网络药理学方法测定仙茅治疗骨质疏松症的有效成分和潜在靶点外文翻译资料

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网络药理学方法测定仙茅治疗骨质疏松症的有效成分和潜在靶点

背景：骨质疏松症是一种复杂的骨骼疾病，具有遗传易感性，是一个全球性的健康问题。在中国，仙茅（CO）作为一种中草药被广泛用于预防和治疗骨质疏松症，然面，目前仍缺乏对仙茅的作用机理的研究。本研究的目的是利用网络药理学方法确定仙茅的可吸收成分、潜在靶点和相关的治疗途径。

材料/方法：我们研究了仙茅的化学成分，并利用药物吸收的五大原理来鉴定可吸收成分。从PharmacMapper服务器数据库获得仙茅的治疗作用靶点。利用比较毒物基因组学数据库(CTD)进行通路富集分析。利用Cytoscape观察仙茅的多组分-多靶点-多通路-多疾病网络。

结果：我们确定了仙茅的77种化学成分，其中32种可以在血液中被吸收。仙茅的这些潜在活性成分调控了83个靶点，影响了58条通路。数据分析表明，雌激素受体alpha;(ESR1)和beta; (ESR2)基因， 以及11-beta;-羟基类固醇脱氢酶1和可的松还原酶(HSD11B1)的基因是仙茅的主要靶点。内分泌调节因子、钙重吸收调节因子、类圆醇激素合成调节因子、代谢途径与这些主要靶标和10个相应的化合物有关。

结论：本研究采用网络药理学方法，试图解释仙茅在预防和治疗骨质疏松症中的作用机制，并为研究这一复杂化合物的作用提供了另一种途径。

关键词：计算生物学，中药，骨质疏松症

背景介绍：

骨质疏松症是一种复杂的骨骼疾病，其遗传背景导致骨裂的易感性增加，导致疼痛和发病。骨质疏松症的患病率随着年龄的增长而增加，全世界有30%的女性和12%的男性受到其影响。最近，有几种治疗骨质疏松症的方法包括雌激素疗法、钙补充和其他激素治疗。

在临床前和临床研究中，已经评估了中药对骨代谢的影响。仙茅 (CO) 作为一种传统的中国和印度草药被广泛用于治疗骨质疏松症。我们以前的研究表明，仙茅的一些成分具有抗骨质疏松的活性。例如，仙茅苷B已被证明可以抑制骨吸收，并且仙茅苷可以逆转H₂ O₂细胞外信号调节激酶1/2和核因子kappa;B信号通路的刺激，抑制p38丝裂原活化蛋白激酶的活化。虽然有过仙茅的治疗作用机制的相关报道，但目前尚未有研究证实其复杂的作用机制。

据报道，CO含有皂苷、酚类、酚苷、三萜、三萜苷和其他化合物。在我们之前的报告中，采用超高效液相色谱-电喷雾电离四极杆飞行时间串联质谱法(UPLC-TOF-MS)对CO中45种化学成分进行了鉴定。然而，通过对CO中几种活性化合物的分析，并不能确定CO的药理靶点，这可能是由于多个成分可以作用于多个靶点，发挥协同治疗作用。因此，需要一种综合的方法来反映生药中大部分成分的变化，更重要的是确定药物的靶标。

随着系统生物学的出现，网络药理学已经成为未来药物开发的一个很有前途的范式。通过构建复杂组分的分子网络以及多水平靶点蛋白和基因相互作用，可以预测化合物的功能，促进活性化合物的发现。因此，网络药理学的应用可以为了解活性化合物与相关靶点之间的相互作用提供新的机会，进而可能突出作用机制。本研究的目的是利用网络药理学方法确定CO的可吸收成分、潜在靶点和相关的治疗途径。

材料和方法：

化学结构的建造

采用超高效液相色谱-飞行时间质谱联用(UPLC-TOF-MS)分析;中药系统药理学数据库及分析平台(http://lsp.nwsuaf.edu.cn/tcmsp.php)和文献综述，在CO中鉴定出的化学物质共有77种，化学结构取自《化学手册》(http://www.chemicalbook.com)，并使用ChemDraw软件进行演示。

可吸收化学成分的计算与预测

使用ChemDraw 软件获得化学成分的格式。然后，我们将SMILES格式导入Molinspiration SMILES网站(http://www. molinspiration.com/)，计算药物吸收的预测参数。根据药物吸收的五项原理，如果氢键供体(O和N上氢原子的数量,nOHNH)le;5;氢键受体(O、N、nON的个数)le;10;脂水分配系数(miLogP) le;5;相对分子质量(MW) le;500,则化合物可被确定为可吸收药物。

靶点的预测和筛选

利用ChemBio3D UItra 12.0信息学系统，我们将被吸收组分.的结构转化为MOL2结构格式。为了预测CO可能的靶点，我们将其导入药效组PharmaMapper服务器网站数据库(http://59.7896.61/pharmmapper/)的公共网络服务器中进行反向对接。每个化合物的前10个靶点被选择用于后续研究。

使用Therapeutic Target Database和Search Tool for Retrieval of interaction Genes (STRING) Database (version 10.0)(http:/string-db.org)预测靶点之间潜在的相互作用。

途径和疾病的预测和筛选

利用比较毒物基因组学数据库(CTD) (http://ctdbase.org/)对京都基因和基因组百科全书(KEGG)通路富集分析，研究已确定的靶点可能改变的功能和过程。筛选出重要功能和通路的临界值为Plt;0.01。

这些潜在靶点与相关疾病相关，均来源于PharmGKB数据库。

网络建设

根据前40条通路及其对应的靶标、疾病和组分，我们利用Cytoscape (version 3.4.2；http:// www.cytoscape.org/)。然后，根据这三个主要靶点，我们绘制了主化合物-主靶点-主通路图。

结果

化学成分的吸收参数

口服途径是一种方便而常见的将药物输送到体循环的方法。本研究共鉴定了仙茅中77种成分。对于一些水溶性较差的天然化合物，口服后可能效率较低，因此对患者的有益治疗作用较少。因此，采用计算机预测的方法来计算有关成分的吸收参数。

表1给出了各组分的具体吸收参数。数据表明，符合药物吸收五大原理的化学成分共有32种。

目标预测和验证

将32种预测可吸收的化学成分导入PharmMapper 数据库进行定向对接，共获得83个靶点。将这些靶点导入比较毒物基因组学数据库(Comparative Toxicogenomics Database, CTD)，得到受仙茅调控的58条通路，差异显著(Plt;0.01)。表2列出了前40种途径。

仙茅的药理学网络

利用Cytoscape 的合并工具，我们构建了一个仙茅的药理学网络，该网络展示了前40条通路、靶点、疾病和化学成分之间的关系。图1显示了通过这个网络对仙茅药理机制的初步理解。

数据分析表明，雌激素受体alpha; (ESR1)和beta; (ESR2)基因，以及11beta;-羟基类固醇脱氢酶1和可的松还原酶(HSD11B1)的基因是仙茅的主要靶点。图2显示了主要靶点及其对应的化合物和途径。图2C为分子对接模拟结果，10个组分与CO的3个主要目标具有较强的结合效率。

讨论：

骨质疏松症的特征是骨密度低，导致骨质脆性风险增加。仙茅对骨质疏松症有一定的治疗作用。虽然这种复杂的中药被用于治疗各种疾病，但关于其作用机制仍存在一些疑问。在本研究中，我们构建了多层网络，以整体的方式预测药物靶点，使用包括基因靶点识别和多组分-多靶点-多途径-多疾病方法的药理学药物发现方法。正如这项研究表明的那样，大型表型和分子网络的可用性可能为研究疾病和蛋白质组学数据集之间的联系提供了机会。

在这项研究中,数据分析显示,雌激素受体alpha;(ESR1)和beta; (ESR2) 基因和11-beta;-羟基类固醇脱氢酶1和可的松还原酶(HSD11B1)的基因是仙茅的主要靶点。这项研究还预测仙茅的可吸收的化学成分,之前报道其中包括皂苷,酚类化合物和糖苷。我们前期的研究表明，CO产生的糖苷能显著提高去卵巢大鼠的t骨密度，改善骨组织的微结构，抑制血清丙二醛的升高，减少尿钙的排泄。另外，虽然仙茅皂苷G、仙茅皂苷B、仙茅皂苷E、仙茅皂苷J、仙茅皂苷L、仙茅皂背C等六种苷类不能直接被吸收，但均可分为苷元，可被机体吸收。

本研究中验证的CO潜在靶点与骨质疏松症、糖尿病、中风、胰腺炎、心肌梗塞、前列腺、乳腺癌等7种疾病相关。骨质疏松症与其他六种疾病都有关系。如骨质疏松症是糖尿病的主要并发症之一。骨髓间质干细胞可分化成成骨细胞和脂肪细胞，脂肪因子控制能量稳态，但对骨骼也有作用。慢性胰腺炎患者可能由于维生素D和钙的吸收不良、不良饮.食、疼痛、酗酒和吸烟而增加骨密度低的风险。前列腺癌和乳腺癌患者的骨质疏松症是由于他们的治疗引起的骨密度的加速流失。这提示CO不仅对原发性骨质疏松有治疗作用，对继发性骨质疏松也有预防作用。

通过对主要靶点及其对应化合物的说明，我们发现CO的三个主要基因靶点:ESR1、ESR2和HSD11B1。ESR1和ESR2 基因编码雌激素受体，参与包括乳腺癌、子宫内膜癌和骨质疏松症的病理过程。ESR1在成骨细胞和破骨细胞中表达，并与女性绝经后脊柱的骨质疏松症有关。该基因可以作为一种选择方法来识别骨质疏松症风险增加的个体。在之前的一项大基数的基于人类的研究中，ESR2基因变异与绝经后妇女脊柱骨折风险增加相关。11-beta;-羟基类固醇脱氢酶1型基因(HSD11B1)是催化非活性可的松还原为活性可的松的主要调节因子。HSD11B1 基因多态性已被证明影响11-beta;-HSD1酶的功能，而且HSD11B1多态性已被证明可以预测临床没有明显高皮质醇血症的绝经后妇女的骨密度和骨折风险。

在本研究中，调节钙重吸收的内分泌、类固醇激素的生物合成以及代谢途径等因素与主要靶点和10个相应化合物有关。雌激素是一种重要的类固醇激素，参与骨形态发生蛋白(BMPs)和肿瘤坏死因子(TNF)-alpha;调控的成骨细胞分化过程。BMPs可提高雌激素受体的敏感性，而雌激素对BMP-Smad和TNF-alpha;信号有不同程度的调节作用。

CO的乙醇提取物已被证明具有雌激素活性。分子对接模拟结果(图2C)显示，这10个组分与CO的3个主要靶点具有较强的结合效率。这些化合物被认为是介导CO雌激素类似功效的主要成分。

本研究首次采用网络药理学方法揭示CO的作用机制，成功预测了CO的主要作用靶点和途径，为进一步研究提供了基础。这一方法也将有利于其他中草药和复方药物的研究。本研究结果表明，CO作为一种广泛应用于治疗骨质疏松症的中药，具有多靶点、多途径的治疗作用。然而，必须强调的是，计算模型只能为复杂的治疗化合物提供网络数据驱动的指示，本研究的结果应该通过对照临床研究和事实依据来验证。