Biologie hybridních systémů a farmakologie systémů Zkoumání účinků Zingerone na rekonstruované lidské epidermální tkáně 1. část
Jun 13, 2022
Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPro více informací
Pozadí:Jak jednotlivci žijí déle, lze očekávat, že starší populace budou čelit problémům. Tento vzorec nabádá výzkumníky, aby dále prozkoumali koncept stárnutí, aby vytvořili úspěšná činidla proti stárnutí. V současné studii byly účinky zingeronu (přírodní sloučeniny) na epidermální tkáně analyzovány pomocí bioinformatického přístupu. Metody: Pro tento účel jsme zvolili GEO dataset GSE133338, abychom provedli přístupy systémové biologie a systémové farmakologie, od identifikace odlišně exprimovaných genů po analýzu genové ontologie, stanovení podobných struktur Zingeronu a jejich vlastností (tj. oxidační, protizánětlivé a kožní poruchy), vytváření sítě mezi geny a chemikáliemi, analyzování vztahů mezi geny a nemocí a ověřování významných genů prostřednictvím důkazů uvedených v literatuře.
Výsledek:Následné zpracování datového souboru microarray identifikovalo třináct základních genů mezi kontrolními vzorky a vzorky ošetřenými Zingeronem.cistanche prášekPostup odhalil různé strukturálně podobné chemické a rostlinné sloučeniny s možnými účinky souvisejícími s pokožkou. Kromě toho jsme studovali vztahy odlišně exprimovaných genů s onemocněními souvisejícími s kůží a potvrdili jejich přímé souvislosti s kožními poruchami na základě důkazů dostupných v literatuře. Také analýza datového souboru profilování microarray odhalila kritickou roli interleukinů jako součásti rodiny cytokinů v procesu stárnutí kůže.
Závěry:Zingeron a potenciálně jakékoli složky Zingeronu (např. jejich podobná funkce skenování sloučenin) mohou být použity jako terapeutická činidla při zvládání kožních poruch, jako je stárnutí kůže. Příznivé účinky Zingeronu by však měly být v budoucích studiích posouzeny na jiných modelech (tj. lidských nebo zvířecích).
klíčová slova:Zingeron, Stárnutí kůže, Systémová biologie, Systémová farmakologie, Interleukin, Asociace genových onemocnění, Síť genových chemikálií, Podobné sloučeniny, Kožní onemocnění
Pozadí
Kůže, skládající se z epidermis, dermis a podkožních vrstev, je největším orgánem těla a tvoří fyzickou bariéru mezi vnějším prostředím a vnitřním prostředím, která chrání a udržuje. Jak populace stárne, epidermis a dermis jsou primárními cíli různých změn, které podporují vývoj nových terapeutických činidel proti stárnutí [1]. Fyzikální a chemické faktory prostředí, jako je UV záření a xenobiotika, hrají významnou roli v oxidativním stresu kožních buněk tím, že mění příslušné signální dráhy, imunosupresi a produkují reaktivní formy kyslíku (ROS) a fotosenzitivní onemocnění [2]. K dispozici jsou různé procedury ošetření pleti proti stárnutí, včetně lokálních retinoidů, peelingů (např. kyselina salicylová), botulotoxinu, výplní měkkých tkání, kolagenů, kyseliny hyaluronové, autologního tuku, alogenních a syntetických produktů, laserů, chirurgických zákroků a endokrinologických terapií. , stejně jako další alternativy, jako jsou fytohormony[3]. Zprávy ukázaly, že používání přírodních sloučenin má slibné výsledky při snižování účinků stárnutí kůže vyvolaných UV zářením, díky čemuž hrají primární roli v kosmetických vědách[4].
(4-(4-hydroxy-3-methoxyfenyl)-2-bu-Zingeronetanon) je levná a netoxická fenolická alkenonová struktura odvozená ze zázvoru (Zingiber officinale Rosc), který je široce používanou bylinu ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu po celém světě (např. Čína, Řecko a Indie)[5-7].extrakt z cistanche salsyZingeron je výsledkem dehydratace gingerolu při vaření nebo sušení [5]. Mezi hlavní farmakologické vlastnosti Zingeronu patří antioxidační, imunostimulační, protizánětlivé a protirakovinné účinky [8]. Předchozí studie uváděly anti-ultrafialovou B(UVB) radiační aktivitu Zingeronu při ochraně epidermis [9].
Cistanche může proti stárnutí
Zingeron pravděpodobně působí jako neuroprotektivní činidlo tím, že blokuje apoptotickou dráhu, čímž zabraňuje oxidativnímu stresu a omezuje zánět [10]. Předpokládá se, že v zázvoru jsou přítomny polyfenolické sloučeniny zvané Zingerone, které mají silné antioxidační vlastnosti, vykazují aktivitu pohlcující volné radikály a poskytují odolnost vůči oxidativnímu stresu[11].cistanche stonekRůzné ochranné účinky zin-geronu byly hlášeny u toxicity vyvolané olovem[12], diabetu typu 2 vyvolaného streptozotocinem/vysokotučnou dietou[13], revmatoidní artritidě [14], oxidativním stresu vyvolaném lipopolysacharidy, poškození DNA, bouře cytokinů [15], experimentální karcinogeneze tlustého střeva [16], alloxanem vyvolaný oxidační stres [17], orgánová toxicita vyvolaná cyklofosfamidem [11] a cisplatina (jejunální toxicita vyvolaná cis-diamindichloroplatinou (I)[18]). snížily hladiny NF-KB, TGF-, TNF-, IL-1, IL-6 a Hs-CRP a zároveň výrazně zvýšily hladiny I-10 a obnovily hladiny antioxidačních enzymů [14] Když je tedy Zingerone podáván zvířatům (např. krysám Wistar) vystaveným výše uvedeným toxicitám a nemocem, může snižovat oxidační stres, záněty a poškození více orgánů.
Podle nejlepšího vědomí autora žádné výzkumy nepoužívaly přístupy systémové biologie a systémové farmakologie ke stanovení významně rozdílně exprimovaných genů mezi kontrolními tkáněmi a těmi, které byly léčeny Zingeronem. V této studii jsme ke splnění tohoto cíle použili dostupné soubory dat profilování genové exprese microarray. Kontrolovány byly také funkční a buněčné mechanismy identifikovaných genů. Poté byly provedeny různé síťové analýzy, včetně genových onemocnění a genových chemikálií. Nakonec byly podrobně studovány účinky chemických a rostlinných sloučenin podobných struktuře Zingerone a byla přezkoumána validace potenciálních významných genů na základě důkazů nalezených v literatuře.
Metody
Shrnutí aktuálního pracovního postupu výzkumu je znázorněno jako vývojový diagram, jak je znázorněno na obr.1. Zdroj dat Soubor dat použitý v této studii je veřejně dostupný z úložiště databáze genové exprese omnibus (GEO) národního centra pro biotechnologické informace (NCBI) (tj. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ )s platformou GPL17692 [HuGene-2_1-st] Affymetrix Human Gene 2.1 ST Array [verze transkriptu (genu)]. Jediný dostupný GEO datový soubor, GSE133338, zahrnoval šest rekonstruovaných lidských epidermálních (RHE) tkání ošetřených Zingeronem (n=3) a vodní kontrolou (n=3), jak je znázorněno na Obr.
Diferenciálně exprimované geny (DEG) mezi dvěma typy tkání
Dr. Richard Simon a vývojový tým BRB-ArrayTools vyvinuli analytický nástroj pro genomiku, BRB-ArrayTools (v4.6.1, stabilní verze), k určení účinných stupňů. Několik kroků, včetně importu GEO datové sady, filtrování genů (tj. |fold changel Větší než nebo rovno 1), normalizace (tj. kvantilové normalizace) a anotace (tj. balíček "pd. hugene.2.1.st"R [ 19]), byly požadovány k identifikaci významných stupňů. BRB-ArrayTools použily německý (guanin-cytosin robustní multi-array analýza) algoritmus k mapování intenzit sond do jejich odpovídajících hodnot genové exprese odstraněním existujícího šumu. Srovnání mezi dvěma léčenými skupinami vedlo k identifikaci významných stupňů pomocí hodnot 10,000 a 1 pro testy jednorozměrné permutace a prahu násobné změny. Získané výsledky DEG byly významné při p menším nebo rovném 0,05.
Analýza genové ontologie a funkčního obohacení DAVID v.6.8 (Databáze pro anotaci, vizualizaci a integrované zjišťování), která je volně dostupná na http://david.abcc.ncifcrf.gov/summary.jsp, poskytla vyhodnocení genové ontologie (JÍT). Toto hodnocení zahrnovalo buněčné složky, molekulární funkce a biologické procesy DEGs [20,21]. Práh pro skóre EASE modifikované Fisherovy přesné p-hodnoty byl nastaven na výchozí hodnotu 0,1.
Analýza účinnosti a podobnosti struktury Zingeronu
Kanonický řetězec SMILES (zjednodušený systém molekulárního vstupu line-entry system) pro strukturu Zingerone (zobrazený na obr. 2a) byl získán z databáze sloučenin PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound)[ 22]. Každý řetězec SMILES byl použit pro strukturu podobnosti PubChem a predikci ADME pomocí online webu
serverové nástroje, tj. SwissADME [23-25], SwissSimilarity [26] a SwissTargetPrediction [27]. Webový server SwissADME pokrývá návrh a objev léku výpočtem několika parametrů, včetně fyzikálně-chemických deskriptorů, parametrů souvisejících s ADME, farmakokinetických vlastností, efektu podobnosti léku a studiem přívětivosti struktury SMILES v lékařské chemii.
Kritéria podobnosti pro strukturu podobnosti PubChem a nástroje SwissSimilarity byly {{0}},92 a 0,50, v daném pořadí. Nakonec jsme v literatuře prozkoumali jakékoli existující důkazy o funkčnosti podobných sloučenin.
Síťové analýzy genových nemocí a genů a chemikálií Extrahovali jsme související nemoci s důkazy podle významných genů získaných prostřednictvím uživatelsky přívětivé platformy DisGeNET (tj. http://www.disgenet.org/), odvozené z literatury o lidech asociace gen-nemoc [28].výhody a vedlejší účinky cistanche tubulosaKromě toho byla účast získaných DEG ovlivněných léčbou Zingeronem u několika specifických onemocnění (a možná u poruch souvisejících s kůží) důkladně prověřována prostřednictvím studií literatury, aby se potvrdilo a potvrdilo, zda jsou takové geny exprimovány jako potenciální biomarkery onemocnění. Dále jsme zkonstruovali a analyzovali síť genů a chemikálií z webového serveru NetworkAnalyst 3.0, abychom odhalili silné souvislosti mezi geny a sloučeninami dostupnými v literatuře[29].
Výsledek
Protože chybějící jakékoli možné geny by mohly ovlivnit konečné výsledky, jsou brány v úvahu všechny geny zahrnuté v datovém souboru microarray. Předzpracování dat a porovnávání tříd pomocí dvouvzorkového t-testu odhalilo celkem šedesát ID sond, z nichž bylo k dispozici pouze třináct stupňů jako anotované geny. Čtyři geny byly downregulovány a devět bylo upregulováno (jak je ukázáno na Obr. 2b), spolu s jejich úrovněmi genové exprese mezi kontrolními a Zingeronem ošetřenými vzorky. Funkční anotační nástroj DAVID odhalil, že dvě buněčné složky (tj. (i) GO:0005615 a extracelulární prostor se čtyřmi zapojenými geny TNFRSF11B, CTSL, ENDOU a SPACA5 a (ii )GO:{{20}}005576, extracelulární oblast se třemi zapojenými geny TNFRSF11B, CTSL a ENDOU), byla shledána významnou. Hodnoty kappa 1.{28}}0 a 0,80 naznačovaly velmi vysokou úroveň podobnosti mezi dvěma výrazy GO. Hodnoty statistického měření pro GO:0005615 a GO:0005576 navíc mají složené obohacení 7,73 a 4,85, Bonferroniho hodnoty 0,09 a 0,72 a Benjaminiho hodnoty 0,088 a 0,60 a hodnoty falešného objevu (FDR, 8, 0,6) a 0 respektive. Podrobná kontrola termínů GO ukazuje, že jejich odpovídající podřízené termíny mají různé vztahy a křížové odkazy s GO:0005576 a GO:0005615. Vztahy zahrnující extracelulární prostor naznačují, že interleukin-35 komplex, interleukin-27, interleukin-23 a interleukin-12 byly součástí GO:0005615. Navíc; vztahy zahrnující extracelulární oblast byly hlavně součástí extracelulárního isoamylázového komplexu, extracelulárního feritinového komplexu, extracelulárního prostoru, extracelulárního vezikula a extracelulární matrice, abychom zmínili jen některé. Čtyři typy interleukinů (tj. interleukin-1, interleukin-6, interleukin-34 a interleukin-34 alfa) měly přímý vztah s křížovými odkazy GO:0005615 (např. více informací naleznete na https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005615). Několik typů interleukinu, včetně interleukinu-12 alfa, interleukinu{50}} alfa, interleukinu{51}}, interleukinu{52}} alfa, interleukinu{53}} beta a interleukinu{54} }, souvisely s křížovými odkazy na GO:0005576 (odvozeno z https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005576).
Hodnocení absorpce, distribuce, metabolismu a vylučování (ADME) struktury Zingeronu pomocí radaru biologické dostupnosti (obr. 3a) ukazuje na vysokou bioaktivní vlastnost podobnou léku a představuje lipofilitu, molekulovou hmotnost, rozpustnost a flexibilitu. v růžové oblasti. Navíc fyzikálně-chemické a lipofilní vlastnosti (Lipinskiho pravidlo pěti) (tj. molekulová hmotnost:194,23 g/mol, počet rotujících vazeb:4, počet akceptorů vazby H:3, počet donorů vazby H:1 a konsensus Log Po/w:1.79) neukazuje žádná porušení.extrakt z cistanche tubulosaParametry rozpustnosti ve vodě, včetně Log S (ESOL), Log S (Ali) a Log S (SIL-COS-IT), vykazují vlastnosti velmi rozpustné, velmi rozpustné a rozpustné. Farmakokinetické vlastnosti také ukazují vysokou úroveň gastrointestinální absorpce a pouze inhibiční funkci CYP1A2 mezi ostatními inhibitory cytochromových enzymů.
Výsledkem analýzy SwissTargetPrediction je celkem 100 cílových proteinů pro Zingerone, mezi nimiž nejvyšší procenta tvoří enzymy, vylučované proteiny, jaderné receptory a oxidoreduktázy (obr. 3b). Další inspekce podobných struktur prostřednictvím SwissSimilarity a PubChem odhalila dva léky schválené FDA (tj. Nabumetone a Maso-procol), dva experimentální léky (tj. Matairesinol a 3-(4-hydroxyfenyl){{ 6}}(2,4,6-trihydroxyfenyl)propan-1-jedna) a tři složky Zingiber (tj. 6-Shogaol, 6-Paradol a {{13} }Gingerol) (uveden v tabulce 1). Inspekce také odhalila jejich ověřené protizánětlivé a antioxidační vlastnosti, stejně jako potvrzené kožní poruchy, jako je kůže proti stárnutí, prostřednictvím důkazů uvedených v literatuře.Výsledky vztahu gen-onemocnění z Dis-GeNET (doprovázené relevantními důkazy z literatury) jsou shrnuty v tabulce 2. Výsledky ukazují, že DEG ovlivňují různá onemocnění, včetně poruch souvisejících s kůží. Kromě toho konstrukce sítě genů a chemikálií ukazuje zapojení sedmi stupňů, které jsou přímo spojeny s různými chemikáliemi. Pouze čtyři z nich (tj. TNFRSF11B, DNLZ, OR9Il a MIR614) souvisejí s dvaceti třemi sloučeninami souvisejícími s pokožkou (zobrazeno na obr. 4).
Diskuse
Sluneční záření je zdrojem ultrafialového (UV) záření, které může poškodit pokožku. Stárnutí kůže, které je důsledkem vystavení UV záření, je často klasifikováno do tří hlavních kategorií (tj. UV-A, UV-B a UV-C). UV-A tvoří 95 procent UV záření, které dopadá na zemský povrch, a
kde R je typ volného radikálu, jako je hydroxyl, peroxyl, alkoxyl nebo alkyl, a O nebo OCH, jsou zbývající volné radikály [46,47]. Podobně se mechanismus účinku těchto chemikálií, vzhledem k jejich protizánětlivým vlastnostem, uplatňuje prostřednictvím aktivit pohlcujících radikály [48].
Navíc bylo zjištěno, že imunitní systém může fungovat v lidském těle jako dvousečná zbraň, ve které imunita a imunopatologie současně poskytují výhody a škodí tím, že vyvažují vrozenou a adaptivní imunitu [49]. V nedávném přehledu Zouboulis et al. uvedl, že „V klinické praxi „vypadat lépe neznamená vypadat mladší.“[50].
Kůže, největší orgán lidského těla, zdědí všechny funkce imunitního systému pro lepší studium zánětů, autoimunity a rakoviny [51]. Stárnutí kůže je vícestupňový proces, který může být podpořen vystavením slunci, což může vést k epidermálním změnám a foto-stárnutí [52]. Různé studie navrhly výhody přírodních sloučenin, jako je kurkumin a jeho analogy, při léčbě kožních poruch, jako je stárnutí kůže [53, 54].
V současném výzkumu byly studovány účinky Zingeronu na epidermální tkáně s ohledem na rozdílně exprimované geny a zahrnuté buněčné složky. Výsledkem je, že hodnocené geny hrají bez výjimky roli v zapojení interleukinů, což je dobře známá skupina cytokinů exprimovaných převážně leukocyty. Cytokiny, které jsou produkovány Langerhansovými buňkami imunitního systému kůže, hrají významnou roli při stárnutí kůže [55]. Na základě identifikovaných odlišně exprimovaných genů a jejich účinných buněčných komponent ve smyslu GO, včetně GO:0005615 a GO:0005576, bylo stanoveno, že osmnáct a čtyři typy interleukinů hrají roli v extracelulárním prostoru a regionu.
V souladu s našimi výsledky Shirato et al. zjistili, že ETAS 50 by mohl zabránit stárnutí pleti snížením exprese L-6 a IL-1 beta indukované UV-B(56, 57). Také Guo a kol. uvedli, že kmenové buňky odvozené z tukové tkáně mohou vylučovat několik interleukinů (např. interleukin-I, inter-leukin-8, interleukin-9,interleukin-12, interleukin{13}} a interleukin -17), aby se zabránilo stárnutí pleti [58]. Cvičení by také mohlo ovlivnit hladiny interleukinu-15, a tak zabránit stárnutí pleti [59]. Interleukin 17 (nebo IL-17A) má přímý vztah se stimulací IL-23, což z něj dělá zlatou osu IL-23/IL-17 u zánětů souvisejících s věkem a zmírnění stárnutí kůže pomocí léčby acetyl Zingeronem prostřednictvím stimulace IL-17A [60, 61].
Souhrnně řečeno, současná studie navrhla postup biologie hybridních systémů a systémové farmakologie k identifikaci funkčních mechanismů a úspěšných účinků léčby Zingeronem. Navrhovaný postup zvažuje dopad podobných sloučenin pro stimulaci zúčastněné rodiny interleukinů na stárnutí kůže a jejich antioxidační a protizánětlivé vlastnosti. K potvrzení současných výsledků je zapotřebí více experimentálních studií na lidských a zvířecích modelech, protože účinky Zingeronu na buněčné a molekulární mechanismy stárnutí kůže jsou stále nejasné.
Závěry
Významná role bylinných léků je výzkumným a vědeckým komunitám jasná. Stárnutí kůže a další typy kožních poruch přitahují pozornost lidí po celém světě. V tomto ohledu bylo navrženo několik léků a chemikálií pro účely proti stárnutí. V této studii byl zvažován výpočetní a statistický postup pro zkoumání účinku Zin-geronu na stárnutí kůže na buněčné a genomické úrovni. Dále byly studovány sloučeniny, které jsou strukturně podobné Zingeronu a jejich dopady na kožní onemocnění.
Kromě toho analýza asociace gen-onemocnění a sítě gen-chemikálie odhalily nepopiratelné přímé souvislosti mezi genetikou a kožními poruchami, včetně stárnutí kůže. Nakonec bylo zjištěno, že různé typy interleukinů mají zásadní roli při zmírňování stárnutí kůže. K potvrzení účinků Zingeronu zjištěných v této studii je však nutný další výzkum na lidských nebo zvířecích modelech.
Tento článek je převzat z Amjad et al. Egypt J Med Hum Genet (2021) 22:90