Strukturel lighedsbaseret forudsigelse af de potentielle aktive ingredienser og virkningsmekanisme af traditionelle kinesiske medicinformuleringer, der bruges til anti-aldring

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Qian Zhang, et al

Abstrakt

Objektiv:At forudsige potentialetaktivingredienser(PAI'er) og virkningsmekanisme aftraditionelkinesiskmedicinformuleringer, der bruges til at forsinke aldring.

Metoder: Vi inkorporerede brugen af ​​kvantekemiberegninger og maskinlæring til at forudsigeaktivingredienseraf nogle kinesiske naturlægemidler, der bruges til at forsinke aldring. Derefter blev en netværksfarmakologisk tilgang brugt til at afdække, hvordan disse PAI'erforsinketaldring.

Resultater:Tolv PAI'er medanti-aldringeffekter blev opdaget: androsteron, MHP, cortison, propylmethyltrisulfid, retinol, retinal, cortisol, 11-cis-Retinol (2R, 3R)-3-hydroxyprolin,4,5alpha-dihydrocortison (2S){{ 9}}ammoniak-6-ureidohexanoat og17alfa, 21-dihydroxy-5beta-pregnan-3,11,20-trion. Berigelsesanalyser indikerede, at et formodet sammensætningsmål og aldringsmål var signifikant forbundet med: regulering af immunsystemet; insulin receptor signalvej; regulering af den mitotiske cellecyklus; reaktion på næringsstofniveauer; reaktion på oxidativ stress; frigivelse af cytochrom c fra mitokondrier; læring eller hukommelse; inflammatorisk respons.

Konklusioner:En ny metode blev foreslået til at forudsige PAI'erne afanti-aldringnaturlægemidler ved at inkorporere kvantekemiberegninger og maskinlæring. Derefter blev en netværksfarmakologisk tilgang brugt til at afdække, hvordan disse PAI'er forsinker aldring. Oplysningerne fra vores undersøgelse af PAI'er kan hjælpe med opdagelsen afanti-aldringstoffer.

SØGEORD: Kvantekemiberegninger; Maskinelæring; Aktive ingredienser; Mekanisme; Aldring

Cistanche har enanti-aldringfungere

Introduktion

Aldring refererer til et gradvist fald i organfunktionen. Et kendetegn ved aldring er det progressive tab af fysiologisk integritet, som fører til en stigning i dødelighedsrisikoen. Forværringen forårsaget af aldring er en væsentlig risikofaktor for udvikling af kræft, diabetes mellitus og andre aldersrelaterede menneskelige sygdomme1 og er en stor belastning for samfundet, familier og individer.2 Derfor er opdagelsen af ​​nyeaktivingredienserfor at forsinke aldring og forebygge aldringsrelaterede sygdomme er et vigtigt udækket behov.

Naturlige produkter giver store perspektiver for opdagelsen afanti-aldringdrugs. Many compounds and extracts from natural products have been reported to delay aging and prolong life,3 such as polypeptides from Fructus lycii (Lycium barbarum L.),4 and polysaccharides from the fruits of ginseng (Solanum muricatum).5 Compared with Western medicine, traditionelkinesiskmedicin(TCM) er baseret på multi-target-mekanismer og er forbundet med færre negative virkninger med hensyn til at forsinke aldring.6 Undersøgelser har vist, at TCM-formuleringer fremkalder deres virkninger på aldring ved at styrke antioxidanteffekter, immunfunktion og neuroendokrin regulering. som hæmmende skade på DNA i celler.7e9 Men om denanti-aldringeffekt af TCM formuleringer er en præcis mekanisme eller en del af en synergistisk effekt er ikke kendt. De kliniske implikationer af TCM ianti-aldringer ikke kendt, og deaktivingredienseraf TCM-formuleringer skal karakteriseres.6

Identifikation afaktivingredienseraf lægemidler involverer normalt brug af dyremodeller såsom Drosophila melanogaster og Caenorhabditis elegans,3 testning af cellelevedygtighed,10 maskinlæring og molekylær docking.11,12 Sådanne eksperimentelle metoder er imidlertid tidskrævende og dyre. Desuden påvirkes maskinlæring af overtilpasningsproblemer og negative prøver. Molekylær docking kan ikke altid give den nøjagtige tredimensionelle (3D) struktur af proteinkrystaller.13

Netværksfarmakologi kan bruges til målidentifikation og aktivitetsforudsigelse på et systematisk grundlag.14 Denne strategi sparer tid og hjælper med at overvinde problemerne med ikke at have nøjagtige 3D-strukturer af proteinkrystaller og have negative prøver.13

Få undersøgelser har fokuseret på forholdet mellem komponenterne i TCM-formuleringer og deres kemiske strukturer.6 Kvantekemi er en af ​​de mest succesrige anvendelser af kvantemekanik og kan bruges til at forstå materialer fra atom til molekylære skalaer.15 Kvantekemi er således beregninger, maskinlæring og netværksfarmakologi kan integreres for at studere TCM-formuleringer.

I dette arbejde, komponenter og metabolitter af flereanti-aldringTCM-formuleringer blev indsamlet fraTraditionelkinesiskMedicinSystems Pharmacology Database (TCMSPD) og Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG). Også nogleanti-aldringstoffer blev indsamlet fra Narkotikabanken. Nogle molekylære egenskaber af komponenterne og metabolitterne af TCM-formuleringer og anti-aldringslægemidler blev beregnet ved kvantekemi. Derefter blev disse molekylære egenskaber brugt som input til at udvikle aclustering-model i henhold til Wards metode. Komponenterne og metabolitterne samlet i én kategori med anti-aldringslægemidler blev udvalgt som potentielleaktivingredienser(PAI'er). Til sidst blev en omfattende netværksfarmakologisk metode brugt til at afklare virkningsmekanismen for disse PAI'er vedanti-aldring. Formålet med denne undersøgelse var at bruge en ny metode til at forudsige PAI'erne af TCM-formuleringer og deres virkningsmekanisme mod aldring.

Cistanchehar enanti-aldringfungere

Materialer og metoder

Dataforberedelse

Sammensatte forbindelser og metabolitter af hver TCM-formulering

Vi screenede potentialetanti-aldringingredienser i seks Yang-tonificerende naturlægemidler: eucommiae cortex (Eucommia ulmoides Oliv), 16 astragali complanate sæd (Astragalus klagende R.Br.), 17 humane placentae (Hominis placenta), 18 cistanches herba (Cistanche deserticoanche tubulosa/Cistanche deserticoanche Maulosa Schenk) Wight),19 cerci cornu pantotrichum (Cervus nipport Temminck/Cervus elaphus Linnaeus) 20 og cynomorii herba (Cynomorium songaricum Rupr.).21

Komponenterne og 2D-strukturerne af komponenterne i de urtemedicin, der er nævnt ovenfor, var fra TCMSPD22, en unik farmakologisk systemplatform designet til kinesisk urtemedicin. DetTraditionelkinesiskMedicinDatabase (TCMD) 23 er en grundlæggende informationsdatabase, der bruges til statsadministrationen af ​​TCM.

Til sidst indsamlede vi 119 komponenter i eucommiae cortex, 41 komponenter i astragali complanati sæd, 10 komponenter i den menneskelige placenta, 75 komponenter i cistanches herba, 10 komponenter i cerci cornu pantotrichum og 3 komponenter i cynomorii herba (Supplerende fil 1).

Metabolitterne og 2D-strukturerne af disse seks naturlægemidler blev hentet fra KEGG (www.kegg.jp).24 Vi fik disse naturlægemidlers metabolitter fra www.kegg.jp/kegg/reaction/. I alt blev der indsamlet 29 metabolitter i eucommiae cortex, 11 metabolitter i astragali complanate sæd, 13 metabolitter i den humane placenta, 51 metabolitter i cistanches herba og 22 metabolitter i cerci cornu pantotrichum (Supplerende fil 2).

Kemiske strukturer og mål for anti-aging lægemidler

Halvtreds stoffer rapporterede at haveanti-aldringeffekter blev noteret.25e32 2D-strukturerne af disse lægemidler blev eksporteret fra Drug Bank-databasen v3.033 (www.drugbank.ca) (Supplerende fil 3).

De sammensatte mål for hveranti-aldringlægemiddel (den kemiske struktur af disse lægemidler lignede PAI'erne) blev indsamlet fra Drug Bank-databasen. Blandt alle mål blev kun dem, der eksisterede i den menneskelige krop, bibeholdt. Der blev således indsamlet 69 mål (Supplerende fil 4).

Aldringsrelaterede gener

The Human Aging Genomic Resources er en gratis database, der giver information om biologi og genetik ved aldring.34 I dette arbejde blev 293 aldringsrelaterede gener indsamlet fra HAGR (Supplerende fil 5).

Proteinproteininteraktioner (PPI'er)

PPI-data blev importeret fra hiPathDB-databasen (http://hiPathDB.kobic.re.kr).35 Denne database giver information om biologiske reaktioner og signalveje til at konstruere molekylære interaktionsnetværk afanti-aldringTCM formuleringer.

Cistanche har enanti-aldringfungere

PPAI forudsigelse

Molekylære deskriptorer

Beregningsmæssig beskrivelse af molekyler er nødvendig for in silico forudsigelse, som ofte bruges til at beskrive de strukturelle karakteristika af molekyler på en kvantitativ måde.36 I nærværende undersøgelse blev 209 molekylære deskriptorer beregnet37e39: 1 molekylær-polarisationsegenskab; 42 topologiske egenskaber; 11 geometriske egenskaber; 147 fragmenter egenskaber af effektiviteten af ​​grupper; 8 egenskaber for sporelementer (Supplerende fil 6).

Beregning af molekylær polariserbarhed, topologiske egenskaber og geometriske egenskaber blev udført ved hjælp af ChemAxon (https://www.chemaxon.com/). De andre egenskaber blev beregnet ved hjælp af Power MV v0.61 (www. niss.org/PowerMV).

Klyngeanalyser

Vi brugte Wards metode til hierarkiske klyngeanalyser. Denne tilgang anvender variansanalyser. Kriteriet for at vælge det par af klynger, der skal flettes i hvert trin, er baseret på den optimale værdi af en objektiv funktion. Wards metode kan maksimalt reducere summen af ​​den kvadrerede fejl.40

Forudsigelse af PAI-mål

Molekylære deskriptorer og klyngeanalyser blev brugt til at screene TCM-formuleringer, der lignede lægemidler. Komponenterne og metabolitterne er samlet i én kategori medanti-aldringlægemidler blev udvalgt som PAI'er. De terapeutiske mål for lægemidler mod aldring blev også betragtet som målene for plantelægemidlers PAI'er.

En netværksfarmakologisk metode til at afdække virkningsmekanismen af ​​PAI'er på anti-aging

TCM grammatiksystemer illustrerer den molekylære virkningsmekanisme af naturlægemidler og kan påvises ved GZ (V, F, P, S ).41 I nærværende undersøgelse er virkningsmekanismen af ​​de aktive komponenter ianti-aldringnaturlægemidler blev forklaret af TCM grammatiksystemer.

V indeholdt forskellige typer knudepunkter (PAI'er, mål, sygdom og relaterede gener, forbindelser). F omfattede forskellige typer knudepunkter (f.eks. interaktion, aktivering). P var slutningsreglen mellem målene for PAI'erne i TCM-urter og proteiner relateret til aldring. Alle netværk blev genereret ved hjælp af Cytoscape v3.2.142, som er blevet brugt til at illustrere virkningsmekanismen for TCM-formuleringer.

Resultater

Klyngeanalyser

Resultaterne af klyngeanalyser er vist i fig. 1. Otte grupper blev taget i betragtning. Gruppe 1 indeholdt cholin og propylmethyltrisulfid. Gruppe 2 omfattede metformin og (2S)-2-ammoniak-6-ureidohexanoat. Gruppe 3 indeholdt b-caroten, retinol, retinal og 11-cis-Retinol. Gruppe 4 omfattede liponsyre og (2R, 3R)-3- hydroxyprolin. Gruppe 5 indeholdt levodopa og MHP. Gruppe 6 omfattede DHEA (dehydroepiandrosteron) og androsteron. Gruppe 7 indeholdt prednisonkortison, 17alpha, 21-dihydroxy-5beta-pregnan-3,11,20-trion og 4,5alpha-dihydrocortison. Gruppe 8 omfattede hydrocortison, prednisolon og cortisol (tabel 1).

Altså baseret på lighederne i kemiske strukturer mellemanti-aldringlægemidler og komponenter og metabolitter af naturlægemidler, opdagede vi 12 PAI'er (retinol, retinal, cortisol, MHP, androsteron, cortison, propylmethyltrisulfid (2S)-2-ammoniak-6-ureidohexanoat (2R,3R) -3-hydroxyprolin, 4,5alpha-Dihydrocortison, 11-cis Retinol og 17alpha,21-Dihydroxy-5beta-pregnane-3,11,20- triolein fire urter (eucommiae cortex, cistanches herba, human placenta, cynomorii herba).

Figur 1. Klyngeanalyser mellem forbindelser aftraditionelkinesisklægemidlerog lægemidler baseret på strukturel lighed.Bemærk: Udtrykkene "mol007647", "mol009052", "mol009019", "mol009018", "1170" og "4097" henviser til propylmethyltrisulfid (2S)-2-ammoniak{{ 8}}ureidohexanoat (2R, 3R)-3-hydroxyprolin, henholdsvis MHP, androsteron og cortison.

Formodede mål for PAI'er

På basis af målforudsigelse er de tilsvarende 69 mål for disse lignende lægemidler som formodede mål for PAI'er vist i Supplerende fil 4.

Virkningsmekanisme af PAI'er i anti-aging

Konstruktion af PAIeputative mål aldringsrelaterede gener - andet menneskeligt PPI-netværk

Et PAIeputativt mål er aldringsrelaterede gener, et andet menneskeligt PPI-netværk blev konstrueret (fig. 2). Netværket omfattede 518 noder (12 PAI'er, 16 formodede mål/kendte aldringsmål, aldring, 123 kendte aldringsmål/aldringsrelaterede gener, 366 andre humane proteiner) og 2377 kanter.Berigelseanalyser indikerede, at et formodet sammensat mål og ældningsmål var signifikant forbundet med: regulering af immunsystemet; insulin receptor signalvej; regulering af den mitotiske cellecyklus; reaktion på næringsstofniveauer; reaktion på oxidativ stress; frigivelse af cytochrom c fra mitokondrier; læring eller hukommelse; inflammatorisk respons (tabel 2).

Analyser af et (2R, 3R)-3-formodet hydroxyprolin-forbindelse, der er målrettet mod undernetværk

Grundige analyser af hele netværket var vanskelige på grund af dets kompleksitet. Derfor analyserede vi forholdet mellem målene for PAI'er og sygdomsassocierede proteiner ved at udtrække et undernetværk. Som følge heraf blev et (2R, 3R)-3-formodet hydroxyprolin-forbindelse rettet mod målundernetværk brugt til at afklare, hvordan (2R, 3R)-3-hydroxyprolin virker ved aldring. I dette undernetværk var der 8 noder og 15 kanter (fig. 3).

Diskussion

Tabel 1 viser, at den kemiske struktur af forbindelser i hver gruppe var ens. For eksempel i gruppe 7 har prednison, cortison, 17a,21-dihydroxy-5b-pregnan-3,11,20- trion og 4,5a-dihydrocortison hydroxyl grupper, carbonylgrupper og et identisk antal ringe. De PAI'er, som vi forudsagde, såsom androsteron, har angstdæmpende og kognitiv-forstærkende virkninger, som aftager med alderen.43 Kortison er en af ​​komponenterne i den menneskelige placenta, som er blevet rapporteret at forlænge livet.44,45 A-vitamin er en gruppe af umættede ernæringsmæssige organiske forbindelser, der inkluderer retinol, retinal, retinsyre, som kan forhindre aldersrelateret hukommelsessvækkelse.46,47 Vi konkluderede således, at androsteron, cortison, retinol og retinal kan være PAI'er ianti-aldringurter, en konklusion, der er i overensstemmelse med klyngeresultater.

Aldring er relateret til ændringer i antallet og funktionen af ​​medfødte immunceller. Aldring reducerer evnen hos receptorerne af medfødte immunceller til at reagere på bakterielle og virale patogener.48 Oxidativ stress-induceret redoxubalance påvirker aldring og aldersrelaterede neurodegenerative sygdomme.49,50 Øget oxidativ stress kan føre til aldring.51 Den biologiske respons til oxidativ stress, indlæringsmangler21 og positiv regulering af immunsystemet19 ved hjælp af genontologi (tabel 2) var i overensstemmelse med litteraturen, og som er relateret til aldring.

Natriumafhængig multivitamintransporter (Q9Y289) kan transportere pantothenat, biotin og lipoat i nærværelse af natrium (fig. 3). Biotin (AB171548) er et vandopløseligt B-kompleks vitamin (B7, B8 eller H) og en essentiel cofaktor for adskillige carboxyleringsreaktioner. Biotinmangel har ugunstige virkninger på cellulær og humoral immunfunktion.52 A4 (P05067) er et lille transmembran lipoprotein, der kan hjælpe med at begrænse høje niveauer af viral replikation.53 Evnen til at kontrollere viral replikation er også tæt forbundet med aldring.54 Således , konkluderer vi, at (2R, 3R)-3-hydroxyprolin kan fungere som en natriumafhængig multivitamintransporter til at kontrollere viral replikation ved at aktivere amyloid-precursorproteiner for at forsinke aldring.

Figur 3 Vejnetværket af (2R, 3R)-3-hydroxyprolin til terapeutisk mål P05067. Bemærk: Orange, blå, gul, grå, pink og rød stiplet pil og ubrudt linje T repræsenterer komponenterne i eucommiae cortex, formodet henholdsvis mål, forbindelse, biologisk proces, aldringsmål, aldring, aktivering og hæmning.

Konklusion

En ny metode blev foreslået til at forudsige PAI'erne afanti-aldringnaturlægemidler ved at inkorporere kvantekemiberegninger og maskinlæring. Derefter blev en anetwork-farmakologisk tilgang brugt til at afdække, hvordan disse PAI'er forsinker aldring. En sådan in silico-metode kunne hjælpe med opdagelsen og udviklingen afanti-aldringstoffer. Oplysningerne fra vores undersøgelse af PAI'er kan hjælpe med opdagelsen af ​​anti-aldringsmedicin.

Finansiering

Dette arbejde er støttet af Natural Science Foundation ofChina (81373985).

Interessekonflikt

Vi erklærer, at der ikke er nogen konkurrerende interesser.

Fra: ' Strukturel lighedsbaseret forudsigelse af potentialetaktivingredienserog virkningsmekanisme aftraditionelkinesiskmedicinformuleringer brugt tilanti aldringvedQian Zhang, et al

---Tidsskrift afTraditionelkinesiskMedicinsk Videnskab (2018) 5, 177e184