Analyse der therapeutischen Wirkung von Eleutherosid E, einem natürlichen Lignanglykosid, bei Kniearthrose und seiner Interaktion mit MMPs
Osteoarthritis (OA) ist eine degenerative Erkrankung, die durch einen abnormen Stoffwechsel des Gelenkknorpels und die Zerstörung der Knochenstruktur des Gelenks gekennzeichnet ist. In schweren Fällen kann sie zum Verlust der Gelenkfunktion führen und ist zu einer wichtigen Ursache für den Verlust der Arbeitskraft und für Behinderungen bei Menschen über 50 Jahren geworden. Unter ihnen ist die Häufigkeit der Kniearthrose am höchsten. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation gibt es derzeit weltweit etwa 190 Millionen Patienten mit Osteoarthritis. Mit der alternden Gesellschaft nimmt die Zahl der OA-Patienten von Jahr zu Jahr zu, was für die Familien der Patienten eine große wirtschaftliche Belastung und psychischen Druck bedeutet. Gegenwärtig stützt sich die Behandlung der Osteoarthritis hauptsächlich auf unspezifische Medikamente zur Linderung der klinischen Symptome. Nicht opioide Analgetika (Paracetamol, zentrale Analgetika) und nichtsteroidale Antirheumatika werden oral eingenommen, um die Symptome der Arthrosepatienten zu lindern, können aber die Arthrose nicht grundsätzlich heilen. Gleichzeitig haben diese Medikamente zahlreiche Nebenwirkungen auf das Herz-Kreislauf-System und den Magen-Darm-Trakt, was ihren Anwendungsbereich einschränkt. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung eines innovativen Medikaments zur Behandlung von OA mit einem neuen Wirkmechanismus und starker Wirksamkeit in der klinischen Praxis. Eleutherosid E (EE) ist ein einzigartiger Lignanglykosidbestandteil in Acanthopanax senticosus (Abbildung 1). Unser Forschungsteam fand in früheren Studien heraus, dass EE eine gute entzündungshemmende Wirkung hat, aber bisher gab es keine internationalen Forschungsberichte über die Anwendung von EE bei der Behandlung von OA. Daher wurde in dieser Studie auf der Grundlage früherer Arbeiten ein Kaninchen-Kniearthrosemodell mit Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes (ACLT) erstellt. Zum ersten Mal wurde EE als therapeutisches Mittel ausgewählt und durch intraartikuläre Injektion zur therapeutischen Intervention verabreicht. Die therapeutischen und schützenden Wirkungen von EE auf die experimentelle Kniearthrose bei Kaninchen wurden im Tierversuch untersucht. Darüber hinaus werden molekulare Docking-Technologie und Molekulardynamik-Simulationsmethoden eingesetzt, um die Interaktionsstellen und Bindungsmodi zwischen EE und MMPs zu analysieren, den Bindungsmodus von EE- und MMPs-Komplexen zu klären und die Grundlage für die Entwicklung eines neuartigen therapeutischen Wirkstoffs gegen Osteoarthritis aus natürlichen Quellen zu legen.

Die Grundbestandteile des Gelenkknorpels sind Knorpelmatrix, Chondrozyten und Wasser. Die Knorpelmatrix besteht hauptsächlich aus Proteoglykanen und Kollagen, und die Chondrozyten sind die Hauptquelle für den Abbau der Knorpelmatrix und für Stoffwechselreaktionen. Unter normalen physiologischen Bedingungen besteht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Abbau und der Synthese von Knorpelbestandteilen. Das Auftreten von Osteoarthritis (OA)-Läsionen ist hauptsächlich auf die fortschreitende Zerstörung von Knochen, Knorpel und sogar der extrazellulären Matrix (ECM) der intraartikulären Bänder und Sehnen zurückzuführen, die durch einige damit zusammenhängende Mediatoren oder Faktoren verursacht wird, was zu einer lokalen Erweichung, Abnutzung und strukturellen Schädigung des Gelenkknorpels führt. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) in engem Zusammenhang mit Knochen- und Gelenkverletzungen und der Krankheitsaktivität bei OA-Patienten stehen und eine entscheidende Rolle im pathologischen Prozess der Zerstörung der Knorpelmatrix und der Chondrozyten spielen. MMPs sind Zinkprotease-Enzyme, die die extrazelluläre Matrix (ECM) und fast alle Komponenten der ECM abbauen können. Bei Arthrose schütten Chondrozyten und Synovialzellen übermäßig viele Matrix-Metalloproteinasen (MMP-3 und MMP-9) aus, wodurch das Gleichgewicht zwischen den Matrix-Metalloproteinasen und dem gewebshemmenden Faktor (MMP-IMP) gestört wird und die ECM irreversibel abgebaut wird. Dies führt zu einer Schwellung des Gelenkknorpels, einer verminderten Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Kräften, einer Verschlimmerung der intraartikulären Entzündungsreaktionen und schließlich zu einem Verlust der Gelenkfunktion. Die durch die Überexpression von MMPs verursachte Knorpelschädigung ist zu einem der Brennpunkte bei der Untersuchung der Pathogenese der OA geworden. Daher ist die Suche nach MMP-Inhibitoren zu einer neuen Strategie für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von OA geworden.

Die traditionelle chinesische Medizin ist ein wichtiger Bestandteil der Schatzkammer der chinesischen Medizin. Aufgrund ihres breiten Spektrums an Quellen, ihrer reichhaltigen chemischen Zusammensetzung und ihres geringen Auftretens von Nebenwirkungen hat sie bei in- und ausländischen Forschern zunehmende Aufmerksamkeit erregt. Gegenwärtig ist die Suche nach neuen therapeutischen Wirkstoffen auf der Basis kleiner Moleküle, die auf Krankheitsziele der traditionellen chinesischen Medizin abzielen, zu einem Forschungsschwerpunkt geworden. Acanthopanax senticosus (Rupr. et Maxim.) Harms, auch bekannt als Ginseng oder Dornenrohr, ist eine wertvolle Heilpflanze, die hauptsächlich in Heilongjiang, Jilin, Liaoning, Hebei, dem russischen Fernen Osten und Hokkaido in Japan angebaut wird. Sie wird in China schon seit langem medizinisch verwendet. Die Voruntersuchungen der Forschungsgruppe ergaben, dass Eleutherosid E (EE) einer der Hauptwirkstoffe von Acanthopanax senticosus ist. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über die pharmakologischen Wirkungen von EE, vor allem zur Senkung des Blutzuckerspiegels, zur Verbesserung der postmenopausalen Osteoporose, gegen zentrale Müdigkeit und Gedächtnisstörungen und zur Verringerung der zerebralen Ischämie-Reperfusionsschäden. Unsere frühere Forschung ergab, dass EE Entzündungsfaktoren und Gelenkknorpelschäden erheblich hemmen kann. Die Literaturrecherche hat ergeben, dass es derzeit keine internationalen Forschungsberichte über die Anwendung von EE bei der Behandlung von OA gibt.

In diesem Artikel wird daher zum ersten Mal die therapeutische Wirkung von EE auf Osteoarthritis untersucht, wobei die therapeutischen und schützenden Wirkungen von EE auf experimentelle Kaninchenkniearthrose im Tierversuch bewertet werden, um experimentelle Beweise für die Vorbeugung und Behandlung von Osteoarthritis mit EE zu liefern. In dieser Studie wurde die klassische Methode der Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes (ACLT) verwendet, um ein Kaninchen-Knie-Arthrose-Modell zu erstellen. EE-20 und EE-60 wurden zur therapeutischen Intervention einmal wöchentlich über 5 aufeinanderfolgende Wochen in die Gelenkhöhle injiziert. Die Auswirkungen von EE-20 auf entzündliche Zytokine und pathologische Veränderungen des Gelenks im Kaninchenknie-Arthrose-Modell wurden untersucht, und die präventiven und therapeutischen Wirkungen von EE auf das Kaninchenknie-Arthrose-Tiermodell wurden beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass EE die Infiltration von Entzündungszellen, die Proliferation von fibrösem Gewebe und die Schädigung der Knorpeloberfläche bei Arthrose deutlich verbessern kann. Studien haben gezeigt, dass MMP-3 und MMP-9 die Schädigung der extrazellulären Matrix in der Knorpelstruktur von OA-Gelenken beschleunigen, die Geschwindigkeit der Knorpelzerstörung fördern und somit das Fortschreiten der OA vorantreiben können. Darüber hinaus ist IL-1 β auch ein Schlüsselfaktor bei der Produktion von 0A. IL-1 β kann die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) und Cyclooxygenase (COX) in Synovialzellen induzieren, während Cyclooxygenase-2 die Sekretion von Stickstoffmonoxid und Prostaglandin E2 (PGE2) fördern kann. PGE2 ist ein multifunktioneller Entzündungsmediator, der die Produktion von MMPs und anderen Abbauprodukten steigern kann, wodurch die Struktur und Funktion des Gelenkgewebes beeinträchtigt und die Zerstörung der Gelenkstruktur beschleunigt wird. Daher haben wir die ELISA-Nachweismethode verwendet, um die Konzentrationen der Entzündungsmediatoren (IL-1 β und PGE2) und der Matrix-Metalloproteinasen MMP-3 und MMP-9 in der Gelenkflüssigkeit von OA-Modelltieren nach der EE-Intervention zu analysieren und zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die EE-Behandlung die Konzentrationen der Entzündungsmediatoren (IL-1 β und PGE2) und der Matrix-Metalloproteinasen MMP-3 und MMP-9 in der Gelenkflüssigkeit signifikant reduzieren konnte (P<0,001), was darauf hindeutet, dass EE eine signifikante Anti-Arthrose-Wirkung hat.

Gegenwärtig sind die molekulare Docking-Technologie und die Molekulardynamiksimulation zu wichtigen Instrumenten für die Erforschung der Bindungsmodi zwischen Proteinen und Rezeptoren geworden und haben einen bedeutenden Anwendungswert auf dem Gebiet der Erforschung neuer Arzneimittel. In dieser Studie wurden die molekulare Docking-Technologie und die Molekulardynamiksimulation eingesetzt, um die Interaktionsstellen und Bindungsmodi zwischen EE und MMPs zu analysieren und zu untersuchen. Die Hydroxylgruppe am Zuckerring von EE kann Wasserstoffbrückenbindungen mit den Aminosäuren in den MMP-3- und MMP-9-Rezeptoren in den Rillen der katalytischen Stellen von MMP-3 und MMP-9 bilden, die eine wichtige Rolle bei der Ligandenbindung spielen. Darüber hinaus kann der Benzolring des EE-Liganden auch hydrophobe Stapelwechselwirkungen mit hydrophoben Resten in MMP-3 und MMP-9 bilden, die deren Bindung stabilisieren können. Molekulardynamik-Simulationsexperimente zeigen, dass die Hauptbeiträge zum Bindungsprozess von EE mit MMP-3- und MMP-9-Komplexen von der potentiellen van-der-Waals-Energie und elektrostatischen Wechselwirkungen herrühren, und die beiden Systeme haben ähnliche Bindungsmodi. Die gesamte Bindungsenergie von EE und MMP-3 ist niedriger, während EE eine stärkere Bindungsfähigkeit an MMP-3 aufweist. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Trend der oben erwähnten ELISA-Nachweisergebnisse überein. Die oben genannten Daten bilden eine wichtige theoretische Grundlage für die künftige Erforschung des molekularen Mechanismus der MMP-hemmenden Wirkung von EE und die Entwicklung neuartiger MMP-Inhibitoren auf der Grundlage von Lignin-Glykosiden mit einer Kernstruktur.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die intraartikuläre Injektion von EE die Infiltration von Entzündungszellen, die Proliferation von fibrösem Gewebe und die Schädigung der Knorpeloberfläche bei Osteoarthritis signifikant verbessern und den Gehalt an Entzündungsmediatoren (IL-1 β und PGE2) und Matrixmetalloproteinasen MMP-3 und MMP-9 in der Gelenkflüssigkeit verringern kann, was darauf hindeutet, dass EE eine signifikante Wirkung gegen Osteoarthritis hat. Darüber hinaus haben weitere molekulare Docking-Techniken und Molekulardynamik-Experimente ergeben, dass EE-Liganden an die Rillen der katalytischen Stellen von MMP-3 und MMP-9 binden können. Mehrere Hydroxylgruppen am Zuckerring der EE-Liganden können Wasserstoffbrückenbindungen mit mehreren Aminosäuren in den MMP-3- und MMP-9-Rezeptoren bilden, die eine wichtige Rolle bei der Ligandenbindung spielen. Die Ergebnisse dieser Studie werden den Grundstein für die Entwicklung eines neuen therapeutischen Wirkstoffkandidaten gegen Osteoarthritis aus natürlichen Quellen legen.