En hybrid systembiologi og systemfarmakologisk undersøgelse af Zingerones virkninger på rekonstrueret humant epidermalt væv, del 1

Venligst kontaktoscar.xiao@wecistanche.comfor mere information

Baggrund:Da individer lever længere, kan ældre befolkninger forventes at stå over for problemer. Dette mønster opfordrer forskere til at undersøge aldringskonceptet yderligere for at producere succesrige anti-aldringsmidler. I den aktuelle undersøgelse blev virkningerne af zingerone (en naturlig forbindelse) på epidermalt væv analyseret ved hjælp af en bioinformatisk tilgang. Metoder: Til dette formål valgte vi GEO-datasættet GSE133338 til at udføre systembiologiske og systemfarmakologiske tilgange, lige fra at identificere de differentielt udtrykte gener til at analysere genontologien, bestemme lignende strukturer af Zingerone og deres egenskaber (dvs. anti- oxidant-, anti-inflammatoriske og hudlidelser), opbygning af gen-kemikalier-netværket, analyse af gen-sygdomsforhold og validering af signifikante gener gennem beviserne præsenteret i litteraturen.

Resultater:Efterbehandlingen af ​​mikroarray-datasættet identificerede tretten essentielle gener blandt kontrol- og Zingerone-behandlede prøver.cistanche pulverProceduren afslørede forskellige strukturelt lignende kemiske og urteforbindelser med mulige hudrelaterede effekter. Derudover undersøgte vi forholdet mellem differentielt udtrykte gener og hudrelaterede sygdomme og validerede deres direkte forbindelser med hudlidelser under de tilgængelige beviser i litteraturen. Analysen af ​​mikroarray-profileringsdatasættet afslørede også interleukins kritiske rolle som en del af cytokinfamilien på fremskridt med hudens aldring.

Klik venligst her for at vide mere

Konklusioner:Zingerone, og potentielt alle bestanddele af Zingerone (f.eks. deres lignende sammensatte scanningsfunktionalitet), kan anvendes som terapeutiske midler til behandling af hudlidelser såsom hudældning. Imidlertid bør de gavnlige virkninger af Zingerone vurderes i andre modeller (dvs. mennesker eller dyr) i fremtidige undersøgelser.

Nøgleord:Zingerone, Hudældning, Systembiologi, Systemfarmakologi, Interleukin, Gen-sygdomsforening, Gen-kemikalier netværk, Lignende forbindelser, Hudsygdom

Baggrund

Huden, der består af epidermis, dermis og subkutane lag, er kroppens største organ og danner en fysisk barriere mellem det ydre miljø og det indre miljø, der beskytter og vedligeholder. Efterhånden som befolkningen ældes, er epidermis og dermis de primære mål for forskellige ændringer, der fremmer udviklingen af ​​nye anti-aging terapeutiske midler [1]. Fysiske og kemiske miljøfaktorer såsom UV-stråling og xenobiotika spiller væsentlige roller i hudcellernes oxidative stress ved at ændre de involverede signalveje, immunsuppression og producere reaktive oxygenarter (ROS) og lysfølsomhedssygdomme [2]. Forskellige hud anti-aging behandlingsprocedurer er tilgængelige, herunder topiske retinoider, peelinger (f.eks. salicylsyre), botulinum neurotoksin, bløddelsfyldstoffer, kollagener, hyaluronsyre, autologt fedt, allogene og syntetiske produkter, lasere, kirurgiske procedurer og endokrinologiske behandlinger , samt andre alternativer såsom fytohormoner[3]. Rapporterne viste, at brugen af ​​naturlige forbindelser har lovende resultater i at reducere UV-inducerede virkninger af hudens aldring, hvilket har fået dem til at spille den primære rolle i kosmetikrelaterede videnskaber[4].

(4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-bu-Zingeronetanone) er en billig og ikke-toksisk phenolisk alkenonstruktur afledt af ingefær (Zingiber officinale Rosc), som er en udbredt brugt urt i farmaceutiske og fødevareindustrier over hele verden (f.eks. Kina, Grækenland og Indien)[5-7].cistanche salsa ekstraktZingerone er et resultat af dehydrering af gingerol, mens den koges eller tørres [5]. De vigtigste farmakologiske egenskaber ved Zingerone omfatter antioxidative, immunstimulerende, anti-inflammatoriske og anti-cancer effekter [8]. Tidligere undersøgelser rapporterede den anti-ultraviolette B(UVB)-strålingsaktivitet af Zingerone til at beskytte epidermis [9].

Cistanche kan anti-aging

Zingerone fungerer sandsynligvis som et neurobeskyttende middel ved at blokere den apoptotiske vej, hvilket forhindrer oxidativt stress og begrænser inflammation [10]. Det menes, at polyphenoliske forbindelser kaldet Zingerone er til stede i ingefær og har potente antioxidantegenskaber, udviser frie radikaler-fjernende aktivitet og giver modstand mod oxidativt stress[11].cistanche stammeForskellige beskyttende virkninger af Zin-gerone er blevet rapporteret i bly-induceret toksicitet[12], streptozotocin/diæt med højt fedtindhold induceret type 2-diabetes[13], reumatoid arthritis [14], lipopolysaccharid-induceret oxidativt stress, DNA-skader, cytokinstorme [15], eksperimentel coloncarcinogenese [16], alloxan-induceret oxidativt stress [17], cyclophosphamid-induceret organtoksicitet [11] og cisplatin (cis-diamminedichloroplatinum (I)-induceret jejunal toksicitet[18]. Zingerone væsentligt nedsatte NF-KB, TGF-, TNF-, IL-1, IL-6 og Hs-CRP-niveauer, mens I-10-niveauerne øgedes betydeligt og antioxidantenzymniveauerne blev genoprettet [14] Når Zingerone gives til dyr (f.eks. Wistar-rotter), der er udsat for de ovennævnte toksiciteter og sygdomme, kan Zingerone således reducere oxidativt stress, inflammation og multiorganbeskadigelse.

Så vidt forfatteren ved, har ingen undersøgelser brugt systembiologiske og systemfarmakologiske tilgange til at bestemme signifikant differentielt udtrykte gener mellem kontrolvæv og dem, der behandles af Zingerone. I denne undersøgelse brugte vi de tilgængelige mikroarray-genekspressionsprofileringsdatasæt til at opfylde dette mål. De funktionelle og cellulære mekanismer af identificerede gener blev også inspiceret. Derefter blev der udført forskellige netværksanalyser, herunder gensygdomme og genkemikalier. Endelig blev virkningerne af kemiske og urteforbindelser svarende til Zingerones struktur undersøgt i detaljer, og valideringen af ​​potentielle signifikante gener blev gennemgået baseret på beviser fundet i litteraturen.

Metoder

Et resumé af den aktuelle forskningsarbejdsgang er illustreret som et flowdiagram, som vist i fig. Datakilde Datasættet, der er brugt i denne undersøgelse, er offentligt tilgængeligt fra genekspression omnibus (GEO) database repository af National Center for Biotechnology Information (NCBI) (dvs. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ )med GPL17692 [HuGene-2_1-st] Affymetrix Human Gene 2.1 ST Array [transcript(gen) version] platformen. Det eneste tilgængelige GEO-datasæt, GSE133338, inkluderede seks rekonstruerede humane epidermale (RHE) væv behandlet med Zingerone (n=3) og vandkontrol (n=3), som vist i Fig.1.

Differentielt udtrykte gener (DEG'er) mellem to typer væv

Dr. Richard Simon og BRB-ArrayTools Development Team udviklede et genomics analytisk værktøj, BRB-ArrayTools(v4.6.1, stabil version), til at bestemme potente DEG'er. Adskillige trin, herunder import af GEO-datasæt, genfiltrering (dvs. |fold changel Større end eller lig med 1), normalisering (dvs. kvantilnormalisering) og annotering (dvs. "pd. hugene.2.1.st"R-pakke [ 19]), var påkrævet for at identificere de signifikante DEG'er. BRB-ArrayTools brugte den tyske (guanin-cytosin robust multi-array analyse) algoritme til at kortlægge probeintensiteterne i deres tilsvarende genekspressionsværdier ved at kassere eksisterende støj. Sammenligningen mellem to behandlede grupper resulterede i identifikation af signifikante DEG'er ved hjælp af værdier på 10,000 og 1 for univariate permutationstests og tærsklen for foldændring. De opnåede DEG-resultater var signifikante ved p Mindre end eller lig med 0,05.

Genontologi og funktionel berigelse analyser DAVID v.6.8(Database for Annotation, Visualization, and Integrated Discovery), som er gratis tilgængelig på http://david.abcc.ncifcrf.gov/summary.jsp, forudsat evalueringen af ​​genontologien (GÅ). Denne evaluering omfattede cellulære komponenter, molekylære funktioner og biologiske processer af DEG'er [20,21]. Tærsklen for EASE-score for en modificeret Fisher-eksakte p-værdi blev sat til standardværdien på 0,1.

Effektivitet og lighedsstrukturanalyser af Zingerone

Den kanoniske SMILES (simplified molecular-input line-entry system) streng for Zingerone-strukturen (vist i fig. 2a) blev opnået fra PubChem-sammensætningsdatabasen (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound)[ 22]. Hver streng af SMILES blev brugt til PubChem-lighedsstruktur og ADME-forudsigelse ved hjælp af online-web

serverværktøjer, dvs. SwissADME [23-25], SwissSimilarity [26] og SwissTargetPrediction [27]. SwissADME-webserveren dækker lægemiddeldesignet og opdagelsen ved at beregne adskillige parametre, herunder fysisk-kemiske deskriptorer, ADME-relaterede parametre, farmakokinetiske egenskaber, lægemiddellignende effekt og undersøgelse af medicinsk kemi-venlighed af SMILES-struktur.

Lighedskriterierne for PubChem-lighedsstrukturen og SwissSimilarity-værktøjerne var henholdsvis {{0}}.92 og 0.50. Til sidst screenede vi litteraturen for eksisterende beviser for funktionaliteter af lignende forbindelser.

Gensygdomme og genkemikalier netværksanalyser Vi udtog de relaterede sygdomme med beviser i henhold til de signifikante gener opnået gennem den brugervenlige DisGeNET (dvs. http://www.disgenet.org/) platform, afledt af litteraturen om mennesker gen-sygdomsassociationer [28].cistanche tubulosa fordele og bivirkningerDerudover blev involveringen af ​​opnåede DEG'er påvirket af Zingerone-behandling i flere specifikke sygdomme (og muligvis i hudrelaterede lidelser) grundigt screenet gennem litteraturstudierne for at bekræfte og validere, om sådanne gener udtrykkes som potentielle biomarkører for sygdommen. Desuden konstruerede og analyserede vi det genkemiske netværk fra NetworkAnalyst 3.0-webserveren for at afsløre potente associationer mellem gener og forbindelser, der er tilgængelige i litteraturen[29].

Resultater

Da manglende mulige gener kan påvirke de endelige resultater, overvejes alle generne inkluderet i mikroarray-datasættet. Dataforbehandlings- og klassesammenligningstilgangen ved hjælp af en t-test med to prøver afslørede i alt tres probe-ID'er, hvorfra kun tretten DEG'er var tilgængelige som kommenterede gener. Fire gener blev nedreguleret, og ni blev opreguleret (som vist i fig. 2b) sammen med deres genekspressionsniveauer mellem kontrol- og Zingerone-behandlede prøver. DAVID funktionelle annoteringsværktøj afslørede, at to cellulære komponenter (dvs. (i) GO:0005615 og ekstracellulært rum med fire involverede gener TNFRSF11B, CTSL, ENDOU og SPACA5 og (ii )GO:{{20}}005576, en ekstracellulær region med tre involverede gener TNFRSF11B, CTSL og ENDOU) blev fundet signifikante. Kappa-værdierne på 1.00 og 0.80 indikerede en meget høj grad af lighed mellem de to GO-udtryk. Desuden har de statistiske måleværdier for GO:0005615 og GO:0005576 foldede berigelser på 7,73 og 4,85, Bonferroni-værdier på 0,09 og 0,72, og Benjamini-værdier på 0,088 og 0,60, og falske opdagelseshastigheder på 0,08, (FDR)68 og 0. henholdsvis. Den detaljerede inspektion af GO-termer viser, at deres tilsvarende underordnede termer har forskellige relationer og krydsreferencer med GO:0005576 og GO:0005615. Relationerne, der involverer det ekstracellulære rum, tyder på, at interleukin-35 kompleks, interleukin-27, interleukin-23 og interleukin-12 var en del af GO:0005615. I øvrigt; relationerne, der involverede den ekstracellulære region, var hovedsageligt en del af det ekstracellulære isoamylasekompleks, ekstracellulært ferritinkompleks, ekstracellulært rum, ekstracellulær vesikel og ekstracellulær matrix, for at nævne nogle få. Fire typer interleukiner (dvs. interleukin-1, interleukin-6, interleukin-34 og interleukin-34 alfa) havde direkte relationer med krydsreferencer af GO:0005615 (for flere oplysninger, se https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005615). Adskillige interleukintyper, herunder interleukin-12 alfa, interleukin-23 alfa, interleukin-17, interleukin-1 alfa, interleukin-1 beta og interleukin{{54} }, var relateret til krydsreferencer af GO:0005576 (afledt af https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005576).

Vurderingen af ​​absorption, fordeling, metabolisme og udskillelse (ADME) af Zingerone-strukturen ved hjælp af biotilgængelighedsradaren (fig. 3a) angiver den høje bioaktive lægemiddellignende egenskab og repræsenterer lipofilicitet, molekylvægt, opløselighed og fleksibilitetsegenskaber placeret. i det lyserøde område. Desuden fysisk-kemiske og lipofilicitetsegenskaber (Lipinskis femteregel) (dvs. molekylvægt: 194,23 g/mol, antal roterbare bindinger: 4, antal H-bindingsacceptorer: 3, antal H-bindingsdonorer: 1 og konsensus Log Po/w:1.79) viser ingen overtrædelser.cistanche tubulosa ekstraktVandopløselighedsparametrene, herunder Log S (ESOL), Log S (Ali) og Log S (SIL-COS-IT), viser henholdsvis meget opløselige, meget opløselige og opløselige egenskaber. Desuden afslører de farmakokinetiske egenskaber et højt niveau af gastrointestinal absorption og kun CYP1A2-hæmmende funktion blandt andre cytokrom-enzymhæmmere.

SwissTargetPrediction-analysen resulterer i i alt 100 målproteiner for Zingerone, blandt hvilke enzymer, udskilte proteiner, nukleare receptorer og oxidoreduktaser udgør de højeste procenter (fig. 3b). En yderligere inspektion af lignende strukturer gennem SwissSimilarity og PubChem afslørede to FDA-godkendte lægemidler (dvs. Nabumetone og Maso-procol), to eksperimentelle lægemidler (dvs. Matairesinol og 3-(4-hydroxyphenyl){{ 6}}(2,4,6-trihydroxyphenyl)propan-1-on) og tre Zingiber-bestanddele (dvs.6-Shogaol, 6-Paradol og {{13} }Gingerol)(angivet i tabel 1). Inspektionen afslørede også deres validerede anti-inflammatoriske og antioxidante egenskaber, såvel som de bekræftede hudlidelser, såsom hud-anti-aldring, gennem beviserne i litteraturen.Gen-sygdomsforholdets resultater fra Dis-GeNET (ledsaget af relevant dokumentation fra litteraturen) er opsummeret i tabel 2. Resultaterne indikerer, at DEG'erne påvirker forskellige sygdomme, herunder hudrelaterede lidelser. Desuden viser konstruktionen af ​​gen-kemikalier-netværket involveringen af ​​syv DEG'er, der er direkte forbundet med forskellige kemikalier. Kun fire af dem (dvs. TNFRSF11B, DNLZ, OR9Il og MIR614) er relateret til treogtyve hudrelaterede forbindelser (vist i fig. 4).

Diskussion

Sollys er en kilde til ultraviolet (UV) stråling, som kan skade huden. Hudens ældning, som skyldes eksponering for UV-stråling, klassificeres ofte i tre hovedkategorier (dvs. UV-A, UV-B og UV-C). UV-A udgør 95 procent af de UV-stråler, der når jordens overflade, og

hvor R er en type frie radikaler, såsom hydroxyl-, per-oxyl-, alkoxyl- eller alkylradikaler, og O eller OCH, er de resterende frie radikaler [46,47]. Tilsvarende gælder virkningsmekanismen for disse kemikalier, givet deres anti-inflammatoriske egenskaber, gennem radikalopfangende aktiviteter [48].

Derudover er det blevet fastslået, at immunsystemet kan fungere i den menneskelige krop som et tveægget sværd, hvor immunitet og immunopatologi samtidigt giver fordele og gør skade ved at balancere medfødt og adaptiv immunitet [49]. I en nylig anmeldelse har Zouboulis et al. udtalte, at "I klinisk praksis betyder 'at se bedre ud ikke at se yngre ud."[50].

Huden, det største organ i den menneskelige krop, arver alle immunsystemets funktioner for bedre at studere inflammation, autoimmunitet og cancer [51]. Hudens aldring er en flertrinsproces, der kan fremmes gennem soleksponering, hvilket kan resultere i epidermale ændringer og fotoældning [52]. Forskellige undersøgelser har foreslået fordelene ved naturlige forbindelser såsom curcumin og dets analoger til behandling af hudlidelser såsom hudældning [53, 54].

I den nuværende undersøgelse er virkningerne af Zingerone på epidermalt væv blevet undersøgt under hensyntagen til de differentielt udtrykte gener og de involverede cellulære komponenter. Som et resultat, uden nogen undtagelser, spiller de vurderede gener roller ved at involvere interleukiner, som er en velkendt gruppe af cytokiner, der hovedsageligt udtrykkes af leukocytter. Cytokiner, som produceres af Langerhans-cellerne i hudens immunsystem, blev rapporteret at spille en væsentlig rolle i hudens aldring [55]. Baseret på de identificerede differentielt udtrykte gener og deres effektive cellulære komponenter i form af GO, herunder GO:0005615 og GO:0005576, blev atten og fire typer interleukiner bestemt til at spille roller i henholdsvis ekstracellulært rum og region.

I overensstemmelse med vores resultater har Shirato et al. fandt, at ETAS 50 kunne forhindre ældning af huden ved at reducere både UV-B-induceret L-6 og IL-1 beta udtryk (56, 57). Guo et al. rapporterede, at fedtafledte stamceller kunne udskille adskillige interleukiner (f.eks. interleukin-I, inter-leukin-8, interleukin-9, interleukin-12, interleukin-15 og interleukin -17)for at hæmme hudens aldring [58]. Træning kan også påvirke interleukinniveauet-15 og dermed forhindre hudens aldring [59]. Interleukin 17 (eller IL-17A) har et direkte forhold til stimuleringen af ​​IL-23, hvilket gør dem til en gylden IL-23/IL-17-akse i aldersassocieret inflammation og dæmpning af hudens aldring via acetyl Zingerone-behandling gennem IL-17A-stimulering [60, 61].

Sammenfattende foreslog den aktuelle undersøgelse en hybrid systembiologi og systemfarmakologisk procedure for at identificere de funktionelle mekanismer og vellykkede virkninger af Zingerone-behandling. Den foreslåede procedure overvejer virkningen af ​​lignende forbindelser til stimulering af den involverede interleukinfamilie på hudens aldring og deres antioxidante og antiinflammatoriske egenskaber. Flere eksperimentelle undersøgelser af menneske- og dyremodeller er nødvendige for at bekræfte de nuværende resultater, da Zingerones virkninger på cellulære og molekylære mekanismer på hudens aldring stadig er uklare.

Konklusioner

Naturlægemidlernes fremtrædende rolle er tydelig for forsknings- og videnskabelige samfund. Hudens aldring og andre typer hudlidelser har tiltrukket sig opmærksomhed fra mennesker over hele verden. I denne henseende er flere lægemidler og kemikalier blevet foreslået til anti-aldringsformål. I denne undersøgelse blev en beregningsmæssig og statistisk procedure overvejet for at undersøge virkningen af ​​Zingerone på hudens aldring på celle- og genomniveau. Derudover blev forbindelser, der strukturelt ligner Zingerone og deres indvirkning på hudrelaterede sygdomme, undersøgt.

Desuden afslørede gen-sygdomssammenslutningen og gen-kemikalier netværksanalyser ubestridelige direkte forbindelser mellem genetik og hudlidelser, herunder hudens aldring. Endelig viste det sig, at forskellige typer interleukiner havde en afgørende rolle i at dæmpe hudens aldring. Yderligere forskning ved hjælp af humane eller dyremodeller er imidlertid påkrævet for at bekræfte virkningerne af Zingerone bestemt i denne undersøgelse.

Denne artikel er uddraget af Amjad et al. Egypten J Med Hum Genet (2021) 22:90