Untersuchung der Anti-Hypoxie-Wirkung und der potenziellen Angriffspunkte des Amerikanischen Ginsengs anhand des Zebrafischmodells und der dynamischen Molekular-Docking-Technologie
Hypoxie ist ein komplexer pathologischer Prozess, der durch mehrere Faktoren verursacht wird und sich auf unterschiedlich starke Atembeschwerden im Körper bezieht. Die Unfähigkeit, ausreichend Sauerstoff über die Atemwege aufzunehmen, führt zu pathologischen Veränderungen im Körper, wie Zyanose der Haut, der Finger und der Lippen, und sogar zu Symptomen wie Keuchen, Kurzatmigkeit und Engegefühl in der Brust. Hypoxie kann zu irreversiblen Schäden an mehreren Organen wie Herz, Gehirn und Lunge führen, die sich zu tödlichen Krankheiten wie Lungenödemen oder Hirnödemen entwickeln können. Die traditionelle chinesische Medizin hat offensichtliche Vorteile bei der Erforschung und klinischen Anwendung von Mitteln gegen Hypoxie, wie z. B. Schneelotus und Palmginseng, die nachweislich eine gute Wirkung gegen Hypoxie haben. Die Erforschung der einzigartigen Heilpflanzenressourcen unseres Landes und die Entdeckung wirksamerer Medikamente mit geringer Toxizität sind für die Prävention und Behandlung von Hypoxie, die durch hochalpine Umgebungen oder Pathologien verursacht wird, von großer Bedeutung.

Gegenwärtig werden für die Erforschung hypoxischer Krankheiten hauptsächlich Ratten- und Mausmodelle verwendet. Zu den wichtigsten Methoden gehören Schwimmexperimente mit Gewichten, Experimente zur Toleranz gegenüber normobarer Hypoxie, Überlebensversuche mit Natriumnitrit-Vergiftung und Experimente zur akuten zerebralen ischämischen Hypoxie, die beim groß angelegten Wirkstoffscreening Einschränkungen und hohe Kosten verursachen. Die Forschung hat herausgefunden, dass Zebrafische mit Hilfe von Natriumsulfit Hypoxiemodelle bilden können, und Zebrafische haben eine hohe Eiproduktion, kurze Versuchszyklen und niedrige Kosten, wodurch ein Hochdurchsatz-Screening möglich ist. Daher haben wir das Modelltier Zebrafisch verwendet, um die Anti-Hypoxie-Wirkung von amerikanischem Ginseng zu untersuchen, und Bioinformatik-Techniken und -Methoden verwendet, um die Wirkstoffe und potenziellen Targets von amerikanischem Ginseng zu screenen und vorherzusagen, um nach potenziellen Targets für die Anti-Hypoxie-Wirkung von amerikanischem Ginseng zu suchen und Referenzen für die Untersuchung seines Anti-Hypoxie-Mechanismus zu liefern.

 

In diesem Artikel wird ein neues Modell für die Anti-Hypoxie-Wirkung von Zebrabärblingen konstruiert, das eine neue Methode für die Untersuchung der Anti-Hypoxie-Wirkung der traditionellen chinesischen Medizin bietet. In diesem Experiment wurde Natriumsulfit verwendet, um eine sauerstoffarme Umgebung zu schaffen, die die übliche Methode der Stickstofffüllung ersetzt, um ein Hypoxie-Modell zu schaffen, und die Anti-Hypoxie-Wirkung von amerikanischem Ginseng mit einem einfacheren und direkteren Verfahren untersucht. Die Verwendung des Zebrafisches als Modelltier kann die Versuchsdauer verkürzen, ein Screening mit hohem Durchsatz ermöglichen und die Hypoxie als Ganzes charakterisieren. Nach dem Sauerstoffentzug tritt bei Zebrafischen das Phänomen des schwimmenden Kopfes auf, und ihre Schwimmhaltung ist unausgewogen. Ihr Körper ist nicht parallel zur Horizontalen ausgerichtet, und sie schwimmen unregelmäßig in alle Richtungen, wobei sich ihre Schwimmgeschwindigkeit innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erhöht. In dieser Studie wurde die Überlebenszeit von Zebrabärblingen in verschiedenen Gruppen unter hypoxischen Bedingungen und ihr neurologisches Verhalten (Schwimmkopf, Schwimmgeschwindigkeit und -entfernung) nach der Hypoxie untersucht. Es wurde festgestellt, dass amerikanischer Ginsengextrakt die Überlebenszeit von Zebrabärblingen unter hypoxischen Bedingungen deutlich verbessern konnte. Mit der Erhöhung der Wirkstoffkonzentration nahm auch die Schwimmkopfrate jeder Zebrabärblinggruppe deutlich ab. Die Bewegungsdistanz und -geschwindigkeit nach der Hypoxie unterschieden sich ebenfalls signifikant von der Modellgruppe. Das neurologische Verhalten der hochdosierten Medikamentengruppe ähnelte dem der normoxischen Gruppe, was darauf hindeutet, dass der amerikanische Ginsengextrakt eine signifikante Anti-Hypoxie-Wirkung hat, was die Grundlage für die Suche nach potenziellen Anti-Hypoxie-Targets im nächsten Schritt bildet.

Amerikanischer Ginseng ist eine Pflanze der Gattung Panax aus der Familie der Araliengewächse (Araliaceae), die in Kanada heimisch ist und in den chinesischen Provinzen Jilin und Shandong in großem Umfang angebaut wird. Bereits in der Qing-Dynastie stellte der konfuzianische Arzt Wang Ang das Buch "Bu Tu Ben Cao Bei Yao" zusammen, in dem festgehalten wurde, dass amerikanischer Ginseng einen kühlen Charakter, einen süßen Geschmack, eine leichte Bitterkeit und traditionelle Wirkungen wie die Tonisierung des Qi und die Ernährung des Yin, die Beseitigung von Hitze und die Erzeugung von Flüssigkeiten hat. Die moderne Pharmakologie zeigt, dass amerikanischer Ginseng verschiedene pharmakologische Wirkungen hat, darunter Anti-Tumor, kardiovaskulärer Schutz, Immunregulierung sowie Anti-Myokard-Ischämie, Anti-Myokard-Oxidation und andere Effekte. Bislang ist jedoch das Wissen über die Anti-Hypoxie-Wirkung und die spezifischen Ziele der Substanzzusammensetzung des amerikanischen Ginsengs noch sehr begrenzt. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Ginsenosid Rg3 die Proliferation von Eca-109- und 786-0-Zellen unter hypoxischen Bedingungen hemmen und eine signifikante Abnahme der Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) mRNA bewirken kann. Es kann auch die Expression von Hypoxie-induzierbarem Faktor-1 α (HIF-1 α), Cyclooxygenase-2 (COX-2) und nuklearem Faktor Kappa B (NF-κ B) hemmen, die durch Hypoxie unter hypoxischen Bedingungen induziert werden; Ginsenosid Rb3 kann die Zellmembran stabilisieren, die Expression und Aktivität von NOS hemmen und hat eine signifikante Schutzwirkung auf hypoxisch-ischämische neuronale Schäden. Daher ist die eingehende Erforschung der wichtigsten Wirkstoffe gegen Hypoxie in amerikanischem Ginseng von großer Bedeutung für die Qualitätsbewertung und die Entwicklung neuer Arzneimittel.

Die topologische Analyse des PPI-Netzwerks deutet darauf hin, dass AKT1, STAT3, HSP90AA1, JUN und TNF die wichtigsten Zielgene des Amerikanischen Ginseng gegen Hypoxie sein könnten. AKT1 ist eine Serin/Threonin-Proteinkinase, die durch die Bindung von PI3K an Wachstumsfaktoren aktiviert und phosphoryliert werden kann, um nachgeschaltete Substrate wie Apoptose-verwandte Proteine Bad, Caspase9 und mTOR-Aktivität zu aktivieren oder zu hemmen, wodurch sie an der Regulierung biologischer Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung, Apoptose und Migration beteiligt ist. Forschungen haben ergeben, dass eine durch rekombinante Lentiviren vermittelte Akt1-Gentransfektion die Hypoxie-Toleranz von Ratten-BMSCs durch Hemmung der Apoptose deutlich verbessern kann. STAT3 ist ein Mitglied der STAT-Familie und spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von Zellproliferation, Differenzierung, Apoptose und anderen Prozessen. STAT3 spielt eine wichtige Rolle bei Hypoxie-induzierten glatten Muskelzellen der Lungenarterie, und die Blockierung des STAT3-Signalwegs kann die Proliferation von glatten Gefäßmuskelzellen wirksam hemmen. HSP90AA1 gehört zur Familie der Hitzeschockproteine und ist eines der am häufigsten vorkommenden zytoplasmatischen Proteine in stressfreien Zellen. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase und kann die Widerstandsfähigkeit der Zellen gegen externen Stress unter hypoxischen Stressbedingungen erhöhen. JUN gehört zur Familie der Onkogene und ist ein Mitglied der MAPK-Superfamilie. Es kann an Prozessen wie Zellproliferation, Entzündung, Migration und Invasion beteiligt sein. Unter hypoxischen Bedingungen kann ein Anstieg des Expressionsniveaus der phosphorylierten c-jun N-terminalen Kinase die Proliferation von glatten Muskelzellen der Rattenlungenarterie fördern. TNF ist ein proinflammatorisches Zytokin, das hauptsächlich von Monozyten und Makrophagen ausgeschüttet wird und eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von Entzündungsprozessen und der Abwehr mikrobieller Krankheitserreger spielt. Bei Hypoxie-Stress reguliert TNF das Transkriptionsniveau von HIF-1 α (hypoxia inducible factor-1 α) über den NF-κ B-Weg.

In dieser Studie wurde durch dynamisches molekulares Docking herausgefunden, dass Schlüsselverbindungen des amerikanischen Ginsengs (wie Ginsenosid F11, Papaverin, Ginsenosid RO, Ginsenosid Rb3, Ginsenosid Rg1, Ginsenosid Rg3) gut mit Hypoxie-Kernzielgenen (AKT1, HSP90AA1, JUN, STAT3, TNF) binden können. In dieser molekularen Docking-Studie wurde festgestellt, dass die ursprüngliche Ligandenposition in der Kristallstruktur die aktive Docking-Tasche ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Bindungsstelle zwischen den Schlüsselverbindungen des amerikanischen Ginsengs und den Hypoxie-Zielproteinen die wichtigste aktive Region ist. Je niedriger die Bindungsenergie, desto stärker ist die Bindungsfähigkeit zwischen dem Liganden und dem Zielprotein. Durch das Andocken verschiedener Verbindungen an das Zielprotein wurde festgestellt, dass der pro-inflammatorische Faktor TNF und das Hitzeschockprotein HSP90AA1 eine starke Bindungsfähigkeit mit den Hauptwirkstoffen aufweisen, die ein potenzielles Hauptziel des amerikanischen Ginsengs zur Bekämpfung von Hypoxie sein könnten. Durch weitere Verifizierung mittels Molekulardynamik wurde festgestellt, dass die dynamische Simulation von HSP90AA1 und Ginsenosid Rg1, TNF und Ginsenosid Ro stabile Konformationen bilden kann, wodurch die Bindungsdichte und Stabilität des Kernziels und des Wirkstoffkomplexes aufgedeckt und verifiziert wird. Dies bietet eine zuverlässige theoretische Grundlage für die Untersuchung potenzieller Hypoxie-Ziele des amerikanischen Ginsengs für Anti-Hypoxie-Effekte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Studie die Anti-Hypoxie-Wirkung von amerikanischem Ginseng anhand eines Zebrafischmodells bewertet und die Wirkstoffe und Kernziele, die an der Anti-Hypoxie-Wirkung beteiligt sind, mithilfe von Techniken der Netzwerkpharmakologie untersucht wurden. Molekulares Docking und Molekulardynamik wurden eingesetzt, um die Bindung von Wirkstoffen und Kernzielen weiter zu verifizieren und potenzielle Ziele des Amerikanischen Ginsengs für die Hypoxiebekämpfung aufzudecken. Aufgrund der Komplexität der Inhaltsstoffe der traditionellen chinesischen Medizin und der molekularen Struktur der Saponine in Amerikanischem Ginseng ist eine vorläufige Untersuchung auf der Grundlage der Netzwerkpharmakologie noch nicht ausreichend. Im Hinblick auf die vorhergesagten Ziele der Anti-Hypoxie-Wirkung von chinesischem und westlichem Ginseng werden in einer späteren Phase weitere experimentelle Überprüfungen durchgeführt, um eine theoretische Grundlage und Referenz für die Untersuchung der pharmakologischen Anti-Hypoxie-Komponenten von amerikanischem Ginseng zu schaffen und eine Basis für die Erforschung verwandter Mechanismen in einer späteren Phase zu bieten.