Screening von Schlüsselgenen und -wegen für mikrovaskuläre Komplikationen bei Diabetes und Vorhersage traditioneller chinesischer Medizin durch bioinformatische Methoden
In den letzten Jahren hat die epidemiologische Forschung im Zusammenhang mit Diabetes gezeigt, dass die Inzidenz von Hyperglykämie bei Menschen über 18 Jahren in China 11,2% erreicht hat, und die Inzidenz von Diabetes nimmt weiter zu. Diabetes ist eine komplexe Störung des Blutzuckerstoffwechsels. In einem bestimmten Stadium des Krankheitsverlaufs kann es zu einer Vielzahl akuter und chronischer Komplikationen der chronischen Hyperglykämie kommen. Die chronische Hyperglykämie und die genetische Anfälligkeit wirken sich letztlich auf die Mikrogefäße aus und führen zu Komplikationen vor allem an den Nieren, den Augen und dem Nervensystem. Zu den klassischen mikrovaskulären Komplikationen des Diabetes gehören die Diabetesnephropathie (DKD), die Diabetesretinopathie (DR) und die Diabetesneuropathie (DPN). Die DKD ist die Hauptursache für Nierenerkrankungen im Endstadium (ESRD) und steht nach den verschiedenen Arten der Glomerulonephritis an zweiter Stelle. Die DR ist ein häufiger Faktor, der das Sehvermögen und sogar die Erblindung beeinträchtigt, während die DPN ein wichtiger Risikofaktor für Fußgeschwüre und weitere Amputationen ist. Diese drei mikrovaskulären Komplikationen beeinträchtigen die Gesundheit von Diabetikern erheblich und stellen eine große wirtschaftliche Belastung für Patienten und Gesellschaft dar. Die moderne Medizin versteht jedoch die spezifische Pathogenese der mikrovaskulären Komplikationen bei Diabetes nicht vollständig, und es ist schwierig, mit einfacher westlicher Medizin gute Ergebnisse bei der Behandlung mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes mit komplexen Mechanismen zu erzielen. Die traditionelle chinesische Medizin blickt auf eine lange Geschichte zurück, und ihre klinische Wirksamkeit hat sich über einen langen Zeitraum hinweg bewährt, insbesondere bei der Behandlung einiger chronischer Krankheiten. Die traditionelle chinesische Medizin legt Wert auf ein ganzheitliches Konzept und die Einheit von Himmel und Mensch. Bei der klinischen Behandlung liegt der Schwerpunkt auf der Differenzierung und Behandlung von Syndromen. Im Vergleich zur westlichen Medizin mit nur einer Komponente kann die traditionelle chinesische Medizin komplexe und vielfältige menschliche Krankheiten durch die Integration und Regulierung mehrerer Verbindungen, Ebenen und Ziele behandeln. Es mangelt jedoch an einer systematischen Erklärung der Mechanismen. Daher ist es notwendig, die mikrovaskulären Komplikationen von Diabetes weiter zu untersuchen, um die pathophysiologischen Mechanismen zu verstehen, die mit der Entwicklung und dem Fortschreiten der Krankheit zusammenhängen, und um mögliche therapeutische Wirkstoffe der chinesischen Medizin zu erforschen.

Mit der rasanten Entwicklung der Bioinformatik kann die effektive Nutzung der zahlreichen Genexpressions-Chips und Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten zur Durchführung von Big Data Mining und zur Analyse von klinischen Proben dazu beitragen, die Pathogenese von Krankheiten zu erforschen und mehr Hinweise für die klinische Praxis zu liefern. In dieser Studie haben wir Hochdurchsatz-Sequenzierung verwendet, um Genexpressionsprofil-Chipdaten zu mikrovaskulären Komplikationen bei Diabetes aus der GEO-Datenbank herunterzuladen und zu analysieren, und haben DEGs zwischen langfristiger schlechter glykämischer Kontrolle mit schweren mikrovaskulären Komplikationen und langfristiger schlechter glykämischer Kontrolle ohne mikrovaskuläre Komplikationen untersucht, analysierte die Funktion und die Anreicherung von DEGs mit Signalwegen sowie die Interaktion zwischen Proteinen, untersuchte wichtige Zielmoleküle und potenzielle chinesische Arzneimittel, die an der Pathogenese mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes beteiligt sind, und lieferte neue Anhaltspunkte für die klinische Diagnose, Behandlung und Prävention.

 

Diabetes ist eine Gruppe von heterogenen Stoffwechselerkrankungen, die durch genetische, umweltbedingte und andere Faktoren verursacht werden können. Bei den meisten Patienten mit Diabetes treten in einem bestimmten Stadium des Krankheitsverlaufs schwerwiegende Komplikationen der chronischen Hyperglykämie auf, darunter Nierenerkrankungen, Retinopathie, Neuropathie und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Über die Pathogenese der mikrovaskulären Komplikationen besteht derzeit kein Konsens, was zu Hypothesen wie hämodynamischen Anomalien, nicht enzymatischer Proteinglykosylierung, erhöhter Aktivität von Polyolkanälen, Gewebeeigenoxidation und Glykosylierung führt. In der klinischen Praxis haben wir festgestellt, dass einige Patienten mit Diabetes trotz eines lange Zeit schlecht eingestellten Blutzuckerspiegels frei von mikrovaskulären Komplikationen waren. Erforschung der Pathogenese mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes und Vorhersage der damit zusammenhängenden traditionellen chinesischen Medizin durch Analyse des Unterschieds zwischen langfristiger schlechter Blutzuckereinstellung mit schweren mikrovaskulären Komplikationen und langfristiger schlechter Blutzuckereinstellung ohne mikrovaskuläre Komplikationen, um so neue Anhaltspunkte für die klinische Prävention und Behandlung zu erhalten.

Mithilfe von GEO2R zur Analyse und Verarbeitung des Datensatzes GSE43950 wurden 692 DEGs ermittelt, darunter 121 hochregulierte Gene und 571 herunterregulierte Gene. Durch die Anreicherungsanalyse von GO-Funktionen und KEGG-Signalwegen in DGEs unter Verwendung der DAVID-Datenbank wurde festgestellt, dass hochregulierte, unterschiedlich exprimierte Gene hauptsächlich an der Regulierung der Blutstillung und Blutgerinnung beteiligt sind und mit der spezifischen DNA-Bindung an Kernpromotorsequenzen und dem NF-κ-B-Signalweg, dem AGE-RAGE-Signalweg, dem MAPK-Signalweg usw. in Verbindung stehen. Die Herabregulierung der unterschiedlich exprimierten Gene ist hauptsächlich an der neutrophilen Aktivierungsimmunantwort, dem NOD-ähnlichen Rezeptor-Signalweg, dem Maut-ähnlichen Rezeptor-Signalweg, der Endozytose und anderen damit verbundenen Prozessen beteiligt. Durch unsere Forschung haben wir herausgefunden, dass einige Anreicherungsfunktionen und Signalkanäle von Differenzialgenen mit dem Krankheitsprozess der mikrovaskulären Komplikationen bei Diabetes zusammenhängen. So stehen beispielsweise der MAPK-Signalweg und der AGE-RAGE-Signalweg in der KEGG-Signalweg-Anreicherungsanalyse, die DEGs hochregulieren, in engem Zusammenhang mit dem Krankheitsprozess von Diabetes und seinen mikrovaskulären Komplikationen. Der MAPK-Signalweg hat vier Hauptverzweigungswege: ERK, JNK, p38/MAPK und ERK5. Bei Diabetes und seinen Spätkomplikationen ist die Aktivität von MAPK im Körper erhöht, was nichts mit der Stoffwechselkontrolle zu tun hat. Hoher Blutzucker kann den MAPK-Signalweg aktivieren und eine wichtige Rolle bei der Vermittlung von Spätkomplikationen spielen. Der MAPK-Signalweg ist eng mit dem Fortschreiten der DR-Krankheit verbunden. Durch die Hemmung der p38- und ERK-Signalwege werden die durch oxidativen Stress verursachten Schäden gemildert, wodurch die weitere Entwicklung der DR effektiv verzögert wird. P38/MAPK vermittelt das Auftreten der Diabetesnephropathie, was die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) fördern, die Freisetzung von Entzündungsmediatoren vermitteln, das RAS-System aktivieren, den glomerulären Innendruck erhöhen und das Fortschreiten der Erkrankung beschleunigen kann. Die Rolle des Signalwegs zwischen fortgeschrittenen Glykationsendprodukten (AGE) und dem AGE-Rezeptor (RAGE) wurde kürzlich bei der Pathogenese einer Reihe von Prozessen wie Entzündungen, bösartigen Tumoren, Diabetes und Diabeteskomplikationen sowie Neurodegeneration identifiziert. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Interaktion von AGE- und RAGE-Rezeptoren oxidative und pro-apoptotische Reaktionen in verschiedenen Zelltypen hervorruft und an der Pathogenese von Gefäßkomplikationen bei Diabetes beteiligt ist. AGE führt über zwei Mechanismen zu Komplikationen bei Diabetes: Zum einen wird es in Biomolekülen vernetzt und verändert deren biologische Struktur und Funktion, zum anderen bindet es an verwandte Rezeptoren auf der Zelloberfläche, wie z. B. RAGE, und stimuliert so den Signalweg, der zu einer Verschlechterung des oxidativen Stresses führt. Im Vergleich zu Gesunden weisen Diabetes-Patienten höhere Konzentrationen von AGE und Glukose-Oxidationsprodukten auf, und es wird angenommen, dass sie durch die Interaktion mit ihren Rezeptoren (RAGE) den oxidativen Stress erhöhen und dadurch vaskuläre Komplikationen fördern.

Die DEGs sind hauptsächlich in Bereichen angereichert, die mit der Blutstillung, der Gerinnungsregulierung, der neutrophilen Aktivierung, der Immunantwort und der Zellapoptose zusammenhängen. Die Proteininteraktionsdatenbank STRING und die CytoHubba in der Cytoscape-Software wurden zur Analyse der DEGs verwendet, und die Top-10-Schlüsselgene wurden ermittelt. Schlüsselgene wie IL1B, TLR2, TLR4 und CYBB vermittelten die Immunregulierung des Körpers auf mehreren Ebenen, was darauf hindeutet, dass der Prozess der Immunregulierung ein wichtiges Bindeglied für das Auftreten und die Entwicklung mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes ist, und dass die Regulierung der Immunfunktion des Körpers ein wichtiges Ziel zur Vorbeugung und Behandlung mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes sein kann.

IL-1B, ein wichtiger entzündungsfördernder Faktor aus der Familie der Interleukin-1-Zytokine, ist der Hauptregulator der Entzündungsreaktion und an einer Reihe von Zellaktivitäten wie Proliferation, Differenzierung und Apoptose beteiligt. Es wird auch mit Schmerzen und Autoimmunreaktionen im Körper in Verbindung gebracht. Die Forschung hat gezeigt, dass IL-1B ein wichtiges Upstream-Molekül ist, das die Entzündung der Bauchspeicheldrüse während der Entwicklung von T2DM auslöst. Zahlreiche experimentelle Studien haben gezeigt, dass die Aktivierung von Entzündungskörpern und die Sekretion von IL-1B die Schlüsselprozesse für die Entstehung von Atherosklerose sind. Die pro-inflammatorischen Zytokine IL-1B, Interleukin-6 (IL-6) und Interleukin-8 (IL-8) sind Vermittler der Akute-Phase-Reaktion, die typischerweise mit der Induktion von oxidativem Stress einhergeht. Oxidativer Stress ist ein gemeinsamer Weg zur Vermittlung der Komplikationen von Diabetes und vermittelt viele Spätkomplikationen von Diabetes, einschließlich mikrovaskulärer Komplikationen und Makroangiopathie von Diabetes.
TLRs gehören zur Familie der Mustererkennungsrezeptoren und stehen in engem Zusammenhang mit der Entstehung von Diabetes. TLRs können das angeborene Immunsystem aktivieren und werden mit der Pathogenese von Insulinresistenz, Diabetes und Atherosklerose in Verbindung gebracht, insbesondere die Expression von TLR2 und TLR4. TLR2 wird hauptsächlich in Zellen mit immunologischen Funktionen, wie dendritischen Zellen, Monozyten und einigen Endothelzellen, exprimiert. Er ist an der Pathogenese von DN beteiligt, indem er den Zytokin-Signalweg im Körper reguliert. Shao et al. untersuchten die Wirkung von Paeoniflorin auf die Nieren von Mäusen mit Typ-1-Diabetes, indem sie TLR2-Knockout-Mäuse und Wildtyp-Wurfgeschwister verwendeten. Es wurde festgestellt, dass durch die Hemmung des TLR2-Signalwegs die Albuminurie bei Diabetes-Mäusen signifikant reduziert und die Nierenhistopathologie geschwächt wurde, was bestätigte, dass TLR2 eng mit DN verbunden ist. TLR2 ist ein Vermittler der Netzhautdegeneration als Reaktion auf oxidativen Stress und dient als Brücke zwischen oxidativen Schäden und komplementvermittelten Netzhautläsionen, was auf einen engen Zusammenhang zwischen TLR2 und dem Auftreten der diabetischen Retinopathie hinweisen könnte. In der Familie der TLRs ist TLR4 als Transmembranproteinrezeptor für die Aktivierung vieler Signaltransduktionswege verantwortlich. Es wird angenommen, dass die chronische Entzündung bei Diabetes mit der Aktivierung von TLR4 zusammenhängt. Aly und andere Studien deuten darauf hin, dass die erhöhte Expression von TLR2 und TLR4 eine wichtige Rolle bei der DN-Progression und der Verschlechterung der Insulinresistenz bei Patienten mit Typ-2-Diabetes spielen könnte. Daher könnten TLR2 und TLR4 aus der Familie der TLRs ein vielversprechendes therapeutisches Ziel sein, um Typ-2-Diabetes und seine Komplikationen zu verhindern oder zu verzögern.
CYBB kodiert für gp91phox, das eine wichtige Komponente der NADPH-Oxidase in phagozytischen Zellen und eine Hauptquelle für oxidativen Stress in den Nieren ist. CYBB vermittelt die Produktion von ROS und ist an der Zellsignalisierung im Zusammenhang mit Differenzierung, Zellzyklus und Apoptose beteiligt. Sowohl bei Diabetespatienten als auch in Tiermodellen hat sich bestätigt, dass die Pathogenese von DM durch die Produktion von ROS im oxidativen Stress (OS) des Körpers vermittelt werden kann. Der Überschuss an ROS wird als Hauptmechanismus der Diabetes-Komplikationen angesehen. Die vermehrte Produktion von mitochondrialem ROS spielt eine wichtige Rolle bei Diabeteskomplikationen (einschließlich Retinopathie).
Durch die Zuordnung von Schlüsselgenen zur medizinischen Kerndatenbank und den Aufbau eines Zielnetzwerks für Arzneimittelwirkstoffe wurde festgestellt, dass die vier am häufigsten vorkommenden traditionellen chinesischen Arzneimittel (Scutellaria baicalensis, Salvia miltiorrhiza, Achyranthes bidentata und Yujin) und ihre Wirkstoffe auf Schlüsselgene abzielen können, die die mikrovaskulären Komplikationen von Diabetes beeinflussen. Alle vier traditionellen chinesischen Arzneimittel haben eine bestimmte Wirkung, indem sie die Blutzirkulation fördern und den Blutstau beseitigen. Salvia miltiorrhiza und Yujin sind die in der klinischen Praxis am häufigsten verwendeten Arzneimittel zur Förderung der Blutzirkulation und Beseitigung von Blutstauungen, und sie passen perfekt zur Pathogenese von "Diabetes geht nach einer langen Krankheit in die Kollateralen, und Blutstauungen treten nach einer langen Krankheit auf". Der TCM-Name für Diabetes ist Xiaoke. Seine Pathogenese basiert auf Yin-Mangel und ist durch Trockenheit und Hitze gekennzeichnet. Langfristiges Durstlöschen kann leicht mehrere Organe betreffen, die normale Funktion von Qi und Blut beeinträchtigen, Yin-Mangel, Trockenheit und Hitze verursachen und Körperflüssigkeiten verbrauchen, was zu schlechter Blutzirkulation und Blutstau führt. Blutstau ist eine wichtige Pathogenese von Diabetes, die mit dem Fortschreiten verschiedener chronischer Komplikationen verbunden ist. In der klinischen Praxis werden chinesische pflanzliche Arzneimittel, die die Blutzirkulation fördern und den Blutstau beseitigen, häufig zur Behandlung von diabetesbedingten Komplikationen eingesetzt. Die moderne Pharmakologie hat auch bewiesen, dass einige Bestandteile der oben genannten traditionellen chinesischen Arzneimittel eine wichtige Rolle bei der Behandlung von Diabetes und mikrovaskulären Komplikationen spielen. Mehrere bioaktive Wirkstoffe, die aus der Wurzel von Scutellaria baicalensis extrahiert werden, wie Baicalein und Baicalin, erhöhen nachweislich den Glukoseverbrauch und senken den Blutzuckerspiegel im Körper. Tanshinon IIA ist ein klassischer Wirkstoff von Danshen, der entzündungshemmende, antioxidative und antifibrotische Wirkungen hat. Tanshinon IIA kann die schmerzhafte Diabetes-Neuropathie verbessern, indem es die Expression und Aktivität von Natriumkanälen des Spannungstyps in den Dorsalwurzelganglien von Ratten hemmt, was darauf hindeutet, dass Tanshinon IIA ein vielversprechendes Medikament zur Behandlung von DPN sein könnte. Yuan et al. fanden heraus, dass Tanshinon IIA den Fettstoffwechsel, den Glukosestoffwechsel und die Insulinresistenz bei Ratten mit Typ-2-Diabetes über den AMPK-Signalweg verbessern kann, der durch NF-κ B induziert wird. Eine systematische Übersichtsanalyse hat gezeigt, dass Curcumin die Fähigkeit besitzt, oxidativen Stress und Entzündungsprozesse im Körper zu hemmen. Nano-Curcumin, das auf Nanotechnologie basiert, wird als potenzielles Medikament für die medikamentöse Behandlung und das Management von Diabetes-Patienten angesehen. β-Ecdysteron ist hauptverantwortlich für einen der Wirkstoffe in Achyranthes chuanxiong, der den Blutzucker senken, das Niveau der NO-Metaboliten im Körper stabilisieren und damit die Nieren schützen kann.

Mithilfe der auf Bioinformatik basierenden Information-Mining-Technologie wurde eine Analyse der Gendifferenz zwischen einer langfristig schlechten Blutzuckerkontrolle mit schweren mikrovaskulären Komplikationen und einer langfristig schlechten Blutzuckerkontrolle ohne mikrovaskuläre Komplikationen durchgeführt, und es wurden 10 Gene mit der größten Differenz untersucht. Die weitere Analyse ergab, dass Gene wie IL1B, TLR2, TLR4 und CYBB eine wichtige Rolle bei der Entwicklung mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes spielen, während traditionelle chinesische Arzneimittel wie Salvia miltiorrhiza, Scutellaria baicalensis, Kurkuma und Achyranthes bidentata und ihre Wirkstoffe zu neuen Arzneimitteln für die Behandlung mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes werden könnten, was neue Ideen für die weitere Erforschung des molekularen Mechanismus mikrovaskulärer Komplikationen bei Diabetes und die Suche nach neuen therapeutischen Mitteln liefert. Diese Studie weist jedoch noch die folgenden Mängel auf. Erstens ist die Stichprobengröße in dieser Forschungsdatenbank klein, und die Diabetestypen sind nicht differenziert, so dass wir die Stichprobengröße weiter vergrößern und die Diabetes-Klassifizierung verfeinern müssen; zweitens fehlt es an präziser experimenteller Forschung und Überprüfung. Daher ist es notwendig, die Funktion dieser wichtigen Zielmoleküle und potenziellen Arzneimittel bei den mikrovaskulären Komplikationen von Diabetes weiter zu erforschen.