Screening af nøglegener og -veje for mikrovaskulære komplikationer ved diabetes og forudsigelse af traditionel kinesisk medicin ved hjælp af bioinformatiske metoder
I de senere år viser diabetesrelateret epidemiologisk forskning, at forekomsten af hyperglykæmi blandt mennesker over 18 år i Kina har nået 11,2%, og forekomsten af diabetes fortsætter med at stige. Diabetes er en kompleks forstyrrelse af blodsukkermetabolismen. på et bestemt tidspunkt i sygdomsforløbet kan der være en række akutte og kroniske komplikationer af kronisk hyperglykæmi. Kronisk hyperglykæmi og genetisk modtagelighed påvirker i sidste ende mikrokarrene, hvilket fører til komplikationer primært i nyrerne, øjnene og nervesystemet. De klassiske mikrovaskulære komplikationer ved diabetes omfatter diabetesnefropati (DKD), diabetesretinopati (DR) og diabetesneuropati (DPN). DKD er den førende årsag til nyresygdom i slutstadiet (ESRD), kun overgået af forskellige former for glomerulonefritis. DR er en almindelig faktor, der påvirker synet og endda blindhed, mens DPN er en vigtig højrisikofaktor for fodsår og yderligere amputationer. Disse tre mikrovaskulære komplikationer påvirker i høj grad sundheden hos patienter med diabetes og udgør en alvorlig økonomisk byrde for patienterne og samfundet. Moderne medicin forstår imidlertid ikke fuldt ud den specifikke patogenese af mikrovaskulære diabeteskomplikationer, og det er vanskeligt at opnå gode resultater med simpel vestlig medicin til behandling af mikrovaskulære diabeteskomplikationer med komplekse mekanismer. Traditionel kinesisk medicin har en lang historie, og dens kliniske effekt er blevet verificeret over en lang periode, især i behandlingen af nogle kroniske sygdomme. Traditionel kinesisk medicin lægger vægt på et holistisk koncept og enheden mellem himmel og menneske. Klinisk behandling lægger vægt på syndromdifferentiering og -behandling. Sammenlignet med vestlig medicin med en enkelt komponent kan traditionel kinesisk medicin behandle komplekse og varierede menneskelige sygdomme gennem integration og regulering af flere forbindelser, niveauer og mål. Der mangler dog en systematisk mekanismeforklaring. Derfor er det nødvendigt at undersøge de mikrovaskulære komplikationer af diabetes yderligere for at opnå de patofysiologiske mekanismer, der er relateret til sygdommens udvikling og fremskridt, og for at udforske potentielle terapeutiske lægemidler til kinesisk medicin.

Med den hurtige udvikling af bioinformatik kan effektiv udnyttelse af de rigelige genekspressionschips og high-throughput-sekventeringsdata til at udføre big data mining og analyse af kliniske prøver hjælpe med at udforske patogenesen af sygdomme og give flere referencer til klinisk praksis. I denne undersøgelse brugte vi high-throughput-sekventering til at downloade genekspressionsprofilchipdata om mikrovaskulære komplikationer af diabetes fra GEO-databasen til analyse, screenede DEG'er mellem langvarig dårlig glykæmisk kontrol med alvorlige mikrovaskulære komplikationer og langvarig dårlig glykæmisk kontrol uden mikrovaskulære komplikationer, analyserede DEG'ernes funktion og vejberigelse og analyserede interaktionen mellem proteiner, screenede yderligere vigtige målmolekyler og potentielle kinesiske lægemidler, der er involveret i patogenesen af mikrovaskulære komplikationer af diabetes, og gav nye ledetråde til klinisk diagnose, behandling og forebyggelse.

 

Diabetes er en gruppe af metaboliske og heterogene sygdomme, som kan være forårsaget af genetiske, miljømæssige og andre faktorer. De fleste patienter med diabetes får alvorlige komplikationer af kronisk hyperglykæmi på et bestemt tidspunkt i sygdomsforløbet, herunder nyresygdom, retinopati, neuropati og hjerte-kar-sygdom. Der er i øjeblikket ingen konsensus om patogenesen af mikrovaskulære komplikationer, hvilket fører til hypoteser som hæmodynamiske abnormiteter, ikke-enzymatisk proteinglykosylering, øget aktivitet af polyolkanaler, selvoxidation af væv og glykosylering. I klinisk praksis fandt vi ud af, at selvom blodsukkeret ikke var godt kontrolleret i lang tid, var nogle patienter med diabetes stadig fri for mikrovaskulære komplikationer. At udforske patogenesen af mikrovaskulære komplikationer i diabetes og forudsige den relaterede traditionelle kinesiske medicin ved at analysere forskellen mellem langvarig dårlig glykæmisk kontrol med alvorlige mikrovaskulære komplikationer og langvarig dårlig glykæmisk kontrol uden mikrovaskulære komplikationer for at give nye ledetråde til klinisk forebyggelse og behandling.

Ved hjælp af GEO2R til at analysere og behandle datasættet GSE43950 blev der opnået 692 DEG'er, herunder 121 opregulerede gener og 571 nedregulerede gener. Gennem berigelsesanalysen af GO-funktion og KEGG-signalvej i DGE'er ved hjælp af DAVID-databasen blev det konstateret, at opregulerede differentielt udtrykte gener hovedsageligt er involveret i reguleringen af blodhæmostase og koagulation og er forbundet med specifik DNA-binding til kernepromotorsekvenser og NF - κ B-signalvej, AGE-RAGE-signalvej, MAPK-signalvej osv. Nedregulering af differentielt udtrykte gener er hovedsageligt involveret i neutrofil aktivering af immunrespons, NOD-lignende receptorsignalvej, toll-lignende receptorsignalvej, endocytose og andre relaterede processer. Gennem forskning fandt vi ud af, at nogle berigelsesfunktioner og signalkanaler for differentierede gener er relateret til sygdomsprocessen med mikrovaskulære komplikationer i diabetes. For eksempel er MAPK-signalvej og AGE-RAGE-signalvej i KEGG-signalvejsberigelsesanalyse, der opregulerer DEG'er, tæt forbundet med sygdomsprocessen ved diabetes og dens mikrovaskulære komplikationer. MAPK-stien har fire hovedforgreninger: ERK, JNK, p38/MAPK og ERK5. Ved diabetes og dens senkomplikationer er aktiviteten af MAPK i kroppen øget, hvilket ikke har noget at gøre med metabolisk kontrol. Højt blodsukker kan aktivere MAPK-vejen og spille en vigtig rolle i formidlingen af senkomplikationer. MAPK-banen er tæt involveret i udviklingen af DR-sygdommen. Ved at hæmme p38- og ERK-signalvejene mindskes skaderne forårsaget af oxidativ stress, hvilket effektivt forsinker den videre udvikling af DR. P38/MAPK medierer forekomsten af diabetesnefropati, som kan fremme produktionen af reaktive oxygenarter (ROS), mediere frigivelsen af inflammatoriske mediatorer, aktivere RAS-systemet, øge det glomerulære indre tryk og fremskynde sygdomsprogressionen af DKD. Den rolle, som avancerede glykationsendeprodukter (AGE) - AGE-receptor (RAGE)-signalvejen spiller, er for nylig blevet identificeret i patogenesen af en række processer, såsom inflammation, maligne tumorer, diabetes og diabeteskomplikationer og neurodegeneration. Nylige undersøgelser har vist, at samspillet mellem AGE- og RAGE-receptorer forårsager oxidative og pro-apoptotiske reaktioner i forskellige typer celler og deltager i patogenesen af vaskulære komplikationer ved diabetes. AGE fører til diabeteskomplikationer gennem to mekanismer: Den ene er, at det tværbindes i biomolekyler for at ændre deres biologiske struktur og funktion; den anden er, at det binder sig til relaterede receptorer på celleoverfladen, såsom RAGE, for at stimulere signalvejen, der fører til forringelse af oxidativ stress. Sammenlignet med raske personer har patienter med diabetes højere koncentrationer af AGE og glukoseoxidationsprodukter og menes at øge det oxidative stress gennem interaktion med deres receptorer (RAGE) og derved fremme vaskulære komplikationer.

DEG'er er hovedsageligt beriget i områder, der er relateret til blodhæmostase, koagulationsregulering, neutrofil aktivering immunrespons og celleapoptose. Proteininteraktionsdatabasen STRING og cytoHubba i Cytoscape-softwaren blev brugt til at analysere DEG'er, og Top10-nøglegener blev opnået. Nøglegener som IL1B, TLR2, TLR4 og CYBB medierede immunreguleringen af kroppen fra flere niveauer, hvilket tyder på, at immunreguleringsprocessen er et vigtigt led i forekomsten og udviklingen af mikrovaskulære komplikationer i diabetes, og regulering af kroppens immunfunktion kan være et vigtigt mål for at forebygge og behandle mikrovaskulære komplikationer i diabetes.

IL-1B, som er en vigtig proinflammatorisk faktor i interleukin-1-cytokinfamilien, er den vigtigste regulator af inflammatorisk respons og deltager i en række cellulære aktiviteter som spredning, differentiering og apoptose. Det er også forbundet med smerter og autoimmune reaktioner i kroppen. Forskning har vist, at IL-1B er et vigtigt opstrømsmolekyle, der igangsætter inflammation i bugspytkirtlen under udviklingen af T2DM. Et stort antal eksperimentelle studier har vist, at aktiveringen af inflammatoriske organer og udskillelsen af IL-1B er de vigtigste processer, der driver dannelsen af aterosklerose. De pro-inflammatoriske cytokiner IL-1B, interleukin-6 (IL-6) og interleukin-8 (IL-8) er mediatorer for akutfaserespons, som typisk er forbundet med induktion af oxidativ stress. Oxidativt stress, som er en fælles vej til at mediere komplikationerne ved diabetes, medierer mange sene komplikationer ved diabetes, herunder mikrovaskulære komplikationer og makroangiopati ved diabetes.
TLR'er tilhører den mønstergenkendende receptorfamilie og er tæt forbundet med udviklingen af diabetes. TLR'er kan aktivere det medfødte immunsystem og er relateret til patogenesen af insulinresistens, diabetes og aterosklerose, især udtrykket af TLR2 og TLR4. TLR2 udtrykkes hovedsageligt i celler med immunrelaterede funktioner, såsom dendritiske celler, monocytter og nogle endotelceller. Det deltager i patogenesen af DN ved at regulere cytokinsignalvejen i kroppen. Shao et al. undersøgte effekten af paeoniflorin på nyrerne hos type 1-diabetes-mus ved at bruge TLR2-knockout-mus og vildtype-kuldkammerater. Det viste sig, at ved at hæmme TLR2-signalvejen blev albuminuri hos diabetesmus signifikant reduceret, og renal histopatologi blev svækket, hvilket bekræftede, at TLR2 var tæt forbundet med DN. I mellemtiden er TLR2 en mediator for retinal degeneration som reaktion på oxidativ stress, der fungerer som en bro mellem oxidativ skade og komplementmedierede retinale læsioner, hvilket kan antyde et tæt forhold mellem TLR2 og forekomsten af diabetisk retinopati. I TLR-familien er TLR4 som transmembranproteinreceptor ansvarlig for aktivering af mange signaltransduktionsveje. Kronisk inflammation ved diabetes menes at være relateret til aktiveringen af TLR4. Aly og andre undersøgelser tyder på, at den øgede ekspression af TLR2 og TLR4 kan spille en vigtig rolle i DN-progression og forværring af insulinresistens hos patienter med type 2-diabetes. Derfor kan TLR2 og TLR4 i TLR-familien være et lovende terapeutisk mål for at forebygge eller forsinke type 2-diabetes og dens komplikationer.
CYBB koder for gp91phox, som er en vigtig komponent i NADPH-oxidase i fagocytiske celler og en væsentlig kilde til oxidativt stress i nyrerne. CYBB medierer produktionen af ROS og er involveret i cellesignalering i forbindelse med differentiering, cellecyklus og apoptose. Både diabetespatienter og dyremodeller har bekræftet, at patogenesen af DM kan være medieret af produktionen af ROS i kroppens oxidative stress (OS). Overskuddet af ROS anses for at være den vigtigste mekanisme bag diabeteskomplikationer. Øget produktion af mitokondrie-ROS spiller en vigtig rolle i diabeteskomplikationer (herunder retinopati).
Ved at kortlægge nøglegener i den centrale medicinske database og opbygge et målnetværk for lægemiddelaktive ingredienser fandt man ud af, at de fire hyppigst forekommende traditionelle kinesiske lægemidler (scutellaria baicalensis, salvia miltiorrhiza, achyranthes bidentata og yujin) og deres aktive ingredienser kan målrettes mod nøglegener, der påvirker de mikrovaskulære komplikationer af diabetes. Alle de fire traditionelle kinesiske lægemidler har en vis effekt ved at fremme blodcirkulationen og fjerne blodstasis. Salvia miltiorrhiza og yujin er mere almindeligt anvendte lægemidler til fremme af blodcirkulationen og fjernelse af blodstasis i klinisk praksis, og de matcher perfekt patogenesen af "diabetes går ind i kollateraler efter en lang sygdom, og blodstasis opstår efter en lang sygdom". TCM-navnet på diabetes er Xiaoke. Dens patogenese er baseret på yin-mangel og præget af tørhed og varme. Langvarig slukning af tørst kan let involvere flere organer, påvirke den normale funktion af qi og blod, forårsage yin-mangel, tørhed og varme og forbruge kropsvæsker, hvilket fører til dårlig blodcirkulation og blodstase. Blodstase er en vigtig patogenese for diabetes, som er relateret til udviklingen af forskellige kroniske komplikationer. I klinisk praksis bruges kinesisk urtemedicin, der fremmer blodcirkulationen og fjerner blodstasis, ofte til at behandle diabetesrelaterede komplikationer. Moderne farmakologi har også vist, at nogle af komponenterne i de ovennævnte traditionelle kinesiske lægemidler spiller en vigtig rolle i behandlingen af diabetes og mikrovaskulære komplikationer. Flere bioaktive stoffer udvundet af roden fra Scutellaria baicalensis, såsom baicalein og baicalin, har vist sig at øge glukoseforbruget og sænke blodsukkerniveauet i kroppen. Tanshinone IIA er en klassisk aktiv ingrediens i Danshen, som har antiinflammatoriske, antioxiderende og antifibrotiske virkninger. Tanshinone IIA kan forbedre smertefuld diabetesneuropati ved at hæmme ekspressionen og aktiviteten af natriumkanaler af spændingstypen i dorsalrodsganglier hos rotter, hvilket tyder på, at Tanshinone IIA kan være et lovende lægemiddel til behandling af DPN. Yuan et al. fandt, at tanshinone IIA kan forbedre lipidmetabolismen, glukosemetabolismen og insulinresistensen hos rotter med type 2-diabetes gennem AMPK-signalvejen induceret af NF - κ B. Curcumin er den vigtigste aktive ingrediens i Curcuma. En systematisk gennemgangsanalyse viste, at curcumin har evnen til at hæmme oxidativt stress og inflammatoriske processer i kroppen. Nano-curcumin baseret på nanoteknologi betragtes som et potentielt lægemiddel til lægemiddelbehandling og håndtering af diabetespatienter. β-ecdysteron er hovedsageligt ansvarlig som en af de aktive ingredienser i Achyranthes chuanxiong, som kan sænke blodsukkeret, stabilisere niveauet af NO-metabolitter i kroppen og dermed beskytte nyrerne.

Ved hjælp af informationsmineteknologi baseret på bioinformatik blev der foretaget en analyse af genforskelle mellem langvarig dårlig glykæmisk kontrol med alvorlige mikrovaskulære komplikationer og langvarig dårlig glykæmisk kontrol uden mikrovaskulære komplikationer, og 10 gener med den største forskel blev screenet. Yderligere analyse afslørede, at gener som IL1B, TLR2, TLR4 og CYBB spillede en vigtig rolle i udviklingen af mikrovaskulære komplikationer ved diabetes, mens traditionelle kinesiske lægemidler som salvia miltiorrhiza, scutellaria baicalensis, gurkemeje og achyranthes bidentata og deres aktive ingredienser kan blive nye lægemidler til behandling af mikrovaskulære komplikationer ved diabetes, hvilket giver nye ideer til yderligere udforskning af den molekylære mekanisme for mikrovaskulære komplikationer ved diabetes og søgning efter nye terapeutiske lægemidler. Denne undersøgelse har dog stadig følgende mangler. For det første er prøvestørrelsen i denne forskningsdatabase lille, og diabetestyper er ikke differentieret, så vi er nødt til at udvide prøvestørrelsen yderligere og forfine diabetesklassificering; For det andet er der mangel på præcis eksperimentel forskning og verifikation. Derfor er det nødvendigt yderligere at udforske funktionen af disse vigtige målmolekyler og potentielle lægemidler i de mikrovaskulære komplikationer af diabetes.