Differentiel analyse af sekundære metabolitter mellem medicinske og spiselige Polygonatum sibiricum og undersøgelse af aktive ingredienser og virkningsmekanismer til forbedring af insulinresistens
Insulinresistens (IR) refererer generelt til et fald i insulinmålcellernes følsomhed over for kvantitative koncentrationer af insulin ved normale koncentrationer, hvilket resulterer i nedsat insulinpromovering af glukoseoptagelse og -udnyttelse, kompenserende stigning i insulinsekretion og nedsat insulinfølsomhed og nedsat glukoseudnyttelse i væv som skeletmuskler, lever og fedtvæv. Blandt dem er IR en af de vigtige patogeneser af type 2-diabetes, som løber gennem hele processen med type 2-diabetes. På nuværende tidspunkt er de vigtigste lægemidler, der bruges til at behandle IR, insulinsensibiliserende midler, men der er bivirkninger som brud, ødemer og leverskader.

Polygonatum sibiricum Red. er en plante, der tilhører Liliaceae-familien og Polygonatum-slægten. Det er en af de tre typer polygonatum, der er med i 2020-udgaven af den kinesiske farmakopé. Den bruges som medicin med tørrede knolde og er et almindeligt lægemiddel og spiseligt produkt. På grund af dens nodulære og buede cylindriske form, der ligner et kyllingehoved, er den almindeligvis kendt som kyllingehoved Polygonatum sibiricum. Den er vidt udbredt i Sichuan, Hunan, Jiangxi og andre regioner. Den har en sød og mild smag, er ugiftig og virker nærende på qi og yin, styrker milten, fugter lungerne og gavner nyrerne. Det bruges til at behandle mangel på milt- og mave-qi, træthed og svaghed, indre varme og tørst. Det indeholder hovedsageligt polysaccharider, saponiner, flavonoider, alkaloider, anthraquinon og andre ingredienser. I klinisk praksis anvendes Huangjing-forbindelsen i vid udstrækning til behandling af type 2-diabetes. Ved type 2-diabetes med mangel på både qi og yin kan det lindre patienternes TCM-syndromer, reducere blodsukker og lipider og forbedre funktionen af øer i bugspytkirtlen. Ifølge litteraturrapporter antyder mekanismen, hvormed Huangjing-forbindelsen forbedrer bugspytkirtelfunktionen, at dens aktive ingredienser virker på mål som PI3K og STAT3, hvilket yderligere påvirker proteinserin/threonin-aktivitet, PI3K-AKT-signalveje og udøver deres virkninger; Mekanismen for Huangjing-monoterapi til forbedring af bugspytkirtlens øfunktion antyder, at flavonoider virker på den postsynaptiske membran og ændrer biologiske processer såsom cellefølsomhed over for lægemidler, neurotransmitterreceptoraktivitet og regulering af signalveje såsom calciumion og hormonresistens for at forbedre insulinresistensen.

På nuværende tidspunkt anvendes HPLC, LC-MS/MS, UPLC-Q-TOF-MS og andre teknikker ofte til kvalitativ og kvantitativ forskning i de kemiske komponenter i Polygonatum sibiricum. Det er blevet rapporteret, at Polygonatum sibiricum indeholder flavonoider, alkaloider og andre kemiske komponenter, men det er generelt vanskeligt at afspejle alle metaboliske produkter indeholdt i Polygonatum sibiricum på grund af det lille antal detekterede komponenter. I de senere år, med udviklingen af metabolomics-teknologien, er den bredt målrettede metabolomics-teknologi baseret på UPLC-ESI-MS/MS blevet brugt i vid udstrækning til undersøgelse af metabolitter i traditionel kinesisk medicin. Sammenlignet med traditionelle almindelige kromatografiske teknikker har den fordelene ved høj følsomhed, lave omkostninger og høj gennemstrømning. På grund af manglen på rapporter om differentialanalyse af sekundære metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum fokuserer denne undersøgelse på medicinsk Polygonatum sibiricum Red og spiselig Polygonatum alternatirrhosum Hand. - Mzt. (almindeligvis kendt som frugt-Polygonatum) som forskningsobjekter. For første gang blev UHPLC-ESI-MS/MS bredt målrettet metabolomics-teknologi brugt til omfattende at opdage deres sekundære metabolitter, og hovedkomponentanalyse (PCA), HCA-klyngeanalyse og ortogonal partiel mindste kvadraters diskriminantanalyse (OPLS-DA) blev brugt til komparativ analyse af metabolitter for at screene for differentielle metabolitter; For det andet blev netværksfarmakologianalyse udført på de ti bedste forbindelser med opregulerede relative ændringer i metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum for at forbedre insulinresistensen. Molekylær docking blev udført på de aktive ingredienser og nøglemål, og HepG2-celler blev valgt til validering af celleeksperimenter. På den ene side sigter vi mod en omfattende forståelse af de forskellige metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum, hvilket lægger grundlaget for dens kvalitetsevaluering. På den anden side planlægger vi at screene potentielle aktive ingredienser til behandling af IR, hvilket giver et grundlag for at belyse virkningsmekanismen for Polygonatum sibiricum til behandling af IR.

 

Denne artikel analyserer de sekundære metabolitter i den medicinske og spiselige Polygonatum sibiricum ved hjælp af metabolomics baseret på UHPLC-ESI-MS/MS-teknologi. I alt 319 sekundære metabolitter blev identificeret, herunder 86 fenoliske syrer, 96 flavonoider, 5 anthraquinoner, 25 lignaner og coumariner, 3 tanniner, 51 alkaloider, 11 terpener, 21 steroider og 21 andre metabolitter. Der er en betydelig forskel i sekundære metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum, hvor PCA og HCA viser betydelige forskelle. I alt 106 forskellige metabolitter blev screenet i sammenligningsgruppen mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum, herunder 85 opregulerede forbindelser og 21 nedregulerede forbindelser. Medicinsk Polygonatum sibiricum har betydelige fordele i mængden og det relative indhold af sekundære metabolitter. For yderligere at sammenligne ændringerne i sekundære metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum blev de forskellige metabolitter annoteret af KEGG-databasen. KEGG-klassificeringen og berigelsesresultaterne viste, at medicinsk Polygonatum sibiricum var betydeligt beriget i de metaboliske veje for flavonoider, flavonoler, isoflavoner og alkaloider, som kan være relateret til dannelsen af medicinsk Polygonatum sibiricum-kvalitet. Ifølge litteraturen producerer planter en lang række sekundære metabolitter under deres vækstproces på grund af miljømæssig stress eller modgang. Disse metabolitter har ofte specifikke biologiske funktioner som f.eks. tørkeresistens, sygdomsresistens og skadedyrsbekæmpelse. Samtidig er ophobningen af disse sekundære metabolitter også gavnlig for at forbedre den medicinske kvalitet af plantedele. For eksempel er ophobning af flavonoider gavnlig for at forbedre antioxidant-, antiinflammatoriske og antitumoreffekter; ophobning af alkaloider udviser høje antilevercancereffekter og hæmning af alfa-glucosidaseaktivitet; steroide saponiner har forskellige bioaktive komponenter, såsom antiinflammatoriske og antitumoreffekter. Derfor er en dybdegående analyse af disse forskelligt akkumulerede flavonoider, alkaloider og steroide forbindelser gavnlig for screening af kvalitetsmarkører relateret til kvaliteten af medicinsk Polygonatum sibiricum.

På nuværende tidspunkt er der ingen indholdsgrænse for sekundære metabolitter som flavonoider og alkaloider under Huangjing-afsnittet i 2020-udgaven af den kinesiske farmakopé. Denne undersøgelse sammenlignede de ti bedste forbindelser med hensyn til relative indholdsændringer af metabolitter mellem medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum og fandt, at 50% af metabolitterne tilhørte flavonoider, hvilket er i overensstemmelse med KEGG-klassificeringen og berigelsesresultaterne af differentierede metabolitter. Blandt dem har metabolitter med høj farmakologisk aktivitet, såsom isorhamnetin, god antitumor, anti myokardiehypoxi, iskæmi, lindring af angina pectoris, antiarytmi, behandling af koronar hjertesygdom og hypertension, rydning af iltfrie radikaler, reduktion af serumkolesterol, beskyttelse af det kardiovaskulære system, fremme af blodcirkulationen og andre biologiske virkninger og anvendes i vid udstrækning i klinisk praksis; Tynde yamsaponiner har også visse fysiologiske aktiviteter inden for antitumor, antibakterielle, parasitære drab, hæmolyse, lipidsænkning, antiosteoporose, antimutation og andre aspekter. Den differentierede opregulering af resveratrol og dioscin blev kun observeret i Polygonatum sibiricum Red, en art, der stammer fra Polygonatum sibiricum. Baseret på dette er det næste skridt at bruge Polygonatum sibiricum (frugt-Polygonatum sibiricum) som kontrol for at udforske Polygonatum sibiricum fra farmakopéen og Hemsl.、 Polygonatum cyrtonema Hua og lokalt medicinske Polygonatum sibiricum-sorter (såsom den bredt plantede Polygonatum sibiricum i Nanchong, Sichuan, Xiushan, Chongqing, Xinhua, Hunan osv.) blev brugt som eksperimentelle grupper til at analysere ændringerne i sekundære metabolitter i hver sammenlignende gruppe baseret på omfattende målrettet metabolomik. Kombineret med den biologiske aktivitet af specifikke kategorier af metabolitter blev metabolitter relateret til kvaliteten af den traditionelle kinesiske medicin Polygonatum sibiricum screenet, hvilket gav et grundlag for kvalitetsevaluering og kvalitetskontrol af autentisk Polygonatum sibiricum.

For yderligere at validere aktiviteten af de forskelligt opregulerede forbindelser, der blev screenet ved hjælp af metabolomics, kombinerede denne undersøgelse Huangjings traditionelle effekt til at styrke milten og behandle indre varme- og tørstsyndrom. Med IR som sygdomsmodel blev der gennemført en netværksfarmakologisk analyse. Resultaterne af KEGG-vejanalysen viste, at tre forskelligt opregulerede forbindelser, nemlig isorhamnetin, naringin og isonaringin, var involveret i PI3K Akt-signalvejen, mTOR-signalvejen, VEGF-signalvejen og østrogensignalvejen Berigelsen af AMPK og andre signalveje er meget signifikant. Ved at gennemgå og analysere tidligere litteratur kan det konstateres, at PI3K/AKT-signalvejen er involveret i cellecyklus, apoptose, proliferation og glukosemetabolisme, mens insulin hovedsageligt virker på muskler, lever og fedtvæv. Det aktiverer PI3K/AKT-signalvejen ved at binde sig til insulinreceptorer og regulerer derved glukose- og fedtstofskifteprocesser; mTOR-signalvejen deltager i reguleringen af skeletmuskulaturens glukoseindtag og insulinresistens. Aktivering af signalvejen kan øge insulinfølsomheden, men overdreven aktivering kan hæmme insulinfølsomheden; VEGFA, som er et vigtigt målprotein for VEGF-signalvejen, forbedrer insulinresistens ved at øge insulinfølsomheden i fedt og muskler og derved kontrollere blodsukkeret; Adenosinaktiveret proteinkinase (AMPK) er et vigtigt stof, der regulerer energimetabolismen i kroppen. Undersøgelser har vist, at forskellige naturlige forbindelser kan aktivere AMPK, forbedre insulinfølsomheden og er potentielle mål for forbedring af insulinresistens. Derudover kan Huangjings mål for forbedring af IR også virke på relaterede veje som østrogensignalvejen, regulere hypofyse-binyre-aksen og andre væv og organer og direkte eller indirekte forbedre IR. Ovenstående forskningsresultater er i overensstemmelse med de rapporterede resultater af monomeren isorhamnetin i behandlingen af diabetes. Desuden blev molekylær docking-teknologi brugt til yderligere at afsløre virkningsmekanismen for Polygonatum sibiricum til forbedring af IR. Resultaterne viste, at centrale mål for PI3KAkt-signalvej, mTOR-signalvej, VEGF-signalvej, østrogensignalvej, AMPK-signalvej osv. havde gode docking-effekter med isorhamnetin, kaempferolglykosid og isokaempferolglykosid med bindingsenergier alle ≤ -20,9 kJ/mol. Derfor spekuleres der i, at bindingen af aktive ingredienser i Polygonatum sibiricum til vigtige mål kan være nøglen til den terapeutiske effekt af Polygonatum sibiricum på IR. Yderligere celleeksperimenter bekræftede, at isorhamnetin, en differentieret metabolit, effektivt kan forbedre HepG2-cellers IR-status, hovedsageligt ved at påvirke udtrykket af PI3K, AKT1, VEGF og mTOR-signalvejsrelaterede proteiner. Resultaterne viste, at isorhamnetin kan øge ekspressionsniveauerne af PI3K- og AKT1-proteiner og reducere ekspressionsniveauerne af VEGF- og mTOR-proteiner i IR HepG2-celler.

Sammenfattende identificerede denne artikel nøjagtigt og omfattende de sekundære metabolitter i medicinsk og spiselig Polygonatum sibiricum gennem omfattende målrettet metabolomics-teknologi. Sammenlignet med spiselig Polygonatum sibiricum virker de opregulerede forbindelser som isorhamnetin i medicinsk Polygonatum sibiricum på PI3K-, AKT1-, VEGFA- og mTOR-signalvejene gennem kernemål som PI3K, AKT1, VEGF og mTOR for at forbedre IR, hvilket fuldt ud afspejler de farmakologiske egenskaber ved traditionel kinesisk medicin med flere komponenter, mål og veje. Forskningsresultaterne lægger grundlaget for screening og kvalitetsevaluering af aktive ingredienser i Polygonatum sibiricum og giver et grundlag for at belyse virkningsmekanismen for Polygonatum sibiricum i behandlingen af IR.