文摘

草药药物引起了大量利益有效的止痛剂;然而,他们的治疗机制仍有待完全理解。为了解决这个问题,我们进行了网络药理学研究探索的系统级机制构成Jakyak-Gamcho汤的镇痛活性(JGd;Shaoyao-Gancao-Tang用中文和Shakuyaku-Kanzo-To在日本),一个草药处方组成的芍药帕拉斯和乌拉尔甘草费舍尔。基于综合信息的药理、化学性质JGd的草药成分,我们确定了57个活跃的化合物和70年痛苦的目标。JGd目标确定参与多样的生物活性的规定如下:钙,cytokine-mediated信号,钙离子浓度和体内平衡,细胞行为的肌肉和神经细胞,炎症反应,化学反应,细胞因子,药物,和氧化应激。目标是进一步丰富各种痛苦的信号,包括PI3K-Akt雌激素,ErbB,生成,刺激神经组织的中的互动,HIF-1,血清素激活的突触,JAK-STAT,营地通路。因此,这些数据提供了一个系统化的基础上了解草药药物的镇痛活性的分子机制。

1。介绍

疼痛是世界范围的一个主要卫生保健和社会经济问题,严重影响整体的健康,生活质量,日常活动,和生产力的病人,地方大量财务负担医疗体系和社会1- - - - - -6]。基于诸多病理生理学机制中,痛苦是分为(i)疼痛的和(2)nonnociceptive神经性疼痛(7- - - - - -21]。疼痛的痛苦是激活和刺激造成的痛觉受器和疼痛通路由炎症,化学物质,或物理事件,分为躯体和内脏7- - - - - -21]。神经性疼痛的发展由于损伤、损伤、功能障碍,或疾病的躯体感觉神经系统,并进一步分为中央和周边(7- - - - - -21]。阿片类止痛药,目前非甾体类抗炎药(非甾体抗炎药)和non-anti-inflammatory解热止痛剂作为主要治疗减轻疼痛(6,15,22- - - - - -28]。然而,疼痛管理目前的治疗方案仍与有限的疗效和不必要的负面影响(6,15,22- - - - - -28]。同时,草药药物和multicomponent-multitarget-multipathway polypharmacological治疗疼痛的治疗得到了相当大的关注,因为他们的重要的镇痛效果与更少的副作用和毒性29日- - - - - -36]。

Jakyak-Gamcho汤(JGd;在中国和Shakuyaku-Kanzo-To Shaoyao-Gancao-Tang日语)是由一种草药药物芍药帕拉斯和乌拉尔甘草费舍尔,规定用于治疗各种类型的疼痛、妇科疾病、关节炎的疾病(例如,骨关节炎和关节痛),和肌肉疾病(肌痛、肌肉紧张、痉挛、抽筋)(30.,37- - - - - -48]。先前的研究已经证明了各种治疗JGd的属性,包括它的镇痛、抗炎、解痉、抗过敏药效果(30.,37- - - - - -40,43,44,46- - - - - -55]。这种草本药物的不同影响,最常见的治疗使用JGd来减轻疼痛引起的癌症、糖尿病、神经病变、肌肉和关节疾病(30.,37- - - - - -40,44,46- - - - - -48),这使得它的一个最常见处方口服镇痛药物在东亚(56]。JGd的镇痛机制包括脊髓的调制α2-adrenoceptors,瞬时受体电位辣椒1 (TRPV1)通道、钙和Sirt1的信号传导,肌肉收缩和放松,趋化因子和细胞因子的表达39,44,46,51,57- - - - - -60]。然而,JGd的药理特性在系统层面需要探索。

因为multicompound-multitarget-multipathway代理的复杂的药理性质,通常会有基本限制在调查他们的综合作用机制仅基于传统生物实验方法(61年- - - - - -68年]。为了克服这些挑战,网络药理学,综合系统地结合计算系统生物学研究领域,网络科学,医学,药理学,数学和物理,已经成为最有效的方法之一polypharmacological机械开发的药物,如中药61年- - - - - -68年]。这综合科学的目标是推出疾病发病机制和药物的活动,通过各种生物之间的交互协调组件如基因、蛋白质、细胞、组织和器官(61年- - - - - -68年]。以前的网络药理学研究成功地调查了polypharmacological草药药物通过识别他们的活性化合物的性质和主要治疗目标和进一步阐明不同的系统级的药理作用和机制(例如,治疗调制的生物过程如增殖、凋亡、细胞周期调控、血管生成、氧化和还原,胰岛素代谢和炎症)治疗各种疾病,包括癌症、糖尿病、关节炎、和缺血性中风施加多个化合物和目标之间的协同相互作用包含在草药药物(61年- - - - - -79年]。在目前网络药理学研究中,我们旨在揭示背后的分子机制JGd止痛剂的特性和系统的视角。

2。材料和方法

2.1。筛选活性化合物Jakyak-Gamcho煎煮

信息化合物组成的草药成分JGd研究使用中药系统药理学(TCMSP)数据库(80年]。然后,根据他们的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)属性(即。,oral bioavailability (OB), Caco-2 permeability, and drug-likeness (DL)), chemical compounds that satisfy the following criteria were screened and determined to be bioactive as previously suggested [63年,80年,81年)使用TCMSP [80年]:OB≥30%, Caco-2渗透率≥-0.4,DL≥0.18。总之,OB是口头管理药物化合物的比例进入环流,是最重要的一个因素在药物的设计和开发80年,82年]。值得注意的是,化合物OB大于30%通常被视为人体有效吸收(80年,82年]。Caco-2磁导率是一个重要的指数肠道通透性和药物流出的调查是基于评估的一种化合物的吸收和扩散速度在Caco-2人类肠道细胞(80年,83年- - - - - -85年]。一般来说,一个化合物被认为是不透水的肠上皮细胞如果Caco-2渗透率低于−0.4 [86年,87年]。DL是一种广泛使用的测量,定性评估某些化合物物理化学和结构是否适合作为药物使用(80年,88年]。注意,所有药物的平均DL是0.18,因此,它通常被用作阈值来确定化合物的药理潜力(80年,88年]。

2.2。目标识别

人类目标JGd活性化合物的研究使用不同的数据库和模型,包括PharmMapper [89年相互作用的化学物质),搜索工具(针)5 (90年目标预测[],瑞士91年),相似性合奏方法(海)(92年),系统的药物针对工具(SysDT) (93年),加权整体相似度(韦斯)[94年]。痛苦的人类基因和蛋白质从DisGeNET调查(95年),治疗目标数据库(96年],GeneCards [97年),比较Toxicogenomics数据库(98年人类基因组),流行病学导航器(99年),在线孟德尔遗传在人One hundred.),药物基因组学知识库(101年],DrugBank [102年),使用医学主题词“疼痛”(ID: D010146)智人物种。

2.3。网络建设

草药medicine-active化合物(·hc·),活性化学compound-target (C-T)和target-pathway (t - p)生成的网络连接的草药活性化合物,化合物与目标,目标信号通路中丰富。蛋白质的相互作用(PPI)使用字符串生成网络数据库(交互信心得分≥0.9)[103年]。分析和可视化的网络进行与Cytoscape软件(104年]。一个网络是由节点(例如,草药,化合物,目标,或通路)和边(或链接)描述节点之间的交互(105年]。度被定义为一个节点的链接的数量105年]。

2.4。贡献指数评价

基于网络的efficacy-based贡献指数(CI)的活性化合物JGd是评估后以前的程序如下81年]: 在哪里米化合物的数量,n目标化合物的数量吗j,d我是目标链接的数量我的化合物j,c我(或cj)是以前的研究有“疼痛”的数量和组件我(或j)在题目或摘要搜索PubMed数据库(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/)。最高的化合物独联体被认为是导致某些草药药物的药理作用(81年]。

2.5。功能富集分析

基因本体论(去)富集分析g:分析器(106年]。通路富集分析基因和基因组数据库的京都百科全书(107年]。功能性协会进行了分析使用GeneMANIA [108年]。

2.6。分子对接分析

JGd化合物的结构和他们的目标是获得PubChem [109年)和RCSB蛋白质数据库(110年)数据库,分别。然后,分子对接分数和化合物之间的目标是评估使用七弦琴AutoDock [111年]。值得注意的是,一个特定的化合物被认为是有高亲和力的目标如果相应的对接分数小于或等于−5.0 [112年,113年]。

3所示。结果

网络药理学研究的镇痛机制的探索JGd进行如下(图1)。详细的信息关于JGd化学成分的综合生物分子数据库,获得和生物活性化合物进行了使用他们ADME特征(图1)。活跃的人类目标化合物被确定的各种数据库和模型评估chemical-protein交互(图1)。然后,我们广泛的草药与毒品有关的数据集成到网络和执行网络药理学分析(图1)。


图1
一个示意图说明网络药理学Jakyak-Gamcho汤的镇痛机制的探索。
3.1。活跃的化合物Jakyak-Gamcho煎煮

详细的信息关于化合物存在于JGd得到从TCMSP80年)(补充表S1),活性化合物被定义为那些OB≥30%, Caco-2渗透率≥−0.4,和DL≥0.18,如前所述63年,80年,81年]。一些组件也被确定为积极,因为JGd及其中包含的大量报道相关药理作用[42,57,114年- - - - - -128年),虽然他们不符合标准。因此,111 JGd均获得活性化合物(补充表S2)。

3.2。的目标Jakyak-Gamcho煎煮

我们确定的目标的活性化合物JGd使用以下数据库和模型的调查chemical-protein交互:瑞士目标预测(91年],缝合5 [90年],PharmMapper [89年,海92年],SysDT [93年),和韦斯94年]。因此,70年人类痛苦和137年nonpain-associated目标是获得JGd(补充表S3)。

3.3。网络Pharmacology-Based Jakyak-Gamcho汤的分析

执行网络pharmacology-based JGd的药理特性的分析,我们构造了一个草药medicine-active化学compound-target (H-C-T) 129个节点组成的网络(两个草药,57活性化合物,和70年痛苦目标)和217年(图的链接2和补充表S3关于草药药物)通过全面的信息。我们发现槲皮素(目标的数量= 36)和山柰酚(目标的数量= 11)有相对多的目标(图2和补充表S3),这意味着他们可能是重要的活性化合物JGd的治疗活动。此外,27个人类基因/蛋白被发现是两个或两个以上的目标积极JGd的化合物(图2),暗示polypharmacological机制。


图2
草药medicine-active化学compound-target Jakyak-Gamcho汤的网络。绿色节点,草药;红色节点,活性化合物;蓝色节点,导致目标。

探讨生物JGd目标之间相互作用关系,我们生成一个PPI网络(58 174节点和链接)组成的目标(图3)。接下来,我们寻找中心,网络中的特定节点高度,显示重要的生物功能和有前途的治疗潜力129年,130年]。在分析,中心被确定为节点的度大于或等于两倍的平均节点度网络(131年,132年]。结果表明,PIK3R1(程度= 25),HSP90AA1(程度= 15),表皮生长因子受体(程度= 14),AKT1(程度= 13),LPAR1(程度= 13),LPAR2(程度= 13),和LPAR3(程度= 13)中心(图3),这意味着他们可能的关键目标负责JGd的镇痛活性。这些中心显示参与疼痛反应过程的监管,可以作为有效的目标产生镇痛效应。的PIK3R1提出基因有可能作为与疼痛相关监管机构根据遗传相互作用分析(133年),其表达水平可能与骨关节炎发病机理(134年]。Upregulation的HSP90AA1基因在纤维肌痛患者(135年- - - - - -137年,药物抑制热休克蛋白90(一半;编码的HSP90AA1)展示了减轻monoarthritis-induced疼痛138年]。激活表皮生长因子受体(EGFR;编码的表皮生长因子受体)和一种蛋白激酶(编码AKT1)的开发和增强有关不同类型的疼痛,和他们的治疗调制可能与镇痛相关属性(139年- - - - - -156年]。Lysophosphatidic酸受体1(编码LPAR1)活动参与疼痛行为因骨癌、炎症、糖尿病和神经病变,其药理或基因消融可能会减少疼痛反应(157年- - - - - -165年]。Lysophosphatidic酸受体3(编码LPAR3)在开发和维护中扮演重要角色的神经性疼痛,和它的封锁产生镇痛效应(163年,166年,167年]。


图3
疼痛反应的蛋白质相互作用网络的目标Jakyak-Gamcho煎煮。蓝色节点,导致目标。

我们进一步评估的CIs JGd评估其药理活性化合物的贡献草药药物如前所述的镇痛效果(81年,168年]。因此,槲皮素被证明有最高的CI(91.83%)(补充图S1),这表明这种化合物可能是主要的贡献者JGd的镇痛活性。

这些数据显示的系统级的药理性质JGd的镇痛活性。

3.4。功能性浓缩Jakyak-Gamcho汤网络的调查

探讨分子机制JGd的镇痛效果,我们进行了浓缩的分析目标。结果,JGd目标丰富调制的条款去参与多种生物活性,如钙,cytokine-mediated信号,钙离子浓度和体内平衡,细胞行为的肌肉和神经细胞,炎症反应,化学反应,细胞因子,药物,和氧化应激(补充图S2),这是按照之前报道的中药药物的分子机制(40,41,44,46,49,55,58- - - - - -60,169年- - - - - -172年]。此外,GeneMANIA分析表明JGd目标功能可以通过不同的机制(补充图进行交互S3),这意味着相似的药理作用。

因为不同的信号通路与启动有关报道,传播,痛苦的感知和维护(12,14,20.,144年,155年,173年- - - - - -186年),我们进行通路富集分析。我们发现JGd目标是富含以下信号:“PI3K-Akt信号通路,”“中的刺激神经组织的互动,”“雌激素信号通路,”“阵营信号通路,”“趋化因子信号通路”,“JAK-STAT信号通路”,“生成信号通路”,“AMPK信号通路”,“多巴胺突触,”“ErbB信号通路”,“HIF-1信号通路”,“胰岛素信号通路,”“mTOR信号通路”,“血清素激活的突触,”“Adipocytokine信号通路”,“药物代谢,细胞色素P450”“IL-17信号通路”,“肿瘤坏死因子信号通路”,“花生四烯酸代谢,”和“VEGF信号通路”(图4和补充图S2)。这些信号是众所周知的pain-regulating通路和功能作为止痛和缓解疼痛的药物的治疗靶点。腺苷单磷酸盐激活的活动激酶(AMPK) ErbB,哺乳动物雷帕霉素靶(mTOR),磷酸肌醇3-kinase (PI3K)一种蛋白激酶,肿瘤坏死因子(TNF)和血管内皮生长因子(VEGF)信号通路参与开发和维护流程的各种类型的病理性疼痛,和他们的功能调制可能缓解神经性疼痛的,骨癌疼痛(144年,149年,150年,155年,156年,187年- - - - - -226年]。此外,PI3K-Akt的活动和控制途径进一步与神经性和炎性疼痛的严重程度,以及他们的目标代理起到镇痛作用[227年- - - - - -229年]。雌激素通路作为调制器内脏和机械加工和敏感的疼痛反应(230年- - - - - -235年]。先前的研究显示环腺苷酸的参与(营),趋化因子,Janus激酶-(木菠萝)信号传感器和转录激活(统计),生成,和低氧诱导因子(HIF)通路在炎症的起始和持久性,癌症,和神经性疼痛,以及他们作为镇痛方法[药理调解人的角色141年,224年,236年- - - - - -265年]。胰岛素信号的调节受损可能促进和疼痛感觉的发展与糖尿病神经病变,可缓解其功能恢复(266年- - - - - -269年]。白介素- 17 (IL)通路起着关键作用的细胞机制的疼痛发病机制和维护各种疾病包括多发性硬化症、前列腺炎、椎间盘变性,股骨头骨坏死,和神经病变;其抑制作用可能会阻止疼痛的生成和持久性(270年- - - - - -282年]。花生四烯酸代谢与不同生物分子的生成和分泌物质负责诱导炎症和疼痛,和主要参与机制的非甾体抗炎药(283年- - - - - -288年]。此外,羟色胺和多巴胺突触通路的关键神经递质负责调节疼痛的强度和持续时间,以及他们的治疗干预措施已被证明减弱疼痛行为(289年- - - - - -292年]。


图4
草药medicine-active化学compound-target-pathway Jakyak-Gamcho汤的网络。绿色节点,草药;红色节点,活性化合物;蓝色节点,导致目标;橙色节点,信号通路。

总的来说,这些结果表明分子和pathway-level机制JGd的镇痛活性。

3.5。分子对接的评价

探讨绑定JGd组件的化合物的潜在目标,我们评价他们的分子对接活动。结果,95.09%的绑定JGd的活性化学成分之间的相互作用和中心目标是发现对接分数等于或低于−5.0(图5和补充表S4),说明他们的治疗具有约束力的潜力。LPAR2和LPAR3值得注意的是,蛋白质结构中不可用RCSB蛋白质数据库(110年];因此,他们被排除在分析之外。


图5
分子对接分析之间的相互作用的活性化合物Jakyak-Gamcho煎煮和中心目标。(一)Calycosin-AKT1(得分=−7.5)。(b) Gancaonin O-AKT1(得分=−5.7)。(c) Quercetin-AKT1(得分=−6.4)。(d) Quercetin-EGFR(得分=−8.0)。(e) Xambioona-EGFR(得分=−10.5)。(f) Glabridin-HSP90AA1(得分=−8.3)。(g) Xambioona-HSP90AA1(得分=−9.1)。(h) Mairin-LPAR1(得分=−8.4)。(我)Calycosin-PIK3R1(得分=−7.9)。 (j) Quercetin-PIK3R1 (score = −6.3).

4所示。讨论

草药越来越被承认为有效的止痛和缓解疼痛的药物由于他们的有前途的治疗活动较少的副作用(29日- - - - - -36]。JGd是一个著名的草药药物缓解疼痛等多种疾病引起的周围神经病变,肌痛、关节痛、糖尿病(30.,37- - - - - -40,44,46- - - - - -48),它是一种最常见的处方口服止痛药在东亚(56]。先前的研究已经试图网络药理学分析调查机制JGd治疗骨关节炎和帕金森病(293年,294年];然而,其网角度镇痛性质尚未完全阐明。因此,这个网络药理学研究试图探讨系统级机制背后JGd的镇痛活性。ADME评价和网络药理学研究发现57 70年JGd及其活性化合物痛苦人类的分子靶点。进一步富集分析表明JGd目标是富含去调制相关的生物活性,包括钙,cytokine-mediated信号,钙离子浓度和体内平衡,细胞行为的肌肉和神经细胞,炎症反应,化学反应,细胞因子,药物,和氧化应激,符合之前报道的中药药物的分子机制(40,41,44,46,49,55,58- - - - - -60,169年- - - - - -172年]。我们进一步表明JGd可能目标各种疼痛信号发挥止痛和缓解疼痛的效果,包括PI3K-Akt,雌激素,ErbB,生成,刺激神经组织的中的互动,HIF-1,血清素激活的突触,JAK-STAT,营地通路。

的镇痛活性的化学成分JGd之前已经报道过了。(+)儿茶素和松属素产生镇痛,antineuropathy和antinociceptive效果(295年- - - - - -297年]。Albiflorin可能发挥药理作用作为止痛剂,antineuropathy, antinociceptive化合物,通过功能可以减少疼痛强度调制的钙通道,增殖蛋白激酶(MAPK)途径,和各种细胞因子和趋化因子127年,298年]。此外,glabridin芒柄花黄素、甘草酸和芍药醇具有抗炎,antinociceptive,和镇痛活动通过抑制炎性细胞因子的产生和信号分子,从而衰减疼痛反应(117年,120年,299年- - - - - -302年]。没食子酸也可能有潜在的抗炎、抗氧化和神经保护作用,可以改善神经性疼痛,神经损伤,损伤(119年,303年,304年]。甘草甜素和柚苷配基减少炎症和神经性疼痛,如行为通过调节炎症反应的细胞因子的分泌和介质,以及环鸟苷酸的活动(cGMP)和核转录因子激活B细胞(NF - kappa-light-chain-enhancerκB)信号(120年,301年,305年- - - - - -314年]。Isoliquiritigenin被报道具有镇痛、解痉和放松的属性(315年,316年]。异鼠李亭改善糖尿病神经病变的疼痛强度通过其神经保护,抗氧化,抗炎作用[317年]。山柰酚显示抗炎、抗氧化和镇痛效果,缓解疼痛症状的胃炎、胰腺炎、糖尿病性神经病(318年- - - - - -320年]。此外,liquiritigenin可能抑制神经性疼痛,改善热,冷,和机械痛觉过敏(116年]。玛伊琳(桦木酸)发挥抗炎,antinociceptive,退热剂,和镇痛效果,从而减轻内脏疼痛和化疗,感染和糖尿病危害神经病变(321年- - - - - -326年]。槲皮素可以减少疼痛引起的炎症、癌症、慢性前列腺炎/慢性骨盆疼痛综合征,关节炎和肌肉损伤通过抑制氧化应激诱导和激活炎症和肾上腺素的通路,神经递质、细胞因子(327年- - - - - -334年]。另外,槲皮素进一步调节活动的各种途径,包括toll样受体,mTOR、蛋白激酶Cε(PKCε)trpv1 p70核糖体S6激酶(p70S6K)和P2X4受体信号以及氧化应激和炎症反应介质施加与不同类型的神经性疼痛的镇痛效果(214年,335年- - - - - -347年]。βantinociceptive谷甾醇显示镇痛,抗炎活动(348年- - - - - -353年]。这些研究关于JGd提供化学成分的药理依据这个草药药物镇痛的活动。

基于网络药理分析,下面的研究将有助于改善草药药物疗法:(i)评估JGd镇痛活动在特定疾病的治疗效果与不同类型的疼痛,比如癌症、关节炎、肌痛、关节痛,和糖尿病;(ii)一个全面的系统级的镇痛机制的探索性质的草药药物从多样的药理角度,涉及antinociceptive、抗炎、肌肉松弛剂,和退热的效果;和(iii)的调查结合治疗的安全性和有效性JGd和广泛使用的镇痛药物,包括塞来昔布、曲马多、对乙酰氨基酚(24,56,354年]。

最后,我们研究了系统的角度JGd的药理特性,广泛规定镇痛中药药物(56]。基于网络药理学的方法,我们调查了57个活性化合物和70年的疼痛反应目标负责JGd的镇痛活性。JGd的目标是与调制相关的生物功能,如钙,cytokine-mediated信号,钙离子浓度和体内平衡,细胞行为的肌肉和神经细胞,炎症反应,化学反应,细胞因子,药物,和氧化应激,这表明JGd治疗的分子机制。此外,浓缩的分析表明,目标是参与各种途径与疼痛的病理生理学有关,包括PI3K-Akt雌激素,ErbB,生成,刺激神经组织的中的互动,HIF-1,血清素激活的突触,JAK-STAT,营地通路。整体的数据提供了一个新颖的系统视图polypharmacological草药药物的特点和机械的基础上对疼痛治疗的临床意义。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果中包括文章和补充材料文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

补充材料

补充图S1:贡献指数分析Jakyak-Gamcho汤的镇痛活性化合物的活性。补充图S2:功能富集分析痛苦Jakyak-Gamcho汤的目标。补充图S3:痛苦的功能交互分析Jakyak-Gamcho汤的目标。补充表S1:列表中包含的化合物Jakyak-Gamcho煎煮。补充表S2:列表中包含的活性化合物Jakyak-Gamcho煎煮。补充表S3:列表的目标活性化合物Jakyak-Gamcho汤。补充表S4:对接分数的活性化合物Jakyak-Gamcho汤的中心目标。(补充材料)