文摘
缺血性中风是伴随着高死亡率和患病率。目前,没有有效的临床治疗方法。另外,中药已广泛应用在中国和日本对缺血性中风的治疗。从黄芩中提取黄芩苷是一种黄酮类,已被证明是有效的对缺血性中风;然而,其机制尚未完全阐明。网络药理学的基础上,我们探讨了黄芩苷在系统级的潜在机制。从PubChem数据库,获取黄芩苷结构信息后一种方法结合文献挖掘和PharmMapper预测被用来发现黄芩苷的目标。缺血性中风相关的目标聚集借助DrugBank在线孟德尔遗传在人(人类),遗传协会数据库(广泛性焦虑症),和治疗目标数据库(运输大亨)。蛋白质相互作用(PPI)网络构造通过Cytoscape插件BisoGenet和拓扑分析的方法。基因本体论(去)和《京都议定书》百科全书的基因和基因组(KEGG)通路浓缩通过数据库进行了注释,可视化、发现和集成(大卫)服务器。 We obtained a total of 386 potential targets and 5 signaling pathways, including mitogen-activated protein kinase (MAPK), phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/protein kinase B (AKT), hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1), nuclear factor kappa B (NF-κB),和forkhead盒(FOXO)信号通路。分析表明,这些目标与antiapoptosis有关,抗氧化应激、抗炎和其他physiopathological过程参与anti-ischemic中风的效果。总之,黄芩苷对缺血性中风的机制涉及多个目标和信号通路。我们的研究为未来的研究提供了一个网络药理学框架中药。
1。介绍
中风是一种常见的成年人疾病在世界范围内,以高死亡率、发病率和患病率(1]。缺血性中风占88%的中风病例(2),被定义为一种大脑血管阻塞和大脑的血液灌注减少,导致可怜的氧气和葡萄糖供应(3]。缺血性中风的两个主要的治疗策略是溶栓治疗和神经保护治疗(4]。到目前为止,重组组织纤溶酶原激活物(rtPA)是唯一的复合食品和药物管理局批准的作为一个有效的策略对急性缺血性中风(5]。由于时间窗限制和其他困难,潜在的药物治疗缺血性中风是迫切需要的。众所周知,多种病理过程参与缺血性中风,包括能量代谢和氧化应激变化随着缺血再灌注损伤的进展(6]。为了解决这个问题,未来的干预应该关注药物组合和目标化合物的发展。
传统中药已被证明是有效地促进缺血性中风后恢复(7]。Huanglian-Jie-Du-Tang (HLJDT),一个典型的中国传统草药配方由四个草药如Coptidis根茎,黄芩基数,Phellodendri对皮层,和Gardeniae果实的重量比3:2:2:3,已被广泛用于治疗缺血性中风的临床设置在中国和其他亚洲国家8]。在研究HLJDT对缺血性中风的有效物质,我们的团队强调了黄芩苷,黄酮化合物HLJDT隔绝,对缺血性中风的有利影响。与其他研究人员的观察一致(9- - - - - -11),我们之前的数据显示,黄芩苷表现出神经保护作用在大脑中动脉闭塞(MCAO)大鼠的治疗时间窗内4 h和有很好的抗氧化作用在活体内和体外12]。
从HLJDT最重要的化合物发现,黄芩苷表现出明确的生物活性。然而,研究黄芩苷的机制anti-ischemic中风影响仍在动物水平的指标,而缺乏系统性或整体角度导致知识差距的理解多目标代理如黄芩苷。用系统的方法、网络药理学阐述了药物之间的关系,目标,和疾病和礼物的药物靶点网络视觉从整体的角度来看(13]。它有助于理解药物的polypharmacology及其对生物网络,提高疗效的影响(14]。在目前的研究中,我们使用一个网络药理学平台,包括药物目标预测蛋白质相互作用(PPI)网络建设、拓扑筛选和基因功能分析发现黄芩苷对缺血性中风的机制,确定其药用价值。它提供了一个新颖的研究方法映射antisichemic中风黄芩苷和识别潜在的蛋白质目标协调机制产生协同作用。
2。材料和方法
2.1。获取黄芩苷的结构信息
黄芩苷的结构信息(PubChem CID: 64982)从NCBI PubChem获得数据库(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)和锌(http://zinc.docking.org/) (15,16]。吸收、分布、代谢和排泄(ADME)筛查标准包括黄芩苷生物利用度(OB) drug-likeness (DL),血脑屏障(BBB),等等。价值观从中医系统获得药理学(TCMSP)数据库(17]。
2.2。预测Baicalin-Associated目标
确定黄芩苷的潜在目标,两种药物的目标进行了预测。第一,目标是来自文献从NCBI数据库的公共医学中心(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/)。搜索条件包括“黄芩苷”和“脑缺血”,“脑梗塞”,“脑缺血,”或“中风”。第二部分是来源于PharmMapper数据库(http://lilab.ecust.edu.cn/pharmmapper/),旨在为小分子识别潜在的目标通过反向药效基因映射方法(18]。黄芩苷的MOL2文件上载到web服务器和人类蛋白质的目标只选择数据库。前300名潜在的目标是获得并按合适的分数值。
2.3。挖掘已知缺血性中风相关的目标
已知目标相关的缺血性中风从四个现有数据库获得使用“脑缺血”和“缺血性中风”作为关键词。使用的数据库是DrugBank (http://www.drugbank.ca/;版本:4.3),在线孟德尔遗传在人(人类;http://www.omim.org/;最后更新:2016年4月10日),遗传关联数据库(广泛性焦虑症;http://geneticassociationdb.nih.gov/;最后更新:2014年9月1日),和治疗目标数据库(运输大亨;https://db.idrblab.org/ttd/;最后更新:2015年9月10日)。
2.4。构建PPI网络
PPI数据获得通过Cytoscape插件BisoGenet [19],它集成了现有的数据从六个PPI数据库,包括完整的分子相互作用数据库(完整的),生物通用存储库交互数据集(BioGRID),生物分子相互作用网络数据库(绑定),分子间相互作用的数据库(薄荷),人类蛋白质参考数据库(HPRD)和数据库交互的蛋白质(下降)。两个PPI交互式网络被Cytoscape构造和可视化软件,包括预测目标、已知脑缺血的目标。合并这两个网络作为候选人网络后的交集PPI数据显示,拓扑特性进行分析筛选核心PPI网络。
2.5。网络拓扑分析功能
通过计算六个措施,中间性中心(BC),学位中心(DC),特征向量中心(EC),亲密中心(CC),网络中心(NC)和当地平均连通性(LAC)插件CytoNCA,交互网络中的每个节点的拓扑性质进行了分析。这六个参数的定义和计算方程代表了拓扑网络中一个节点的重要性。更重要的是网络中节点接收更高的量化值(20.]。
2.6。识别核心PPI网络的集群
密集连接地区大型PPI网络可能代表分子复合物被定义为拓扑模块或集群(21,22纯粹的网络属性)。聚合节点类似或相关的函数在同一网络被称为功能模块。一群网络组件一起破坏细胞功能,然后导致一个特定的疾病表型是疾病模块。因为拓扑结构、功能以及疾病模块有相同的意义网络,拓扑模块和功能模块等于疾病可以被视为功能模型的干扰和破坏。集群的核心PPI网络是通过分析获得相应的网络由MCODE Cytoscape插件(21]。
2.7。基因本体论(去)和通路富集分析
去分析分为三个类别的假定的目标,即生物过程(BP)、蜂窝组件(CC)和分子功能(MF),以及《京都议定书》全书的基因和基因组(KEGG)信号通路分析进行了使用数据库的注释,可视化和综合发现(大卫)[23]。P值≤0.05被认为是显著的和丰富的条款被确认使用超几何测试。气泡图绘制使用OmicShare平台,免费的在线平台数据分析(http://www.omicshare.com/tools)。
3所示。结果
3.1。黄芩苷结构信息
TCMSP的帮助下,我们发现ADME相关的一些重要信息,如人类OB、DL、Caco-2渗透率、BBB通透性,利平斯基的规则五(MW, AlogP, TPSA、Hdon和直接使用)。ADME-related黄芩苷的性质被TCMSP全面检查,特别是,黄芩苷的DL是计算为0.75,表明黄芩苷类似于已知的药物(补充表1)。以下的否决,MW < 500 Da, ALogP < 5, DL > 0.18, OB > 30%,和BBB通透性> 0.3,被用来确定潜在的药物黄芩苷的性质。黄芩苷的ADME性质符合以上达标BBB除外。
3.2。预测Baicalin-Associated目标和矿业缺血性中风相关的目标
使用PharmMapper,我们获得了前300名潜在的人类蛋白质黄芩苷(补充表的目标2),这是从7302年的药效团模型。通过四个可用资源,即运输大亨,人类,迦得和DrugBank数据库,我们获得了15,249年,58岁和21缺血性中风相关的目标,分别为(补充表3)。此外,30重叠蛋白质目标是公认的从上面的两类目标。
3.3。构建PPI网络和分析网络拓扑特性
网络pharmacology-based分析是很重要的在系统生物学的研究因为PPI网络可以用来理解不同的蛋白质的功能复杂的缺血性中风等疾病。因此,我们构建了一个目标网络、一个缺血性中风相关的目标网络使用PPI数据(数据1(一)和1(b))。揭示对缺血性中风黄芩苷的药理机制,我们使用merge Cytoscape提供的网络函数构造一个新的网络边缘(44809个节点和132441)组成的两个网络(图重叠的目标1(b))。节点度只有中等程度的两倍多的所有节点可以显著的目标;因此,我们构建了一个网络有意义的目标,黄芩苷对缺血性中风和1139个节点和51996个边缘(图1(c))。最后,我们选择了六个拓扑特性来确定候选目标,公元前CC,直流,EC,数控,和虫胶,CytoNCA。公元前候选目标显示的值> 456.42,CC > 0.509,直流> 71,EC > 0.019,数控> 19.397,虫胶> 17.5(图1(d))。
3.4。富集分析候选目标黄芩苷对缺血性中风
去分析386个候选目标黄芩苷对缺血性中风都使用了大卫数据库了解功能单元之间的关系和他们的潜在意义的生物系统网络。结果是分为三个部分,生物过程(图2(一个)(图),细胞组件2 (b)),和分子功能(图2 (c))。我们发现生物学过程相关的激活信息附着力,消极的凋亡过程的监管,T细胞受体信号通路,增殖蛋白激酶(MAPK)级联,积极调节核转录因子(NF -κBκB)转录因子活性、细胞DNA损伤反应的刺激,调节肿瘤坏死因子(TNF)介导的信号通路,血液凝固,细胞缺氧反应,氧化应激和细胞反应。细胞组件与细胞核,胞质,胞外外来体,膜,细胞内的核糖核蛋白复合体,细胞外基质,蛋白质复杂,粘着斑,信息adherens结和细胞质。最后,分子功能与钙粘着蛋白绑定信息附着力,转录因子结合,一氧化氮合酶监管活动,NF -κB绑定,atp酶活性,雌激素受体结合,β-连环蛋白绑定,g蛋白耦合的受体结合,MAP激酶活性,蛋白激酶B(一种蛋白激酶)绑定。
(一)
(b)
(c)
3.5。识别核心PPI网络的集群
根据缺血性中风病因,生物过程可分为8个模块(图4)如下:(1)信息附着力(P = 1.9 e-5),(2)凝血(P = 3.25 e15汽油),(3)负调节凋亡过程(P = 6.84 e-5)、MAPK级联(P = 7.38 e-5)和I -κ激酶/ NF - BκB信号(P = 0.001),(4)信息附着力(P = 9.3)的军医和细胞反应interleukin-4 (P = 0.002),(5)神经元凋亡过程(P = 0.004)和DNA修复(P = 0.004),(6)血小板脱粒(P = 3.86 e-5)和调节一氧化氮合酶活性(P = 1.17)的军医,(7)细胞过氧化氢反应(P = 0.005),和(8)T细胞受体信号通路(P = 6.35 e-5)和NF -κB-inducing激酶(尼克)/ NF -κB信号(P = 1.25)的军医。
3.6。基因本体论和通路富集分析
通过综合分析,我们得到一个集成的缺血性中风通路(图5基于我们目前的知识,缺血性中风发病机理照亮积分黄芩苷治疗缺血性中风的作用。十大KEGG信号通路的获得、构造泡沫情节基于假定值(图3)。基于这一系统性的照片,我们选择和建造五个治疗MAPK通路,forkhead盒(FOXO),低氧诱导因子- 1 (HIF-1), NF -κB,磷酸肌醇3-kinase PI3k / Akt信号通路。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
4所示。讨论
从历史上看,生命系统实验经常被认为是唯一的方法来发现潜在的药物的药理活性。后的进步分子生物学,生物化学和药理学的科学,它已成为可能的理解人类疾病的药物和分子靶点的关系在网上24]。网络药理学有助于探索调控信号通路的多个通道,提高药物疗效和临床试验的成功率和减少药物发现的成本25]。草药和成分来源于植物表现出一个积极的前景等复杂疾病的治疗缺血性中风由于其副作用和多目标的影响26]。网络药理学已成功用于生物机制研究的一些草药配方(27,28和成分29日,30.]。因此,我们使用了类似的网络药理学的方法来理解黄芩苷在系统级的生物机制。
首先,吸收,分布,代谢,排泄(ADME)应考虑参数的黄芩苷。根据利平斯基的“5”规则(31日ADME[的]和其他经验参数32,33),在这项研究中我们介绍了五个ADME参数作为截止值,发现黄芩苷的BBB通透性不满足BBB截止值。基于整体的理论,中医认为不仅行为对中枢神经系统,而且心血管系统在治疗缺血性中风(34]。因此,化合物的药代动力学参数但是低BBB值也被认为是有前途的antistroke药物。事实上,与硅参数不同,以前的药代动力学数据表明黄芩苷通过BBB到脑组织液(35]和积累在许多脑核包括大脑皮层、海马和纹状体(36]。因此,一些研究者认为黄芩苷是一个潜在的药物治疗缺血性中风(10)、抑郁(37),和阿尔茨海默病(38]。
几个体内和体外研究表明,黄芩苷与减少脑损伤和缺血再灌注损伤后的神经功能改善。王等人证实,黄芩苷可以减少脑梗塞体积在MCAO小鼠模型(39]。其他研究已经考虑黄芩苷作为凋亡[40),抗氧化剂(11),和抗炎41)代理。黄芩苷还发现促进神经营养因子的表达(42)和调节神经发生的神经祖细胞(43),有利于神经系统恢复。在目前的研究中,我们得到300潜在目标使用一种方法结合PharmMapper预测和文献挖掘。我们还获得了343年的目标相关的缺血性中风从四个在线数据库。通过拓扑方法,我们发现了一个核心网络包含386个节点和16825个边缘。去分析表明黄芩苷在众多中风相关的生物过程中扮演一个角色,如信息粘连、负调节凋亡过程中,T细胞受体信号通路,MAPK级联等。KEGG核心PPI网络的分析表明,黄芩苷可能导致多个影响中风的治疗通过调节多个通路。基于假定值的强化途径及其与缺血性卒中的关系,五个信号通路、MAPK FOXO HIF-1, NF -κB, PI3k / Akt,大多数的利益。此外,我们构建了一个信号通路图进一步说明黄芩苷在缺血性中风的潜在分子机制从系统性的角度来看。
基于KEGG数据库知识,黄芩苷被认为在这些途径直接或间接地影响一些重要的蛋白质,特别是三个转录factors-FOXO HIF-1α和NF -κB,强调扮演重要角色在anti-ischemic中风黄芩苷通过调节自噬的影响、氧化应激、细胞凋亡,血管生成,血管张力稳定、神经保护作用,炎症和BBB通透性。
核转录因子FOXO被认为是参与神经元凋亡信号转导引起发展中大脑缺氧缺血(44]。事实上,FOXO也与各种组织包括心脏缺血再灌注损伤(45)和肝脏(46]。只有一个研究调查了黄芩苷和FOXO激活的关系,暗示治疗黄芩苷磷酸化、乙酰化作用影响FoxO1老龄大鼠的胰岛素通过PI3K / Akt (46]。的确,没有文献证据被发现之间的关系,讨论黄芩苷在脑缺血大鼠或小鼠和FOXO信号。根据KEGG知识之间存在复杂的相互作用PI3k / Akt, MAPK和FOXO信号通路。我们的数据表明黄芩苷影响Ras / Raf及其下游MEK / ERK调节FOXO激活。同时,CDK2参与FOXO调制的黄芩苷研究进展(47]。实验研究支持黄芩苷和MAPK信号之间的关系(48- - - - - -50]。注意,激活和黄芩苷抑制MAPK信号都被研究人员报道,这可能取决于不同疾病的动物模型和黄芩苷治疗的剂量。大脑组织,政府的黄芩苷剂量200毫克/公斤显著增加激活ERK在沙鼠缺血/再灌注(51]。
证据表明黄芩苷抑制低氧诱导的HIF-1增长α信使rna和蛋白质含量在肺动脉平滑肌细胞(52]。HIF-1α被认为是最重要的转录调节细胞对缺氧的反应。抑制HIF-1α降低血脑屏障(BBB)损伤2 h缺血后大鼠局灶性脑缺血模型,及其下游血管内皮生长因子(VEGF)和矩阵metalloproteinase-2/9 (MMP-2/9) [53]。此外,HIF-1的角色α信号通路在缺血性脑更加复杂。击倒的HIF-1α似乎损害14天在缺血性老鼠大脑缺血后血管重建(54)和HIF-1的保护机制α可能的结果促进红细胞生成素的表达和葡萄糖转运蛋白1 (55]。因此,在HIF-1黄芩苷的作用α信号在缺血性中风仍然是有争议的,应设计实验研究评价黄芩苷的作用在缺血性中风急性期和恢复期。
此外,在成人大脑缺血后神经元的生存与PI3k / Akt信号通路的激活、抑制细胞凋亡和炎症是PI3k / Akt信号的直接结果56]。我们的数据表明黄芩苷的神经保护效应包括PI3k / Akt通路,已建立的其他研究[57,58]。缺血,黄芩苷在新生大鼠模型被发现缺氧缺血性脑损伤保护大脑免受通过激活PI3K / Akt信号通路(59]。Akt激活促进细胞生存和抑制细胞凋亡部分通过抑制糖原合成酶激酶3β(GSK3β),一个apoptosis-related分子(60),激活细胞凋亡调节器Bcl2凋亡分子(61年]。有趣的是,抑制观察黄芩苷对PI3k / Akt通路的影响在白血病细胞(62年)和胶质母细胞瘤细胞(63年]。因此,双向调节效应的黄芩苷PI3k / Akt信号通路在未来应该讨论。
炎症是缺血性中风的主要事件的进展,其中包括先天和适应性免疫系统(64年,65年]。缺血性stroke-induced炎症导致神经元损伤和修复,就一直被认为是治疗卒中后目标(66年]。黄芩苷通过NF表达的减少,产生神经保护作用κNF - B和抑制激活κB在剂量依赖性的方式(37,67年]。黄芩苷还发现下游信号分子的表达下调NF -κB包括伊诺,以挪士,COX2、TNF -α、白细胞介素6 (68年- - - - - -70年]。体外研究发现,黄芩苷抑制炎症因子的释放oxygen-glucose剥夺(OGD)脑微血管内皮细胞(BMECs)通过MAPK和NF -κB信号通路,表现出神经保护作用[71年]。
除了上面提到的途径,文献证据支持通过其他信号通路(黄芩苷治疗缺血性中风72年]。最近,发现黄芩苷有效表达下调NOD2受体的表达和肿瘤坏死因子-α神经元的缺血再灌注损伤(73年)和抑制激活NLRP3 inflammasome在巨噬细胞74年]。NLRP3 inflammasome信号通路被认为是一种新型的治疗缺血性中风的目标(75年]。黄芩苷还发现调节线粒体功能的方式依赖于活化蛋白激酶(AMPK)在缺血性疾病的征兆76年]。激活AMPK导致抑制NLRP3 inflammasome [77年]。TLR2/4抑制信号通路参与了其预防缺血性损伤(41,78年]。不幸的是,这些途径并不丰富和突出显示在我们的研究中。事实上,这些途径和NF -非常复杂的相互作用κB信号,表明NF -κB可能会发挥更重要的作用效果的黄芩苷治疗缺血性中风。
5。结论
在目前的研究中,我们探索和讨论多个baicalin-mediated缺血性中风治疗的途径和目标通过网络药理学的方法。我们的数据表明黄芩苷预防缺血性中风通过多种信号通路。未来的研究应该关注提供实验证据和扩大黄芩苷的作用在缺血性脑系统水平和开发更有效的药物输送系统来帮助定位大脑、穿越BBB。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
徐天,马重阳同样起到了推波助澜的作用
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。81430102,81774122,81774122,81874448]。
补充材料
补充材料包含三个表。黄芩苷的补充表:ADME性质。我们获得属性的吸收,分布,代谢,排泄(ADME) TCMSP黄芩苷的数据基础。补充表2:黄芩苷的目标。黄芩苷的目标是预测使用PharmMapper网络服务器和文本挖掘。补充表3:缺血性中风相关的目标。我们收集了缺血性中风相关的目标借助DrugBank在线孟德尔遗传在人(人类),遗传协会数据库(广泛性焦虑症),和治疗目标数据库(运输大亨)。(补充材料)