Прогнозирование сетевой фармакологии и валидация метаболомики механизма Fructus Phyllanthi против гиперлипидемии
Summary
В настоящем протоколе описывается комплексная стратегия изучения ключевых мишеней и механизмов Fructus Phyllanthi против гиперлипидемии, основанная на прогнозировании сетевой фармакологии и проверке метаболомики.
Abstract
Гиперлипидемия стала ведущим фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний и повреждения печени во всем мире. Fructus Phyllanthi (FP) является эффективным препаратом против гиперлипидемии в традиционной китайской медицине (ТКМ) и теориях индийской медицины, однако потенциальный механизм требует дальнейшего изучения. Настоящее исследование направлено на выявление механизма ФП против гиперлипидемии на основе комплексной стратегии, сочетающей прогнозирование сетевой фармакологии с валидацией метаболомики. Модель мышей, индуцированная диетой с высоким содержанием жиров (HFD), была создана путем оценки уровней липидов в плазме, включая общий холестерин (TC), триглицериды (TG), холестерин липопротеинов низкой плотности (LDL-C) и холестерин липопротеинов высокой плотности (HDL-C). Сетевая фармакология была применена для выяснения активных ингредиентов FP и потенциальных мишеней против гиперлипидемии. Метаболомика плазмы и печени была выполнена для выявления дифференциальных метаболитов и соответствующих им путей среди нормальной группы, модельной группы и группы вмешательства. Взаимосвязь между сетевой фармакологией и метаболомикой была дополнительно построена для получения всестороннего представления о процессе ФП против гиперлипидемии. Полученные ключевые белки-мишени были верифицированы методом молекулярного докинга. Эти результаты показали, что FP улучшил уровень липидов в плазме и повреждение печени при гиперлипидемии, вызванной HFD. Галловая кислота, кверцетин и бета-ситостерол в FP были продемонстрированы в качестве ключевых активных соединений. Было обнаружено, что в общей сложности 16 и шесть потенциальных дифференциальных метаболитов в плазме и печени, соответственно, участвуют в терапевтических эффектах FP против гиперлипидемии путем метаболомики. Кроме того, интеграционный анализ показал, что эффекты вмешательства были связаны с CYP1A1, AChE и MGAM, а также с корректировкой L-кинуренина, кортикостерона, ацетилхолина и рафинозы, в основном с участием пути метаболизма триптофана. Молекулярный докинг гарантирует, что вышеуказанные ингредиенты, действующие на белковые мишени, связанные с гиперлипидемией, играют ключевую роль в снижении уровня липидов. Таким образом, это исследование предоставило новую возможность для профилактики и лечения гиперлипидемии.
Introduction
Гиперлипидемия является распространенным метаболическим заболеванием с серьезными последствиями для здоровья человека, а также основным фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний1. В последнее время наблюдается тенденция к снижению возрастного заболевания, и молодые люди стали более восприимчивыми из-за длительного нерегулярного образа жизни и нездоровых привычек питания2. В клинике для лечения гиперлипидемии применялись различные препараты. Например, одним из наиболее часто используемых препаратов для пациентов с гиперлипидемией и связанными с ней атеросклеротическими расстройствами являются статины. Однако длительное применение статинов имеет побочные эффекты, которыми нельзя пренебрегать, которые приводят к плохому прогнозу, такие как непереносимость, резистентность к лечению и нежелательные явления 3,4. Эти недостатки стали дополнительными болями для пациентов с гиперлипидемией. Поэтому следует предложить новые методы лечения для стабильной гиполипидемической эффективности и меньшего количества побочных эффектов.
Традиционная китайская медицина (ТКМ) широко используется для лечения заболеваний из-за ее хорошей эффективности и небольшого количества побочных эффектов5. Fructus Phyllanthi (FP), сухофрукты Phyllanthus emblica Linn. (широко известный как ягода амлы или индийский крыжовник), является известным лекарственным и пищевым материалом, гомологичным для традиционных китайских и индийских лекарств 6,7. Это лекарство использовалось для очищения от жары, охлаждения крови и улучшения пищеварения в соответствии с теориями ТКМ8. Современные фармакологические исследования показали, что FP богат биологически активными соединениями, такими как галловые кислоты, эллаговые кислоты и кверцетин9, которые отвечают за ряд многогранных биологических свойств, действуя как антиоксидант, противовоспалительное средство, средство защиты печени, антигиполипидемическое и так далее10. Недавние исследования также показали, что FP может эффективно регулировать липиды крови пациентов с гиперлипидемией. Например, Variya et al.11 продемонстрировали, что фруктовый сок FP и его основной химический ингредиент галловая кислота могут снижать уровень холестерина в плазме и уменьшать инфильтрацию масла в печени и аорте. Терапевтическая эффективность была связана с регуляцией FP в увеличении экспрессии рецептора-альфа, активируемого пролифератором пероксисом, и снижении липогенной активности печени. Тем не менее, основной механизм FP в улучшении гиперлипидемии должен быть дополнительно изучен, поскольку его биологически активные ингредиенты довольно обширны. Мы стремились изучить потенциальный механизм терапевтической эффективности ФП, который может быть полезен для дальнейшей разработки и использования этого лекарства.
В настоящее время сетевая фармакология рассматривается как целостная и эффективная методика изучения терапевтического механизма ТКМ. Вместо того, чтобы искать отдельные болезнетворные гены и лекарства, лечащие исключительно индивидуальную мишень, строится полная сеть лекарств-ингредиентов-генов-заболеваний, чтобы найти многоцелевой механизм многокомпонентного лекарственного средства в отношении их комплексного лечения12. Этот метод особенно подходит для ТКМ, так как их химический состав огромен. К сожалению, сетевая фармакология может быть использована только для прогнозирования целей, на которые влияют химические ингредиенты в теории. Эндогенные метаболиты в модели заболевания следует наблюдать, чтобы подтвердить эффективность сетевой фармакологии. Метод метаболомики, появившийся с развитием системной биологии, является важным инструментом мониторинга изменений эндогенных метаболитов13. Изменения в метаболитах отражают устойчивые изменения состояния хозяина, что также является важным показателем для изучения внутреннего механизма. Некоторые исследователи успешно интегрировали сетевую фармакологию и метаболомику для изучения механизма взаимодействия между лекарствами и заболеваниями14,15.
В этой статье исследуются механистические основы ФП против гиперлипидемии путем интеграции методов сетевой фармакологии и метаболомики. Сетевая фармакология была применена для анализа взаимосвязи между основными активными ингредиентами в FP и молекулярными мишенями для гиперлипидемии. Впоследствии была проведена метаболомика для наблюдения изменения эндогенных метаболитов на животной модели, что может объяснить действие лекарства на метаболическом уровне. По сравнению с применением только сетевой фармакологии или метабономики, этот интегрированный анализ обеспечил более конкретный и всеобъемлющий механизм исследования. Кроме того, стратегия молекулярного докинга использовалась для анализа взаимодействия между активными ингредиентами и ключевыми белками. В целом, этот комплексный подход может компенсировать отсутствие экспериментальных данных по сетевой фармакологии и отсутствие эндогенного механизма для метода метаболомики и может быть использован для анализа терапевтического механизма натуральной медицины. Основная схематическая блок-схема протокола показана на рисунке 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
В последние годы уровень заболеваемости гиперлипидемией увеличивается, в основном из-за долгосрочных нездоровых привычек питания. ТКМ и ее химические ингредиенты обладают различной фармакологической активностью, которая была широко изучена в последние годы37,38<sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Группой разработки продуктов и инноваций ТКМ «Сохранение здоровья и реабилитация» (2022C005) и Исследование трансграничной интеграции нового бизнеса «Сохранение здоровья и реабилитация +».
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).
