Unterschiedliche Analyse der Sekundärmetaboliten von medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum und Untersuchung der Wirkstoffe und Wirkmechanismen zur Verbesserung der Insulinresistenz
Insulinresistenz (IR) bezieht sich im Allgemeinen auf eine Abnahme der Empfindlichkeit von Insulin-Zielzellen gegenüber quantitativen Insulinkonzentrationen bei normalen Konzentrationen, was zu einer beeinträchtigten Insulinförderung der Glukoseaufnahme und -verwertung, einer kompensatorischen Zunahme der Insulinsekretion und einer verringerten Insulinempfindlichkeit und beeinträchtigten Glukoseverwertung in Geweben wie Skelettmuskeln, Leber und Fettgewebe führt. Die Insulinresistenz ist eine der wichtigsten Ursachen des Typ-2-Diabetes, die sich durch den gesamten Prozess des Typ-2-Diabetes zieht. Derzeit werden zur Behandlung von IR hauptsächlich Insulinsensibilisatoren eingesetzt, die jedoch Nebenwirkungen wie Knochenbrüche, Ödeme und Leberschäden verursachen können.

Polygonatum sibiricum Red. ist eine Pflanze, die zur Familie der Liliengewächse (Liliaceae) und zur Gattung Polygonatum gehört. Sie ist eine der drei Polygonatum-Arten, die in der Ausgabe 2020 des chinesischen Arzneibuchs aufgeführt sind. Sie wird als Medizin mit getrockneten Knollen verwendet und ist ein gängiges medizinisches und essbares Produkt. Aufgrund seiner knotigen und gekrümmten zylindrischen Form, die an einen Hühnerkopf erinnert, ist er allgemein als Hühnerkopf-Polygonatum sibiricum bekannt. Er ist in Sichuan, Hunan, Jiangxi und anderen Regionen weit verbreitet. Er hat einen süßen und milden Geschmack, ist ungiftig und hat die Wirkung, Qi und Yin zu nähren, die Milz zu stärken, die Lungen zu befeuchten und die Nieren zu unterstützen. Es wird zur Behandlung von Milz- und Magen-Qi-Mangel, Müdigkeit und Schwäche, innerer Hitze und Durst verwendet. Es enthält hauptsächlich Polysaccharide, Saponine, Flavonoide, Alkaloide, Anthrachinon und andere Bestandteile. In der klinischen Praxis wird die Huangjing-Verbindung häufig zur Behandlung von Typ-2-Diabetes eingesetzt. Bei Typ-2-Diabetes mit Qi- und Yin-Mangel kann es die TCM-Syndrome der Patienten lindern, den Blutzucker und die Blutfette senken und die Funktion der Pankreasinseln verbessern. Literaturberichten zufolge deutet der Mechanismus, durch den Huangjing die Funktion der Bauchspeicheldrüse verbessert, darauf hin, dass seine Wirkstoffe auf Zielmoleküle wie PI3K und STAT3 einwirken, wodurch die Serin/Threonin-Aktivität von Proteinen und die PI3K-AKT-Signalwege weiter beeinflusst werden und ihre Wirkung entfalten; Der Mechanismus der Huangjing-Monotherapie bei der Verbesserung der Funktion der Bauchspeicheldrüsen-Inseln lässt vermuten, dass die Flavonoide auf die postsynaptische Membran einwirken und biologische Prozesse wie die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber Medikamenten, die Aktivität der Neurotransmitter-Rezeptoren und die Regulierung von Signalwegen wie Kalziumionen und Hormonresistenz verändern, um die Insulinresistenz zu verbessern.

Gegenwärtig werden HPLC, LC-MS/MS, UPLC-Q-TOF-MS und andere Techniken üblicherweise für die qualitative und quantitative Untersuchung der chemischen Bestandteile von Polygonatum sibiricum verwendet. Es wurde berichtet, dass Polygonatum sibiricum Flavonoide, Alkaloide und andere chemische Komponenten enthält, aber es ist im Allgemeinen schwierig, alle in Polygonatum sibiricum enthaltenen Stoffwechselprodukte aufgrund der geringen Anzahl der nachgewiesenen Komponenten zu erfassen. In den letzten Jahren wurde mit der Entwicklung der Metabolomics-Technologie die weithin gezielte Metabolomics-Technologie auf der Grundlage von UPLC-ESI-MS/MS in großem Umfang für die Untersuchung der Metaboliten der traditionellen chinesischen Medizin eingesetzt. Im Vergleich zu den herkömmlichen chromatographischen Techniken bietet sie die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, niedriger Kosten und eines hohen Durchsatzes. Aufgrund des Mangels an Berichten über die differenzierte Analyse von Sekundärmetaboliten zwischen medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum, konzentriert sich diese Studie auf medizinisches Polygonatum sibiricum Red und essbares Polygonatum alternatirrhosum Hand. - Mzt. (gemeinhin als Frucht-Polygonatum bekannt) als Forschungsobjekte. Zum ersten Mal wurde die UHPLC-ESI-MS/MS-Metabolomics-Technologie verwendet, um ihre Sekundärmetaboliten umfassend zu erkennen, und die Hauptkomponentenanalyse (PCA), die HCA-Clustering-Analyse und die orthogonale partielle Kleinstquadrat-Diskriminanzanalyse (OPLS-DA) wurden für die vergleichende Analyse von Metaboliten verwendet, um nach differenziellen Metaboliten zu suchen; zweitens wurde eine Netzwerk-Pharmakologie-Analyse für die zehn wichtigsten Verbindungen mit hochregulierten relativen Veränderungen in Metaboliten zwischen medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum durchgeführt, um die Insulinresistenz zu verbessern. Für die Wirkstoffe und die wichtigsten Targets wurde ein molekulares Docking durchgeführt, und HepG2-Zellen wurden für die Validierung des Zellexperiments ausgewählt. Einerseits wollen wir ein umfassendes Verständnis der unterschiedlichen Metaboliten von medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum erlangen und damit die Grundlage für seine Qualitätsbewertung schaffen. Andererseits planen wir, potenzielle Wirkstoffe zur Behandlung von IR zu screenen, um eine Grundlage für die Aufklärung des Wirkmechanismus von Polygonatum sibiricum bei der Behandlung von IR zu schaffen.

 

In diesem Artikel werden die Sekundärmetaboliten von medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum mithilfe von Metabolomics auf der Grundlage der UHPLC-ESI-MS/MS-Technologie analysiert. Insgesamt wurden 319 Sekundärmetaboliten identifiziert, darunter 86 Phenolsäuren, 96 Flavonoide, 5 Anthrachinone, 25 Lignane und Cumarine, 3 Tannine, 51 Alkaloide, 11 Terpene, 21 Steroide und 21 andere Metaboliten. Es besteht ein signifikanter Unterschied bei den Sekundärmetaboliten zwischen dem medizinischen und dem essbaren Polygonatum sibiricum, wobei PCA und HCA signifikante Unterschiede aufweisen. Insgesamt wurden 106 unterschiedliche Metaboliten in der Vergleichsgruppe zwischen medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum untersucht, darunter 85 hochregulierte Verbindungen und 21 herunterregulierte Verbindungen. Das medizinische Polygonatum sibiricum hat deutliche Vorteile bei der Menge und dem relativen Gehalt an Sekundärmetaboliten. Um die Veränderungen bei den Sekundärmetaboliten zwischen medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum weiter zu vergleichen, wurden die unterschiedlichen Metaboliten mit Hilfe der KEGG-Datenbank annotiert. Die KEGG-Klassifizierung und die Anreicherungsergebnisse zeigten, dass medizinisches Polygonatum sibiricum signifikant in den Stoffwechselwegen von Flavonoiden, Flavonolen, Isoflavonen und Alkaloiden angereichert war, was mit der Bildung der medizinischen Polygonatum sibiricum-Qualität zusammenhängen könnte. Laut Literaturberichten produzieren Pflanzen während ihres Wachstumsprozesses aufgrund von Umweltstress oder Widrigkeiten eine Vielzahl von Sekundärmetaboliten. Diese Metaboliten haben oft spezifische biologische Funktionen wie Trockenheitsresistenz, Krankheitsresistenz und Schädlingsbekämpfung. Gleichzeitig ist die Anreicherung dieser sekundären Metaboliten auch für die Verbesserung der medizinischen Qualität von Pflanzenteilen von Vorteil. Die Anhäufung von Flavonoiden ist beispielsweise vorteilhaft für die Verbesserung der antioxidativen, entzündungshemmenden und tumorhemmenden Wirkung; die Anhäufung von Alkaloiden hat eine hohe leberkrebshemmende Wirkung und hemmt die Aktivität der Alpha-Glucosidase; Steroidsaponine haben verschiedene bioaktive Komponenten wie entzündungshemmende und tumorhemmende Wirkung. Daher ist eine eingehende Analyse dieser unterschiedlich akkumulierten Flavonoide, Alkaloide und Steroidverbindungen von Vorteil für das Screening von Qualitätsmerkmalen im Zusammenhang mit der Qualität von medizinischem Polygonatum sibiricum.

Derzeit gibt es im Huangjing-Abschnitt der Ausgabe 2020 des chinesischen Arzneibuchs keinen Grenzwert für den Gehalt an Sekundärmetaboliten wie Flavonoiden und Alkaloiden. In dieser Studie wurden die zehn wichtigsten Verbindungen in Bezug auf die relativen Veränderungen des Gehalts an Metaboliten zwischen medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum verglichen, und es wurde festgestellt, dass 50% der Metaboliten zu den Flavonoiden gehörten, was mit der KEGG-Klassifizierung und den Anreicherungsergebnissen der unterschiedlichen Metaboliten übereinstimmt. Unter ihnen haben Metaboliten mit hoher pharmakologischer Aktivität, wie Isorhamnetin, gute Anti-Tumor-, Anti-Myokard-Hypoxie, Ischämie, Linderung von Angina pectoris, Anti-Arrhythmie, die Behandlung von koronarer Herzkrankheit und Bluthochdruck, Clearing-Sauerstoff freie Radikale, Verringerung der Serum-Cholesterin, den Schutz des kardiovaskulären Systems, die Förderung der Blutzirkulation und andere biologische Effekte, und sind weit verbreitet in der klinischen Praxis verwendet; Dünne Yamswurzelsaponine haben auch bestimmte physiologische Aktivitäten in den Bereichen Anti-Tumor, antibakteriell, Parasitenabtötung, Hämolyse, Lipidsenkung, Antiosteoporose, Anti-Mutation und andere Aspekte. Die unterschiedliche Hochregulierung von Resveratrol und Dioscin wurde nur bei Polygonatum sibiricum Red, einer von Polygonatum sibiricum abgeleiteten Art, beobachtet. Auf dieser Grundlage wird in einem nächsten Schritt Polygonatum sibiricum (Frucht Polygonatum sibiricum) als Kontrolle verwendet, um Polygonatum sibiricum aus dem Arzneibuch und Hemsl zu untersuchen.Polygonatum cyrtonema Hua und lokale medizinische Polygonatum sibiricum-Sorten (wie das in Nanchong, Sichuan, Xiushan, Chongqing, Xinhua, Hunan usw. weit verbreitete Polygonatum sibiricum) wurden als Versuchsgruppen verwendet, um die Veränderungen der Sekundärmetaboliten in jeder Vergleichsgruppe auf der Grundlage umfangreicher gezielter Metabolomik zu analysieren. In Verbindung mit der biologischen Aktivität spezifischer Kategorien von Metaboliten wurden Metaboliten untersucht, die mit der Qualität der traditionellen chinesischen Medizin Polygonatum sibiricum in Verbindung stehen, was eine Grundlage für die Qualitätsbewertung und Qualitätskontrolle von authentischem Polygonatum sibiricum darstellt.

Um die Aktivität der durch Metabolomics untersuchten, unterschiedlich hochregulierten Verbindungen weiter zu validieren, wurde in dieser Studie die traditionelle Wirksamkeit von Huangjing bei der Stärkung der Milz und der Behandlung des inneren Hitze- und Durstsyndroms kombiniert. Mit IR als Krankheitsmodell wurde eine pharmakologische Netzwerkanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse der KEGG-Signalweganalyse zeigten, dass drei unterschiedlich hochregulierte Verbindungen, nämlich Isorhamnetin, Naringin und Isonaringin, in den PI3K-Akt-Signalweg, den mTOR-Signalweg, den VEGF-Signalweg und den Östrogen-Signalweg involviert waren. Die Anreicherung von AMPK und anderen Signalwegen ist hoch signifikant. Aus der Durchsicht und Analyse der bisherigen Literatur geht hervor, dass der PI3K/AKT-Signalweg am Zellzyklus, der Apoptose, der Proliferation und dem Glukosestoffwechsel beteiligt ist, während Insulin hauptsächlich auf Muskel-, Leber- und Fettgewebe wirkt. Es aktiviert den PI3K/AKT-Signalweg durch Bindung an Insulinrezeptoren und reguliert dadurch Glukose- und Fettstoffwechselprozesse; der mTOR-Signalweg ist an der Regulierung der Glukoseaufnahme der Skelettmuskulatur und der Insulinresistenz beteiligt. Die Aktivierung des Signalwegs kann die Insulinempfindlichkeit erhöhen, eine übermäßige Aktivierung kann jedoch die Insulinempfindlichkeit hemmen; VEGFA, ein wichtiges Zielprotein des VEGF-Signalwegs, verbessert die Insulinresistenz, indem es die Insulinsensitivität in Fett und Muskeln erhöht und dadurch den Blutzucker kontrolliert; die Adenosin-aktivierte Proteinkinase (AMPK) ist eine wichtige Substanz, die den Energiestoffwechsel im Körper reguliert. Studien haben gezeigt, dass verschiedene natürliche Verbindungen die AMPK aktivieren können, die Insulinempfindlichkeit verbessern und potenzielle Ziele für die Verbesserung der Insulinresistenz sind. Darüber hinaus kann Huangjing bei der Verbesserung der IR auch auf verwandte Signalwege wie den Östrogen-Signalweg einwirken, die Hypophysen-Nebennieren-Achse und andere Gewebe und Organe regulieren und die IR direkt oder indirekt verbessern. Die oben genannten Forschungsergebnisse stimmen mit den berichteten Ergebnissen des Monomers Isorhamnetin bei der Behandlung von Diabetes überein. Darüber hinaus wurde die Molekular-Docking-Technologie eingesetzt, um den Wirkmechanismus von Polygonatum sibiricum bei der Verbesserung der IR weiter aufzudecken. Die Ergebnisse zeigten, dass wichtige Targets des PI3KAkt-Signalwegs, des mTOR-Signalwegs, des VEGF-Signalwegs, des Östrogen-Signalwegs, des AMPK-Signalwegs usw. gute Docking-Effekte mit Isorhamnetin, Kaempferolglykosid und Isokaempferolglykosid hatten, wobei die Bindungsenergien alle ≤ -20,9 kJ/mol waren. Es wird daher spekuliert, dass die Bindung der Wirkstoffe von Polygonatum sibiricum an wichtige Zielstrukturen der Schlüssel zur therapeutischen Wirkung von Polygonatum sibiricum auf die IR sein könnte. Weitere Zellexperimente bestätigten, dass Isorhamnetin, ein differenzierter Metabolit, den IR-Status von HepG2-Zellen effektiv verbessern kann, vor allem durch die Beeinflussung der Expression von PI3K-, AKT1-, VEGF- und mTOR-Signalweg-bezogenen Proteinen. Die Ergebnisse zeigten, dass Isorhamnetin die Expressionsniveaus von PI3K- und AKT1-Proteinen erhöhen und die Expressionsniveaus von VEGF- und mTOR-Proteinen in IR-HepG2-Zellen senken kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in diesem Artikel die Sekundärmetaboliten in medizinischem und essbarem Polygonatum sibiricum durch umfangreiche gezielte Metabolomics-Technologie genau und umfassend identifiziert wurden. Im Vergleich zu essbarem Polygonatum sibiricum wirken die hochregulierten Verbindungen wie Isorhamnetin in medizinischem Polygonatum sibiricum auf die PI3K-, AKT1-, VEGFA- und mTOR-Signalwege durch Kernziele wie PI3K, AKT1, VEGF und mTOR, um IR zu verbessern, was die pharmakologischen Eigenschaften der traditionellen chinesischen Medizin mit mehreren Komponenten, Zielen und Wegen vollständig widerspiegelt. Die Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für das Screening und die Qualitätsbewertung von Wirkstoffen in Polygonatum sibiricum und bieten eine Basis für die Aufklärung des Wirkmechanismus von Polygonatum sibiricum bei der Behandlung von IR.