Undersøgelse af antihypoxi-effekten og potentielle mål for amerikansk ginseng baseret på zebrafisk-model og dynamisk molekylær docking-teknologi
Hypoxi er en kompleks patologisk proces forårsaget af flere faktorer, som refererer til varierende grader af vejrtrækningsbesvær i kroppen. Den manglende evne til at indtage tilstrækkeligt med ilt gennem luftvejene fører til patologiske forandringer i kroppen, såsom cyanose af hud, fingre, læber og endda symptomer som hvæsende vejrtrækning, åndenød og trykken for brystet. Hypoxi kan forårsage uoprettelig skade på flere organer som hjerte, hjerne og lunger, hvilket kan udvikle sig til dødelige sygdomme som lungeødem eller hjerneødem. Traditionel kinesisk medicin har åbenlyse fordele inden for forskning i og klinisk anvendelse af antihypoksi, f.eks. sne-lotus og palme-ginseng, som har vist sig at have gode antihypoksi-effekter. Det er stadig af stor betydning for forebyggelse og behandling af hypoxi forårsaget af miljøer i store højder eller patologi at grave dybere ned i vores lands unikke medicinske planteressourcer og opdage mere effektive lægemidler med lav toksicitet.

På nuværende tidspunkt er de vigtigste modeller, der bruges til forskning i antihypoksiske sygdomme, rotte- og musemodeller. De vigtigste metoder inkluderer vægtbærende svømmeeksperimenter, normobariske hypoxitoleranceeksperimenter, natriumnitritforgiftningsoverlevelseseksperimenter og akutte cerebrale iskæmiske hypoxieksperimenter, som har begrænsninger og høje omkostninger i storstilet lægemiddelscreening. Forskning har vist, at zebrafisk kan etablere hypoximodeller gennem natriumsulfit, og zebrafisk har høj ægproduktion, korte eksperimentelle cyklusser og lave omkostninger, hvilket kan opnå screening med høj gennemstrømning. Derfor brugte vi modeldyret zebrafisk til at undersøge antihypoxi-effekten af amerikansk ginseng og brugte bioinformatiske teknikker og metoder til at screene og forudsige de aktive ingredienser og potentielle mål for amerikansk ginseng for at søge efter potentielle mål for amerikansk ginsengs antihypoxi-effekt og give reference til undersøgelsen af dens antihypoxi-mekanisme.

 

Denne artikel konstruerer en ny model for zebrafisk-juvenil antihypoxi, der giver en ny metode til undersøgelse af traditionel kinesisk medicin antihypoxi. Dette eksperiment brugte natriumsulfit til at konstruere et miljø med lavt iltindhold og erstattede den almindelige metode med kvælstofpåfyldning for at skabe en hypoxi-model og undersøgte antihypoxi-effekten af amerikansk ginseng med en enklere og mere direkte operation. Ved at bruge zebrafisk som modeldyr kan man reducere forsøgsperioden, opnå high-throughput screening og karakterisere hypoxi som helhed. Efter at være blevet berøvet ilt vil zebrafisk opleve et flydende hovedfænomen, og deres svømmeholdning vil være ubalanceret. Deres krop vil ikke være parallel med vandret, og de vil svømme uregelmæssigt i alle retninger og øge deres svømmehastighed inden for et bestemt tidsrum. Denne undersøgelse evaluerede overlevelsestiden for zebrafisk i forskellige grupper under hypoxiske forhold og deres neurologiske adfærd (flydende hoved, svømmehastighed og afstand) efter hypoxi. Det viste sig, at amerikansk ginsengekstrakt kunne forbedre overlevelsestiden for zebrafisk under hypoxiske forhold betydeligt. Med stigningen i lægemiddelkoncentrationen faldt den flydende hovedhastighed for hver gruppe af zebrafisk også betydeligt. Bevægelsesafstanden og -hastigheden efter hypoxi var også signifikant forskellig fra modelgruppen. Den neurologiske adfærd hos højdosisgruppen var tæt på den hos den tomme normoxiske gruppe, hvilket indikerer, at amerikansk ginseng-ekstrakt har en betydelig antihypoksi-effekt, hvilket lægger grunden til at finde potentielle antihypoksi-mål i næste trin.

Amerikansk ginseng er en plante af Panax-slægten i Araliaceae-familien, som stammer fra Canada og dyrkes i vid udstrækning i Jilin- og Shandong-provinserne i Kina. Allerede under Qing-dynastiet udarbejdede den konfucianske læge Wang Ang bogen "Bu Tu Ben Cao Bei Yao", som beskrev, at amerikansk ginseng har en kølig natur, sød smag, let bitterhed og traditionelle virkninger som at styrke qi og give næring til yin, fjerne varme og generere væsker. Moderne farmakologi viser, at amerikansk ginseng har forskellige farmakologiske aktiviteter, herunder antitumor, kardiovaskulær beskyttelse, immunregulering samt anti-myokardieiskæmi, anti-myokardieoxidation og andre effekter. Men indtil videre er folks forståelse af antihypoxi-effekten og specifikke stofsammensætningsmål for amerikansk ginseng stadig meget begrænset. Tidligere undersøgelser har vist, at ginsenosid Rg3 kan hæmme spredningen af Eca-109- og 786-0-celler under hypoxiske forhold og fremkalde et betydeligt fald i udtrykket af vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF) mRNA. Det kan også hæmme ekspressionen af hypoxi-inducerbar faktor-1 α (HIF-1 α), cyclooxygenase-2 (COX-2) og nuklear faktor kappa B (NF - κ B) induceret af hypoxi under hypoxiske forhold; Ginsenoside Rb3 kan stabilisere cellemembranen, hæmme ekspressionen og aktiviteten af NOS og har en signifikant beskyttende virkning på hypoxisk-iskæmisk neuronal skade. Derfor er dybdegående udforskning af vigtige antihypoksi-aktive stoffer i amerikansk ginseng af stor betydning for kvalitetsevaluering og udvikling af nye lægemidler.

Den topologiske analyse af PPI-netværket antyder, at AKT1, STAT3, HSP90AA1, JUN og TNF kan være de centrale målgener for amerikansk ginseng til antihypoxi. AKT1, som er en serin/threonin-proteinkinase, kan aktiveres af PI3K-binding til vækstfaktorer og fosforyleres for at aktivere eller hæmme downstream-substrater såsom apoptoserelaterede proteiner Bad, Caspase9, mTOR-aktivitet og derved deltage i regulering af biologiske processer såsom celleproliferation, differentiering, apoptose og migration. Forskning har vist, at rekombinant lentivirusmedieret Akt1-gentransfektion kan forbedre hypoxitolerancen hos rotte-BMSC'er betydeligt ved at hæmme apoptose. STAT3 er medlem af STAT-familien og spiller en afgørende rolle i reguleringen af celleproliferation, differentiering, apoptose og andre processer. STAT3 spiller en vigtig rolle i hypoxi-inducerede glatte muskelceller i lungearterien, og blokering af STAT3-signalvejen kan effektivt hæmme spredningen af vaskulære glatte muskelceller. HSP90AA1 er medlem af varmechokproteinfamilien og et af de mest udbredte cytoplasmatiske proteiner i ikke-stressceller. Det spiller en afgørende rolle i opretholdelsen af cellulær homeostase og kan forbedre cellernes modstandsdygtighed over for ekstern stress under hypoxiske stressforhold. JUN tilhører onkogenfamilien og er medlem af MAPK-superfamilien. Det kan deltage i processer som celleproliferation, inflammation, migration og invasion. Under hypoxiske forhold kan en stigning i ekspressionsniveauet af fosforyleret c-jun N-terminal kinase fremme spredningen af glatte muskelceller i rotternes lungearterie. TNF er et pro-inflammatorisk cytokin, der hovedsageligt udskilles af monocytter og makrofager, og som spiller en afgørende rolle i reguleringen af inflammatoriske effekter og værtsforsvaret mod mikrobielle patogener. Under hypoxi-stress regulerer TNF transkriptionsniveauet af HIF-1 α (hypoxi-inducerbar faktor-1 α) gennem NF - κ B-vejen.

Denne undersøgelse viste gennem dynamisk molekylær docking, at vigtige forbindelser af amerikansk ginseng (såsom ginsenosid F11, papaverin, ginsenosid RO, ginsenosid Rb3, ginsenosid Rg1, ginsenosid Rg3) kan binde godt med hypoxi-kernemålgener (AKT1, HSP90AA1, JUN, STAT3, TNF). Denne molekylære dockingundersøgelse fastslog, at den oprindelige ligandposition i krystalstrukturen er den aktive dockinglomme, hvilket sikrer, at bindingsstedet mellem nøgleforbindelser i amerikansk ginseng og hypoxiske målproteiner er den vigtigste aktive region. Jo lavere bindingsenergien er, desto stærkere er bindingsevnen mellem liganden og målproteinet. Gennem docking af forskellige forbindelser med målet blev det konstateret, at den pro-inflammatoriske faktor TNF og varmechokproteinet HSP90AA1 har en stærk bindingsevne med nøgleaktive ingredienser, som kan være et potentielt nøglemål for amerikansk ginseng til antihypoxi. Gennem yderligere verifikation med molekylær dynamik blev det konstateret, at den dynamiske simulering af HSP90AA1 og ginsenosid Rg1, TNF og ginsenosid Ro kan danne stabile konformationer, der afslører og verificerer bindingsfastheden og stabiliteten af kernemålet og forbindelseskomplekset. Dette giver et pålideligt teoretisk grundlag for undersøgelsen af potentielle hypoximål for amerikansk ginseng for antihypoxieffekter.

Sammenfattende evaluerede denne undersøgelse den antihypoxiske effekt af amerikansk ginseng ved hjælp af en zebrafiskmodel og udforskede de aktive ingredienser og kernemål, der er involveret i antihypoxi, ved hjælp af netværksfarmakologiteknikker. Molekylær docking-teknologi og molekylær dynamik blev brugt til yderligere at verificere bindingen af aktive ingredienser og kernemål, hvilket afslørede potentielle mål for amerikansk ginseng til antihypoksi. På grund af kompleksiteten af ingredienser i traditionel kinesisk medicin og den molekylære struktur af saponiner i amerikansk ginseng er den foreløbige udforskning baseret på netværksfarmakologi stadig utilstrækkelig. Med hensyn til de forudsagte mål for kinesiske og vestlige ginsengs antihypoxi-effekter vil der blive foretaget yderligere eksperimentel verifikation i den senere fase for at give teoretisk grundlag og reference til undersøgelsen af de antihypoxi-farmakologiske komponenter i amerikansk ginseng og for at give et grundlag for relateret mekanismeforskning i den senere fase.