Kapsułka Danzhi Jiangtang (DJC) może łagodzić nefropatię cukrzycową (DN), co potwierdzają zmiany w sygnałach chemokinowych i markerach pyroptozy, poparte bioinformatyką i in vivo walidacją.
Artykuł badawczy
Kapsułka Danzhi Jiangtang (DJC) może łagodzić nefropatię cukrzycową (DN), co potwierdzają zmiany w sygnałach chemokinowych i markerach pyroptozy, poparte bioinformatyką i in vivo walidacją.
Chociaż Danzhi Jiangtang Capsule (DJC) jest tradycyjnym chińskim preparatem ziołowym stosowanym klinicznie w cukrzycy, jak może chronić nerki podczas nerczycy cukrzycowej (DN) nie zostało w pełni wyjaśnione. Niniejsze badanie miało na celu zbadanie potencjalnych mechanizmów, za pomocą których DJC wpływa na DN, ze szczególnym uwzględnieniem kaskady sygnałowej związanej z piroptozją NLR family pyrin domain-containing 3 (NLRP3)/Caspase-1/Gasdermin D (GSDMD).
Zastosowano zintegrowaną strategię łączącą farmakologię sieciową i uczenie maszynowe. Wykorzystano Bazę Danych Farmakologii Systemowej Medycyny Tradycyjnej Chińskiej i Platformę Analizy (TCMSP) oraz Narzędzie Analizy Bioinformatycznej do Analizy Mechanizmu Molekularnego Tradycyjnej Medycyny Chińskiej (BATMAN-TCM) do przesiewania aktywnych składników bioaktywnych i ich odpowiednich białkowych celów DJC. Geny związane z DN pobierano z Gene Expression Omnibus (GEO), GeneCards i Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM). Kluczowe potencjalne cele zostały przesięte i uporządkowane za pomocą wielu algorytmów uczenia maszynowego. Związek między aktywnymi składnikami DJC a głównymi celami został oceniony za pomocą dokowania molekularnego. Wreszcie, skuteczność terapeutyczna i przewidywane mechanizmy zostały oceniane na myszach diabetycznych db/db.
Analiza farmakologii sieciowej zidentyfikowała 599 celów DJC i 68 genów pokrywających się z DN. Za pomocą algorytmów uczenia maszynowego C-C motif chemokine ligand 2 (CCL2) i CASP1 zostały zidentyfikowane jako priorytetowe potencjalne cele. Dokowanie molekularne przewidywało możliwe silne powinowactwo między aktywnymi składnikami DJC a tymi głównymi białkami. Analizy wzbogacania funkcjonalnego (GO/KEGG) sugerują, że modulacja DJC jest związana z reakcjami zapalnymi i ścieżką MAPK. Walidacja in vivo wykazała, że leczenie DJC zmniejszyło wskaźniki uszkodzenia nerek i stwardnienia. Te odkrycia sugerują, że DJC może zmniejszać DN częściowo poprzez zmiany w sygnalizacji piroptozy związanej z CCL2/C-C motif chemokine receptor 2 (CCR2).
Globalne obciążenie cukrzycą (DM) nadal wzrasta, stanowiąc poważne wyzwanie dla zdrowia publicznego. Szacuje się, że 5,2 miliona zgonów rocznie wynika z DM i jej powikłań1. ZN uważana jest za poważne mikrokrążkowe powikłanie i główny czynnik rozwoju przewlekłej choroby nerek (ESRD), dotykając około 30-40% populacji diabetyków2,3. Wiele powiązanych czynników przyczynia się do patologicznego postępu ZN, w tym dysfunkcja metaboliczna, przebudowa hemodynamiczna i uporczywe reakcje zapalne. Obrażenia patologiczne, w tym wysoki poziom glukozy i hiperlipidemia, aktywuje ścieżkę piroptozy pośredniczoną przez NLRP3/kaspaz-1/GSDMD, indukując zapalną programowaną śmierć komórek mezangialnych i nabłonkowych przewodów nerkowych, co prowadzi do postępujących zmian tubulointerstycjalnych4. Piroptoza charakteryzuje się pęknięciem błony komórkowej, które prowadzi do uwolnienia IL-1β i IL-185. Takie prozapalne czynniki zwiększają transkrypcję ligandu CCL2, sprzyjają infiltracji makrofagów i dalszemu wzmożeniu aktywacji piroptotycznej, co progresywnie pogarsza uszkodzenie nerek6. W praktyce klinicznej stan ten objawia się postępującą albuminurią i stopniowym zmniejszeniem wskaźnika filtracji kłębuszkowej, co może zakończyć się nieodwracalnym uszkodzeniem nerek i wyraźnym pogorszeniem jakości życia osób dotkniętych chorobą7,8. Mimo postępu w opiece medycznej, obecne strategie terapeutyczne, które koncentrują się głównie na ścisłej kontroli glikemii i ciśnienia krwi, często nie zatrzymują całkowicie postępu choroby. Podczas gdy nowe farmakoterapie, w tym inhibitory SGLT2, agonisty GLP-1 i blokery receptorów mineralokortykoidowych, jak również terapie komórkami macierzystymi i interwencje żywieniowe, zyskują na znaczeniu i stają się coraz bardziej rozpowszechnione9, pozostałe ryzyko ZN nadal jest wysokie. Dlatego też opracowywanie innowacyjnych substancji terapeutycznych jest pilnym priorytetem badawczym, szczególnie tych pochodzących z medycyny tradycyjnej, które mogą jednocześnie ukierunkować wiele ścieżek patologicznych.
Danzhi Jiangtang Capsule (DJC), ekskluzywna formuła szpitalna opracowana w Pierwszym Szpitalu Afiliackim Uniwersytetu Medycznego w Anhui (Zezwolenie na przygotowanie instytucji medycznych prowincji Anhui nr Z20090006; Numer patentu ZL200310112845.1; Numer partii 20220427), jest obiecującym kandydatem terapeutycznym. Kapsułki należy przechowywać w szczelnym opakowaniu, w suchym i przewiewnym miejscu, chronionym przed światłem. Formuła składa się z sześciu tradycyjnych ziół chińskich: Pseudostellaria heterophylla (Radix Pseudostellariae), Whitmania pigra (Hirudo), Alisma orientale (Alismatis Rhizoma), Cuscuta chinensis (Cuscutae Semen), Paeonia suffruticosa (Moutan Cortex) i Rehmannia glutinosa (Rehmanniae Radix Praeparata) (5:4:4:3:2:5)10. W praktyce klinicznej DJC wykazał znaczącą skuteczność w obniżaniu poziomu cukru we krwi i zdolność do zmniejszania markerów uszkodzenia nerek u pacjentów z cukrzycą11. Poprzednie badania sugerują, że DJC może wywierać działanie renoprotekcyjne poprzez regulację poziomów glukozy we krwi i metabolizmu lipidów12,13,14. Poprzednie badania DJC koncentrowały się głównie na walidacji pojedynczych ścieżek z niesystematycznym doborem celów. Dlatego zintegrowaliśmy farmakologię sieciową i uczenie maszynowe, aby przesiewać aktywne składniki i identyfikować kluczowe geny centralne, po których nastąpiła wstępna walidacja in vivo, aby wzmocnić analizę.
Farmakologia sieciowa oferuje skuteczną strategię do analizy skomplikowanych receptur ziołowych. Ten rama integruje bioinformatykę i systematyczne podejście biologiczne, chemię obliczeniową i farmakologię, aby odszyfrować mechanizmy "wieloskładnikowe, wielocele i wieloszlakowe" działania leków15,16,17. To holistyczne podejście ułatwia strukturalne zbadanie skomplikowanej interakcji między związkami ziołowymi a sieciami chorobowymi, ujawniając synergistyczne efekty właściwe dla medycyny tradycyjnej chińskiej18. Jednak tradycyjna farmakologia sieciowa może czasem generować nadmierną ilość szumów w danych. Aby temu zaradzić, integracja algorytmów uczenia maszynowego umożliwia precyzyjne przesiewanie kluczowych genów charakterystycznych z dużych zestawów danych. Ponadto dokowanie molekularne zapewnia intuicyjną, dynamiczną perspektywę do przewidywania potencjalnych powinowactw pomiędzy lekami i biocząsteczkami19.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Screening of bioactive compounds and potential targets of DJC
Bioactive compounds of the six herbs in DJC, Pseudostellaria heterophylla (Radix Pseudostellariae), Paeonia suffruticosa (Moutan Cortex), Cuscuta chinensis (Cuscutae Semen), Alisma orientale (Alismatis Rhizoma), Rehmannia glutinosa (Rehmanniae Radix Praeparata), and Whitmania pigra (Hirudo) were retrieved from the TCMSP database. Screening was performed based on pharmacokinetic parameters: oral bioavailability (OB) ≥ 30% and drug-likeness (DL) ≥ 0.18. For Whitmania pigra, which lacks data in TCMSP, its active compounds and targets were obtained from the BATMAN-TCM, using a score ≥ 20 and a P-value < 0.05 as selection criteria. UniProt was applied to unify all collected targets into a standard gene nomenclature.
Acquisition of DN-related genes
DN-related genes were collected from three sources. First, GeneCards and OMIM were searched with "diabetic nephropathy" as the search term. Genes from GeneCards with a relevance score > 1 were retained. Second, three microarray profiles (GSE30529, GSE104948, GSE96804) were obtained from the GEO repository. The samples in GSE30529 were derived from renal tubules, whereas those in GSE104948 and GSE96804 originated from renal glomeruli. All database searches were conducted on 15 December 2024. Differentially expressed genes (DEGs) between DN patients and healthy controls in the GSE30529 dataset were identified using the limma package in R software. The screening criteria were set at an adjusted p-value < 0.05 and |log2(Fold Change)| > 0.5. Volcano graphs and heatmaps displayed differentially expressed genes.
Identification of putative therapeutic targets of DJC for DN
Venn diagram analysis identified shared loci between the DJC target pool and DN-associated genes from GeneCards, OMIM, and GSE30529 DEGs. These shared loci served as candidate therapeutic genes for all downstream research procedures.
Establishment and profiling of protein interaction (PPI) networks
Putative therapeutic loci were uploaded to STRING to construct a protein-protein interaction network, with an interaction cutoff set above a 0.4 confidence value. Cytoscape processed the network datasets for visual presentation. Topological indices such as Degree were computed via the CytoNCA plugin to identify core nodes throughout the network.
Enrichment analysis
To delineate the biological roles and signaling cascades linked to candidate targets, functional enrichment was analyzed in R with the clusterProfiler package, using org.Hs.eg.db for annotation and ggplot2 for visualization. Gene Ontology (GO) terms were evaluated across biological process (BP), cellular component (CC), and molecular function (MF) categories. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathways were retained when the enrichment p-value was < 0.05.
Application of the CytoHubba algorithm
The CytoHubba plugin in Cytoscape was used to calculate four topological centrality indices for each network node. Degree, the count of directly connected neighbors, reflects the breadth of each protein's interactions. Maximum neighborhood component (MNC), a metric that quantifies the size of the largest connected component in the node’s neighborhood subgraph, measures local regulatory influence. The edge percolated component (EPC) assesses global structural importance via simulated random edge removal and quantification of the average connected component size. Genes ranking in the top 20 for each index were intersected to yield the final hub genes.
Machine learning-based core gene screening
Three machine learning approaches were applied to expression profiles from the GSE30529 dataset to identify reliable hub genes among candidate targets.
(1) LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator): The regularization parameter λ was tuned via five-fold cross-validation, with the optimal value determined by average performance across folds. Input gene expression features underwent automatic Z-score standardization to eliminate effects of expression magnitude. With the penalty parameter α fixed at 1 for pure LASSO regularization, a predefined panel of 100 λ values was used for screening. The L1 penalty shrank the coefficients of low-relevance features to zero, enabling simultaneous feature selection and complexity control, while the cross-validation-tuned regularization strength mitigated the risk of overfitting.
(2) SVM-RFE (Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination): A two-layer 5-fold cross-validation framework was employed to ensure robust feature screening. Five non-overlapping subsets were generated by stochastically dividing the entire dataset, with four used for training and one for testing across five iterations; fold-wise averaging mitigated bias from single-sample splitting. Recursive feature elimination was applied to reduce feature dimensionality and constrain model complexity, alleviating overfitting. Classification error rate and accuracy served as performance metrics to determine the optimal number of features.
(3) Random Forest (RF): An initial 500-tree random forest was constructed, with the optimal tree number determined by the minimum out-of-bag classification error rate to retrain the final model. All remaining hyperparameters, including the random feature subset size at each node split, were kept at default package settings. Gene importance scores from the final model were ranked in descending order to generate the disease signature gene set. The final set of core genes was determined by intersecting the results from these three algorithms.
Independent dataset-based verification of hub gene expression
Two independent external datasets, GSE104948 and GSE96804, were used to validate transcript levels of the hub genes. Gene expression datasets underwent normalization; expression differences between DN cases and healthy subjects were plotted using R’s ggplot2 and ggsignif toolkits.
Molecular docking
The 3D conformations of the hub target proteins (CASP1, PDB ID: 3E4C; CCL2, PDB ID: 7S00) were obtained from the Protein Data Bank. Bioactive compound 3D conformations were fetched via PubChem. Ursolic acid, 3β-hydroxyurs-12-en-28-oic acid, and quercetin were selected for docking because network pharmacology predicted interactions between these active compounds and the core targets CCL2 or CASP1. Protein structures were pretreated by stripping native ligands and water molecules, introducing polar hydrogens, and subsequently subjected to molecular docking using AutoDock Vina. The binding affinity, represented by the docking score (in kcal/mol), served to assess the strength of interactions. A binding energy threshold of −5.0 kcal/mol was set to define stable intermolecular interactions. The docked conformations were visualized using PyMOL.
Animals and experimental design
The present study used 30 8-week-old male db/db mice of specific pathogen-free (SPF) grade, along with 10 age-matched male SPF db/m mice. All experimental mice were reared in an SPF-grade facility under a 12-h light–dark photoperiod and maintained under stable conditions: 22 ± 2 °C, 50–70% relative humidity, and unrestricted access to regular chow and drinking water. Ethical approval for all in
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Identyfikacja składnika bioaktywnego i celu DJC
Z sześciu ziół wchodzących w skład DJC zidentyfikowano łącznie 66 związków bioaktywnych, które spełniły kryteria przesiewowe (OB ≥ 30% i DL ≥ 0,18). Obejmowały one 26 związków z Pseudostellaria heterophylla, 6 z Paeonia suffruticosa, 8 z Cuscuta chinensis, 6 z Alisma orientale, 10 z Rehmannia glutinosa oraz 10 z Whitmania pigra. Standaryzacja etykiet docelowych oraz eliminacja...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
DN nadal pozostaje wiodącą przyczyną ESRD, charakteryzując się złożoną i wieloczynnikową patogenezą, która nie jest jeszcze w pełni zrozumiała20,21. Chociaż DJC wykazało obiecującą skuteczność kliniczną w łagodzeniu DN, podłoże molekularne mechanizmów pozostało w dużej mierze niejasne22. W niniejszym badaniu zastosowaliśmy wielo-omiczny schemat analityczny integrujący farmakologię sieciową, narzędzia uczenia maszynowego, testy symulacji wi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają żadnych konfliktów interesów do ujawnienia.
To dzieło zostało wsparte przez kluczowe projekty badawcze uniwersytetów prowincji Anhui (numer grantu 2024AH050968).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Creatinine (CRE) Assay Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | C011-2-1 | |
| ECL | Biosharp | BL520B | |
| Eosin Staining Kit | Servicebio | G1002 | |
| Goat anti-rabbit IgG-HRP Conjugate | Abbkine | A21020 | |
| Hematoxylin Staining Kit | Servicebio | G1004 | |
| Masson's Trichrome Stain Kit | Servicebio | G1006 | |
| Mouse IL-1β ELISA Kit | MeiMian | MM-0040M1 | |
| Mouse IL-18 ELISA Kit | MeiMian | MM-0169M1 | |
| Rabbit anti-mouse Caspase1 Antibody | Affinity | AF5418 | |
| Rabbit anti-mouse CCL2 Antibody | Abcam | ab315478 | |
| Rabbit anti-mouse cleaved-Caspase-1 Antibody | Affinity | AF4005 | |
| Rabbit anti-mouse GAPDH Antibody | Zenbio | R380626 | |
| Rabbit anti-mouse GSDMD-N Antibody | Abcam | ab219800 | |
| Rabbit anti-mouse NLRP3 Antibody | Abcam | ab263899 | |
| Rabbit anti-mouse Tubulin Antibody | Affinity | AF7011 | |
| Reverse Transcription Kit | Biosharp | BL696A | |
| RIPA Lysis Buffer | Beyotime Biotechnology | P0013 | |
| RIPA Lysis Buffer | Leagene | PS0013 | |
| RNA isolation reagent | Servicebio | G3013-100ML | |
| SYBR Green Master Mix | Servicebio | G3326-05 | |
| Urinary Protein Quantification Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | C035-2-1 | |
| nazwa oprogramowania | wersja | ||
| AutoDock Vina | 1.2.3 | ||
| Cytoscape software | 3.10.0 | ||
| GraphPad Prism | 9.0 | ||
| ImageJ | java 1.8.0_345 | ||
| PyMOL | 2.5 | ||
| R software | 4.2.0 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie