Netværksfarmakologi, forudsigelse og metabolomics: Validering af mekanismen for Fructus phyllanthi mod hyperlipidæmi
Summary
Denne protokol beskriver en integreret strategi for udforskning af de vigtigste mål og mekanismer for Fructus Phyllanthi mod hyperlipidæmi baseret på forudsigelse af netværksfarmakologi og metabolomics verifikation.
Abstract
Hyperlipidæmi er blevet en førende risikofaktor for hjerte-kar-sygdomme og leverskader på verdensplan. Fructus Phyllanthi (FP) er et effektivt lægemiddel mod hyperlipidæmi i traditionel kinesisk medicin (TCM) og indisk medicin teorier, men den potentielle mekanisme kræver yderligere udforskning. Denne forskning sigter mod at afsløre mekanismen for FP mod hyperlipidæmi baseret på en integreret strategi, der kombinerer netværksfarmakologisk forudsigelse med metabolomics-validering. En fedtfattig diæt (HFD)-induceret musemodel blev etableret ved at evaluere plasmalipidniveauerne, herunder total cholesterol (TC), triglycerid (TG), lipoproteinkolesterol med lav densitet (LDL-C) og lipoproteinkolesterol med høj densitet (HDL-C). Netværksfarmakologi blev anvendt til at finde ud af de aktive ingredienser i FP og potentielle mål mod hyperlipidæmi. Metabolomics af plasma og lever blev udført for at identificere differentielle metabolitter og deres tilsvarende veje blandt normalgruppen, modelgruppen og interventionsgruppen. Forholdet mellem netværksfarmakologi og metabolomics blev yderligere konstrueret for at opnå et omfattende overblik over FP-processen mod hyperlipidæmi. De opnåede nøglemålproteiner blev verificeret ved molekylær docking. Disse resultater afspejlede, at FP forbedrede plasmalipidniveauerne og leverskaden af hyperlipidæmi induceret af en HFD. Gallinsyre, quercetin og beta-sitosterol i FP blev demonstreret som de vigtigste aktive forbindelser. I alt 16 og seks potentielle differentielle metabolitter i henholdsvis plasma og lever viste sig at være involveret i de terapeutiske virkninger af FP mod hyperlipidæmi ved metabolomics. Yderligere, integrationsanalyse viste, at interventionseffekterne var forbundet med CYP1A1, AChE, og MGAM, samt justering af L-kynurenine, corticosteron, acetylcholin, og raffinose, hovedsageligt involverer tryptophan metabolisme vej. Molekylær docking sikrede, at ovennævnte ingredienser, der virker på hyperlipidæmi-relaterede proteinmål, spillede en nøglerolle i sænkning af lipider. Sammenfattende gav denne forskning en ny mulighed for forebyggelse og behandling af hyperlipidæmi.
Introduction
Hyperlipidæmi er en almindelig metabolisk sygdom med alvorlige konsekvenser for menneskers sundhed og er også den primære risikofaktor for hjerte-kar-sygdomme1. For nylig har der været en nedadgående aldersrelateret tendens til denne sygdom, og yngre mennesker er blevet mere modtagelige på grund af langvarig uregelmæssig livsstil og usunde spisevaner2. I klinikken er forskellige lægemidler blevet brugt til behandling af hyperlipidæmi. For eksempel er et af de mest almindeligt anvendte lægemidler til patienter med hyperlipidæmi og relaterede aterosklerotiske lidelser statiner. Imidlertid har langvarig brug af statiner bivirkninger, der ikke kan overses, hvilket fører til en dårlig prognose, såsom intolerance, behandlingsresistens og bivirkninger 3,4. Disse mangler er blevet yderligere smerter for hyperlipidæmi patienter. Derfor bør der foreslås nye behandlinger for stabil lipidsænkende effekt og færre bivirkninger.
Traditionel kinesisk medicin (TCM) har været meget udbredt til behandling af sygdomme på grund af sin gode effekt og få bivirkninger5. Fructus Phyllanthi (FP), den tørrede frugt af Phyllanthus emblica Linn. (populært kendt som amla bær eller indisk stikkelsbær), er en berømt medicin og mad homologt materiale af traditionelle kinesiske og indiske lægemidler 6,7. Denne medicin er blevet brugt til at rydde varme, afkøle blod og fremme fordøjelsen, som pr TCM teorier8. Moderne farmakologiske undersøgelser har vist, at FP er rig på bioaktive forbindelser såsom gallinsyrer, ellaginsyrer og quercetin9, som er ansvarlige for en række mangesidede biologiske egenskaber ved at fungere som en antioxidant, en antiinflammatorisk, leverbeskyttelse, en antihypolipidæmisk og så videre10. Nyere forskning har også vist, at FP effektivt kunne regulere blodlipiderne hos patienter med hyperlipidæmi. For eksempel har Variya et al.11 vist, at FP frugtsaft og dets vigtigste kemiske ingrediens i gallinsyre kan reducere plasmakolesterol og reducere olieinfiltration i leveren og aorta. Den terapeutiske effekt var relateret til FP’s regulering ved at øge ekspressionen af peroxisomproliferatoraktiveret receptor-alfa og faldende hepatisk lipogen aktivitet. Men, den underliggende mekanisme af FP i forbedring af hyperlipidæmi bør undersøges yderligere, fordi dets bioaktive ingredienser er ret omfattende. Vi søgte at undersøge den potentielle mekanisme bag FP’s terapeutiske effekt, som kan være gavnlig for den videre udvikling og anvendelse af dette lægemiddel.
I øjeblikket betragtes netværksfarmakologi som en holistisk og effektiv teknik til at studere den terapeutiske mekanisme for TCM. I stedet for at lede efter enkelte sygdomsfremkaldende gener og lægemidler, der udelukkende behandler et individuelt mål, konstrueres et komplet lægemiddel-ingredienser-gener-sygdomsnetværk for at finde multi-target-mekanismen for multiingredienslægemidlet med hensyn til deres omfattende behandling12. Denne teknik er især velegnet til TCM, da deres kemiske sammensætninger er massive. Desværre kan netværksfarmakologi kun bruges til at forudsige mål, der i teorien påvirkes af kemiske ingredienser. De endogene metabolitter i sygdomsmodellen bør observeres for at validere effektiviteten af netværksfarmakologi. Metabolomics-metoden, der opstår med udviklingen af systembiologi, er et vigtigt redskab til overvågning af ændringer i endogene metabolitter13. Ændringerne i metabolitter afspejler værtens steady state-ændringer, hvilket også er en vigtig indikator for at studere den interne mekanisme. Nogle forskere har med succes integreret netværksfarmakologi og metabolomics for at udforske interaktionsmekanismen mellem lægemidler og sygdomme14,15.
Denne artikel udforsker det mekanistiske grundlag for FP mod hyperlipidæmi ved at integrere netværksfarmakologi og metabolomics-teknikker. Netværksfarmakologi blev anvendt til at analysere forholdet mellem de vigtigste aktive ingredienser i FP og molekylære mål for hyperlipidæmi. Derefter blev metabolomics udført for at observere ændringen af endogene metabolitter i dyremodellen, hvilket kan forklare lægemidlets virkninger på metabolisk niveau. Sammenlignet med anvendelsen af netværksfarmakologi eller metabonomics alene gav denne integrerede analyse en mere specifik og omfattende forskningsmekanisme. Derudover blev den molekylære dockingstrategi brugt til at analysere interaktionen mellem aktive ingredienser og nøgleproteiner. Generelt kan denne integrerede tilgang kompensere for manglen på eksperimentel dokumentation for netværksfarmakologi og manglen på en endogen mekanisme for metabolomics-metoden og kan bruges til terapeutisk mekanismeanalyse af naturmedicin. Protokollens vigtigste skematiske rutediagram er vist i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
I de senere år har forekomsten af hyperlipidæmi været stigende, hovedsageligt på grund af langsigtede usunde spisevaner. TCM og dets kemiske ingredienser har forskellige farmakologiske aktiviteter, som er blevet bredt undersøgt i de senere år37,38. FP er en slags frugtressource, der anvendes både som medicin og mad, og har et vigtigt potentiale til behandling af hyperlipidæmi. Imidlertid kræver den potentielle terapeutiske mekanisme af FP mod hyperlipid?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af produktudviklings- og innovationsteamet for TCM Health Preservation and Rehabilitation (2022C005) og 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 |
References
- 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. Biochemistry. 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).
