Strukturell likhetsbaserad förutsägelse av de potentiella aktiva ingredienserna och verkningsmekanismen hos formuleringar för traditionell kinesisk medicin som används för att motverka åldrande

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

Qian Zhang, et al

Abstrakt

Mål:Att förutsäga potentialenaktivaIngredienser(PAI) och verkningsmekanism förtraditionellkinesiskamedicinformuleringar som används för att fördröja åldrande.

Metoder: Vi införlivade användningen av kvantkemiberäkningar och maskininlärning för att förutsägaaktivaIngredienserav vissa kinesiska örtmediciner som används för att fördröja åldrandet. Sedan användes ett nätverksfarmakologiskt tillvägagångssätt för att avslöja hur dessa PAI: erförsenadåldrande.

Resultat:Tolv PAI medanti-åldrandeeffekter upptäcktes: androsteron, MHP, kortison, propylmetyltrisulfid, retinol, retinal, kortisol, 11-cis-Retinol (2R, 3R)-3-hydroxiprolin,4,5alfa-dihydrokortison (2S){{ 9}}ammoniak-6-ureidohexanoat och17alfa, 21-dihydroxi-5beta-pregnan-3,11,20-trion. Anrikningsanalyser visade att ett förmodat föreningsmål och åldrandemål var signifikant associerade med: reglering av immunsystemet; insulinreceptorsignaleringsväg; reglering av den mitotiska cellcykeln; svar på näringsnivåer; svar på oxidativ stress; frisättning av cytokrom c från mitokondrier; inlärning eller minne; inflammatorisk respons.

Slutsatser:En ny metod föreslogs för att förutsäga PAI föranti-åldrandeväxtbaserade läkemedel genom att införliva kvantkemiberäkningar och maskininlärning. Sedan användes ett nätverksfarmakologiskt tillvägagångssätt för att avslöja hur dessa PAI fördröjer åldrandet. Informationen från vår studie om PAI kan hjälpa till att upptäckaanti-åldrandeläkemedel.

NYCKELORD: Kvantkemiberäkningar; Maskininlärning; Aktiva ingredienser; Mekanism; Åldrande

Cistanche har enanti-åldrandefungera

Introduktion

Åldrande hänvisar till en gradvis minskning av organfunktionen. Ett kännetecken för åldrande är den progressiva förlusten av fysiologisk integritet som leder till en ökning av dödlighetsrisken. Den försämring som åldrandet orsakar är en viktig riskfaktor för att utveckla cancer, diabetes mellitus och andra åldersrelaterade mänskliga sjukdomar1 och är en stor börda för samhället, familjer och individer.2 Därför har upptäckten av nyaaktivaIngredienserför att fördröja åldrandet och förebygga åldranderelaterade sjukdomar är ett viktigt ouppfyllt behov.

Naturliga produkter erbjuder stora möjligheter för upptäckten avanti-åldrandeläkemedel. Många föreningar och extrakt från naturliga produkter har rapporterats fördröja åldrandet och förlänga livet,3 såsom polypeptider från Fructus lycii (Lycium barbarum L.),4 och polysackarider från frukterna av ginseng (Solanum muricatum).5 Jämfört med västerländsk medicin,traditionellkinesiskamedicin(TCM) är baserad på multi-target-mekanismer och är förknippad med färre negativa effekter när det gäller att fördröja åldrande.6 Studier har visat att TCM-formuleringar framkallar deras effekter på åldrande genom att stärka antioxidanteffekter, immunfunktion och neuroendokrin reglering. som hämmande skada på DNA i celler.7e9 Men huruvidaanti-åldrandeeffekten av TCM-formuleringar är en exakt mekanism eller en del av en synergistisk effekt är inte känd. De kliniska implikationerna av TCM ianti-åldrandeär inte kända, ochaktivaIngredienserav TCM-formuleringar måste karakteriseras.6

Identifiering avaktivaIngredienserav läkemedel innebär vanligtvis användning av djurmodeller som Drosophila melanogaster och Caenorhabditis elegans,3 testning av cellviabilitet,10 maskininlärning och molekylär dockning.11,12 Sådana experimentella metoder är dock tidskrävande och dyra. Dessutom påverkas maskininlärning av överutrustningsproblem och negativa prover. Molekylär dockning kan inte alltid ge den exakta tredimensionella (3D) strukturen hos proteinkristaller.13

Nätverksfarmakologi kan användas för målidentifiering och aktivitetsförutsägelse på systematisk basis.14 Denna strategi sparar tid och hjälper till att övervinna problemen med att inte ha korrekta 3D-strukturer av proteinkristaller och att ha negativa prover.13

Få studier har fokuserat på förhållandet mellan komponenterna i TCM-formuleringar och deras kemiska strukturer.6 Kvantkemi är en av de mest framgångsrika tillämpningarna av kvantmekaniken och kan användas för att förstå material från atom till molekylskala.15 Kvantkemi är alltså beräkningar, maskininlärning och nätverksfarmakologi kan integreras för att studera TCM-formuleringar.

I detta arbete, komponenter och metaboliter av fleraanti-åldrandeTCM-formuleringar samlades in frånTraditionellkinesiskaMedicinSystems Pharmacology Database (TCMSPD) och Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG). Också någraanti-åldrandedroger samlades in från narkotikabanken. Vissa molekylära egenskaper hos komponenterna och metaboliterna i TCM-formuleringar och anti-aging läkemedel beräknades med kvantkemi. Sedan användes dessa molekylära egenskaper som input för att utveckla en klustringsmodell enligt Wards metod. Komponenterna och metaboliterna samlade i en kategori med läkemedel mot åldrande valdes ut som potentiellaaktivaIngredienser(PAI). Till sist användes en omfattande nätverksfarmakologisk metod för att klargöra verkningsmekanismen för dessa PAI vidanti-åldrande. Syftet med den föreliggande studien var att använda en ny metod för att förutsäga PAIs av TCM-formuleringar och deras verkningsmekanism mot åldrande.

Cistanchehar enanti-åldrandefungera

Material och metoder

Dataförberedelse

Sammansatta föreningar och metaboliter av varje TCM-formulering

Vi undersökte potentialenanti-åldrandeingredienser i sex Yang-tonifierande växtbaserade läkemedel: eucommiae cortex (Eucommia ulmoides Oliv), 16 astragali complanate sperma (Astragalus klagande R.Br.), 17 mänskliga placentae (Hominis placenta), 18 cistanches herba (Cistanche deserticoanche/Cistanche deserticoanche tubulosa/Cistanche Schenk) Wight),19 cerci cornu pantotrichum (Cervus nipport Temminck/Cervus elaphus Linnaeus) 20 och cynomorii herba (Cynomorium songaricum Rupr.).21

Komponenterna och 2D-strukturerna för komponenterna i de växtbaserade läkemedlen som nämns ovan kom från TCMSPD22, en unik farmakologisk systemplattform designad för kinesiska växtbaserade läkemedel. DeTraditionellkinesiskaMedicinDatabas (TCMD) 23 är en basinformationsdatabas som används för den statliga administrationen av TCM.

Så småningom samlade vi 119 komponenter i eucommiae cortex, 41 komponenter i astragali complanati-sperma, 10 komponenter i den mänskliga placentan, 75 komponenter i cistanches herba, 10 komponenter i cerci cornu pantotrichum och 3 komponenter i cynomorii herba (kompletterande fil 1).

Metaboliterna och 2D-strukturerna för dessa sex växtbaserade läkemedel hämtades från KEGG (www.kegg.jp).24 Vi fick metaboliterna för dessa växtbaserade läkemedel från www.kegg.jp/kegg/reaction/. Totalt samlades 29 metaboliter i eucommiae cortex, 11 metaboliter i astragali complanate-sperma, 13 metaboliter i human placenta, 51 metaboliter i cistanches herba och 22 metaboliter i cerci cornu pantotrichum (kompletterande fil 2).

Kemiska strukturer och mål för anti-aging läkemedel

Femtio droger rapporterades att haanti-åldrandeeffekter noterades.25e32 2D-strukturerna för dessa läkemedel exporterades från Drug Bank-databasen v3.033 (www.drugbank.ca) (Supplementary File 3).

De sammansatta målen för varjeanti-åldrandedrogen (den kemiska strukturen hos dessa droger liknade PAI) samlades in från Drug Bank-databasen. Bland alla mål behölls endast de som fanns i människokroppen. Således samlades 69 mål in (kompletterande fil 4).

Åldringsrelaterade gener

The Human Aging Genomic Resources är en gratis databas som ger information om åldrandets biologi och genetik.34 I detta arbete samlades 293 åldringsrelaterade gener från HAGR (Supplementary File 5).

Proteinproteininteraktioner (PPI)

PPI-data importerades från hiPathDB-databasen (http://hiPathDB.kobic.re.kr).35 Denna databas tillhandahåller information om biologiska reaktioner och signalvägar för att konstruera molekylära interaktionsnätverk avanti-åldrandeTCM-formuleringar.

Cistanche har enanti-åldrandefungera

PPAI-förutsägelse

Molekylära deskriptorer

Beräkningsbeskrivning av molekyler är nödvändig för in silico-prediktion, som ofta används för att beskriva strukturella egenskaper hos molekyler på ett kvantitativt sätt.36 I föreliggande studie beräknades 209 molekylära deskriptorer37e39: 1 molekylär-polarisationsegenskap; 42 topologiska egenskaper; 11 geometriska egenskaper; 147 fragment egenskaper hos effektiviteten hos grupper; 8 egenskaper hos spårelement (tilläggsfil 6).

Beräkning av molekylär polariserbarhet, topologiska egenskaper och geometriska egenskaper utfördes med ChemAxon (https://www.chemaxon.com/). De andra egenskaperna beräknades med Power MV v0.61 (www. niss.org/PowerMV).

Klusteranalyser

Vi använde Wards metod för hierarkiska klustringsanalyser. Detta tillvägagångssätt använder sig av variansanalyser. Kriteriet för att välja det klusterpar som ska slås samman vid varje steg är baserat på det optimala värdet av en objektiv funktion. Wards metod kan maximalt reducera summan av kvadratfelet.40

Förutsägelse av PAI-mål

Molekylära deskriptorer och klusteranalyser användes för att screena TCM-formuleringar som liknade läkemedel. Komponenterna och metaboliter grupperade i en kategori medanti-åldrandedroger valdes ut som PAI. De terapeutiska målen för läkemedel mot åldrande ansågs också vara måltavlan för örtläkemedels PAI.

En nätverksfarmakologisk metod för att avslöja verkningsmekanismen för PAI på anti-aging

TCM grammatiksystem illustrerar den molekylära verkningsmekanismen för växtbaserade läkemedel och kan visas med GZ (V, F, P, S ).41 I föreliggande studie är verkningsmekanismen för de aktiva komponenterna ianti-åldrandeväxtbaserade läkemedel förklarades av TCM grammatiksystem.

V innehöll olika typer av noder (PAI, mål, sjukdom och relaterade gener, föreningar). F omfattade olika typer av nodrelationer (t.ex. interaktion, aktivering). P var slutledningsregeln mellan målen för PAI i TCM-örter och proteiner relaterade till åldrande. Alla nätverk genererades med hjälp av Cytoscape v3.2.142, som har använts för att illustrera verkningsmekanismen för TCM-formuleringar.

Resultat

Klusteranalyser

Resultaten av klusteranalyser visas i fig. 1. Åtta grupper togs i beaktande. Grupp 1 innehöll kolin och propylmetyltrisulfid. Grupp 2 bestod av metformin och (2S)-2-ammoniak-6-ureidohexanoat. Grupp 3 innehöll b-karoten, retinol, retinal och 11-cis-retinol. Grupp 4 bestod av liponsyra och (2R, 3R)-3- hydroxiprolin. Grupp 5 innehöll levodopa och MHP. Grupp 6 omfattade DHEA (dehydroepiandrosteron) och androsteron. Grupp 7 innehöll prednisonkortison, 17alfa, 21-dihydroxi-5beta-pregnan-3,11,20-trion och 4,5alfa-dihydrokortison. Grupp 8 omfattade hydrokortison, prednisolon och kortisol (tabell 1).

Alltså baserat på likheterna mellan kemiska struktureranti-åldrandeläkemedel och komponenter och metaboliter av växtbaserade läkemedel, upptäckte vi 12 PAI (retinol, retinal, kortisol, MHP, androsteron, kortison, propylmetyltrisulfid (2S)-2-ammoniak-6-ureidohexanoat (2R,3R) -3-hydroxiprolin, 4,5alfa-dihydrokortison, 11-cis-retinol och 17alpha,21-dihydroxi-5beta-pregnan-3,11,20- triolein fyra örter (eucommiae cortex, cistanches herba, human placenta, cynomorii herba).

Figur 1. Klusteranalyser mellan föreningar avtraditionellkinesiskamedicineroch läkemedel baserade på strukturell likhet.Obs: Termerna "mol007647", "mol009052", "mol009019", "mol009018", "1170" och "4097" avser propylmetyltrisulfid (2S)-2-ammoniak{{ 8}}ureidohexanoat (2R, 3R)-3-hydroxiprolin, MHP, androsteron respektive kortison.

Förmodade mål för PAI:er

På grundval av målförutsägelser visas motsvarande 69 mål för dessa liknande läkemedel som förmodade mål för PAI i tilläggsfil 4.

Verkningsmekanism av PAI vid anti-aging

Konstruktion av PAIeputativa mål åldranderelaterade gener - andra mänskliga PPI-nätverk

En PAIeputativ målgrupp åldringsrelaterade gener konstruerades ett annat mänskligt PPI-nätverk (Fig. 2). Nätverket bestod av 518 noder (12 PAIs, 16 förmodade mål/kända åldrandemål, åldrande, 123 kända åldrandemål/åldrande-relaterade gener, 366 andra mänskliga proteiner) och 2377 kanter.Berikninganalyser visade att ett förmodat sammansatt mål och åldrande mål var signifikant associerade med: reglering av immunsystemet; insulinreceptorsignaleringsväg; reglering av den mitotiska cellcykeln; svar på näringsnivåer; svar på oxidativ stress; frisättning av cytokrom c från mitokondrier; inlärning eller minne; inflammatoriskt svar (tabell 2).

Analyser av ett (2R, 3R)-3-förmodad hydroxiprolinförening som är inriktat på målundernätverk

Grundliga analyser av hela nätverket var svåra på grund av dess komplexitet. Därför analyserade vi förhållandet mellan målen för PAI och sjukdomsassocierade proteiner genom att extrahera ett undernätverk. Följaktligen användes ett (2R, 3R)-3-hydroxiprolin förmodad förening som riktar sig mot målsubnätverk för att klargöra hur (2R, 3R)-3-hydroxiprolin verkar vid åldrande. I detta delnätverk fanns det 8 noder och 15 kanter (Fig. 3).

Diskussion

Tabell 1 visar att den kemiska strukturen hos föreningarna i varje grupp var likartad. Till exempel, i grupp 7 har prednison, kortison, 17a,21-dihydroxi-5b-pregnan-3,11,20- trion och 4,5a-dihydrokortison hydroxyl grupper, karbonylgrupper och ett identiskt antal ringar. De PAI som vi förutspådde, såsom androsteron, har ångestdämpande och kognitiva stärkande effekter, som minskar med åldern.43 Kortison är en av komponenterna i den mänskliga moderkakan, som har rapporterats förlänga livet.44,45 Vitamin A. är en grupp av omättade näringsorganiska föreningar som inkluderar retinol, retinal, retinsyra, vilket kan förhindra åldersrelaterad minnesförsämring.46,47 Således drog vi slutsatsen att androsteron, kortison, retinol och retinal kan vara PAI ianti-åldrandeörter, en slutsats som överensstämmer med klustringsresultat.

Åldrande är relaterat till förändringar i antalet och funktionen hos medfödda immunceller. Åldrande minskar förmågan hos medfödda immuncellers receptorer att svara på bakteriella och virala patogener.48 Oxidativ stress-inducerad redoxobalans påverkar åldrande och åldersrelaterade neurodegenerativa sjukdomar.49,50 Ökad oxidativ stress kan leda till åldrande.51 Det biologiska svaret till oxidativ stress, inlärningsbrister21 och positiv reglering av immunsystemet19 med hjälp av genontologi (tabell 2) överensstämde med litteraturen, och som är relaterad till åldrande.

Natriumberoende multivitamintransportör (Q9Y289) kan transportera pantotenat, biotin och lipoat i närvaro av natrium (Fig. 3). Biotin (AB171548) är ett vattenlösligt B-komplex vitamin (B7, B8 eller H) och en väsentlig kofaktor för flera karboxyleringsreaktioner. Biotinbrist har negativa effekter på cellulär och humoral immunfunktion.52 A4 (P05067) är ett litet transmembranlipoprotein som kan hjälpa till att begränsa höga nivåer av virusreplikation.53 Dessutom är förmågan att kontrollera viral replikation nära relaterad till åldrande.54 Således , drar vi slutsatsen att (2R, 3R)-3-hydroxiprolin kan fungera som en natriumberoende multivitamintransportör för att kontrollera viral replikation genom att aktivera amyloidprekursorproteiner för att fördröja åldrande.

Figur 3 Vägnätverket för (2R, 3R)-3-hydroxiprolin till terapeutiskt mål P05067. Notera: Orange, blå, gul, grå, rosa och röd prickad pil och heldragen linje T representerar komponenterna i eucommiae cortex, förmodat mål, förening, biologisk process, åldrandemål, åldrande, aktivering respektive hämning.

Slutsats

En ny metod föreslogs för att förutsäga PAI föranti-åldrandeväxtbaserade läkemedel genom att införliva kvantkemiberäkningar och maskininlärning. Sedan användes en anetwork-pharmacology approach för att avslöja hur dessa PAI fördröjer åldrandet. En sådan in silico-metod skulle kunna hjälpa till att upptäcka och utvecklaanti-åldrandeläkemedel. Informationen från vår studie om PAI kan hjälpa till att upptäcka anti-aging läkemedel.

Finansiering

Detta arbete stöds av Natural Science Foundation ofChina (81373985).

Intressekonflikt

Vi förklarar att det inte finns några konkurrerande intressen.

Från: ' Strukturell likhetsbaserad förutsägelse av potentialenaktivaIngredienseroch verkningsmekanism förtraditionellkinesiskamedicinformuleringar som används föranti-åldringförbiQian Zhang, et al

---Tidning förTraditionellkinesiskaMedicinska vetenskaper (2018) 5, 177e184