Tutaj prezentujemy protokół opisujący farmakologię sieciową i techniki dokowania molekularnego, aby zbadać mechanizm działania Jiawei Shengjiang San (JWSJS) w leczeniu nefropatii cukrzycowej.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy protokół opisujący farmakologię sieciową i techniki dokowania molekularnego, aby zbadać mechanizm działania Jiawei Shengjiang San (JWSJS) w leczeniu nefropatii cukrzycowej.
Naszym celem było zagłębienie się w mechanizmy leżące u podstaw działania Jiawei Shengjiang Sana (JWSJS) w leczeniu nefropatii cukrzycowej i wdrażaniu farmakologii sieciowej. Wykorzystując farmakologię sieciową i techniki dokowania molekularnego, przewidzieliśmy aktywne składniki i cele JWSJS oraz zbudowaliśmy skrupulatną sieć "lek-komponent-cel". Analizy wzbogacania ontologii genów (GO) i encyklopedii genów i genomów z Kioto (KEGG) wykorzystano do rozpoznania ścieżek terapeutycznych i celów JWSJS. Autodock Vina 1.2.0 został wdrożony do molekularnej weryfikacji dokowania i przeprowadzono symulację dynamiki molekularnej 100 ns w celu potwierdzenia wyników dokowania, a następnie weryfikację na zwierzętach in vivo. Wyniki ujawniły, że JWSJS ma wspólne 227 przecinających się celów z nefropatią cukrzycową, konstruując topologię sieci interakcji białko-białko. Analiza wzbogacenia KEGG wykazała, że JWSJS łagodzi nefropatię cukrzycową poprzez modulację lipidów i miażdżycy, szlaku sygnałowego PI3K-Akt, apoptozy i szlaku sygnałowego HIF-1, z aktywowaną mitogenem kinazą białkową 1 (MAPK1), MAPK3, receptorem naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) i kinazą białkową seryny/treoniny 1 (AKT1) zidentyfikowanymi jako zbiorowe cele wielu szlaków. Dokowanie molekularne wykazało, że podstawowe składniki JWSJS (kwercetyna, kwas oleopalmitynowy i luteolina) mogą stabilizować konformację z trzema kluczowymi celami (MAPK1, MAPK3 i EGFR) poprzez wiązania wodorowe. Badania in vivo wykazały znaczny wzrost masy ciała i zmniejszenie stężenia glikowanego białka surowicy (GSP), cholesterolu lipoprotein o niskiej gęstości (LDL-C), trifosforanu urydyny (UTP) i poziomu glukozy we krwi na czczo (FBG) z powodu JWSJS. Mikroskopia elektronowa w połączeniu z hematoksyliną i eozyną (HE) oraz barwieniem kwasem okresowym Schiffa (PAS) podkreśliła potencjał każdej grupy leczonej w łagodzeniu uszkodzenia nerek w różnym stopniu, wykazując różne spadki p-EGFR, p-MAPK3/1 i BAX oraz przyrosty ekspresji BCL-2 w tkankach nerkowych leczonych szczurów. Podsumowując, spostrzeżenia te sugerują, że skuteczność ochronna JWSJS w nefropatii cukrzycowej może być związana z tłumieniem aktywacji szlaku sygnałowego EGFR / MAPK3 / 1 i łagodzeniem apoptozy komórek nerkowych.
Cukrzyca (DM) jest przewlekłą chorobą, która wpływa na wiele układów i może powodować różne powikłania z powodu ciągłej hiperglikemii, takie jak nefropatia cukrzycowa (DN), retinopatia i neuropatia1. DN jest poważnym powikłaniem cukrzycy, odpowiadającym za około 30%-50% schyłkowej niewydolności nerek (ESRD)2. Jego objawem klinicznym jest mikroalbuminuria, która może przekształcić się w ESRD charakteryzującą się zwiększoną objętością kłębuszków nerkowych, przerostem zrębu mezangialnego i pogrubioną błoną podstawną kłębuszków nerkowych3. Patogeneza DN jest złożona i nie została w pełni wyjaśniona. Metody kliniczne, takie jak obniżenie poziomu glukozy we krwi, regulacja ciśnienia krwi i zmniejszenie białkomoczu, są najczęściej stosowane w celu opóźnienia jego postępu, ale efekt jest ogólny.
Obecnie nie znaleziono żadnego konkretnego leku na DN4. Jednak od wieków chińskie leki ziołowe były szeroko stosowane w leczeniu cukrzycy i jej powikłań5 i poprawiały objawy kliniczne pacjentów i opóźniały postęp choroby. Ze względu na zalety efektów wieloskładnikowych, wielokierunkowych i wielościeżkowych, oczekuje się, że chińskie leki ziołowe będą innowacyjnym źródłem leków w leczeniu DN6.
"Shengjiang san" pochodzi od "Wanbing Huichun" autorstwa lekarza z dynastii Ming, Gong Tingxiana. Książka "Neifu Xianfang" opisuje użycie Bombyx Batryticatus, Cicadae Periostracum, Curcumaelongae Rhizoma i Radix Rhei et Rhizome. Na tej podstawie, po dodaniu Hedysarum Multijugum Maxim, Epimrdii Herba i Smilacis Glabrae Rhixoma, wywiera funkcję shengjiang san zwiększając jasność, zmniejszając zmętnienie, uwalniając zastałe "ciepło" i harmonizując "qi" i klasę krew7,8. Zwiększa również efekt wzmocnienia śledziony i ujędrnienia nerek. Jego skuteczność jest zgodna z patogenezą "qi" DN do wznoszenia się i opadania w kolejności z powodu niedoboru "energii życiowej", nadmiernej suchości i "ciepła" oraz stagnacji "ciepła" spowodowanej przez potrójny energetyzator7,8.
Poprzednie badania kliniczne wykazały, że chińskie leki ziołowe były stosowane w leczeniu DM i jego powikłań, a jiawei shengjiang san (JWSJS) wykazano, że regulują poziom glukozy i lipidów we krwi, zmniejszają białkomocz i znacznie poprawiają skuteczność kliniczną pacjentów z wczesnym DN7. Zdolność JWSJS do obniżania poziomu białka w moczu i glukozy we krwi u szczurów DN została potwierdzona w poprzednich badaniach. Prawdopodobnie dzieje się to poprzez hamowanie szlaków sygnałowych TXNIP/NLRP3 i RIP1/RIP3/MLKL, zmniejszanie pyroptozy podocytów i zapobieganie nekrotycznej apoptozie w tkankach nerkowych szczurów DN, osiągając w ten sposób ochronę nerek9. JWSJS może zwiększać ekspresję białka nefryny i podocyny oraz zmniejszać uszkodzenie podocytów u szczurów DN, co sugeruje, że JWSJS ma hamujący wpływ na uszkodzenie podocytów. JWSJS ma pewne działanie anty-DN z dobrymi profilami bezpieczeństwa, ale niewiele jest badań na ten temat, a praca ta koncentruje się głównie na piroptozie i martwiczej apoptozie. Literatura nie jest wystarczająco obszerna ani usystematyzowana10. Nasze wcześniejsze odkrycia potwierdziły, że JWSJS może zmniejszać białkomocz i łagodzić uszkodzenia nerek u szczurów DN7. Istnieje jednak tylko kilka badań dotyczących mechanizmu JWSJS w leczeniu DN i brakuje im głębi i usystematyzowania. W związku z tym badanie to ma na celu analizę substancji molekularnych i mechanizmów działania JWSJS w leczeniu DN przy użyciu farmakologii sieciowej i zapewnienie solidnych podstaw dla przyszłych badań.
Farmakologia sieciowa to nowa metoda badania mechanizmu działania leków, w tym chemiinformatyka, biologia sieciowa, bioinformatyka i farmakologia11,12. Projekt badań farmakologicznych sieci jest dość podobny do holistycznej koncepcji tradycyjnej medycyny chińskiej13,14 i jest to ważna metoda badania mechanizmu chińskich leków ziołowych. Dokowanie molekularne może badać interakcje między cząsteczkami i przewidywać ich wzorce wiązania i powinowactwo. Dokowanie molekularne stało się kluczową techniką w dziedzinie komputerowo wspomaganych badań nad lekami15. W związku z tym w badaniu tym stworzono sieć interakcji JWSJS-DN-cel za pomocą farmakologii sieciowej i metod dokowania molekularnego, która oferuje wiarygodną i teoretyczną podstawę do dalszego badania leczenia DN za pomocą JWSJS.
Wszystkie zwierzęta były utrzymywane i używane zgodnie z Przewodnikiem Narodowej Rady ds. Badań Naukowych Stanów Zjednoczonych dotyczącym opieki i użytkowania zwierząt laboratoryjnych, wydanie 8, i zostały zgłoszone zgodnie z zaleceniami w wytycznych ARRIVE16,17. Badanie zostało przeprowadzone zgodnie z Przewodnikiem Chińskiej Narodowej Rady ds. Badań Naukowych dotyczącym opieki i wykorzystywania zwierząt laboratoryjnych i zostało zatwierdzone przez Komisję Etyki Zwierząt Uniwersytetu Medycyny Chińskiej w Hebei (DWLL2019030).
1. Składniki aktywne JWSJS i kolekcja docelowa
2. Odpowiadająca DN kolekcja docelowa
3. Dokowanie molekularne
4. Symulacja dynamiki molekularnej
5. Walidacja eksperymentu na zwierzętach
6. Metody statystyczne
Zgodnie z protokołem, po przeprowadzeniu analizy, przesiewania i usuwaniu duplikatów według ustalonych standardów OB i DL, ostatecznie uzyskano 90 składników aktywnych JWSJS. Obejmowały one 20 rodzajów składników Hedysarum Multijugum Maxim, 23 rodzaje Epimrdii Herba, 15 rodzajów Smilacis Glabrae Rhixoma, 16 rodzajów Radix Rhei et Rhizome, cztery rodzaje Curcumaelongae Rhizoma, 15 rodzajów Cicadae Periostracum oraz sześć rodzajów składników Bombyx Batryticatus. Ze względu na dużą liczbę składników aktywnych w JWSJS, wymieniono tylko 20 z nich (patrz Tabela 1). Po usunięciu duplikatów ostatecznie uzyskano 396 celów odpowiadających składnikom aktywnym JWSJS.
Po wyszukiwaniu genów związanych z chorobą, po scaleniu i usunięciu duplikatów, ostatecznie uzyskano 3035 genów docelowych związanych z DN. Odpowiadające im cele DN porównano i przeanalizowano z celami aktywnych składników leków. Wyznaczono część wspólną, co pozwoliło zidentyfikować 227 wspólnych celów JWSJS i DN. Następnie sporządzono wykres Venna (patrz Rysunek 1A). Sieć „lek-składnik-cel” zbudowano przy użyciu oprogramowania Cytoscape 3.8.0 (patrz Rysunek 1B), a następnie przeprowadzono analizę topologiczną. Każdy węzeł uszeregowano od najwyższej do najniższej wartości stopnia. Pięć najważniejszych składników leku to kwercetyna, kwas palmitolowy, luteolina, kaempferol i naringenina, natomiast pięć najważniejszych celów to PTGS2, PTGS1, NCoA2, AR i ESR1.
Następnie opracowano sieć PPI dla celów wspólnych dla JWSJS i DN (196 węzłów i 1714 krawędzi ze średnią wartością stopnia 17,4). Ponadto, po trzech etapach selekcji uzyskano siedem kluczowych celów, które mogą być głównymi punktami uchwytu JWSJS w leczeniu DN: MAPK14, TP53, MAPK3, MYC, HIF1A, ESR1 oraz MAPK1 (patrz Rycina 1C).
Następnie przeprowadzono analizę wzbogacenia GO, aby wysnuć przypuszczenia na temat biologicznych właściwości celu JWSJS w leczeniu DN. Wśród kategorii BP, CC i MF dziesięć najlepiej wzbogaconych wpisów przedstawiono na Rysunku 1D. Wyniki wskazują, że JWSJS może regulować proliferację, różnicowanie i apoptozę komórek poprzez wiązanie się z czynnikami transkrypcyjnymi i kinazami białkowymi w tratwach lipidowych i mikrodomenach błonowych, co prowadzi do efektu terapeutycznego w przypadku DN. W celu zbadania potencjalnych ścieżek działania JWSJS w DN przeprowadzono analizę wzbogacenia ścieżek KEGG dla zaangażowanych celów. Trzydzieści najlepiej wzbogaconych ścieżek przedstawiono na Rysunku 1E. Wyniki pokazują, że leczenie DN za pomocą JWSJS może oddziaływać na 181 ścieżek sygnalizacyjnych, obejmujących głównie gospodarkę lipidową i miażdżycę, ścieżkę sygnalizacyjną PI3K-Akt, kancerogenezę chemiczną, zapalenie wątroby, raka prostaty, apoptozę, ścieżkę sygnalizacyjną HIF-1 oraz ścieżkę sygnalizacyjną TNF.
Aby dokładniej zbadać cele pierwszych 30 szlaków wzbogaconych w bazie KEGG, wykorzystano oprogramowanie Cytoscape 3.8.0 do stworzenia mapy sieci powiązań szlaków sygnalizacyjnych KEGG dla DN leczonej preparatem JWSJS. Stwierdzono, że MAPK1, MAPK3, EGFR oraz AKT1 są celami wielu współdziałających szlaków (patrz Rysunek 1F), co sugeruje, że białka te mogą odgrywać centralną rolę w pośredniczeniu efektów JWSJS w DN.
Aby dalej zweryfikować potencjalne cele JWSJS w leczeniu DN, przeanalizowano następnie trzy kluczowe cele: MAPK1, MAPK3 i EGFR, które charakteryzowały się wysokimi wartościami stopnia w sieci PPI oraz w sieci szlaków sygnalizacyjnych KEGG. Przeprowadzono dokowanie molekularne tych celów z kwercetyną, kwasem palmitoleinowym i luteoliną – trzema najważniejszymi komponentami rdzeniowymi JWSJS w leczeniu DN. Kryteria doboru identyfikatorów PDB były następujące: (1) pochodzenie z organizmów ludzkich; (2) rozdzielczość konformacyjna ≤ 2.5Å, czyli jak najniższa; (3) sekwencja konformacyjna możliwie najpełniejsza, tzn. kompleks strukturalny musiał zawierać informacje o ligandzie małocząsteczkowym; oraz (4) wartość pH krystalizacji możliwie najbliższa normalnemu zakresowi fizjologicznemu organizmu ludzkiego35. Ostatecznie wybrano identyfikatory PDB dla MAPK1, MAPK3 i EGFR: odpowiednio 4QTA, 4QTB oraz 7JXQ.
Aby zweryfikować niezawodność oprogramowania AutoDock w systemie dokowania zastosowanym w niniejszym badaniu36, w pierwszej kolejności przeprowadzono redokowanie trzech białek: MAPK1, Mapk3 oraz EGFR. Konformację ligandu w oryginalnej strukturze krystalicznej trzech białek docelowych nałożono na ligandy po dokowaniu (Rysunek 2A). Następnie obliczono wartości średniokwadratowego odchylenia (RMSD) między konformacją ligandu po dokowaniu a oryginalną strukturą krystaliczną. Wartości RMSD wyniosły odpowiednio 1,129, 1,201 i 1,877 Å, czyli wszystkie ≤ 2Å. Wykazało to, że metoda dokowania jest niezawodna i może zostać wykorzystana do dalszej weryfikacji dokowania molekularnego. Aby porównać i określić potencjał hamujący głównych składników, w roli kontroli wykorzystano oryginalne ligandy białek MAPK1, MAPK3 i EGFR. Analiza dokowania pozwoliła pomyślnie przewidzieć energię wiązania luteoliny, kwasu palmitoleinowego i kwercetyny z trzema głównymi celami. Wszystkie wartości były ujemne i mniejsze niż -637; patrz Tabela 2. Należy zauważyć, że dokowanie molekularne luteoliny i MAPK1 charakteryzuje się największym rozmiarem kawerny i najniższą energią wiązania. Ogólnie wyniki dokowania molekularnego wykazały, że luteolina, kwas palmitoleinowy i kwercetyna wykazują dobrą aktywność wiązania z trzema głównymi celami (Rysunek 2B,C).
Wartość RMSD jest wykorzystywana do ilościowego określenia średnich zmian przemieszczenia wybranej grupy atomów w odniesieniu do układu odniesienia. Z kolei RMSF skutecznie charakteryzuje lokalne zmiany wzdłuż łańcucha białkowego. Wykres RMSD (Rysunek 2D) pokazuje, że wartości RMSD dla kompleksów luteolina-MAPK1 oraz kwercetyna-MAPK3 ustabilizowały się w ciągu 5 ns. Kompleks luteolina-EGFR wykazał fluktuujący RMSD w zakresie 0-35 ns; wartość ta ustabilizowała się przy 35 ns aż do końca 100 ns symulacji MD. Wszystkie kompleksy weszły w stabilne interakcje pod koniec 100 ns symulacji MD. Wartość RMSF została oceniona na podstawie trajektorii symulacji MD: minimalne fluktuacje atomów w centrum aktywnym i głównym łańcuchu sugerowały minimalne zmiany konformacyjne, co wskazuje, że wspomniany związek wiodący jest pewnie zakotwiczony wewnątrz wnęki kieszeni wiążącej białka docelowego. Wyniki RMSF wykazały ograniczone fluktuacje w strukturach kompleksów.
Na koniec weryfikujemy powyższe wyniki in vivo. Zaobserwowaliśmy najpierw, że masa ciał szczurów w grupie modelowej uległa znacznemu zmniejszeniu, natomiast poziomy GSP, LDL-C, UTP i FBG znacząco wzrosły (P < 0,05). Masa ciała szczurów w grupie otrzymującej irbesartan oraz w każdej z grup JWSJS wzrosła znacząco w porównaniu z grupą modelową. Poziomy GSP, LDL-C, UTP i FBG obniżyły się w różnym stopniu (P < 0,05; patrz Tabela 3).
Następnie barwienie HE wykazało, że kłębuszki w grupie kontrolnej miały prawidłową wielkość. Charakteryzowały się regularną i wyraźną strukturą, gładką błoną podstawną oraz uporządkowanymi kanalikami nerkowymi, bez infiltracji komórek zapalnych. W grupie modelowej kłębuszki były hipertroficzne, błona podstawna pogrubiała, a macierz kłębuszkowa zwiększona. W śródmiąższu stwierdzono infiltrację komórek zapalnych. Objawy patologiczne w każdej z grup poddanych podaniu preparatów były w różnym stopniu złagodzone w porównaniu z grupą modelową (patrz Rycina 3A).
Barwienie PAS wykazało, że w grupie modelowej wystąpił zwiększony rozmiar kłębuszków, pogrubienie błony podstawnej oraz zwiększenie macierzy kłębuszkowej w porównaniu z grupą kontrolną. Manifestacje patologiczne te zostały istotnie złagodzone w każdej z grup otrzymujących lek (patrz Rysunek 3B). W badaniu z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej stwierdzono, że błona podstawna kłębuszków w grupie modelowej była pogrubiona w stosunku do grupy kontrolnej. Odnotowano rozrost macierzy kłębuszkowej oraz rozległe zlanie się wypustek stopowych podocytów. Obraz mikroskopowy u szczurów w każdej z grup otrzymujących lek uległ poprawie w różnym stopniu w porównaniu z grupą modelową (patrz Rysunek 3C).
Na koniec zbadano ekspresję całkowitego EGFR, p-EGFR, MAPK3/1 oraz p-MAPK3/1, aby sprawdzić, czy uległy one zmianie u szczurów z DN leczonych JWSJS. W grupach modelowych nie stwierdzono istotnych zmian w ekspresji całkowitego EGFR i MAPK3/1 w porównaniu z grupą normalną. Ekspresja p-EGFR, p-MAPK3/1 oraz BAX uległa istotnemu zwiększeniu, natomiast ekspresja BCL-2 uległa istotnemu zmniejszeniu. W porównaniu z grupą modelową, w tkankach nerek szczurów w każdej grupie dawkowania odnotowano istotną redukcję ekspresji p-EGFR, p-MAPK3/1 i BAX oraz istotny wzrost ekspresji BCL-2 w różnym stopniu (Rycina 3D,E). Wynik ten został potwierdzony metodą immunohistochemii (Rycina 3F,G). Badanie to wykazało, że JWSJS może chronić nerki szczurów z DN poprzez regulację ekspresji białek p-EGFR, p-MAPK3/1, BAX i BCL-2 oraz redukcję apoptozy komórek. Ponadto wykorzystano qPCR do oceny poziomów ekspresji mRNA MAPK3, MAPK1 i EGFR w różnych grupach. Wyniki ujawniły, że względna ekspresja w grupie DN była istotnie wyższa w porównaniu z grupą kontrolną, a także grupami Irbesartan, JWSJS-L, JWSJS-M i JWSJS-H. Wynik ten dodatkowo potwierdza wstępne rezultaty (Rycina 3H).

Rycina 1: Farmakologia sieciowa wyjaśniła potencjalne cele i szlaki sygnalizacyjne JWSJS w nefropatii cukrzycowej. (A) Diagram Venna przecinających się celów JWSJS i nefropatii cukrzycowej. Kolor zielony reprezentuje liczbę celów terapeutycznych składników JWSJS, a kolor fioletowy reprezentuje liczbę istotnych celów DN. Część wspólna reprezentuje liczbę przecinających się celów (tj. liczbę celów JWSJS w DN). (B) Schemat sieci „lek-składnik-cel” JWSJS w leczeniu DN. Jasnoniebieski kolor reprezentuje istotne cele JWSJS w leczeniu DN. Kolor fuksjowy reprezentuje aktywny składnik Bombyx Batryticatus. Kolor zielony reprezentuje aktywne składniki Hedysarum Multijugum Maxim. Ciemnoniebieski kolor reprezentuje aktywne składniki Radix Rhei et Rhizome. Kolor czerwony reprezentuje aktywne składniki Cicadae Periostracum. Kolor fioletowy reprezentuje aktywne składniki Epimrdii Herba. Kolor żółty reprezentuje aktywne składniki Smilacis Glabrae Rhixoma. Błękitny kolor reprezentuje aktywne składniki Curcumaelongae Rhizoma. (C) Sieć PPI przecinających się celów JWSJS i DN. (D) 10 najistotniejszych genów zidentyfikowanych za pomocą analizy ontologii genów będących celami terapeutycznymi zaangażowanych w leczenie DN za pomocą JWSJS. (E) 30 najistotniejszych genów zidentyfikowanych za pomocą analizy szlaków genów będących celami terapeutycznymi zaangażowanych w leczenie DN za pomocą JWSJS. (F) Sieć powiązań szlaków sygnalizacyjnych KEGG w leczeniu DN za pomocą JWSJS. Żółte ikony reprezentują szlaki sygnalizacyjne. Niebieskie ikony reprezentują cele działania. Większy węzeł oznacza, że jest z nim połączonych więcej szlaków. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Wizualizacja dokowania molekularnego i trajektorii dynamiki molekularnej JWSJS w leczeniu nefropatii cukrzycowej. (A) Porównanie konformacji liganda w oryginalnej strukturze krystalicznej trzech kompleksów białek docelowych 7JXQ (a), 4QTA (b) i 4QTB (c) z konformacjami liganda po dokowaniu. Kolory zielony, pomarańczowy i różowy oznaczają odpowiednio białka docelowe EGFR, MAPK1 i MAPK3. Kolor złoty oznacza oryginalną cząsteczkę liganda, a niebieski cząsteczkę liganda po dokowaniu. (B) Wizualizacja 3D dokowania molekularnego JWSJS w leczeniu nefropatii cukrzycowej. Kolory zielony, pomarańczowy i różowy oznaczają odpowiednio białka docelowe 7JXQ, 4QTA i 4QTB. Oznaczenia 1a-3a przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA i 4QTB z oryginalnym inhibitorem (niebieski). Oznaczenia 1b-3b przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z luteoliną (żółty). Oznaczenia 1c-3c przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z kwasem palmitoleinowym (fuksja). Oznaczenia 1d-3d przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z kwercetyną (fioletowy). (C) Wizualizacja 2D dokowania molekularnego JWSJS w leczeniu nefropatii cukrzycowej. Oznaczenia 1a-3a przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA i 4QTB z oryginalnym inhibitorem. Oznaczenia 1b-3b przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z luteoliną. Oznaczenia 1c-3c przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z kwasem palmitoleinowym. Oznaczenia 1d-3d przedstawiają schematy oddziaływań 7JXQ, 4QTA, 4QTB z kwercetyną. (D) Analiza RMSD i RMSF trajektorii dynamiki molekularnej kompleksów (a) luteoliny i białka docelowego 7JXQ, (b) luteoliny i białka docelowego 4QTA oraz (c) kwercetyny i białka docelowego 4QTB. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: JWSJS łagodzi uszkodzenia nerek i hamuje aktywację szlaku sygnalizacyjnego EGFR/MAPK3/1 w eksperymentach in vivo. (A) Barwienie HE oraz (B) barwienie kwasem okresowym i Schiffem (PAS) tkanek nerek szczurów w różnych grupach (Powiększenie 200x; n = 10). (C) Transmisyjna mikroskopia elektronowa tkanek nerek w różnych grupach szczurów (Powiększenie 5000x; n = 3). (D) Poziomy EGFR, p-EGFR, MAPK3/1, p-MAPK3/1, BAX i BCL-2 w tkance nerek szczurów z cukrzycą określone metodą Western blotting (n = 3). (E) Analiza statystyczna ekspresji p-EGFR, p-MAPK3/1, BAX i BCL-2. (F) Analiza immunohistochemiczna ekspresji p-EGFR i p-MAPK3/1 w sześciu grupach (n = 6). (G) Analiza statystyczna ekspresji p-EGFR i p-MAPK3/1. (H) Analiza qPCR ekspresji mRNA dla MAPK3, MAPK1 i EGFR w sześciu grupach. *P < 0.05 względem grupy kontrolnej. **P < 0.01 względem grupy kontrolnej. ▲P < 0.05 względem DN. ▲▲P < 0.01 względem DN. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Tabela 1: Informacje o niektórych składnikach aktywnych JWSJS. Zawiera ona szczegółowe informacje o każdym składniku oraz ich charakterystykę lub właściwości. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Tabela 2: Tabela wyników dokowania głównych celów i głównych składników aktywnych JWSJS.Tabela przedstawia wyniki badań dokowania głównych celów i głównych komponentów aktywnych JWSJS. Tabela ta pokazuje, w jaki sposób składniki te oddziałują z ich odpowiednimi celami, co może dostarczyć informacji na temat mechanizmu działania JWSJS. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Tabela 3: Wpływ JWSJS na masę ciała i wskaźniki biochemiczne u szczurów z nefropatią cukrzycową (wyrażone jako średnia ± odchylenie standardowe, n = 10). W porównaniu z grupą kontrolną: * P < 0.05. W porównaniu z grupą modelową: # P < 0.05. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
W naszym badaniu wykorzystaliśmy połączenie farmakologii sieciowej, dokowania molekularnego i modeli zwierzęcych in vivo . Kluczowym krokiem było utworzenie sieci "lek-komponent-cel", która miała kluczowe znaczenie dla zidentyfikowania potencjalnych mechanizmów JWSJS w leczeniu DN, ze szczególnym uwzględnieniem jego interakcji ze szlakiem sygnałowym EGFR/MAPK3/1.
Podczas tego badania dokonaliśmy kilku modyfikacji, szczególnie w procesie dokowania molekularnego, aby zwiększyć dokładność naszych przewidywań. Rozwiązywanie problemów koncentrowało się głównie na optymalizacji warunków dla modelu zwierzęcego in vivo , aby zapewnić jego znaczenie dla ludzkiej DN. Identyfikując kluczowe aktywne składniki i cele JWSJS, badanie to stanowi teoretyczną podstawę do dalszych badań i rozwoju JWSJS jako potencjalnego kandydata na lek w leczeniu DN.
W badaniu zbadano potencjalny mechanizm działania JWSJS w zmniejszaniu apoptozy nerkowej w DN. Wyniki dokowania molekularnego wykazały, że kwercetyna, kwas oleopalmitynowy i luteolina mają regularne działanie wiążące z kluczowymi celami, w tym MAPK1, MAPK3 i EGFR. Wybraliśmy te cele do dalszych badań ze względu na ich wspólne działanie w wielu szlakach. U szczurów DN leczenie JWSJS spowodowało znaczne zmniejszenie poziomów FBG i GSP, poprawę UTP i LDL-C, przyrost masy ciała i poprawę mikroskopijnych objawów tkanki nerkowej, co wskazuje na potencjalną skuteczność JWSJS w leczeniu DN.
Apoptoza jest krytycznym sposobem śmierci komórki, a rozregulowanie może zwiększać ryzyko różnych chorób38. Wcześniejsze badania wykazały, że szczury DN miały zwiększoną ekspresję białek związanych z apoptozą BAX i kaspazy-3 oraz znaczny wzrost liczby komórek apoptotycznych w tkance nerkowej39,40. Wyniki wykazały, że leczenie JWSJS odwróciło te zmiany, co sugeruje, że może osłabić apoptozę podocytów w warunkach cukrzycowych.
Dalsze badania nad potencjalnym mechanizmem działania JWSJS wykazały, że ma on wielocelowy i wielościeżkowy wpływ na DN. Skupiliśmy się na badaniu MAPK1, MAPK3 i EGFR, ponieważ miały one największą liczbę ścieżek wzbogacania. Szlak ERK, który bierze udział w różnych procesach fizjologicznych i patologicznych, takich jak wzrost komórek, proliferacja, różnicowanie, apoptoza i nieprawidłowe wydzielanie steroidów, jest niezbędnym szlakiem w szlaku transdukcji sygnału MAPK 13,41,42,43. Wywnioskowano, że JWSJS uratował apoptozę podocytów poprzez hamowanie szlaku sygnałowego EGFR/MAPK3/1.
Odkryliśmy również, że JWSJS może regulować ekspresję p-EGFR i p-MAPK3/1, co skutkuje znacznie podwyższonym poziomem Bcl-2, ale zauważalną regulacją w dół Bax. To z kolei prowadziło do zmniejszenia apoptozy komórek nerkowych. Podobne wyniki uzyskano w poprzednich badaniach. Na przykład Chen poinformował, że delecja EGFR w podocytach osłabiła nefropatię cukrzycową44. Niektórzy badacze odkryli, że szlak EGFR/ERK sprzyja proliferacji i różnicowaniu komórek nabłonka jelitowego świń9. Hamowanie EGFR może obniżać ekspresję TGF-β i BAX, poprawiając w ten sposób zwłóknienie nerek i apoptozę45. Odkrycia te sugerują, że JWSJS jest receptą tradycyjnej medycyny chińskiej, która odgrywa znaczącą rolę w terapii uzupełniającej DN poprzez hamowanie szlaku sygnałowego EGFR / MAPK3 / 1. Potrzebne są jednak dalsze badania, aby w pełni zrozumieć potencjalny mechanizm działania JWSJS w leczeniu DN.
Badanie to miało kilka ograniczeń. Po pierwsze, poleganie na modelach zwierzęcych może nie w pełni odtworzyć ludzką reakcję na JWSJS. Ponadto przewidywania farmakologiczne sieci, choć wnikliwe, wymagają dalszej walidacji za pomocą danych eksperymentalnych. Konieczne są dalsze badania kliniczne na ludziach w celu potwierdzenia wyników. Po drugie, chociaż farmakologia sieciowa jest użytecznym narzędziem do analizy zależności między lekiem a chorobą, wyniki należy interpretować z ostrożnością, ponieważ opierają się one na przewidywaniach, a nie na danych eksperymentalnych. Po trzecie, mechanizm działania JWSJS w leczeniu DN pozostaje niejasny, a badanie koncentrowało się jedynie na potencjalnych celach MAPK1, MAPK3 i EGFR.
Metody zastosowane w tym badaniu mogą być stosowane do innych preparatów tradycyjnej medycyny chińskiej, potencjalnie prowadząc do odkrycia nowych opcji terapeutycznych dla DN i innych złożonych chorób. Co więcej, podejście to stanowi podstawę do integracji tradycyjnej i nowoczesnej medycyny w przyszłych badaniach farmakologicznych. Potrzebne są dalsze badania, aby w pełni wyjaśnić mechanizmy molekularne leżące u podstaw efektów terapeutycznych JWSJS. Wreszcie, w badaniu nie badano potencjalnych skutków ubocznych ani toksyczności JWSJS, które są ważnymi czynnikami przy opracowywaniu każdego nowego leku. Potrzebne są dalsze badania, aby ocenić bezpieczeństwo JWSJS i zapewnić jego zastosowanie kliniczne.
Podsumowując, badanie to przede wszystkim bada potencjał terapeutyczny Jiawei Shengjiang San w nefropatii cukrzycowej, wykorzystując farmakologię sieciową, dokowanie molekularne i walidację in vivo na zwierzętach. Kładzie nacisk na aspekty proceduralne, koncentrując się na metodologii zastosowanej do zrozumienia interakcji między JWSJS a szlakiem sygnałowym EGFR/MAPK3/1 oraz tego, jak te interakcje potencjalnie zmniejszają apoptozę komórek nerkowych w DN.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
To badanie było wspierane przez ogólny projekt Fundacji Nauk Przyrodniczych prowincji Hebei, Chiny (nr H2019423037).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2 razy; SYBR Green qPCR Master Mix | Servicebio, Wuhan, Chiny | G3320-05 | |
| 24-godzinna kwantyfikacja białka moczu (UTP) | Nanjing Jiancheng Institute of Biological Engineering | N/A | |
| 3,3'-diaminobenzydyna | Shanghai Huzheng Biotech, Chiny | 91-95-2 | |
| Automatyczny przyrząd do analizy biochemicznej | Hitachi, Japonia | 7170A | |
| Bezwodny etanol | Biosharp, Tianjin, Chiny | N/A | |
| BAX Przeciwciała pierwotne | Powinowactwo, USA | AF0120 | |
| Szczur BCL-2 Przeciwciała pierwszorzędowe | Powinowactwo, USA | AF6139 | |
| Szczur BX53 | mikroskop Olympus, Japonia | BX53 | |
| Substytut chloroformu | ECOTOP, Guangzhou, Chiny | ES-8522 | |
| Oprogramowanie Desmond | Nowy Jork, NY, USA | Wydanie 2019-1 | |
| Cyfrowa łaźnia wodna o stałej temperaturze | Instrument Changzhou Jintan Liangyou, Chiny | DK-8D | |
| EGFR Przeciwciała pierwotne | Affinity, USA | AF6043 | Rat |
| Embed-812 RESIN | Shell Chemical, USA | 14900 | |
| Stężenie glukozy we krwi na czczo (FBG) | Nanjing Jiancheng Institute of Biological Engineering | N/A | |
| Analizator etykiet enzymów o pełnej długości fali typu FC | Multiskan; Thermo, Stany Zjednoczone | Nie dotyczy | |
| GAPDH Przeciwciała pierwszorzędowe | Powinowactwo, USA | AF7021 | |
| Szczurze glikowane białko surowicy (GSP) | Instytut Inżynierii Biologicznej Nanjing Jiancheng | Nie dotyczy | |
| Transmisyjnego mikroskopu elektronowego | Hitachi, Japonia | H-7650 | |
| Roztwór do barwienia hematykaliny/eozyny (HE) | Servicebio, Stany Zjednoczone | G1003 | |
| Image-Pro Plus | MEDIA CYBERNETYKA, USA | N/A | |
| Przyrząd do amplifikacji PCR w czasie rzeczywistym Applied | Biosystems, USA | iQ5 | |
| Irbesartan tabletki | Hangzhou Sanofi Pharmaceuticals | N/A | |
| Isopropanol | Biosharp, Tianjin, Chiny | N/A | |
| Granulki JWSJS | Guangdong Yifang Pharmaceutical | N/A | |
| Kodak Image Station System obrazowania 2000 MM | Kodak, USA | IS2000 | |
| Cholesterol o niskiej gęstości (LDL-C) | Nanjing Jiancheng Institute of Biological Engineering | N/A | |
| MAPK3/1Przeciwciała pierwszorzędowe | Affinity, USA | AF0155 | |
| Wirówka medyczna dla szczurów | Rozwój przyrządów laboratoryjnych Hunan Xiangyi, Chiny | TGL-16K | |
| Mini system transferu trans-blot | Bio-Rad, USA | N/A | |
| Mini-PROTEAN system elektroforezy | Bio-Rad, USA | N/A | |
| Spektrofotometr NanoVue Plus | Healthcare Bio-Sciences AB, Szwecja | 111765 | |
| p-EGFR Przeciwciała pierwotne | Powinowactwo, USA | AF3044 | |
| Szczur Roztwór do barwienia kwasem okresowym Schiffa (PAS) | Servicebio, USA | G1008 | |
| p-MAPK3/1 Przeciwciała pierwszorzędowe | Powinowactwo, USA | AF1015 | |
| Szczur Przeciwciała drugorzędowe | Santa Cruz, Stany Zjednoczone | sc-2357 | |
| Streptozotocyna | Sigma, USA | S0130 | |
| Zestaw do syntezy pierwszej nici cDNA | SureScript GeneCopeia, USA | QP056T | |
| TriQuick Odczynnik | Solarbio, Pekin, Chiny | R1100 | |
| Ultra-czysty stół warsztatowy | Sprzęt do oczyszczania Suzhou, Chiny | SW-CJ-1F |