Analyse des Potenzials von Dehydroabietinsäure als Inhibitor des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs auf der Grundlage von Computersimulationstechniken
Der PI3K/AKT/mTOR-Signalweg spielt eine wichtige Rolle bei den Prozessen der Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose und ist in vielen Tumorzellen überaktiviert. Es hat sich gezeigt, dass er die Entwicklung von Arzneimittelresistenz in Tumorzellen fördert. Die Hemmung der Aktivierung dieses Signalwegs kann die Apoptose der Tumorzellen fördern und die Empfindlichkeit der Tumorzellen gegenüber Medikamenten wiederherstellen. Daher ist die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs zu einem der Forschungsschwerpunkte für Antitumormedikamente geworden. Dehydroabietinsäure (DHA) ist eine wichtige trizyklische diterpenoide Naturharzsäure und einer der Bestandteile der traditionellen chinesischen Medizin Kolophonium. Sie wird hauptsächlich durch Abtrennung von Kolophonium durch Disproportionierungsreaktion gewonnen. Sie hat stabile Eigenschaften und eine ähnliche Struktur wie Steroidmoleküle und wurde in großem Umfang für die Synthese und Entwicklung von fluoreszierenden Reagenzien und Arzneimittelzwischenprodukten verwendet. Dehydroabietinsäure und viele ihrer Derivate weisen eine ausgezeichnete Anti-Tumor-Aktivität auf. Jüngste Berichte haben gezeigt, dass 1H-Benzo[d]imidazol-Derivate der Dehydroabietinsäure eine hemmende Wirkung auf PI3K-α haben und die Expression von phosphoryliertem AKT herunterregulieren können. Unsere Forschung ergab auch, dass einige B-Ring-modifizierte Dehydroabietinsäure-Derivate die Expression von phosphoryliertem PI3K, AKT und mTOR sowie die Phosphorylierungswerte ihrer nachgeschalteten Effektoren S6 und 4EBP1 verringern können. Obwohl verschiedene Derivate der Dehydroabietinsäure bestimmte hemmende Wirkungen auf die Proteine des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs gezeigt haben, ist derzeit unklar, ob die Dehydroabietinsäure selbst die entsprechende hemmende Wirkung hat, und weitere Forschung ist erforderlich.

Die meisten Verbindungen entfalten ihre Wirkung durch Bindung an Proteinmoleküle, und ihre Bindungsmodi und -fähigkeiten können durch Methoden wie die Proteinkristallanalyse und die Fluoreszenzlöschung von Proteinen überprüft werden. Die Versuchsdauer ist jedoch lang und die Kosten sind hoch. Bei der Molekularen Docking-Technologie werden Computer eingesetzt, um theoretische Berechnungen durchzuführen und die Bindung zwischen Verbindungen und Rezeptorproteinen vorherzusagen. Auf der Grundlage der Docking-Bindungsenergie kann die Bindungsfähigkeit zwischen Verbindungen und Proteinen bestimmt werden, und potenzielle Proteinmodulatoren können gescreent werden; anhand der erhaltenen Docking-Konfiguration und anderer Docking-Scores kann auch eine vorläufige Mechanismusforschung durchgeführt werden. Darüber hinaus kann durch das Verständnis der Arzneimitteleigenschaften und der pharmakokinetischen Merkmale von Verbindungen wie Absorption, Verteilung, Stoffwechsel, Ausscheidung und Toxizität im menschlichen Körper festgestellt werden, ob sie als Kandidaten für die klinische Behandlung verwendet werden können. Um die Forschungskosten zu senken, wurden nach und nach computergestützte Programme für Vorstudien zur Arzneimittelähnlichkeit und Pharmakokinetik eingesetzt.

Daher wurde in dieser Studie die molekulare Docking-Technologie eingesetzt, um die Bindungsfähigkeit und den Bindungsmodus von Dehydroabietinsäure an Schlüsselproteine in diesem Signalweg vorherzusagen, und die tatsächliche Hemmung von Dehydroabietinsäure wurde durch Protein-Immunoblotting überprüft. Darüber hinaus wurde ein Netzwerkserver verwendet, um arzneimittelähnliche Eigenschaften und Pharmakokinetik zu simulieren, um das Potenzial von Dehydroabietinsäure als Inhibitor des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs vorläufig zu verstehen und eine theoretische Grundlage für die weitere Entwicklung von Dehydroabietinsäure zu schaffen.

Der PI3K/AKT/mTOR-Signalweg spielt eine wichtige Rolle bei den Prozessen der Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose und ist auch eines der Ziele für die Krebsbehandlung. PI3K besteht hauptsächlich aus der katalytischen Untereinheit p110 und der regulatorischen Untereinheit p85. Nach der Phosphorylierungsaktivierung kann es sein Substrat 3,4-Phosphophosphatidylinositol (PIP2) in 3,4,5-Triphosphat-Phosphatidylinositol (PIP3) umwandeln. PIP3 kann an AKT binden und die AKT-Phosphorylierung durch die phosphoinositolabhängige Proteinkinase 1 (PDK1) fördern. Die durch Phosphorylierung aktivierte AKT kann direkt oder indirekt mTOR phosphorylieren und dadurch die Phosphorylierung der nachgeschalteten Effektorproteine 4EBP1 und S6 weiter fördern, um die intrazelluläre biochemische Aktivität zu regulieren.

Diese Studie basiert auf der kontinuierlichen Entwicklung von Dehydroabietinsäure-Derivaten zur Krebsbekämpfung in den letzten Jahren, von denen einige eine hemmende Wirkung auf Schlüsselproteine des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs haben sollen. Um die Wirkung von Dehydroabietinsäure als Rohstoff auf den PI3K/AKT/mTOR-Signalweg zu untersuchen und eine Grundlage für die Entwicklung von Dehydroabietinsäure-Derivaten gegen Krebs zu schaffen. Die Bindungsfähigkeit und der Bindungsmodus von Dehydroabietinsäure an den ATP-Bindungsstellen der Schlüsselproteine PI3K, AKT und mTOR in diesem Signalweg wurden mit Hilfe der molekularen Docking-Technologie vorhergesagt. Die hemmende Wirkung von Dehydroabietinsäure auf den Stoffwechselweg wurde mit Hilfe von Protein-Immunoblotting untersucht, und das Potenzial von Dehydroabietinsäure als orales Medikament wurde durch vorläufige arzneimittelähnliche und pharmakokinetische Simulationen vorhergesagt.

Die Ergebnisse des molekularen Dockings zeigten, dass Dehydroabietinsäure eine gewisse Bindungsfähigkeit an ATP-Bindungsstellen verschiedener Schlüsselproteine besitzt, wobei die schwächste Bindung an AKT3 bei einer minimalen Bindungsenergie von -6,16 kcal/mol und die stärkste Bindung an AKT1 bei einer minimalen Bindungsenergie von -8,04 kcal/mol erfolgt. Die Bindungsfähigkeit von Dehydroabietinsäure an Signalwegproteine ist schwächer als die des ursprünglichen Liganden als hocheffizienter Inhibitor, ähnlich wie das von uns synthetisierte Dehydroabietinsäure-basierte PI3K/AKT/mTOR-Signalweg-Inhibitormolekül DBDA. In ATP-Bindungsstellen sind die Interaktionsreste zwischen Dehydroabietinsäure und Proteinen meist hydrophobe Reste. Mit Ausnahme von Lys890 von PI3K δ sind auch andere Schlüsselreste, die die wichtigste Rolle bei der Bindung von Ligandenproteinen spielen, hydrophobe Reste. Dies deutet darauf hin, dass Dehydroabietinsäure hemmende Wirkungen durch Bindung an den Gyrus glandulare der ATP-Bindungsstellen ausüben kann. Die Interaktionsreste zwischen verschiedenen Proteinen und Dehydroabietinsäure überschneiden sich erheblich mit denen des ursprünglichen Liganden, was darauf hindeutet, dass Dehydroabietinsäure mit ATP in ähnlicher Weise konkurrieren kann wie der ursprüngliche Ligand, um die Proteinwirkung zu hemmen. Darüber hinaus weisen Strukturen ohne Wasserstoffbrückenbindungen, wie Dehydroabietinsäure mit PI3K α, AKT2 und AKT3, höhere Bindungsenergien auf als andere Strukturen mit Wasserstoffbrückenbindungen, was darauf hindeutet, dass Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle bei der stabilen Bindung von Dehydroabietinsäure an Proteine spielen. In der Bindungskonfiguration der Dehydroabietinsäure werden alle Wasserstoffbrücken an der Carboxylposition erzeugt. Es gibt jedoch mehrere überlappende Reste in der Nähe der Isopropyl- und Benzolringe, die durch Wasserstoffbrückenbindungen im ursprünglichen Liganden interagieren. Dieses Merkmal deutet darauf hin, dass bei der Entwicklung neuer Inhibitoren des auf Dehydroabietinsäure basierenden PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs die hydrophile Fähigkeit der Carboxylposition verstärkt werden kann und dass hydrophile Gruppen an den Isopropyl- und Benzolringpositionen eingeführt werden können, was die Bindungsfähigkeit der neuen Verbindung an Proteine verbessern kann.

Protein-Immunoblotting-Experimente zeigten, dass nach der Behandlung mit Dehydroabietinsäure die Expression der PI3K-regulierten Untereinheit p85 in SCC9-Zellen deutlich reduziert war. Die Abnahme des p85-Gehalts könnte die Bildung von PI3K behindern und einer der Faktoren sein, die die Phosphorylierungsexpression des nachgeschalteten Proteins AKT in PI3K reduzieren. Das Gesamtprotein von AKT und mTOR zeigte unter verschiedenen Dehydroabietinsäurekonzentrationen keine signifikanten Veränderungen im Vergleich zur Blindgruppe, aber die Expression phosphorylierter Proteine war signifikant reduziert, was darauf hindeutet, dass der Phosphorylierungsprozess von AKT und mTOR gehemmt wurde. Die verringerte Phosphorylierungsexpression von 4EBP1 stromabwärts von mTOR könnte auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass 4EBP1 auch durch den MEK/Erk-Signalweg aktiviert werden kann. Die nachgeschaltete Phosphorylierungsexpression eines anderen, von mTOR regulierten Effektorproteins, S6K1, war deutlich reduziert, was auf die Hemmung der mTOR-Phosphorylierung zurückzuführen sein könnte, die zu einer geringeren S6K1-Aktivierung und damit zu einer Verringerung der Phosphorylierungsreaktion von S6 führt. Insgesamt wurde in SCC9-Zellen die Expression des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs durch Dehydroabietinsäure gehemmt, was mit den vorhergesagten Ergebnissen des molekularen Dockings übereinstimmt.

Bei der Vorhersage der Arzneimitteleigenschaften und der Pharmakokinetik zeigt die Analyse der Dehydroabietinsäure nach der Lipinski-Regel, dass die Werte für Molekulargewicht, LogP, Rotationsbindung, Wasserstoffbrückenbindungsakzeptor und Wasserstoffbrückenbindungsdonor alle innerhalb des von dieser empirischen Regel geforderten Bereichs liegen. Die pharmakokinetische Vorhersage simuliert die Absorption, die Verteilung, den Stoffwechsel, die Ausscheidung und die Toxizität von Dehydroabietinsäure in vivo, und Dehydroabietinsäure hat die meisten Tests bestanden, was darauf hindeutet, dass sie in der Lage sein könnte, Arzneimittelwirkungen in vivo gut zu entfalten.

Zusammenfassend wurde in dieser Studie festgestellt, dass Dehydroabietinsäure selbst ein therapeutischer Wirkstoffkandidat für die Hemmung des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs sein könnte, um die Resistenz von Tumorzellen und die Anti-Tumor-Wirkung durch molekulare Docking-Vorhersage, Protein-Immunoblotting-Experimente, Arzneimittelähnlichkeitstests und pharmakokinetische Vorhersage zu verringern. An der Struktur der Dehydroabietinsäure können weitere Änderungen vorgenommen werden, um wirksamere Inhibitoren des auf Dehydroabietinsäure basierenden PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs zu entwickeln.