Netwerk farmacologie voorspelling en metabolomics validatie van het mechanisme van fructus phyllanthi tegen hyperlipidemie
Summary
Het huidige protocol beschrijft een geïntegreerde strategie voor het verkennen van de belangrijkste doelen en mechanismen van Fructus Phyllanthi tegen hyperlipidemie op basis van netwerkfarmacologievoorspelling en metabolomics-verificatie.
Abstract
Hyperlipidemie is wereldwijd een belangrijke risicofactor geworden voor hart- en vaatziekten en leverbeschadiging. Fructus Phyllanthi (FP) is een effectief medicijn tegen hyperlipidemie in de traditionele Chinese geneeskunde (TCM) en de Indiase geneeskunde theorieën, maar het potentiële mechanisme vereist verder onderzoek. Het huidige onderzoek heeft tot doel het mechanisme van FP tegen hyperlipidemie te onthullen op basis van een geïntegreerde strategie die netwerkfarmacologievoorspelling combineert met metabolomics-validatie. Een vetrijk dieet (HFD) -geïnduceerd muizenmodel werd vastgesteld door de plasmalipideniveaus te evalueren, waaronder totaal cholesterol (TC), triglyceride (TG), lipoproteïnecholesterol met lage dichtheid (LDL-C) en lipoproteïnecholesterol met hoge dichtheid (HDL-C). Netwerkfarmacologie werd toegepast om de actieve ingrediënten van FP en potentiële doelwitten tegen hyperlipidemie te achterhalen. Metabolomica van plasma en lever werden uitgevoerd om differentiële metabolieten en hun overeenkomstige routes te identificeren tussen de normale groep, modelgroep en interventiegroep. De relatie tussen netwerkfarmacologie en metabolomica werd verder geconstrueerd om een uitgebreid beeld te krijgen van het proces van FP tegen hyperlipidemie. De verkregen belangrijkste doeleiwitten werden geverifieerd door moleculaire docking. Deze resultaten weerspiegelden dat FP de plasmalipidespiegels en leverbeschadiging van hyperlipidemie geïnduceerd door een HFD verbeterde. Galluszuur, quercetine en bèta-sitosterol in FP werden aangetoond als de belangrijkste actieve verbindingen. Een totaal van 16 en zes potentiële differentiële metabolieten in respectievelijk plasma en lever bleken betrokken te zijn bij de therapeutische effecten van FP tegen hyperlipidemie door metabolomica. Verder gaf integratieanalyse aan dat de interventie-effecten geassocieerd waren met CYP1A1, AChE en MGAM, evenals de aanpassing van L-kynurenine, corticosteron, acetylcholine en raffinose, voornamelijk met betrekking tot tryptofaanmetabolismeroute. Moleculaire docking zorgde ervoor dat de bovenstaande ingrediënten die inwerken op hyperlipidemie-gerelateerde eiwitdoelen een sleutelrol speelden bij het verlagen van lipiden. Samenvattend bood dit onderzoek een nieuwe mogelijkheid voor het voorkomen en behandelen van hyperlipidemie.
Introduction
Hyperlipidemie is een veel voorkomende stofwisselingsziekte met ernstige gevolgen voor de menselijke gezondheid en is ook de primaire risicofactor voor hart- en vaatziekten1. Onlangs is er een neerwaartse leeftijdsgerelateerde trend voor deze ziekte en jongere mensen zijn vatbaarder geworden vanwege langdurige onregelmatige levensstijlen en ongezonde eetgewoonten2. In de kliniek zijn verschillende medicijnen gebruikt om hyperlipidemie te behandelen. Een van de meest gebruikte geneesmiddelen voor patiënten met hyperlipidemie en gerelateerde atherosclerotische aandoeningen is bijvoorbeeld statines. Langdurig gebruik van statines heeft echter bijwerkingen die niet kunnen worden verwaarloosd, wat leidt tot een slechte prognose, zoals intolerantie, behandelingsresistentie en bijwerkingen 3,4. Deze tekortkomingen zijn extra pijnen geworden voor hyperlipidemiepatiënten. Daarom moeten nieuwe behandelingen voor stabiele lipidenverlagende werkzaamheid en minder bijwerkingen worden voorgesteld.
Traditionele Chinese geneeskunde (TCM) is op grote schaal gebruikt om ziekten te behandelen vanwege de goede werkzaamheid en weinig bijwerkingen5. Fructus Phyllanthi (FP), de gedroogde vrucht van Phyllanthus emblica Linn. (in de volksmond bekend als amla-bes of Indiase kruisbes), is een beroemd medicijn en voedsel homoloog materiaal van traditionele Chinese en Indiase medicijnen 6,7. Dit geneesmiddel is gebruikt voor het opruimen van warmte, het koelen van bloed en het bevorderen van de spijsvertering, volgens TCM-theorieën8. Moderne farmacologische studies hebben aangetoond dat FP rijk is aan bioactieve verbindingen zoals galluszuren, ellaginezuren en quercetine9, die verantwoordelijk zijn voor een reeks veelzijdige biologische eigenschappen, door op te treden als een antioxidant, een ontstekingsremmer, leverbescherming, een anti-hypolipidaemische, enzovoort10. Recent onderzoek heeft ook aangetoond dat FP de bloedlipiden van patiënten met hyperlipidemie effectief kan reguleren. Variya et al.11 hebben bijvoorbeeld aangetoond dat FP-vruchtensap en het belangrijkste chemische ingrediënt van galluszuur het plasmacholesterol kunnen verlagen en olie-infiltratie in de lever en aorta kunnen verminderen. De therapeutische werkzaamheid was gerelateerd aan de regulatie van FP bij het verhogen van de expressie van peroxisoom proliferator-geactiveerde receptor-alfa en het verminderen van hepatische lipogene activiteit. Het onderliggende mechanisme van FP bij het verbeteren van hyperlipidemie moet echter verder worden onderzocht, omdat de bioactieve ingrediënten vrij uitgebreid zijn. We probeerden het potentiële mechanisme van de therapeutische werkzaamheid van FP te onderzoeken, wat gunstig kan zijn voor de verdere ontwikkeling en het gebruik van dit geneesmiddel.
Momenteel wordt netwerkfarmacologie beschouwd als een holistische en efficiënte techniek om het therapeutische mechanisme van TCM te bestuderen. In plaats van te zoeken naar enkele ziekteverwekkende genen en geneesmiddelen die alleen een individueel doelwit behandelen, wordt een compleet netwerk van geneesmiddelen-ingrediënten-genen-ziekten geconstrueerd om het multi-doelmechanisme van het geneesmiddel met meerdere ingrediënten te vinden met betrekking tot hun uitgebreide behandeling12. Deze techniek is vooral geschikt voor TCM, omdat hun chemische samenstellingen enorm zijn. Helaas kan netwerkfarmacologie alleen worden gebruikt om doelen te voorspellen die in theorie worden beïnvloed door chemische ingrediënten. De endogene metabolieten in het ziektemodel moeten worden geobserveerd om de effectiviteit van netwerkfarmacologie te valideren. De metabolomics-methode, die ontstaat met de ontwikkeling van systeembiologie, is een belangrijk hulpmiddel voor het monitoren van de veranderingen in endogene metabolieten13. De veranderingen in metabolieten weerspiegelen de steady state veranderingen van de gastheer, wat ook een belangrijke indicator is voor het bestuderen van het interne mechanisme. Sommige onderzoekers hebben met succes netwerkfarmacologie en metabolomica geïntegreerd om het interactiemechanisme tussen geneesmiddelen en ziekten te onderzoeken14,15.
Dit artikel onderzoekt de mechanistische basis van FP tegen hyperlipidemie door netwerkfarmacologie en metabolomics-technieken te integreren. Netwerkfarmacologie werd toegepast om de relatie tussen de belangrijkste actieve ingrediënten in FP en moleculaire doelen voor hyperlipidemie te analyseren. Vervolgens werd metabolomics uitgevoerd om de verandering van endogene metabolieten in het diermodel te observeren, wat de geneesmiddelacties op metabolisch niveau kan verklaren. Vergeleken met de toepassing van netwerkfarmacologie of metabonomica alleen, leverde deze geïntegreerde analyse een specifieker en uitgebreider onderzoeksmechanisme op. Bovendien werd de moleculaire koppelingsstrategie gebruikt om de interactie tussen actieve ingrediënten en belangrijke eiwitten te analyseren. In het algemeen zou deze geïntegreerde benadering het gebrek aan experimenteel bewijs voor netwerkfarmacologie en het ontbreken van een endogene mechanisme voor de metabolomics-methode kunnen compenseren en kan het worden gebruikt voor de therapeutische mechanismeanalyse van natuurlijke geneeskunde. Het belangrijkste schematische stroomdiagram van het protocol is weergegeven in figuur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de afgelopen jaren is de incidentie van hyperlipidemie toegenomen, voornamelijk als gevolg van langdurige ongezonde eetgewoonten. TCM en zijn chemische ingrediënten hebben verschillende farmacologische activiteiten, die de afgelopen jaren op grote schaal zijn bestudeerd37,38. FP is een soort fruitbron, gebruikt als medicijn en voedsel, en heeft een belangrijk potentieel voor de behandeling van hyperlipidemie. Het potentiële therapeutische mechanisme van FP t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door het Product Development and Innovation Team van TCM Health Preservation and Rehabilitation (2022C005) en Research on New Business Cross-border Integration of “Health Preservation and Rehabilitation+”.
Materials
| 101-3B Oven | Luyue Instrument and Equipment Factory | ||
| 80312/80302 Glass Slide | Jiangsu Sitai Experimental Equipment Co., LTD | ||
| 80340-1630 Cover Slip | Jiangsu Sitai Experimental Equipment Co., LTD | ||
| AccucoreTM C18 (3 mm × 100 mm, 2. 6 μm) | Thermo Fisher Scientific | ||
| Acetonitrile | Fisher Chemical | A998 | Version 1.5.6 |
| ACQUITY UPLC HSS T3 Column (2.1 mm × 100 mm, 1.8 μm) | Thermo Fisher Scientific | ||
| Aethanol | Fisher Chemical | A995 | Version 3.0 |
| Ammonia Solution | Chengdu Cologne Chemicals Co., LTD | 1336-21-6 | Version 3.9.1 |
| AutoDockTools | Scripps Institution of Oceanography | ||
| BS-240VT Full-automatic Animal Biochemical Detection System | Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Co., Ltd. | ||
| Compound Discoverer | Thermo Fisher Scientific | ||
| Cytoscape | Cytoscape Consortium | ||
| DM500 Optical Microscope | Leica | ||
| DV215CD Electronic Balance | Ohaus Corporation ., Ltd | T15A63 | |
| Ethyl Alcohol | Chengdu Cologne Chemicals Co., LTD | 64-17-5 | |
| Formic Acid | Fisher Chemical | A118 | |
| HDL-C Assay Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | A112-1-1 | |
| Hematoxylin Staining Solution | Biosharp | BL700B | |
| High Fat Diet | ENSIWEIER | 202211091031 | |
| Hitachi CT15E/CT15RE Centrifuge | Hitachi., Ltd. | ||
| Homogenizer | Oulaibo Technology Co., Ltd | ||
| Hydrochloric Acid | Chengdu Cologne Chemicals Co., LTD | 7647-01-0 | |
| Image-forming System | LIOO | ||
| JB-L5 Freezer | Wuhan Junjie Electronics Co., Ltd | ||
| JB-L5 Tissue Embedder | Wuhan Junjie Electronics Co., Ltd | ||
| JK-5/6 Microtome | Wuhan Junjie Electronics Co., Ltd | ||
| JT-12S Hydroextractor | Wuhan Junjie Electronics Co., Ltd | ||
| KQ3200E Ultrasonic Cleaner | Kun Shan Ultrasonic Instruments Co., Ltd | ||
| LDL-C Assay Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | A113-1-1 | |
| Male C57BL/6 Mice | SBF Biotechnology Co., Ltd. | Version 2.3.2 | |
| Neutral Balsam | Shanghai Yiyang Instrument Co., Ltd | 10021190865934 | |
| Pure Water | Guangzhou Watson's Food & Beverage Co., Ltd | GB19298 | |
| PyMOL | DeLano Scientific LLC | Version 14.1 | |
| RE-3000 Rotary Evaporator | Yarong Biochemical Instrument Factory ., Ltd | ||
| RM2016 Pathological Microtome | Shanghai Leica Instruments Co., Ltd | Version 26.0 | |
| SIMCA-P | Umetrics AB | ||
| Simvastatin | Merck Sharp & Dohme., Ltd | 14202220051 | |
| SPSS | International Business Machines Corporation | ||
| TC Assay Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | A111-1-1 | |
| TG Assay Kit | Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute | A110-1-1 | |
| UPLC-Q-Exactive Quadrupole Electrostatic Field Orbital Hydrazine High Resolution Mass Spectrometry | Thermo Fisher Scientific | ||
| Vortex Vibrator | Beijing PowerStar Technology Co., Ltd. | LC-Vortex-P1 | |
| Xylene | Chengdu Cologne Chemicals Co., LTD | 1330-20-7 |
Referências
- Nelson, R. H. Hyperlipidemia as a risk factor for cardiovascular disease. Primary Care: Clinics in Office Practice. 40 (1), 195-211 (2013).
- Mach, F., et al. 2019 ESC/EAS Guidelines for the management of dyslipidaemias: lipid modification to reduce cardiovascular risk: the Task Force for the management of dyslipidaemias of the European Society of Cardiology (ESC) and European Atherosclerosis Society (EAS). European Heart Journal. 41 (1), 111-188 (2020).
- Oesterle, A., Laufs, U., Liao, J. K. Pleiotropic effects of statins on the cardiovascular system. Circulation Research. 120 (1), 229-243 (2017).
- Last, A. R., Ference, J. D., Menzel, E. R. Hyperlipidemia: drugs for cardiovascular risk reduction in adults. American Family Physician. 95 (2), 78-87 (2017).
- Wu, S., et al. Recent advances of tanshinone in regulating autophagy for medicinal research. Front Pharmacol. 13, 1059360 (2022).
- Mirunalini, S., Krishnaveni, M. Therapeutic potential of Phyllanthus emblica (amla): the ayurvedic wonder. Journal of Basic and Clinical Physiology and Pharmacology. 21 (1), 93-105 (2010).
- Zhao, H. J., et al. Fructus phyllanthi tannin fraction induces apoptosis and inhibits migration and invasion of human lung squamous carcinoma cells in vitro via MAPK/MMP pathways. Acta Pharmacologica Sinica. 36 (6), 758-768 (2015).
- Yan, X., et al. Current advances on the phytochemical composition, pharmacologic effects, toxicology, and product development of Phyllanthi Fructus. Frontiers in Pharmacology. 13, 1017628 (2022).
- Yang, F., et al. Chemical constituents from the fruits of Phyllanthus emblica L. Biochemical Systematics and Ecology. 92, 104122 (2020).
- Wu, L., et al. Phytochemical analysis using UPLC-MSn combined with network pharmacology approaches to explore the biomarkers for the quality control of the anticancer tannin fraction of Phyllanthus emblica L. habitat in Nepal. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2021, 6623791 (2021).
- Variya, B. C., Bakrania, A. K., Chen, Y., Han, J., Patel, S. S. Suppression of abdominal fat and anti-hyperlipidemic potential of Emblica officinalis: Upregulation of PPARs and identification of active moiety. Biomedicine & Pharmacotherapy. 108, 1274-1281 (2018).
- Gertsch, J. Botanical drugs, synergy, and network pharmacology: forth and back to intelligent mixtures. Planta Medica. 77 (11), 1086-1098 (2011).
- Nicholson, J. K., Wilson, I. D. Understanding ‘global’ systems biology: metabonomics and the continuum of metabolism. Nature Reviews Drug Discovery. 2 (8), 668-676 (2003).
- Li, T., et al. Integrated metabolomics and network pharmacology to reveal the mechanisms of hydroxysafflor yellow A against acute traumatic brain injury. Computational and Structural Biotechnology Journal. 19, 1002-1013 (2021).
- Wang, F., et al. Network pharmacology combined with metabolomics to investigate the anti-hyperlipidemia mechanism of a novel combination. Journal of Functional Foods. 87, 104848 (2021).
- Adams, J. M., Jafar-Nejad, H. Determining bile duct density in the mouse liver. Journal of Visualized Experiments. (146), e59587 (2019).
- Wang, J. Y., et al. Use of viral entry assays and molecular docking analysis for the identification of antiviral candidates against coxsackievirus A16. Journal of Visualized Experiments. (149), e59920 (2019).
- Wu, L. F., Liang, W. Y., Zhang, L. Z. Determination of main components of Tibetan medicine Phyllanthus emblica L. World Science and Technology-Modernization of Traditional Chinese Medicine and Materia Medica. 22 (8), 2857-2863 (2022).
- El-Hussainy, E. H. M., Hussein, A. M., Abdel-Aziz, A., El-Mehasseb, I. Effects of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles on ECG, myocardial inflammatory cytokines, redox state, and connexin 43 and lipid profile in rats: possible cardioprotective effect of gallic acid. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 94 (8), 868-878 (2016).
- Huang, W. Y., et al. Quercetin, hyper, and chlorogenic acid improve endothelial function by antioxidant, antiinflammatory, and ACE inhibitory effects. Journal of Food Science. 82 (5), 1239-1246 (2017).
- Lu, T. M., et al. Hypocholesterolemic efficacy of quercetin rich onion juice in healthy mild hypercholesterolemic adults: a pilot study. Plant Foods for Human Nutrition. 70 (4), 395-400 (2015).
- Witkowska, A. M., et al. Dietary plant sterols and phytosterol-enriched margarines and their relationship with cardiovascular disease among polish men and women: The WOBASZ II cross-sectional study. Nutrients. 14 (13), 2665 (2022).
- Turini, E., et al. Efficacy of plant sterol-enriched food for primary prevention and treatment of hypercholesterolemia: a systematic literature review. Foods. 11 (6), 839 (2022).
- Alamro, S. A., et al. Fermented camel milk enriched with plant sterols improves lipid profile and atherogenic index in rats fed high-fat and-cholesterol diets. Heliyon. , e10871 (2022).
- Gao, P., Wen, X., Ou, Q., Zhang, J. Which one of LDL-C/HDL-C ratio and non-HDL-C can better predict the severity of coronary artery disease in STEMI patients. BMC Cardiovascular Disorders. 22 (1), 318 (2022).
- Sun, T., et al. Predictive value of LDL/HDL ratio in coronary atherosclerotic heart disease. BMC Cardiovascular Disorders. 22 (1), 273 (2022).
- Maegawa, K., et al. Dietary raffinose ameliorates hepatic lipid accumulation induced by cholic acid via modulation of enterohepatic bile acid circulation in rats. British Journal of Nutrition. 127 (11), 1621-1630 (2022).
- Antony, B., Merina, B., Sheeba, V. AmlamaxTM in the management of dyslipidemia in humans. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences. 70 (4), 504 (2008).
- Antony, B., Benny, M., Kaimal, T. N. B. A pilot clinical study to evaluate the effect of Emblica officinalis extract (Amlamax™) on markers of systemic inflammation and dyslipidemia. Indian Journal of Clinical Biochemistry. 23 (4), 378-381 (2008).
- Nambiar, S. S., Shetty, N. P. Phytochemical profiling and assessment of low-density lipoprotein oxidation, foam cell-preventing ability and antioxidant activity of commercial products of Emblica officinalis fruit. Journal of Food Biochemistry. 39 (3), 218-229 (2015).
- Gopa, B., Bhatt, J., Hemavathi, K. G. A comparative clinical study of hypolipidemic efficacy of Amla (Emblica officinalis) with 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme-A reductase inhibitor simvastatin. Indian Journal of Pharmacology. 44 (2), 238 (2012).
- Jung, T. W., et al. Administration of kynurenic acid reduces hyperlipidemia-induced inflammation and insulin resistance in skeletal muscle and adipocytes. Molecular and Cellular Endocrinology. , 518 (2020).
- Dong, Y., Li, X., Liu, Y., Gao, J., Tao, J. The molecular targets of taurine confer anti-hyperlipidemic effects. Life Sciences. 278, 119579 (2021).
- Huang, B., Bao, J., Cao, Y. R., Gao, H. F., Jin, Y. Cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) catalyzes lipid peroxidation of oleic acid-induced HepG2 cells. Bioquímica. 83 (5), 595-602 (2018).
- Xia, H., et al. Alpha-naphthoflavone attenuates non-alcoholic fatty liver disease in oleic acid-treated HepG2 hepatocytes and in high fat diet-fed mice. Biomedicine & Pharmacotherapy. 118, 109287 (2019).
- Dai, Z., et al. Protective effects of α-galacto-oligosaccharides against a high-fat/western-style diet-induced metabolic abnormalities in mice. Food & Function. 10 (6), 3660-3670 (2019).
- Wang, X., et al. Salidroside, a phenyl ethanol glycoside from Rhodiola crenulata, orchestrates hypoxic mitochondrial dynamics homeostasis by stimulating Sirt1/p53/Drp1 signaling. J Ethnopharmacol. 293, 115278 (2022).
- Hou, Y., et al. Salidroside intensifies mitochondrial function of CoCl(2)-damaged HT22 cells by stimulating PI3K-AKT-MAPK signaling pathway. Phytomedicine. 109, 154568 (2023).
- Noor, F., et al. Network pharmacology approach for medicinal plants: review and assessment. Pharmaceuticals. 15 (5), 572 (2022).
- Li, X., et al. Role of potential bioactive metabolites from traditional Chinese medicine for type 2 diabetes mellitus: An overview. Front Pharmacol. 13, 1023713 (2022).
