示受试药对CYP3A有诱导作用,则应进一步在体内研究中考察对CYP2C和CYP2B的诱导作用。因此,有必要在进一步的研究中评价PSO和IPSO对CYP2C同工酶的诱导作用。

本研究应用酶活性测定作为评价终点,这是美国FDA指南草案推荐的酶抑制活性评价方法,以及酶诱导评价的方法之一[11]。这一方法的优点在于其评价酶功能的改变,直接反映了药物抑制或诱导CYP酶对活性的影响,可以用于评估抑制或诱导的临床意义,因为只有酶活性的改变才能在临床上表现出对自身或其他合用药物清除率的影响。但在酶诱导评价中这一方法存在不足,当受试药对CYP酶有较强的抑制作用时,有可能掩盖其对酶的诱导潜能[15]。在本研究大鼠肝细胞实验中,当PSO和IPSO连续诱导肝细胞3 d后,观察到它们对CYP1A2酶活性的抑制作用。因此,PSO和IPSO对CYP1A2的诱导潜能还需要通过进一步测定mRNA水平或蛋白水平的变化来确定。

CYP酶的种属差异已有较多的报道[16]。尽管CYP酶超级家族的所有成员具有高度保守的氨基酸残基区域,但种属之间在CYP酶初级氨基酸序列上存在一些小的差异,这些小的变化能引起底物特异性和酶催化活性上较大的差异。在人和大鼠之间,除了CYP1A2具有较高的同源性外,其他酶的分布、表达和活性均有较大差异,特别是CYP2C酶。在本研究的RLM孵育体系中,PSO和IPSO对大鼠CYP2D2的抑制率仅分别为36.4%和60.6%,明显低于其对HLM CYP2D6活性的抑制作用,这可能是因为CYP2D在人和大鼠之间的种属差异所致。因此,酶抑制和诱导的体外评价还应以人源材料为首选,人肝微粒体或人肝细胞的研究结果可以得到更为合理的体外-体内的外推。

综上所述,本研究评价了两个呋喃香豆素有效成分PSO和IPSO的酶抑制和诱导活性,结果显示,PSO和IPSO是CYP1A2的强抑制剂及CYP2D6的中等抑制剂;PSO和PISO 100 μmol·L-1对大鼠CYP3A1/2有一定的诱导作用。PSO和IPSO对CYP酶抑制或诱导可能产生的相互作用及其临床意义,还应进一步进行动物或人体研究。

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Evaluation of cytochrome P450 inhibition and induction by psoralen and isopsoralen in vitro

ZHONG Yu-huan1,2,SHEN Guo-lin2,YUAN Mei2,LIU Wan-hui1,LI Hua2
(1.School of Pharmacy,Yantai University,Yantai265300,China;2.Institute of Pharmacology and Toxicology,Academy of Military Medical Sciences,Beijing100850,China)

OBJECTIVETo evaluate inhibitory and inductory activities of psoralen(PSO)and isopsoralen(IPSO)on cytochrome P450(CYP)isoforms.METHODSPSO or IPSO was incubated with human liver microsomes(HLM)or rat liver microsomes(RLM)for 30 min in the presence of NADPH and CYP probe substrates for CYP1A2,CYP2C9,CYP2C19,CYP2D6 and CYP3A4.Phenacetin-O-deethylation,tolbutamide methyl hydroxylation,mephenytoin 4-hydroxylation,dextromethorphan-O-demethylation and midazolam 1'-hydroxylation were used as marked reactions to measure enzyme activities.The relative activities of CYP isoforms were determined by ana-lyzing the formation of the probe metabolites in the incubation system.IC50was calculated to assess the inhibitory potency of PSO and IPSO on these CYP isoenzymes.To evaluate CYP induction effect,PSO,IPSO or known CYP inducers were incubated with sandwich-cultured rat hepatocytes for 72 h,followed by 1 h incubation of the hepatocytes with CYP1A or 3A substrates to measure the relative activities of CYP isoforms.The enzyme activities in PSO and IPSO groups were compared with those of known inducers to assess the induction potentials.RESULTSPSO and IPSO showed a strong inhibitory activity on CYP1A2 in both HLM and RLM incubations in vitro.IC50of PSO and IPSO in HLM was 0.17 and 0.13 μmol·L-1,0.47 and 0.36 μmol·L-1in RLM,respectively.A moderate inhibitory activity of PSO and IPSO on CYP2D6 in HLM was also observed,with IC50of 3.59 and 9.51 μmol·L-1.PSO and IPSO 100 μmol·L-1demonstrated inductory activity on rat CYP3A.After incubation with rat hepatocytes for 72 h,PSO and IPSO increased CYP3A activity 1.18 and 0.96 times,respectively.CONCLUSIONPSO and IPSO are strong inhibitors of CYP1A2 but moderate inhibitors for CYP2D6.They also show induction potency on rat CYP3A.

psoralens;isopsoralen;cytochromes;drug interactions;microsomes,liver

The project supported by National Mega-project of Science Research of China(2012ZX09301003);and National Mega-project of Science Research of China(2008ZXJ09006-001)

LI Hua,E-mail:amms_hli@126.com,Tel:(010)66930664

R975

A

1000-3002(2012)04-0522-07

10.3867/j.issn.1000-3002.2012.04.010

2012-03-07接受日期:2012-04-13)

(本文编辑:付良青)

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