Hibridna sistemska biologija i sistemska farmakologija istraživanje Zingeroneovih efekata na rekonstruisana ljudska epidermalna tkiva, 1. deo

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

Pozadina:Kako pojedinci žive duže, može se očekivati ​​da će se starije populacije suočiti s problemima. Ovaj obrazac podstiče istraživače da dalje istražuju koncept starenja kako bi proizveli uspješne agense protiv starenja. U trenutnoj studiji, efekti zingerona (prirodnog jedinjenja) na epidermalna tkiva analizirani su bioinformatičkim pristupom. Metode: U tu svrhu, odabrali smo GEO skup podataka GSE133338 da izvršimo pristup sistemskoj biologiji i sistemskoj farmakologiji, u rasponu od identifikacije različito eksprimiranih gena do analize ontologije gena, određivanja sličnih struktura Zingerona i njihovih karakteristika (tj. anti- oksidativni, antiinflamatorni i kožni poremećaji), konstruisanje mreže gena i hemikalija, analiziranje odnosa gena i bolesti i validacija značajnih gena kroz dokaze predstavljene u literaturi.

Rezultati:Post-procesiranje skupa podataka mikromreža identificiralo je trinaest esencijalnih gena među kontrolnim uzorcima i uzorcima tretiranim Zingeronom.cistanche prahPostupak je otkrio različite strukturno slične kemijske i biljne spojeve s mogućim efektima na kožu. Osim toga, proučavali smo odnose različito eksprimiranih gena s kožnim bolestima i potvrdili njihovu direktnu povezanost s kožnim poremećajima prema dokazima dostupnim u literaturi. Takođe, analiza skupa podataka za profilisanje mikromreža otkrila je kritičnu ulogu interleukina kao dijela porodice citokina u napredovanju starenja kože.

Molimo kliknite ovdje da saznate više

Zaključci:Zingeron, i potencijalno bilo koji sastojci Zingerona (npr. njihova slična funkcija skeniranja spojeva), mogu se koristiti kao terapeutski agensi u liječenju kožnih poremećaja kao što je starenje kože. Međutim, u budućim studijama treba procijeniti korisne efekte Zingerona na drugim modelima (tj. ljudskim ili životinjskim).

Ključne riječi:Zingerone, starenje kože, sistemska biologija, sistemska farmakologija, interleukin, udruženje genskih bolesti, mreža gena i hemikalija, slična jedinjenja, kožni poremećaji

Pozadina

Koža, koja se sastoji od epiderme, dermisa i potkožnih slojeva, najveći je organ tijela i čini fizičku barijeru između vanjskog i unutrašnjeg okruženja koja štiti i održava. Kako stanovništvo stari, epidermis i dermis su primarni ciljevi za različite promjene koje potiču razvoj novih terapijskih sredstava protiv starenja [1]. Fizički i hemijski faktori okoline kao što su UV zračenje i ksenobiotici igraju značajnu ulogu u oksidativnom stresu ćelija kože tako što menjaju uključene signalne puteve, imunosupresiju i proizvode reaktivne vrste kiseonika (ROS) i fotosenzitivne bolesti [2]. Dostupni su različiti tretmani protiv starenja kože, uključujući lokalne retinoide, pilinge (npr. salicilnu kiselinu), botulinum neurotoksin, filere mekih tkiva, kolagene, hijaluronsku kiselinu, autolognu masnoću, alogene i sintetičke proizvode, lasere, kirurške zahvate i endokrinološke terapije , kao i druge alternative kao što su fitohormoni[3]. Izveštaji su pokazali da upotreba prirodnih jedinjenja ima obećavajuće rezultate u smanjenju efekata starenja kože izazvanih UV zračenjem, zbog čega su oni igrali primarnu ulogu u kozmetičkim naukama[4].

(4-(4-hidroksi-3-metoksifenil)-2-bu-Zingeronetanon) je jeftina i netoksična fenolna alkenonska struktura izvedena iz đumbira (Zingiber officinale Rosc), koji je široko rasprostranjen koristi se biljka u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji širom svijeta (npr. Kina, Grčka i Indija)[5-7].ekstrakt cistanche salsaZingeron je rezultat dehidracije gingerola tokom kuhanja ili sušenja [5]. Glavna farmakološka svojstva Zingerona uključuju antioksidativno, imunostimulativno, protuupalno i antikancerogeno djelovanje [8]. Prethodne studije su objavile anti-ultraljubičasto B(UVB) zračenje aktivnosti Zingerona u zaštiti epiderme [9].

Cistanche može protiv starenja

Zingeron vjerojatno djeluje kao neuroprotektivno sredstvo blokiranjem apoptotičkog puta, čime sprječava oksidativni stres i ograničava upalu [10]. Smatra se da su polifenolna jedinjenja nazvana Zingeron prisutna u đumbiru i da imaju moćna antioksidativna svojstva, pokazuju aktivnost uklanjanja slobodnih radikala i pružaju otpornost na oksidativni stres[11].cistanche stemPrijavljeni su različiti zaštitni efekti Zin-gerona kod toksičnosti izazvane olovom[12], dijabetesa tipa 2 izazvanog streptozotocinom/dijetom s visokim udjelom masti[13], reumatoidnom artritisu [14], oksidativnom stresu izazvanom lipopolisaharidima, oštećenju DNK, citokinskim olujama [15], eksperimentalna karcinogeneza debelog crijeva [16], oksidativni stres izazvan aloksanom [17], toksičnost organa uzrokovana ciklofosfamidom [11] i cisplatin (cis-diamindikloroplatinom (I)-indukovana jejunalna toksičnost subZtistana[18]. smanjen nivo NF-KB, TGF-, TNF-, IL-1, IL-6 i Hs-CRP uz značajno povećanje nivoa I-10 i vraćanje nivoa antioksidativnih enzima [14] Dakle, kada se daje životinjama (npr. Wistar pacovima) izloženim gore navedenim toksičnostima i bolestima, Zingerone može smanjiti oksidativni stres, upalu i oštećenje više organa.

Prema autorovim saznanjima, nijedno istraživanje nije koristilo pristupe sistemske biologije i sistemske farmakologije za određivanje značajno različito eksprimiranih gena između kontrolnih tkiva i onih tretiranih Zingeroneom. U ovoj studiji koristili smo dostupne skupove podataka za profilisanje ekspresije gena u mikromrežu kako bismo ispunili ovaj cilj. Također su ispitani funkcionalni i ćelijski mehanizmi identificiranih gena. Zatim su izvršene različite mrežne analize, uključujući genske bolesti i genske hemikalije. Konačno, efekti hemijskih i biljnih jedinjenja sličnih Zingeroneovoj strukturi su detaljno proučavani, a validacija potencijalno značajnih gena je revidirana na osnovu dokaza pronađenih u literaturi.

Metode

Sažetak trenutnog toka istraživanja je ilustrovan kao dijagram toka, kao što je prikazano na Sl.1. Izvor podataka Skup podataka korišten u ovoj studiji je javno dostupan iz omnibus baze podataka o ekspresiji gena (GEO) nacionalnog centra za informacije o biotehnologiji (NCBI) (tj. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ )sa GPL17692 [HuGene-2_1-st] platformom Affymetrix Human Gene 2.1 ST Array [transkript(gene) verzija]. Jedini dostupni skup GEO podataka, GSE133338, uključivao je šest rekonstruisanih humanih epidermalnih (RHE) tkiva tretiranih Zingeroneom (n=3) i kontrolom vode (n=3), kao što je prikazano na Sl.1.

Diferencijalno izraženi geni (DEG) između dva tipa tkiva

Dr Richard Simon i razvojni tim BRB-ArrayTools razvili su analitički alat za genomiku, BRB-ArrayTools(v4.6.1, stabilna verzija), za određivanje moćnih DEG-ova. Nekoliko koraka, uključujući uvoz GEO skupa podataka, filtriranje gena (tj. |fold changel veće od ili jednako 1), normalizaciju (tj. kvantilnu normalizaciju) i anotaciju (tj. "pd. hugene.2.1.st"R paket [ 19]), bili su potrebni da identifikuju značajne DEG. BRB-ArrayTools je koristio njemački (guanin-citosine robust multi-array analiza) algoritam za mapiranje intenziteta sonde u njihove odgovarajuće vrijednosti ekspresije gena odbacivanjem postojećeg šuma. Poređenje između dvije tretirane grupe rezultiralo je identifikacijom značajnih DEG-ova koristeći vrijednosti 10,000 i 1 za univarijantne permutacijske testove i prag promjene puta. Dobijeni DEG rezultati su bili značajni pri p manjem ili jednakom 0,05.

Ontologija gena i analize funkcionalnog obogaćivanja DAVID v.6.8 (baza podataka za anotacije, vizualizaciju i integrisano otkriće), koja je besplatno dostupna na http://david.abcc.ncifcrf.gov/summary.jsp, pružila je procjenu ontologije gena (IDI). Ova evaluacija je uključivala ćelijske komponente, molekularne funkcije i biološke procese DEG [20,21]. Prag za EASE rezultat modificirane Fisher-ove egzaktne p-vrijednosti postavljen je na zadanu vrijednost od 0,1.

Analiza efikasnosti i strukture sličnosti Zingerona

Kanonski niz SMILES (pojednostavljeni molekularni-input line-entry system) za Zingerone strukturu (prikazan na slici 2a) je dobijen iz baze podataka spojeva PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound)[ 22]. Svaki niz SMILES korišten je za PubChem strukturu sličnosti i ADME predviđanje pomoću internetske mreže

serverski alati, tj. SwissADME [23-25], SwissSimilarity [26] i SwissTargetPrediction [27]. SwissADME web server pokriva dizajn i otkrivanje lijekova računajući nekoliko parametara, uključujući fizičko-hemijske deskriptore, parametre vezane za ADME, farmakokinetička svojstva, efekat sličnosti lijeku i proučavanje medicinske kemije strukture SMILES-a.

Kriterijumi sličnosti za PubChem strukturu sličnosti i alate SwissSimilarity bili su {{0}},92 i 0,50, respektivno. Konačno, pregledali smo literaturu za sve postojeće dokaze o funkcionalnosti sličnih spojeva.

Analiza mreže gena-bolesti i gensko-hemikalija Izdvojili smo srodne bolesti sa dokazima prema značajnim genima dobijenim putem platforme DisGeNET (tj. http://www.disgenet.org/), koja je izvedena iz literature o ljudima. asocijacije gena i bolesti [28].prednosti i nuspojave cistanche tubulosaDodatno, uključenost dobijenih DEG-a na koje je utjecao liječenje Zingeroneom u nekoliko specifičnih bolesti (i možda kod poremećaja povezanih s kožom) temeljito je provjereno kroz studije literature kako bi se potvrdilo i potvrdilo da li su takvi geni izraženi kao potencijalni biomarkeri bolesti. Nadalje, konstruirali smo i analizirali mrežu gena i hemikalija sa NetworkAnalyst 3.0 web servera kako bismo otkrili moćne veze između gena i spojeva dostupnih u literaturi[29].

Rezultati

Budući da bi nedostatak bilo kojeg mogućeg gena mogao utjecati na konačne rezultate, uzimaju se u obzir svi geni uključeni u skup podataka mikromreža. Prethodna obrada podataka i pristup poređenja klasa korištenjem t-testa sa dva uzorka otkrili su ukupno šezdeset ID-ova sonde, od kojih je samo trinaest DEG bilo dostupno kao označeni geni. Četiri gena su bila smanjena, a devet je pojačano (kao što je prikazano na slici 2b), zajedno sa nivoima ekspresije njihovih gena između kontrolnih i uzoraka tretiranih Zingeronom. DAVIDov alat za funkcionalne napomene otkrio je da dvije ćelijske komponente (tj. (i) GO:0005615 i vanćelijski prostor sa četiri uključena gena TNFRSF11B, CTSL, ENDOU i SPACA5 i (ii )GO:{{20}}005576, ekstracelularna regija sa tri uključena gena TNFRSF11B, CTSL i ENDOU) je utvrđeno značajno. Kapa vrijednosti od 1.00 i 0,80 ukazuju na vrlo visok nivo sličnosti između dva GO termina. Štaviše, statističke mjerne vrijednosti za GO:0005615 i GO:0005576 imaju savijena obogaćenja od 7,73 i 4,85, Bonferronijeve vrijednosti od 0,09 i 0,72, i Benjaminijeve vrijednosti od 0,088 i 0,60, i lažne vrijednosti otkrivanja (0.08) od 0.08. respektivno. Detaljna inspekcija GO pojmova pokazuje da njihovi odgovarajući podređeni pojmovi imaju različite odnose i unakrsne reference sa GO:0005576 i GO:0005615. Odnosi koji uključuju ekstracelularni prostor sugeriraju da su interleukin-35 kompleks, interleukin-27, interleukin-23 i interleukin-12 bili dio GO:0005615. Štaviše; odnosi koji uključuju ekstracelularni region su uglavnom bili deo ekstracelularnog kompleksa izoamilaze, ekstracelularnog kompleksa feritina, ekstracelularnog prostora, ekstracelularnog vezikula i ekstracelularnog matriksa, da spomenemo samo neke. Četiri vrste interleukina (tj. interleukin-1, interleukin-6, interleukin-34 i interleukin{44}} alfa) imale su direktnu vezu sa unakrsnim referencama GO:0005615 (za više informacija, pogledajte https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005615). Nekoliko tipova interleukina, uključujući interleukin-12 alfa, interleukin-23 alfa, interleukin-17, interleukin-1 alfa, interleukin{53}} beta i interleukin{{54} }, odnose se na unakrsne reference GO:0005576 (izvedeno sa https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id{57}}GO:0005576).

Procjena apsorpcije, distribucije, metabolizma i izlučivanja (ADME) Zingerone strukture korištenjem radara bioraspoloživosti (slika 3a) ukazuje na visoku bioaktivnu osobinu sličnosti lijeku i predstavlja lipofilnost, molekularnu težinu, rastvorljivost i fleksibilnost pozicioniranih svojstava u roze zoni. Štaviše, fizikalno-hemijska svojstva i svojstva lipofilnosti (Lipinsko pravilo pet) (tj. molekulska težina:194,23 g/mol, broj rotirajućih veza:4, broj akceptora H-veze:3, broj donora H-veze:1 i konsenzus Log Po/w:1.79) ne pokazuju kršenja.ekstrakt cistanche tubulosaParametri rastvorljivosti u vodi, uključujući Log S (ESOL), Log S (Ali) i Log S (SIL-COS-IT), pokazuju karakteristike veoma rastvorljivih, veoma rastvorljivih i rastvorljivih. Takođe, farmakokinetička svojstva otkrivaju visok nivo gastrointestinalne apsorpcije i samo inhibitornu funkciju CYP1A2 među ostalim inhibitorima enzima citokroma.

Analiza SwissTargetPrediction daje ukupno 100 ciljnih proteina za Zingerone, među kojima enzimi, izlučeni proteini, nuklearni receptori i oksidoreduktaze čine najveći postotak (slika 3b). Daljnja inspekcija sličnih struktura kroz SwissSimilarity i PubChem otkrila je dva lijeka koja je odobrila FDA (tj. Nabumetone i Maso-procol), dva eksperimentalna lijeka (tj. Matairesinol i 3-(4-hidroksifenil){{ 6}}(2,4,6-trihidroksifenil)propan-1-jedan), i tri Zingiber sastojka (tj.6-Shogaol, 6-Paradol i {{13} }Gingerol) (naveden u tabeli 1). Inspekcija je također otkrila njihova potvrđena protuupalna i antioksidativna svojstva, kao i potvrđeni poremećaji kože, poput anti-aginga kože, kroz dokaze iz literature.Ishodi odnosa gena i bolesti iz Dis-GeNET-a (popraćeni relevantnim dokazima iz literature) sumirani su u Tabeli 2. Rezultati pokazuju da DEG utiču na različite bolesti, uključujući poremećaje povezane s kožom. Nadalje, izgradnja mreže gena i hemikalija pokazuje učešće sedam DEG-ova koji su direktno povezani sa različitim hemikalijama. Samo četiri od njih (tj. TNFRSF11B, DNLZ, OR9Il i MIR614) se odnose na dvadeset i tri jedinjenja vezana za kožu (prikazano na slici 4).

Diskusija

Sunčeva svjetlost je izvor ultraljubičastog (UV) zračenja, koje može oštetiti kožu. Starenje kože, koje je rezultat izlaganja UV zračenju, često se klasifikuje u tri glavne kategorije (npr. UV-A, UV-B i UV-C). UV-A čini 95 posto UV zraka koje dopiru do površine Zemlje, i

gdje je R vrsta slobodnih radikala kao što su hidroksil, per-oksil, alkoksil ili alkil radikali, i O ili OCH, su preostali slobodni radikali [46,47]. Slično, mehanizam djelovanja ovih hemikalija, s obzirom na njihova protuupalna svojstva, primjenjuje se kroz aktivnosti uklanjanja radikala [48].

Dodatno, ustanovljeno je da imunološki sistem može funkcionirati u ljudskom tijelu kao mač sa dvije oštrice u kojem imunitet i imunopatologija istovremeno pružaju koristi i nanose štetu balansirajući urođeni i adaptivni imunitet [49]. U nedavnom pregledu, Zouboulis et al. je izjavio da "U kliničkoj praksi 'izgledati bolje ne znači izgledati mlađe."[50].

Koža, najveći organ ljudskog tijela, nasljeđuje sve funkcije imunološkog sistema radi boljeg proučavanja upale, autoimunosti i raka [51]. Starenje kože je proces u više koraka koji se može potaknuti izlaganjem suncu, što može rezultirati epidermalnim promjenama i fotostarenjem [52]. Razne studije su predložile prednosti prirodnih spojeva poput kurkumina i njegovih analoga u liječenju kožnih poremećaja kao što je starenje kože [53, 54].

U trenutnoj istrazi, učinci Zingerona na epidermalna tkiva su proučavani uzimajući u obzir različito eksprimirane gene i uključene ćelijske komponente. Kao rezultat, bez ikakvih izuzetaka, procijenjeni geni igraju ulogu u uključivanju interleukina, koji su dobro poznata grupa citokina eksprimiranih uglavnom u leukocitima. Izvještava se da citokini, koje proizvode Langerhansove ćelije imunološkog sistema kože, igraju značajnu ulogu u starenju kože [55]. Na osnovu identifikovanih različito eksprimiranih gena i njihovih efektivnih ćelijskih komponenti u smislu GO, uključujući GO:0005615 i GO:0005576, utvrđeno je da osamnaest i četiri tipa interleukina igraju uloge u ekstracelularnom prostoru i regionu, respektivno.

U skladu s našim rezultatima, Shirato et al. otkrili da ETAS 50 može spriječiti starenje kože smanjenjem i L-6 i IL-1 beta ekspresije izazvane UV-B-om (56, 57). Takođe, Guo et al. izvijestili su da matične ćelije izvedene iz masnog tkiva mogu lučiti nekoliko interleukina (npr. interleukin-I, inter-leukin-8, interleukin-9, interleukin-12, interleukin-15 i interleukin -17) da inhibira starenje kože [58]. Vježbanje također može utjecati na nivoe interleukina-15, čime se sprječava starenje kože [59]. Interleukin 17 (ili IL-17A) ima direktnu vezu sa stimulacijom IL-23, što ih čini zlatnom osovinom IL-23/IL-17 kod upale povezanih sa starenjem i ublažavanje starenja kože tretmanom acetil Zingeronom kroz IL-17A stimulaciju [60, 61].

Ukratko, sadašnja studija je predložila hibridnu sistemsku biologiju i sistemsku farmakologiju kako bi se identificirali funkcionalni mehanizmi i uspješni efekti liječenja Zingeroneom. Predloženi postupak razmatra uticaj sličnih jedinjenja za stimulaciju uključene porodice interleukina na starenje kože i njihova antioksidativna i antiinflamatorna svojstva. Potrebno je više eksperimentalnih studija na ljudskim i životinjskim modelima da bi se potvrdili sadašnji rezultati, jer su efekti Zingerona na ćelijske i molekularne mehanizme na starenje kože još uvijek nejasni.

Zaključci

Istaknuta uloga biljnih lijekova je jasna istraživačkoj i naučnoj zajednici. Starenje kože i drugi tipovi kožnih poremećaja privukli su pažnju ljudi širom svijeta. S tim u vezi, predloženo je nekoliko lijekova i hemikalija u svrhu protiv starenja. U ovoj studiji je razmatran kompjuterski i statistički postupak za ispitivanje uticaja Zin-gerona na starenje kože na ćelijskom i genomskom nivou. Dodatno, proučavani su spojevi koji su strukturno slični Zingeronu i njihov utjecaj na kožne bolesti.

Nadalje, analize povezivanja gena i bolesti i mreže gena i hemikalija otkrile su neosporne direktne veze između genetike i kožnih poremećaja, uključujući starenje kože. Konačno, otkriveno je da različite vrste interleukina imaju vitalnu ulogu u ublažavanju starenja kože. Međutim, potrebna su daljnja istraživanja na ljudskim ili životinjskim modelima kako bi se potvrdili učinci Zingerone utvrđeni u ovoj studiji.

Ovaj članak je preuzet iz Amjad et al. Egipat J Med Hum Genet (2021) 22:90