Netzwerkpharmakologische Vorhersage und experimentelle Validierung des Wirkungsmechanismus von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii gegen Lungenadenokarzinome
Summary
Diese Studie enthüllt den Mechanismus von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii bei der Behandlung von Lungenadenokarzinomen auf der Grundlage von Netzwerkpharmakologie und experimenteller Überprüfung. Die Studie zeigt auch, dass der PI3K/AKT-Signalweg eine wichtige Rolle bei der Wirkung von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii bei der Behandlung des Lungenadenokarzinoms spielt.
Abstract
Unser Ziel war es, den Mechanismus von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii bei der Behandlung des Lungenadenokarzinoms (LUAD) auf der Grundlage von Netzwerkpharmakologie und experimenteller Verifizierung zu untersuchen. Die wirksamen Komponenten und potentiellen Targets von Trichosanthis und Fritillaria thunbergii wurden mittels Hochdurchsatz-Experiment und referenzgeführter (HERB) Datenbank der Traditionellen Chinesischen Medizin und einer SEA-Datenbank (Similarity Ensemble Approach) gesammelt, und die LUAD-bezogenen Targets wurden von den Datenbanken GeneCards und Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) abgefragt. Ein Drug-Component-Disease-Target-Netzwerk wurde mit der Cytoscape-Software aufgebaut. Protein-Protein-Interaktionsnetzwerke (PPI), Genontologie-Funktionen (GO) und Analysen der Kyoto-Enzyklopädie der Gene und Genome (KEGG)-Signalwege wurden durchgeführt, um Kernziele und Schlüsselsignalwege zu erhalten. Für die anschließende experimentelle Validierung wurden ein wässriger Extrakt aus Trichosanthes-Fritillaria thunbergii und A549-Zellen verwendet. Durch die HERB-Datenbank und die Literaturrecherche wurden 31 wirksame Verbindungen und 157 potenzielle Zielgene von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii untersucht, von denen 144 regulatorische Ziele von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii bei der Behandlung des Lungenadenokarzinoms waren. Die GO-funktionelle Anreicherungsanalyse zeigte, dass der Wirkmechanismus von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii gegen das Lungenadenokarzinom hauptsächlich in der Proteinphosphorylierung besteht. Die Analyse der Anreicherung des KEGG-Signalwegs deutete darauf hin, dass die Behandlung des Lungenadenokarzinoms mit Trichosanthes-Fritillaria thunbergii hauptsächlich den PI3K/AKT-Signalweg beinhaltet. Die experimentelle Validierung zeigte, dass ein wässriger Extrakt von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii die Proliferation von A549-Zellen und die Phosphorylierung von AKT hemmen kann. Durch Netzwerkpharmakologie und experimentelle Validierung konnte nachgewiesen werden, dass der PI3K/AKT-Signalweg eine wichtige Rolle bei der Wirkung von Trichosanthes-Fritillaria thunbergii bei der Behandlung des Lungenadenokarzinoms spielt.
Introduction
Lungenkrebs bezieht sich auf bösartige Tumoren, die von der Bronchialschleimhaut der Lunge ausgehen, einschließlich Plattenepithelkarzinom, Adenokarzinom, großzelligem Karzinom und kleinzelligem Karzinom1. Das Lungenadenokarzinom (LUAD) ist die häufigste Form von Lungenkrebs und macht etwa 40 % aller Lungenkrebsfälleaus 2. Die meisten Patienten werden in einem fortgeschrittenen Stadium diagnostiziert oder haben Fernmetastasen und verlieren so die Möglichkeit einer Operation3. In der aktuellen klinischen Behandlung ist die gleichzeitige Radiochemotherapie die häufigste Strategie zur Behandlung von LUAD, ihre Anwendung ist jedoch aufgrund schwerwiegender Nebenwirkungen begrenzt4.
Die Traditionelle Chinesische Medizin (TCM) kann die klinischen Symptome von LUAD-Patienten wirksam lindern und die durch Strahlen- und Chemotherapie verursachten Nebenwirkungen reduzieren und ist damit zu einem Forschungs-Hotspot geworden 5,6,7. In der traditionellen chinesischen Medizin gehört Lungenkrebs in die Kategorie der “Lungenansammlung” und “Lungensteinwasser”. Der Mangel an Qi und das Zusammenspiel von Schleim, Stase und Gift sind wichtig für die Pathogenese von Lungenkrebs. Daher sind die Tonisierung des Qi und die Beseitigung von Schleim und Blutstau die wichtigsten klinischen Behandlungsmethoden8 für Lungenkrebs gemäß der TCM-Theorie9. Trichosanthes kirilowii Maxim (Gualou) und Fritillaria thunbergii Miq (Zhebeimu) stellen ein häufiges Medikamentenpaar bei der Behandlung von Lungenkrebs dar, und diese Kombination hat die Wirkung, die Hitze zu beseitigen und den Schleim zu reduzieren10,11,12. Der Wirkmechanismus ist jedoch noch unklar, und es muss noch weiter geforscht werden.
Die Netzwerkpharmakologie ist eine umfassende, auf der Theorie der Systembiologie und der multidirektionalen Pharmakologie basierende Methode, die darauf abzielt, komplexe Netzwerkbeziehungen zwischen mehreren Medikamenten und Krankheiten aufzudecken13. Traditionelle chinesische Verschreibungen haben die Eigenschaften, dass sie Mehrkomponenten- und Multi-Target-Verschreibungen sind, was bedeutet, dass sie sich sehr gut für das Studium der Netzwerkpharmakologie eignen14,15. In jüngster Zeit hat sich die Netzwerkpharmakologie zu einem leistungsstarken Ansatz bei der Erforschung von TCM-Rezepturen entwickelt und ist zu einem Forschungs-Hotspot geworden16,17.
Nach unserem besten Wissen werden jedoch alle Forschungen zur Netzwerkpharmakologie als Text dargestellt. Die Präsentation dieser Technologie per Video wird die Lernschwelle erheblich verringern und die Förderung dieser Technologie erleichtern, was einer der Vorteile dieses Artikels ist. In dieser Studie haben wir Trichosanthes-Fritillaria thunbergii gegen Lungenadenokarzinome als Beispiel genommen, um eine netzwerkpharmakologische Vorhersage und experimentelle Validierung durchzuführen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Allgemeinen umfasst eine vollständige netzwerkpharmakologische Studie die Identifizierung von Wirkstoffen aus Datenbanken, die Erfassung von Zielen, die den Wirkstoffen und Krankheiten entsprechen, den Aufbau eines Netzwerks von Wirkstoffkomponenten-Krankheitszielen und die Vorhersage von Kernzielen und -wegen. Die Assoziation zwischen Wirkstoffen und Kernproteinen (molekulares Docking) wird mit Hilfe von Computertechnik vorläufig vorhergesagt und die abschließende Verifizierung mit einem Experiment durchgeführt.<…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde durch das Innovation Training Program der Beijing University of Chinese Medicine (Nr.: 202110026036) unterstützt.
Materials
| 0.25% trypsin-EDTA | Gibco | R001100 | |
| A549 cell line | Procell | CL-0016 | |
| AKT antibody | CST | 4691S | |
| BCA Protein Assay Kit | Solarbio | PC0020 | |
| Chemiluminescence detection system | Shanghai Qinxiang Scientific Instrument Factory | ChemiScope 6100 | |
| Dulbecco's modified eagle medium (DMEM) | Solarbio | 11995 | |
| Enhanced chemiluminescence (ECL) kit | ABclonal | RM00021 | |
| Fetal bovine serum | ScienCell | 0025 | |
| HRP Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) | ABclonal | AS014 | |
| MTS assay kit | Promega | G3580 | |
| p-AKT antibody | CST | 6040S | |
| Penicillin streptomycin | Gibco | C14-15070-063 | |
| Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Solarbio | P0100 | |
| Phosphatase inhibitor | Beyotime | P1081 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Solarbio | P1020 | |
| Polyvinylidene difluoride (PVDF) membranes | Millipore | ISEQ00010 | |
| RIPA lysis solution | Solarbio | R0010 | |
| Rotary evaporator | Shanghai Yarong Biochemical Instrument Factory | RE52CS-1 | |
| Vacuum freeze-drying mechanism | Ningbo Scientz Biotechnology | SCIENTZ-10 | |
| β-Actin antibody | ABclonal | AC026 |
References
- Thai, A. A., Solomon, B. J., Sequist, L. V., Gainor, J. F., Heist, R. S. Lung cancer. The Lancet. 398 (10299), 535-554 (2021).
- Sinha, A., et al. Early-stage lung adenocarcinoma MDM2 genomic amplification predicts clinical outcome and response to targeted therapy. Cancers. 14 (3), 708 (2022).
- Howlader, N., et al. The effect of advances in lung-cancer treatment on population mortality. The New England Journal of Medicine. 383 (7), 640-649 (2020).
- Hirsch, F. R., et al. Lung cancer: Current therapies and new targeted treatments. The Lancet. 389 (10066), 299-311 (2017).
- Liu, J., et al. Comprehensive treatment with Chinese medicine in patients with advanced non-small cell lung cancer: A multicenter, prospective, cohort study. Chinese Journal of Integrative Medicine. 23 (10), 733-739 (2016).
- Xiao, Z. W., et al. Comprehensive TCM treatments combined with chemotherapy for advanced non-small cell lung cancer: A randomized, controlled trial. Médecine. 100 (18), 25690 (2021).
- Li, Y., et al. Effectiveness of traditional Chinese medicine on chemoradiotherapy induced leukaemia in patients with lung cancer: A meta-analysis. Journal of Traditional Chinese Medicine. 38 (5), 661-667 (2018).
- Yuan, F., et al. Therapeutic effect and apoptosis mechanism of lung-tonifying and expectorant decoction on lung cancer rats with Qi deficiency and blood stasis. Asian Pacific Journal of Tropical Medicine. 8 (11), 983-988 (2015).
- Zhang, Y. L., Liang, Y. E., He, C. W. Anticancer activities and mechanisms of heat-clearing and detoxicating traditional Chinese herbal medicine. Chinese Medicine. 12, 20 (2017).
- Wang, T. B., et al. Exploring the rules of application of RONG Yuan-ming in the treatment of non-small cell lung cancer. Guiding Journal of Traditional Chinese Medicine and Pharmacy. 25 (14), 22-25 (2019).
- Chen, T. T., Wang, Y., Tian, T. Medication regularity and mechanism of traditional Chinese medicine in treating lung cancer. Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae. 24 (11), 206-210 (2018).
- Shen, C. J. Analysis of the rule of Chinese medicine in treating lung cancer. Journal of Shandong University of Traditional Chinese Medicine. 35 (2), 127-129 (2011).
- Yang, X. Y., et al. Evidence-based complementary and alternative medicine bioinformatics approach through network pharmacology and molecular docking to determine the molecular mechanisms of Erjing pill in Alzheimer’s disease. Experimental and Therapeutic Medicine. 22 (5), 1252 (2021).
- Chen, G. Y., et al. Network pharmacology analysis and experimental validation to investigate the mechanism of total flavonoids of Rhizoma Drynariae in treating rheumatoid arthritis. Drug Design Development and Therapy. 16, 1743-1766 (2022).
- Chen, G. Y., et al. Integrating network pharmacology and experimental validation to explore the key mechanism of Gubitong recipe in the treatment of osteoarthritis. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2022, 7858925 (2022).
- Xie, G. G., et al. A network pharmacology analysis to explore the effect of Astragali Radix-Radix Angelica Sinensis on traumatic brain injury. BioMed Research International. 2018, 3951783 (2018).
- Chen, G. Y., et al. Prediction of Rhizoma Drynariae targets in the treatment of osteoarthritis based on network pharmacology and experimental verification. Evidence Based Complementary and Alternative Medicine. 2021, 5233462 (2021).
- World Federation of Chinese Medicine Societies. Network pharmacology evaluation methodology guidance. World Chinese Medicine. 16 (4), 527-532 (2021).
- Fang, S. S., et al. A high-throughput experiment- and reference-guided database of traditional Chinese medicine. Nucleic Acids Research. 49, 1197-1206 (2021).
- Chen, G. Y., et al. Network pharmacology-based strategy to investigate the mechanisms of Cibotium barometz in treating osteoarthritis. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2022, 1826299 (2022).
- Yu, J. H., et al. ZiYinHuaTan recipe inhibits cell proliferation and promotes apoptosis in gastric cancer by suppressing PI3K/AKT pathway. BioMed Research International. 2020, 2018162 (2020).
- Daina, A., Michielin, O., Zoete, V. SwissADME: A free web tool to evaluate pharmacokinetics, drug-likeness and medicinal chemistry friendliness of small molecules. Scientific Reports. 7, 42717 (2017).
- Keiser, M. J., et al. Relating protein pharmacology by ligand chemistry. Nature Biotechnology. 25 (2), 197-206 (2007).
- Safran, M., et al. GeneCards Version 3: The human gene integrator. Database. 2010, (2010).
- Amberger, J. S., Hamosh, A. Searching Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): A knowledgebase of human genes and genetic phenotypes. Current Protocols in Bioinformatics. 58, 1-12 (2017).
- Mering, C. V., et al. STRING: Known and predicted protein-protein associations, integrated and transferred across organisms. Nucleic Acids Research. 33, 433-437 (2005).
- Zhou, Y. Y., et al. Metascape provides a biologist-oriented resource for the analysis of systems-level datasets. Nature Communications. 10, 1523 (2019).
- Pundir, S., et al. UniProt protein knowledgebase. Methods in Molecular Biology. 1558, 41-55 (2017).
- Burley, S. K., et al. Protein data bank (PDB): The single global macromolecular structure archive. Methods in Molecular Biology. 1607, 627-641 (2017).
- Welsh, L. C., Welsh, M. VEGFA and tumour angiogenesis. Journal of Internal Medicine. 273 (2), 114-127 (2013).
- Hsu, L. H., Chu, N. M., Kao, S. H. Estrogen, estrogen receptor and lung cancer. International Journal of Molecular Sciences. 18 (8), 1713 (2017).
- Atmaca, A., et al. SNAI2/SLUG and estrogen receptor mRNA expression are inversely correlated and prognostic of patient outcome in metastatic non-small cell lung cancer. BMC Cancer. 15, 300 (2015).
- Lakshmi, S. P., Reddy, A. T., Banno, A., Reddy, R. C. PPAR agonists for the prevention and treatment of lung cancer. PPAR Research. 2017, 8252796 (2017).
- Oguro, A., Sakamoto, K., Funae, Y., Imaoka, S. Overexpression of CYP3A4, but not of CYP2D6, promotes hypoxic response and cell growth of Hep3B cells. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 26 (4), 407-415 (2011).
- Jamroze, A., Chatta, G., Tang, D. G. Androgen receptor (AR) heterogeneity in prostate cancer and therapy resistance. Cancer Letters. 518, 1-9 (2021).
- Wu, Y. I., et al. Regulation of global gene expression and cell proliferation by APP. Scientific Reports. 6, 22460 (2016).
- Sedlář, A., et al. Growth factors VEGF-A 165 and FGF-2 as multifunctional biomolecules governing cell adhesion and proliferation. International Journal of Molecular Sciences. 22 (4), 1843 (2021).
- Guo, L. H., Yin, M., Wang, Y. X. CREB1, a direct target of miR-122, promotes cell proliferation and invasion in bladder cancer. Oncology Letters. 16 (3), 3842-3848 (2018).
- Wang, D. D., et al. Induction of CYP1A1 increases gefitinib-induced oxidative stress and apoptosis in A549 cells. Toxicology In Vitro. 44, 36-43 (2017).
- Tan, A. C. Targeting the PI3K/Akt/mTOR pathway in non-small cell lung cancer (NSCLC). Thoracic Cancer. 11 (3), 511-518 (2020).
- Jin, X., et al. RBM10 inhibits cell proliferation of lung adenocarcinoma via RAP1/AKT/CREB signalling pathway. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 23 (6), 3897-3904 (2019).
- Henkels, K. M., et al. Phospholipase D (PLD) drives cell invasion, tumor growth and metastasis in a human breast cancer xenograph model. Oncogene. 32 (49), 5551-5562 (2013).
- Zhang, Z. Y., et al. CircRNA_101237 promotes NSCLC progression via the miRNA-490-3p/MAPK1 axis. Scientific Reports. 10, 490-493 (2020).
- Gao, T. X., et al. Exploring the mechanism of Fu-Zi Decoction in treatment of chronic heart failure based on network pharmacology and molecular docking technology. Journal of Chinese Pharmaceutical Sciences. 30 (09), 705-715 (2021).
- Wang, B., et al. PP4C facilitates lung cancer proliferation and inhibits apoptosis via activating MAPK/ERK pathway. Pathology, Research and Practice. 216 (5), 152910 (2020).
- Moon, M. Y., et al. Rap1 regulates hepatic stellate cell migration through the modulation of RhoA activity in response to TGF-β1. International Journal of Molecular Medicine. 44 (2), 491-502 (2019).
- Kan, J., et al. He-Chan Pian inhibits the metastasis of non-small cell lung cancer via the miR-205-5p-mediated regulation of the GREM1/Rap1 signaling pathway. Phytomedicine. 94, 153821 (2022).
- Sidrat, T., et al. Role of Wnt signaling during in-vitro bovine blastocyst development and maturation in synergism with PPARδ signaling. Cells. 9 (4), 923 (2020).
- Wagner, N., Wagner, K. D. PPAR beta/delta and the hallmarks of cancer. Cells. 9 (5), 1133 (2020).
- Miriam, M., et al. PI3K/AKT signaling pathway and cancer: An updated review. Annals of Medicine. 46 (6), 372-383 (2014).
- Ma, X. L., et al. CD73 promotes hepatocellular carcinoma progression and metastasis via activating PI3K/AKT signaling by inducing Rap1-mediated membrane localization of P110β and predicts poor prognosis. Journal of Hematology & Oncology. 12 (1), 37 (2019).
- Li, T., et al. Pomegranate flower extract bidirectionally regulates the proliferation, differentiation and apoptosis of 3T3-L1 cells through regulation of PPARγ expression mediated by PI3K-AKT signaling pathway. Biomedicine & Pharmacotherapy. 131, 110769 (2020).
