Hübriidsüsteemide bioloogia ja süsteemifarmakoloogia Zingerone'i toimete uurimine inimese rekonstrueeritud epidermaalsetele kudedele, 1. osa

Palun võtke ühendustoscar.xiao@wecistanche.comrohkem informatsiooni

Taust:Kuna inimesed elavad kauem, võib eakatel inimestel oodata probleeme. See muster sunnib teadlasi vananemiskontseptsiooni edasi uurima, et toota edukaid vananemisvastaseid aineid. Käesolevas uuringus analüüsiti zingerooni (loodusliku ühendi) mõju epidermise kudedele bioinformaatika lähenemisviisi abil. Meetodid: selleks valisime süsteemibioloogia ja süsteemifarmakoloogia lähenemisviiside läbiviimiseks GEO andmestiku GSE133338, mis ulatub erinevalt ekspresseeritud geenide tuvastamisest kuni geeniontoloogia analüüsini, Zingerone'i sarnaste struktuuride ja nende omaduste määramiseni (st anti- oksüdeerija, põletikuvastased ja nahahaigused), geenikemikaalide võrgustiku loomine, geenide ja haiguste suhete analüüsimine ja oluliste geenide valideerimine kirjanduses esitatud tõendite abil.

Tulemused:Mikrokiibi andmestiku järeltöötlus tuvastas kontroll- ja Zingerone'iga töödeldud proovide hulgas kolmteist olulist geeni.cistanche pulberProtseduuri käigus selgusid erinevad struktuurilt sarnased keemilised ja taimsed ühendid, millel on võimalikud nahaga seotud mõjud. Lisaks uurisime erinevalt ekspresseeritud geenide seoseid nahaga seotud haigustega ja kinnitasime nende otseseid seoseid nahahaigustega kirjanduses kättesaadavate tõendite alusel. Samuti näitas mikrokiibi profiilide andmestiku analüüs interleukiinide kriitilist rolli tsütokiinide perekonna osana naha vananemise edenemisel.

Lisateabe saamiseks klõpsake siin

Järeldused:Zingerooni ja potentsiaalselt kõiki Zingerone'i koostisosi (nt nende sarnaseid skaneerimisfunktsioone) saab kasutada raviainetena nahahaiguste, nagu naha vananemise, ohjamisel. Siiski tuleks tulevastes uuringutes hinnata Zingerone'i kasulikke mõjusid teiste mudelite (st inimeste või loomade) puhul.

Märksõnad:Zingeroon, Naha vananemine, Süsteemibioloogia, Süsteemifarmakoloogia, Interleukiin, Geenihaiguste seos, Geenikemikaalide võrgustik, Sarnased ühendid, Nahahaigused

Taust

Nahk, mis koosneb epidermisest, pärisnahast ja nahaalustest kihtidest, on keha suurim organ ning moodustab väliskeskkonna ja sisekeskkonna vahel füüsilise barjääri, mis kaitseb ja hoiab. Kuna elanikkond vananeb, on epidermis ja pärisnahk mitmesuguste muutuste peamised sihtmärgid, mis soodustavad uute vananemisvastaste terapeutiliste ainete väljatöötamist [1]. Füüsikalised ja keemilised keskkonnategurid, nagu UV-kiirgus ja ksenobiootikumid, mängivad olulist rolli naharakkude oksüdatiivses stressis, muutes sellega seotud signaaliradu, immunosupressiooni ning tekitades reaktiivseid hapniku liike (ROS) ja valgustundlikkuse haigusi [2]. Saadaval on mitmesugused naha vananemisvastased raviprotseduurid, sealhulgas paiksed retinoidid, koorimised (nt salitsüülhape), botuliinneurotoksiin, pehmete kudede täiteained, kollageenid, hüaluroonhape, autoloogne rasv, allogeensed ja sünteetilised tooted, laserid, kirurgilised protseduurid ja endokrinoloogiline ravi , aga ka muid alternatiive, nagu fütohormoonid[3]. Aruanded näitasid, et looduslike ühendite kasutamisel on paljulubavaid tulemusi UV-kiirgusest põhjustatud naha vananemise mõju vähendamisel, mistõttu on need kosmeetikaga seotud teadustes esmatähtis[4].

(4-(4-hüdroksü-3-metoksüfenüül)-2-bu-Zingeronetanoon) on odav ja mittetoksiline fenoolalkenooni struktuur, mis on saadud ingverist (Zingiber officinale Rosc), mis on laialdaselt kasutatud ravimtaimi farmaatsia- ja toiduainetööstuses kogu maailmas (nt Hiinas, Kreekas ja Indias)[5-7].cistanche salsa ekstraktZingerone on gingerooli dehüdratsiooni tulemus keetmise või kuivatamise ajal [5]. Zingerone'i peamised farmakoloogilised omadused hõlmavad antioksüdatiivset, immuunsüsteemi stimuleerivat, põletikuvastast ja vähivastast toimet [8]. Varasemad uuringud teatasid Zingerone'i ultraviolettkiirguse B(UVB) kiirguse vastasest toimest epidermise kaitsmisel [9].

Cistanche on vananemisvastane toime

Zingeroon toimib tõenäoliselt neuroprotektiivse ainena, blokeerides apoptootilist rada, vältides seega oksüdatiivset stressi ja piirates põletikku [10]. Arvatakse, et ingveris leidub polüfenoolseid ühendeid, mida nimetatakse Zingerooniks ja millel on tugevad antioksüdantsed omadused, neil on vabu radikaale eemaldav toime ja need on vastupidavad oksüdatiivsele stressile[11].cistanche varsZin-gerone'i erinevaid kaitsvaid toimeid on teatatud plii-indutseeritud toksilisuse[12], streptozototsiini/kõrge rasvasisaldusega dieedist põhjustatud II tüüpi diabeedi[13], reumatoidartriidi [14], lipopolüsahhariidide põhjustatud oksüdatiivse stressi, DNA kahjustuste, tsütokiinitormide korral. [15], eksperimentaalne käärsoole kantserogenees [16], alloksaanist indutseeritud oksüdatiivne stress [17], tsüklofosfamiidist põhjustatud organitoksilisus [11] ja tsisplatiin (cis-diamiindikloroplaatina-num (I)-indutseeritud jejunaalne toksilisus[18]). alandas NF-KB, TGF-, TNF-, IL-1, IL-6 ja Hs-CRP taset, suurendades samal ajal märkimisväärselt I-10 taset ja taastades antioksüdantsete ensüümide tasemed [14] Seega, kui Zingerone antakse loomadele (nt Wistari rottidele), kes on kokku puutunud ülalmainitud toksilisuse ja haigustega, võib see vähendada oksüdatiivset stressi, põletikku ja mitme organi kahjustusi.

Autori teadmiste kohaselt ei ole üheski uuringus kasutatud süsteemibioloogiat ja süsteemfarmakoloogiat, et määrata oluliselt erinevalt ekspresseeritud geene kontrollkudede ja Zingerone'iga ravitud kudede vahel. Selles uuringus kasutasime selle eesmärgi saavutamiseks olemasolevaid mikrokiibi geeniekspressiooni profiilide andmekogumeid. Samuti kontrolliti tuvastatud geenide funktsionaalseid ja rakulisi mehhanisme. Seejärel viidi läbi erinevad võrguanalüüsid, sealhulgas geenihaigused ja geenikemikaalid. Lõpuks uuriti üksikasjalikult Zingerone'i struktuuriga sarnaste keemiliste ja taimsete ühendite mõju ning kirjandusest leitud tõendite põhjal vaadati üle potentsiaalsete oluliste geenide valideerimine.

meetodid

Praeguse uurimistöö töövoo kokkuvõte on illustreeritud vooskeemina, nagu on näidatud joonisel 1. Andmeallikas Selles uuringus kasutatud andmestik on avalikult saadaval riikliku biotehnoloogiateabe keskuse (NCBI) geeniekspressiooni omnibussi (GEO) andmebaasist (st https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ )platvormiga GPL17692 [HuGene-2_1-st] Affymetrix Human Gene 2.1 ST Array [transkripti(geeni) versioon]. Ainus saadaolev GEO andmestik GSE133338 sisaldas kuut rekonstrueeritud inimese epidermaalset (RHE) kudet, mida raviti Zingerone'iga (n=3) ja veekontrolliga (n=3), nagu on näidatud joonisel 1.

Erinevalt ekspresseeritud geenid (DEG) kahte tüüpi kudede vahel

Dr Richard Simon ja BRB-ArrayToolsi arendusmeeskond töötasid välja genoomika analüütilise tööriista BRB-ArrayTools (v4.6.1, stabiilne versioon), et määrata tugevaid DEG-sid. Mitu etappi, sealhulgas GEO andmestiku import, geenide filtreerimine (st |kordne muutus suurem kui 1 või sellega võrdne), normaliseerimine (st kvantiilne normaliseerimine) ja annotatsioon (st "pd. hugene.2.1.st"R pakett [ 19]), olid vajalikud oluliste DEG-de tuvastamiseks. BRB-ArrayTools kasutas saksa (guaniini-tsütosiini tugeva mitme massiivi analüüsi) algoritmi, et kaardistada sondi intensiivsused nende vastavateks geeniekspressiooni väärtusteks, kõrvaldades olemasoleva müra. Kahe ravitud rühma võrdluse tulemusel tuvastati olulised DEG-d, kasutades ühemuutujate permutatsioonitestide väärtusi 10,000 ja 1 ning kordade muutuse läve. Saadud DEG tulemused olid olulised, kui p oli 0,05 või väiksem.

Geeniontoloogia ja funktsionaalse rikastamise analüüsid DAVID v.6.8 (märkuste, visualiseerimise ja integreeritud avastamise andmebaas), mis on vabalt saadaval aadressil http://david.abcc.ncifcrf.gov/summary.jsp, andis hinnangu geeniontoloogiale (MINNA). See hindamine hõlmas rakulisi komponente, molekulaarseid funktsioone ja DEG-de bioloogilisi protsesse [20,21]. Muudetud Fisheri täpse p-väärtuse EASE skoori lävi määrati vaikeväärtusele 0,1.

Zingerone'i efektiivsuse ja sarnasuse struktuuri analüüsid

Kanooniline SMILES (lihtsustatud molekulaarse sisendi reasisestussüsteem) string Zingerone'i struktuuri jaoks (näidatud joonisel 2a) saadi PubChemi ühendite andmebaasist (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound)[ 22]. Iga SMILES-i stringi kasutati PubChemi sarnasuse struktuuri ja ADME ennustamiseks veebipõhise veebi abil

serveritööriistad, st SwissADME [23-25], SwissSimilarity [26] ja SwissTargetPrediction [27]. SwissADME veebiserver hõlmab ravimite kavandamist ja avastamist, arvutades välja mitmed parameetrid, sealhulgas füüsikalis-keemilised deskriptorid, ADME-ga seotud parameetrid, farmakokineetilised omadused, ravimisarnasuse efekt ja SMILES-i struktuuri meditsiinilise keemiasõbralikkuse uurimine.

PubChemi sarnasusstruktuuri ja SwissSimilarity tööriistade sarnasuskriteeriumid olid vastavalt {{0}},92 ja 0,50. Lõpuks kontrollisime kirjandust sarnaste ühendite funktsionaalsuse kohta olemasolevate tõendite osas.

Geenihaiguste ja geenikemikaalide võrgustiku analüüsid Ekstraheerisime seotud haigused tõenditega vastavalt olulistele geenidele, mis saadi kasutajasõbraliku DisGeNET (st http://www.disgenet.org/) platvormi kaudu, mis on tuletatud inimeste kohta käivast kirjandusest. geenihaiguste ühendused [28].cistanche tubulosa eelised ja kõrvaltoimedLisaks uuriti kirjanduse uuringute kaudu põhjalikult saadud DEG-de, mida Zingerone'i ravi mõjutas, osalemist mitmes spetsiifilises haiguses (ja võib-olla ka nahaga seotud häiretes), et kinnitada ja kinnitada, kas selliseid geene ekspresseeritakse haiguse potentsiaalsete biomarkeritena. Lisaks koostasime ja analüüsisime veebiserveris NetworkAnalyst 3.{3}} geenikemikaalide võrku, et paljastada tugevad seosed geenide ja kirjanduses leiduvate ühendite vahel[29].

Tulemused

Kuna võimalike geenide puudumine võib lõpptulemusi mõjutada, võetakse arvesse kõiki mikrokiibi andmekogumis sisalduvaid geene. Andmete eeltöötlemise ja klasside võrdlemise lähenemisviis, kasutades kahe prooviga t-testi, näitas kokku kuuskümmend sondi ID-d, millest annoteeritud geenidena oli saadaval ainult kolmteist DEG-d. Neli geeni reguleeriti alla ja üheksa geeni ülesreguleeriti (nagu on näidatud joonisel 2b) koos nende geeniekspressiooni tasemetega kontroll- ja Zingerone-ravi proovide vahel. DAVID-i funktsionaalne annotatsioonitööriist näitas, et kaks rakukomponenti (st (i) GO):0005615 ja rakuväline ruum nelja kaasatud geeniga TNFRSF11B, CTSL, ENDOU ja SPACA5 ning (ii) )GO:{{20}}005576, rakuväline piirkond kolme kaasatud geeniga TNFRSF11B, CTSL ja ENDOU) leiti, et see on oluline. Kapa väärtused 1.00 ja 0,80 näitasid kahe GO termini väga suurt sarnasust. Lisaks on GO:0005615 ja GO:0005576 statistiliste mõõtmiste väärtuste volditud rikastused 7,73 ja 4,85, Bonferroni väärtused 0,09 ja 0,72 ning Benjamini väärtused 0,088 ja 0,60 ning valed avastamissageduse (FDR) väärtused 0,0,8 ja 8. vastavalt. GO terminite üksikasjalik kontroll näitab, et nende vastavatel alamterminitel on erinevad seosed ja ristviited terminitega GO:0005576 ja GO:0005615. Ekstratsellulaarset ruumi hõlmavad suhted viitavad sellele, et interleukiini-35 kompleks, interleukiin-27, interleukiin-23 ja interleukiin-12 olid osa GO:0005615-st. Enamgi veel; rakuvälist piirkonda hõlmavad suhted olid peamiselt osa ekstratsellulaarsest isoamülaasi kompleksist, rakuvälisest ferritiini kompleksist, rakuvälisest ruumist, rakuvälisest vesiikulist ja ekstratsellulaarsest maatriksist, kui mainida mõnda. Nelja tüüpi interleukiinidel (st interleukiin-1, interleukiin-6, interleukiin-34 ja interleukiin-34 alfa) olid otsesed seosed GO:0005615 ristviidetega (ehk lisateavet leiate aadressilt https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005615). Mitmed interleukiini tüübid, sh interleukiin-12 alfa, interleukiin-23 alfa, interleukiin-17, interleukiin-1 alfa, interleukiin-1 beeta ja interleukiin{{54} }, olid seotud GO:0005576 (tuletatud saidist https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005576) ristviidetega.

Zingerone'i struktuuri absorptsiooni, jaotumise, metabolismi ja eritumise (ADME) hindamine biosaadavuse radari abil (joonis 3a) näitab kõrget bioaktiivset ravimisarnasust ning esindab lipofiilsust, molekulmassi, lahustuvust ja paindlikkust. roosas piirkonnas. Lisaks füüsikalis-keemilised ja lipofiilsusomadused (Lipinski viie reegel) (st molekulmass: 194,23 g/mol, pööratavate sidemete arv: 4, H-sideme aktseptorite arv: 3, H-sideme doonorite arv: 1 ja konsensus Log Po/w:1,79) ei näita rikkumisi.cistanche tubulosa ekstraktVees lahustuvuse parameetrid, sealhulgas Log S (ESOL), Log S (Ali) ja Log S (SIL-COS-IT), näitavad vastavalt väga lahustuvaid, väga lahustuvaid ja lahustuvaid omadusi. Samuti näitavad farmakokineetilised omadused seedetrakti kõrget imendumist ja ainult CYP1A2 inhibeerivat funktsiooni teiste tsütokroom ensüümi inhibiitorite hulgas.

SwissTargetPredictioni analüüs annab Zingerone'ile kokku 100 sihtvalku, mille hulgas on ensüümid, sekreteeritud valgud, tuumaretseptorid ja oksidoreduktaasid kõige suuremad (joonis 3b). Sarnaste struktuuride täiendav kontroll SwissSimilarity ja PubChemi kaudu avastas kaks FDA poolt heaks kiidetud ravimit (st Nabumetoon ja Maso-procol), kaks eksperimentaalset ravimit (st Matairesinool ja 3-(4-hüdroksüfenüül){{ 6}}(2,4,6-trihüdroksüfenüül)propaan-1-üks) ja kolm Zingiberi koostisosa (st6-Shogaol, 6-Paradol ja {{13} }Gingerol) (loetletud tabelis 1). Kontrollimisel selgusid ka nende kinnitatud põletikuvastased ja antioksüdantsed omadused ning kinnitatud nahahaigused, näiteks naha vananemisvastane toime, kasutades kirjanduses esitatud tõendeid.Dis-GeNETi geeni-haiguse seose tulemused (millega kaasnevad asjakohased tõendid kirjandusest) on kokku võetud tabelis 2. Tulemused näitavad, et DEG-d mõjutavad mitmesuguseid haigusi, sealhulgas nahaga seotud häireid. Lisaks näitab geenikemikaalide võrgustiku ehitamine seitsme DEG-i kaasamist, mis on otseselt seotud erinevate kemikaalidega. Ainult neli neist (st TNFRSF11B, DNLZ, OR9Il ja MIR614) on seotud kahekümne kolme nahaga seotud ühendiga (näidatud joonisel 4).

Arutelu

Päikesevalgus on ultraviolettkiirguse (UV) allikas, mis võib nahka kahjustada. Naha vananemine, mis tuleneb kokkupuutest UV-kiirgusega, liigitatakse sageli kolme suurde kategooriasse (st UV-A, UV-B ja UV-C). UV-A moodustab 95 protsenti UV-kiirtest, mis jõuavad Maa pinnale ja

kus R on vabade radikaalide tüüp, nagu hüdroksüül-, peroksü-, alkoksü- või alküülradikaal, ja O või OCH on ülejäänud vabad radikaalid [46,47]. Sarnaselt kehtib nende kemikaalide toimemehhanism, võttes arvesse nende põletikuvastaseid omadusi, radikaalide eemaldamise kaudu [48].

Lisaks on kindlaks tehtud, et immuunsüsteem võib toimida inimkehas kahe teraga mõõgana, kus immuunsus ja immunopatoloogia toovad samaaegselt kasu ja kahjustavad kaasasündinud ja adaptiivset immuunsust tasakaalustades [49]. Hiljutises ülevaates Zouboulis et al. märkis, et "kliinilises praktikas ei tähenda parem väljanägemine noorem välja näha." [50].

Nahk, inimkeha suurim organ, pärib kõik immuunsüsteemi funktsioonid, et paremini uurida põletikku, autoimmuunsust ja vähki [51]. Naha vananemine on mitmeastmeline protsess, mida saab soodustada päikese käes viibimise kaudu, mis võib põhjustada epidermise muutusi ja fotovananemist [52]. Erinevad uuringud on näidanud looduslike ühendite, nagu kurkumiin ja selle analoogid, kasulikkust nahahaiguste, nagu naha vananemise, ravis [53, 54].

Praeguses uurimises on uuritud Zingerone'i mõju epidermise kudedele, võttes arvesse erinevalt ekspresseeritud geene ja kaasatud rakulisi komponente. Selle tulemusena mängivad hinnatud geenid ilma eranditeta rolli interleukiinide kaasamisel, mis on tuntud tsütokiinide rühm, mida ekspresseerivad peamiselt leukotsüüdid. Tsütokiinidel, mida toodavad naha immuunsüsteemi Langerhansi rakud, on teatatud, et neil on oluline roll naha vananemisel [55]. Tuginedes tuvastatud erinevalt ekspresseeritud geenidele ja nende efektiivsetele rakukomponentidele GO osas, sealhulgas GO:0005615 ja GO:0005576, määrati kaheksateist ja neli tüüpi interleukiini, mis mängivad vastavalt rakuvälises ruumis ja piirkonnas.

Kooskõlas meie tulemustega Shirato et al. leidis, et ETAS 50 võib ennetada naha vananemist, vähendades nii UV-B-indutseeritud L-6 kui ka IL-1 beeta-avaldisi (56, 57). Samuti Guo et al. teatasid, et rasvkoest pärinevad tüvirakud võivad eritada mitut interleukiini (nt interleukiin-I, interleukiin-8, interleukiin-9, interleukiin-12, interleukiin-15 ja interleukiin -17) naha vananemise pärssimiseks [58]. Treening võib mõjutada ka interleukiini-15 taset, hoides seega ära naha vananemise [59]. Interleukiin 17 (või IL-17A) omab otsest seost IL-23 stimuleerimisega, muutes need kuldseks IL-23/IL-17 teljeks vanusega seotud põletiku korral ja naha vananemise leevendamine atsetüülzingerooniga töötlemise kaudu IL-17A stimulatsiooni kaudu [60, 61].

Kokkuvõttes pakkus käesolev uuring välja hübriidsüsteemide bioloogia ja süsteemifarmakoloogia protseduuri, et tuvastada Zingerone'i ravi funktsionaalsed mehhanismid ja edukad mõjud. Kavandatud protseduur käsitleb sarnaste ühendite mõju kaasatud interleukiinide perekonna stimuleerimisel naha vananemisele ning nende antioksüdantseid ja põletikuvastaseid omadusi. Praeguste tulemuste kinnitamiseks on vaja rohkem eksperimentaalseid uuringuid inimeste ja loomade mudelite kohta, kuna Zingerone'i mõju raku- ja molekulaarsetele mehhanismidele naha vananemisel on endiselt ebaselge.

Järeldused

Taimsete ravimite silmapaistev roll on teadus- ja teadusringkondadele selge. Naha vananemine ja muud tüüpi nahahaigused on äratanud inimeste tähelepanu kogu maailmas. Sellega seoses on vananemisvastaseks otstarbeks pakutud mitmeid ravimeid ja kemikaale. Selles uuringus kaaluti arvutuslikku ja statistilist protseduuri, et uurida Zin-gerone'i mõju naha vananemisele rakulisel ja genoomsel tasemel. Lisaks uuriti Zingerone'iga struktuurilt sarnaseid ühendeid ja nende mõju nahaga seotud haigustele.

Lisaks näitasid geenihaiguste assotsiatsiooni ja geenikemikaalide võrgustiku analüüsid vaieldamatuid otseseid seoseid geneetika ja nahahaiguste, sealhulgas naha vananemise vahel. Lõpuks leiti, et erinevat tüüpi interleukiinidel on naha vananemise aeglustamisel oluline roll. Siiski on vaja täiendavaid uuringuid inim- või loommudelite abil, et kinnitada käesolevas uuringus määratud Zingerone'i toimet.

See artikkel on välja võetud Amjad et al. Egiptus J Med Hum Genet (2021) 22:90