Absztrakt

A Parkinson-kór (PD) egy progresszív neurodegeneratív mozgászavar, amelyből hiányzik a radikális gyógyító terápia. A gyógynövénypár, amely aCistanche deserticolaésAngelica sinensisegy jól ismert hagyományos kínai orvoslás (TCM) kombináció, amelyről a jelentések szerint enyhíti a PD-vel összefüggő klinikai tüneteket. Ez a kutatás integrálta a hálózati farmakológiai munkafolyamatot és a mélytanulási előrejelzési modellt, hogy feltárja ennek a gyógynövénypárnak a PD elleni terápiás célpontjait és látens molekuláris mechanizmusait.

Aktív kémiai összetevőiCistanche deserticola-Angelica sinensisA TCMSP adatbázison keresztül lekértük és szűrtük. A PubChem adatbázis összetett szerkezeti információkat szolgáltatott. A metszéspont-elemzés 131 közös gént azonosított a gyógyszerrel kapcsolatos célpontok és a PD-betegséggel kapcsolatos gének között. Ezekre az átfedő génekre GO funkcionális dúsítást és KEGG útvonal dúsítást végeztünk. A DeepPurpose mélytanulási eszközkészletbe ágyazott, előre betanított CNN_CNN_BindingDB modellt a reprezentatív fitokemikáliák és a hub-célfehérjék közötti molekuláris fehérje kötési affinitás kvantitatív előrejelzésére használták.

A funkcionális dúsítási eredmények azt mutatták, hogy ez a gyógynövénykeverék beavatkozik a PD patológiás progressziójába olyan biológiai válaszokon keresztül, mint az exogén ingerreakció, a fertőzéssel kapcsolatos utak, a lipopoliszacharid válasz és a reaktív oxigén fajok stresszválasza. A domináns KEGG jelátviteli útvonalak lefedték a kémiai-karcinogenezis-receptor-aktivációs útvonalat, valamint az AGE-RAGE jelátviteli kaszkádot. A mélytanulási affinitás-előrejelzés robusztus kötődési kölcsönhatást igazolt a fő bioaktív összetevők (szitoszterol, kvercetin, arachidonát és más fitokemikáliák) és a PD-vel kapcsolatos központi fehérjék (HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, ACN1, AKT1, CCN1, AKT1, RELA) között.

együttesen,Cistanche deserticola-Angelica sinensisA gyógynövénypár többkomponensű, többcélú farmakológiai hatást fejt ki a PD beavatkozáshoz. Hatóanyagai modulálják az autofágiát, a celluláris apoptózist, az oxidatív-stressz homeosztázist és a neurogyulladásos válaszokat. Ez a számítási tanulmány előzetes elméleti bizonyítékot és referenciaforrást biztosít a későbbi kísérleti validációhoz és a TCM gyógynövény-kombinációkból származó anti-PD gyógyszerszűréshez.

Kulcsszavak: Parkinson-kór; hálózati farmakológia; mély tanulás;Cistanche deserticola; Angelica sinensis; gyógynövény pár; neuroprotekció; cél előrejelzése

1. Bevezetés

A Parkinson-kór (PD) egy rokkantságot okozó krónikus neurodegeneratív rendellenesség, amelyet a nigrostriatális dopaminerg neuronok progresszív degenerációja jellemez. A tipikus klinikai megnyilvánulások közé tartozik a nyugalmi tremor, az izommerevség, a testtartás instabilitása, a bradykinesia, amelyet nem-motoros tünetek kísérnek, mint például alvászavar, szaglási zavar, székrekedés és mentális-kognitív károsodás. A jelenlegi fő klinikai beavatkozásokat a tünetekkel járó, levodopa-alapú szubsztitív kezelés uralja, amely azonban nem képes átmenetileg enyhíteni a motoros tüneteket vagy visszafordítani a motoros tüneteket. A levodopa hosszú távú alkalmazása gyakran motoros szövődményekkel kapcsolatos mellékhatásokat vált ki. Ezért az új neuroprotektív terápiás szerek felfedezése és fejlesztése továbbra is sürgető klinikai igény.

A hagyományos kínai gyógynövény-gyógyászat bőséges jelölt forrásokat kínál a neurodegeneratív betegségek gyógyszereinek feltárásához.Cistanche deserticola(Rou-cong-rong) ésAngelica sinensis(Dang-gui) gyakran kombinált gyógynövények a TCM klinikai gyakorlatában. A modern farmakológiai vizsgálatok több biológiai funkciót is igazoltak e két növényi anyag esetében.Cistanche deserticola, a "sivatagi ginzeng" neuronvédő, immunmoduláló, daganatellenes és gyomor-bélrendszeri szabályozó hatással rendelkezik, kedvező PMC biológiai biztonsági profillal. Fenil-etanoid-glikozid komponensei, például az echinakozid és a verbaszkozid mérsékelhetik az oxidatív neuronok károsodását, gátolhatják a dopaminerg-neuron apoptózist és szabályozhatják az autofágia fluxust, ígéretes anti-PD preklinikai hatásokat mutatva.Angelica sinensisszéles körben alkalmazzák a vér táplálására és a vérkeringés aktiválására a TCM-receptekben; kivonatai gyulladáscsökkentő hatást, reaktív oxigén-fajokat megkötő képességet, öregedésgátló és neurotróf tulajdonságokat mutatnak. Feltételezhető, hogy e két gyógynövény együttes használata szinergikus neuroprotektív előnyökkel jár a PD betegek számára.

Ennek ellenére a holisztikus molekuláris mechanizmus mögött aCistanche deserticola-Angelica sinensisA Parkinson-kórt kezelő gyógynövénypár továbbra sem tisztázott kellően a hagyományos egycélú laboratóriumi kísérletekkel. A hálózat-farmakológiai módszertan a TCM-képletekre jellemző "több vegyületből álló, több célpontot, több útvonalat" szimulálja, amely tökéletesen illeszkedik a gyógynövény-kombinációk mechanizmusának megfejtéséhez. Ezenkívül a mélytanuláson alapuló gyógyszer-célkötődés-affinitás előrejelzése tovább egészíti ki a hagyományos molekuláris dokkoló munkafolyamatot, és javítja a nagy áteresztőképességű szűrési hatékonyságot a vegyület-cél kölcsönhatásban. A DeepPurpose nyílt forráskódú könyvtár több előre betanított neurális hálózati architektúrát biztosít a gyógyszer-célinterakciók előrejelzéséhez; a CNN_CNN_BindingDB modell megbízható teljesítményt ér el a kis molekula-fehérje kötési pontszám becsléséhez.

Ebben a számítási vizsgálatban a hálózati farmakológiai analitikai csővezetéket integráltuk a DeepPurpose mélytanulási modellel, hogy szisztematikusan megvizsgáljuk a potenciális célpontokat és az általunk modulált jelzési kaszkádokat.Cistanche deserticola-Angelica sinensisa PD ellen. Célunk volt, hogy feltárjuk ennek a gyógynövénypárnak a szinergikus molekuláris mechanizmusát, és elméleti alapot teremtsünk az in vitro sejtvizsgálat és az in vivo állatmodell verifikáció nyomon követéséhez, felgyorsítva ezzel a Parkinson-kór kezelésében az új gyógyszerjelöltek kiaknázását.

2. Anyagok és módszerek

2.1 Adatkészlet visszakeresése és vegyület-cél szűrése

Bioaktív kémiai összetevőiCistanche deserticolaésAngelica sinensisa TCMSP-től (Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform) szereztük be. Három szűrőkritériumot alkalmaztak a jelölt vegyület szűrésére: orális biohasznosulás OB 30 % vagy annál nagyobb; gyógyszerszerűség DL 0,18 vagy annál nagyobb; vér-agy gát permeabilitás BBB Nagyobb vagy egyenlő, mint –0,85. A BBB küszöbérték beállítása garantálja, hogy a szűrt fitokemikáliák elméletileg képesek átjutni a vér-agy gáton, és hatnak a PD patológiával kapcsolatos központi idegrendszeri elváltozásokra, figyelembe véve a PD betegek körében gyakran előforduló vér-agy gát károsodását.

A PubChem adatbázisban lekérdeztük a szűrt vegyületek kanonikus SMILES szerkezeti láncait. A Parkinson-kór betegséggel összefüggő célgénjeit a GeneCards, OMIM, PharmGkb, TTD és DrugBank adatbázisokból gyűjtötték össze. A betegséggel kapcsolatos génbejegyzések konszolidálása és duplikációjának megszüntetése után metszéspont-analízist végeztek a gyógynövény-vegyülettel megjósolt célpontok és a PD-releváns betegséggének között, hogy a PD-kezeléshez a gyógynövénypár közös átfedő célgénjeit megszerezzék.

2.2 Protein-protein-interaction (PPI) hálózat kiépítése

Az átfedő közös célgének a STRING adatbázisba kerültek. A fajt így határozták megHomo sapiens, confidence threshold was set to highest‑confidence score >0,9; egyéb paraméterek alapértelmezett konfigurációként megmaradtak a fehérje-fehérje-kölcsönhatási hálózat kiépítéséhez. Hálózati topológiai paramétereket számítottunk ki, beleértve a fok-centralitást (DC), a közöttiség-centralitást (BC), a közelség-centralitást (CC), a sajátvektor-centralitást (EC). A Cytoscape szoftveren belüli CytoNCA bővítmény kétszeres hub-génszűrést hajtott végre a központi hub-célgének azonosítására. Első szűrési feltétel: BC nagyobb vagy egyenlő, mint 49,43, CC nagyobb vagy egyenlő, mint 0,15, DC nagyobb vagy egyenlő, mint 5,0, EC nagyobb vagy egyenlő, mint 0,05. Második körben szigorúbb szűrés: BC nagyobb vagy egyenlő, mint 15,43, CC nagyobb vagy egyenlő, mint 0,54, DC nagyobb vagy egyenlő, mint 8, EC nagyobb vagy egyenlő, mint 0,14. A másodlagos szűrési küszöbértékeket kielégítő géneket a PD elleni gyógynövénypár fő célpontjaiként határozták meg.

2.3 GO és KEGG dúsítási elemzés

A Bioconductor ökoszisztéma-csomagokkal (clusterProfiler, ggplot2 és kiegészítő függőségi csomagokkal) rendelkező R-studio platformot elfogadták a Gene-Ontology (GO) funkcionális dúsítási elemzéséhez és a Kyoto-Encyclopedia-of-Genes-and-Genomes (KEGG) útvonaldúsítási elemzéshez 131 megosztott célponthoz. A GO dúsítási elemzés három kategóriát fed le: biológiai folyamat (BP), sejtkomponens (CC), molekuláris funkció (MF). P-érték< 0.05 was regarded as statistically‑significant enrichment threshold.

2.4 Mélytanuláson alapuló kötődési affinitás előrejelzése

A DeepPurpose nyílt forráskódú mélytanulási eszközkészletet használták a gyógyszer-célpont-kötődési affinitás előrejelzésére. Előre betanított CNN_CNN_BindingDB modell lett kiválasztva a számításhoz. A mag-célfehérjék aminosavszekvenciáit letöltöttük az UniProt adatbázisból; Az összetett SMILES karakterláncok a PubChem adatbázisból lettek lekérve. Ez a konvolúciós-neurális-hálózat hibrid modell az összetett SMILES-szekvenciát és a cél-protein-aminosav-szekvenciát használja kettős bemeneti jellemzőként, és kvantitatív kötési-erősségi pontszámmátrixot ad ki a vegyület-célpárok számára. A kötődés-előrejelző mátrix vizualizálását a reprezentatív gyógynövény-pár fitokemikáliák és a hub PD-vel kapcsolatos fehérjék közötti interakciós intenzitás kimutatására hajtották végre.

3. Eredmények

3.1 Aktív vegyületek és gyógyszer-célgyűjtemény

A TCMSP adatbázis lekérését és a háromdimenziós szűrési kritériumokat (OB Nagyobb vagy egyenlő 30%, DL nagyobb vagy egyenlő 0,18, BBB Nagyobb vagy egyenlő -0,85) követve hét bioaktív fitokemikáliát (beleértve mindkét gyógynövény egy közös összetevőjét) nyerték kiCistanche deserticola-Angelica sinensisgyógynövény pár. A Strawberry-Perl szkript cél-ID konverziót hajtott végre, UniProt adatbázis megjegyzésekkel ellátott és szabványosított génneveket; végül összesen 297 feltételezett gyógyszer-célgént szereztek, amelyek kapcsolódnak a gyógynövénypár-vegyületekhez.

3.2 A PD-releváns terápiás célpontok kereszteződésének szűrése

Több betegséggén-adatbázist (GeneCards, OMIM, PharmGkb, TTD, DrugBank) integráltak és deduplikáltok, így összesen 11 208 PD-vel kapcsolatos betegséggén keletkezett. Metszéspontszámítás a gyógynövény-pár célkészlet és a PD-betegség-gén adatkészlet között131 közös metsző gén, amely potenciális terápiás célcsoportot jelentett, amely anti-PD farmakológiai hatásokat közvetítCistanche deserticola-Angelica sinensis.

3.3 A központi hub-cél azonosítása a PPI hálózatból

A 131 megosztott célpontot importálták a STRING szolgáltatásba, hogy kiépítsék a fehérje-fehérje-kölcsönhatási hálózatot. A CytoNCA beépülő modul kétlépcsős topológiai paraméteres szűrése tizenegy központi hub-gént szűrt ki:HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1. Ezek a hub-gének központi szabályozói státuszt foglalnak el a biológiai hálózaton belül, és feltételezések szerint elsődleges cselekvési csomópontként szolgálnak ennek a PD patológiás progresszióját megzavaró gyógynövénypárnak.

3.4 A GO funkcionális dúsítása és a KEGG útvonal-dúsítás eredményei

A GO dúsítási eredményei azt mutatták, hogy ezek a közös célpontok több biológiai folyamat válaszában vesznek részt: exogén ingerreakció, fertőzéssel összefüggő reakció, lipopoliszacharidok által közvetített gyulladásos válasz, reaktív oxigén fajok metabolikus válasza. Molekuláris funkciók szintjén a hub-fehérjék DNS-kötő-transzkripciós faktor-kötő aktivitást, ubiquitin-szerű fehérje ligáz-kötő funkciót és sejtmag-receptor-szabályozó aktivitást fejtenek ki. A megfelelő celluláris komponensek plazmamembrán mikrodomének, membrán raftok és intracelluláris szemcse lumenek.

A KEGG útvonal-dúsítási elemzés jelentősen feldúsult jelátviteli kaszkádokat mutatott ki, amelyek között a kémiai-karcinogenezis-receptor-aktivációs útvonal és az AGE-RAGE jelátviteli útvonal reprezentatív, nagy jelentőségű útvonalak. További jelentős kaszkádok közé tartozik a PI3K-Akt jelátvitel, a MAPK jelátvitel, az IL-17 gyulladásos válaszút és a TNF-közvetített gyulladásos útvonal, amelyek szorosan kapcsolódnak a neuronális oxidatív stresszhez, az ideggyulladáshoz, a sejt-apoptózishoz és az autofágia szabályozó eseményeihez a PD patogenezise során.

3.5 Mélytanulási CNN_CNN_BindingDB kötési affinitás előrejelzése

A DeepPurpose CNN_CNN_BindingDB modell megjósolta a reprezentatív fitokemikáliák (jangambin, suchilakton, stigmaszterol, kvercetin, marckine, -szitoszterol, arachidonát) és tizenegy központi csomópont-célfehérje közötti kötődési kölcsönhatás erősségét. A kötési pontszám hőtérkép mátrixa szemléltette, hogy több vegyület, köztük a szitoszterin, a kvercetin, a marckin és az arachidonát erős kötési affinitást mutatott a legtöbb hub-célcsomóponthoz, mint például az AKT1, TP53, MYC, MAPK1, FOS, HIF1A és STAT1. Ez a mélytanulási számítási eredmény alátámasztja azt a hipotézist, amelyből az aktív komponensek származnakCistanche deserticola-Angelica sinensisA gyógynövénypár közvetlenül kölcsönhatásba léphet a PD-hez kapcsolódó magfehérjékkel, és módosíthatja azok biológiai funkcióját.

4. Vita

A Parkinson-kór patogenezise magában foglalja az oxidatív-stressz-sérülések, az ideggyulladás, a fehérje-aggregáció, a mitokondriális diszfunkció, a szabályozott autofágia és a dopaminerg-neuron apoptózis bonyolult áthaladását. Az egymolekulás monoterápiával nehéz visszafordítani a többtényezős neurodegeneratív károsodást. TCM gyógynövény párCistanche deserticola-Angelica sinensistöbbkomponensű szinergikus üzemmódban működik, amely megfelel a PD-re jellemző több kóros jellemzőnek. Ez a tanulmány a hálózat-farmakológiát és a mélytanulási cél-kötődési előrejelzést egyesítette, hogy feltárja a potenciális anti-PD molekuláris mechanizmusát.

Hét minősített bioaktív fitokemikáliát vizsgáltak meg, köztük a szitoszterint, a kvercetint, az arachidonátot, a stigmaszterint és más, jól dokumentált neuroprotektív természetes termékeket. Összesen 131 átfedő gén a növényi célpontok és a PD-betegség gének között jelezte ennek a gyógynövény-párnak a széles körű beavatkozási hatókörét a PD patológiás hálózatában. Tizenegy hub-gént (HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1) szűrtünk ki a PPI hálózatból. Ezek a hub-gének központi szabályozói a sejttúlélésnek, a gyulladásnak és az oxidatív-stressz válasznak. Az AKT1 a PI3K-AKT jelátviteli útvonal központi csomópontjához tartozik; foszforilációs állapota szabályozza a sejt-apoptózist és az autofágia folyamatát a dopaminerg neuronokban. a TP53 közvetíti a DNS-károsodás által kiváltott neuronális apoptózist; A MAPK1 részt vesz a stressz által aktivált mitogén-aktivált-protein-kináz kaszkádban, amely elősegíti az idegsejtek halálát oxidatív-stressz körülmények között. A HIF1A modulálja a hipoxiás-gyulladásos reakciót a központi idegrendszer mikrokörnyezetében. A RELA és a STAT1 kulcsfontosságú transzkripciós faktor molekulák az NF-κB által vezérelt neurogyulladásos jelátvitelhez.

A KEGG dúsítási elemzés kiemelte az AGE-RAGE jelátviteli útvonalat, mint kritikus dúsított útvonalat. A kóros AGE-RAGE-tengely aktiválása NF-κB-függő gyulladásos faktor felszabadulását válthatja ki, súlyosbíthatja a substantia-nigra neuronok oxidatív-stressz terhelését, és felgyorsíthatja a PD progresszióját, ami összhangban van a korábban publikált neurodegenerációs mechanizmus kutatásokkal: 甘肃中医药. A PI3K-Akt útvonal is jelentősen gazdagodott. A gyógynövény-pár összetevői elnyomhatják a mikroglia túlzott aktiválódását és a gyulladást elősegítő citokin szekréciót (TNF-, IL-17 stb.), csökkenthetik a gyulladásos neuronkárosodást. A GO biológiai folyamatok dúsítása a reaktív-oxigén-fajok reakciójában kiemelkedő dúsítást mutatott, ami azt jelzi, hogy az antioxidáns hatás e gyógynövénypár egyik létfontosságú idegrendszeri védőmechanizmusa.

A hagyományos molekuláris dokkolás szimulációtól eltérően a DeepPurpose CNN_CNN_BindingDB mélytanulási modellt alkalmaztuk a vegyület-célkötődési affinitás felmérésére. A konvolúciós-neurális-hálózati modell hatalmas kísérleti kötési adatokat tanul meg a BindingDB adatbázisból, amely nagy áteresztőképességű kvantitatív előrejelzést ad a növényi kismolekulák és a célfehérjék közötti kölcsönhatásról. A predikciós hőtérkép mátrix – a szitoszterin, a kvercetin és az arachidonát – kiváló kötőképességgel rendelkeznek a legtöbb hub-proteinnel szemben, ami arra utal, hogy ezek az összetevők fő effektormolekulákként szolgálhatnak az anti-PD aktivitásban.Cistanche deserticola-Angelica sinensis.

Ennek a számítástechnikai kutatásnak még mindig vannak korlátai. Minden következtetés in-silico előrejelzésből származik; A további sejtszintű kísérletek és a PD-állatmodell validálása elengedhetetlen a vegyület-célpont kölcsönhatás és az útvonal-szabályozó hatások ellenőrzéséhez. Ezenkívül a szűrési kritériumaink rögzítették az OB, DL és BBB paramétereket; egyes alacsony biológiai hozzáférhetőségű összetevők kiszűrhetők, míg a növényi orális adagolás utáni metabolikus átalakulási termékeket nem vették figyelembe. A további munkának integrálnia kell a szérum-farmakokémiát, hogy azonosítsa a tényleges vér-agygáton áthatoló prototípus-vegyületeket és metabolitokat, amelyek az orális gyógynövény-páros adagolásból származnak.

A transzlációs alkalmazás szempontjából ez a tanulmány tartalmazza a jelölt vegyületek listáját és a fő célcsoportot, amely támogatja az új gyógyszeres szűrést és a gyógynövénykivonat-összetétel optimalizálását a PD kiegészítő terápiához.

5. Következtetés

Összefoglalva, ez a tanulmány a hálózati farmakológiát és a mély tanulási előrejelzési munkafolyamatot alkalmazta a lehetséges terápiás mechanizmusok szisztematikus vizsgálata érdekében.Cistanche deserticola-Angelica sinensisgyógynövénypár Parkinson-kór ellen.

Összesen hét bioaktív fitokemikáliát és 131 egymást keresztező, PD-releváns terápiás célpontot sikerült elérni; tizenegy központi hub-gént azonosítottak: HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1.

A dúsítási elemzés eredményei azt mutatták, hogy ez a gyógynövénypár számos biológiai eseményt modulál, beleértve a reaktív-oxigén-fajok stresszét, a neuro-gyulladást, az autofágiát és az apoptózist. Az AGE-RAGE, PI3K-Akt, MAPK, TNF és IL-17 jelátviteli útvonalak részt vesznek az anti-PD farmakológiai folyamatában.

A mélyreható CNN_CNN_BindingDB kötési affinitás előrejelzése igazolta, hogy a reprezentatív fitokemikáliák, mint például a szitoszterin és a kvercetin kedvező kötőképességet mutatnak a központi csomópont-célfehérjékhez.

ACistanche deserticola-Angelica sinensisA gyógynövénypár több vegyületből, több célpontból és több útvonalból álló holisztikus mintán keresztül kezeli a PD-t. Ez az in-silico kutatás számítási referenciaként szolgál a TCM-eredetű neuroprotektív szerek további kísérleti ellenőrzéséhez és fejlesztéséhez a Parkinson-kór beavatkozásához.

Hivatkozások

[1] A Kínai Népköztársaság Gyógyszerkönyvi Bizottsága. Kínai Gyógyszerkönyv (I. kötet)[M]. Peking: China Medical Science Press, 2020.

[2] Jenkins H E, Tolman A W, Yuen C M, et al. A multirezisztens tuberkulózis betegség előfordulása gyermekeknél: szisztematikus áttekintés és globális becslések [J]. Lancet, 2014, 383(9928):1572-1579.

[3] Donovan J T, Thu D D A, Phu N H, et al. Xpert MTB/RIF Ultra versus Xpert MTB/RIF a tuberkulózisos meningitis diagnosztizálására: prospektív, randomizált, diagnosztikai pontosságú vizsgálat[J]. Lancet Infectious Diseases, 2020, 20(3):299-307.

[4] Wang L J, Yi H Y, Liang X J et al. A plazma TNF- és a foszforilált-syn a Parkinson-kórban szenvedő betegek fáradtságával jár [J]. Journal of Neuroimmunology, 2023, 385:578222.

[5] Chen J, Zheng Z W, Li M Q et al. Monoketén vegyületek, mint új potenciális Parkinson-kór szerek tervezése, szintézise és értékelése az ER stressz elnyomásával AKT[J] segítségével. Bioorganic Chemistry, 2023, 136:106543.

[6] Wang Z F, Huang P E, Wang N B és társai. Az -asaron gátolja az autofágiát azáltal, hogy aktiválja a PI3K/Akt/mTOR útvonalat a Parkinson-kórban szenvedő depresszió patkánymodelljében [J]. Behavioral Brain Research, 2024,465:114966.