Исследование эффекта против гипоксии и потенциальных мишеней американского женьшеня на основе модели зебрафиш и технологии динамического молекулярного докинга
Гипоксия - это сложный патологический процесс, обусловленный множеством факторов, который относится к разным степеням затруднения дыхания в организме. Невозможность поступления достаточного количества кислорода через дыхательные пути приводит к патологическим изменениям в организме, таким как синюшность кожи, пальцев, губ и даже такие симптомы, как хрипы, одышка и сдавленность в груди. Гипоксия может вызвать необратимое повреждение многих органов, таких как сердце, мозг и легкие, что может привести к развитию таких смертельных заболеваний, как отек легких или отек головного мозга. Традиционная китайская медицина имеет очевидные преимущества в исследовании и клиническом применении средств против гипоксии, таких как снежный лотос и пальмовый женьшень, которые, как было доказано, обладают хорошим антигипоксическим действием. Более глубокое изучение уникальных ресурсов лекарственных растений нашей страны и открытие более эффективных и низкотоксичных препаратов по-прежнему имеет большое значение для профилактики и лечения гипоксии, вызванной высотной средой или патологией.

В настоящее время основными моделями, используемыми для исследования антигипоксических заболеваний, являются модели крыс и мышей. Основные методы включают эксперименты по плаванию с отягощением, эксперименты по переносимости нормобарической гипоксии, эксперименты по выживанию при отравлении нитритом натрия и эксперименты по острой ишемической гипоксии головного мозга, которые имеют ограничения и высокую стоимость при крупномасштабном скрининге лекарств. Исследования показали, что зебрафиш может создавать модели гипоксии с помощью сульфита натрия, а зебрафиши обладают высокой яйценоскостью, коротким экспериментальным циклом и низкой стоимостью, что позволяет проводить высокопроизводительный скрининг. Поэтому мы использовали модельное животное зебрафиш для исследования антигипоксического эффекта американского женьшеня, а также использовали биоинформационные методы для скрининга и прогнозирования активных ингредиентов и потенциальных целей американского женьшеня, чтобы найти потенциальные цели антигипоксического эффекта американского женьшеня и предоставить ссылку для изучения его антигипоксического механизма.

 

В этой статье построена новая модель ювенильной антигипоксии зебрафиш, обеспечивающая новый метод исследования антигипоксии традиционной китайской медицины. В этом эксперименте использовался сульфит натрия для создания среды с низким содержанием кислорода, заменяя распространенный метод заполнения азотом для создания модели гипоксии, и изучался антигипоксический эффект американского женьшеня с помощью более простой и прямой операции. Использование зебрафиш в качестве модельного животного позволяет сократить время эксперимента, добиться высокой пропускной способности скрининга и охарактеризовать гипоксию в целом. После лишения кислорода у зебрафиш возникает феномен плавающей головы, а их плавательная поза становится несбалансированной. Их тело не будет параллельно горизонтали, и они будут плавать неравномерно во всех направлениях, увеличивая скорость плавания в течение определенного периода времени. В данном исследовании оценивалось время выживания зебрафиш разных групп в условиях гипоксии и их неврологическое поведение (плавающая голова, скорость плавания и расстояние) после гипоксии. Было обнаружено, что экстракт американского женьшеня может значительно улучшить время выживания зебрафиш в условиях гипоксии. С увеличением концентрации препарата скорость плавания головы у каждой группы зебрафишей также значительно снижалась. Расстояние и скорость передвижения после гипоксии также значительно отличались от группы модели. Неврологическое поведение группы с высокой дозой препарата было близко к таковому в нормоксической группе, что указывает на значительный антигипоксический эффект экстракта американского женьшеня и закладывает основу для поиска потенциальных мишеней для борьбы с гипоксией на следующем этапе.

Американский женьшень - растение рода Panax семейства Araliaceae, родом из Канады и широко культивируемое в китайских провинциях Цзилинь и Шаньдун. Еще при династии Цин конфуцианский врач Ван Ань составил книгу "Бу Ту Бэнь Цао Бэй Яо", в которой записал, что американский женьшень имеет прохладный характер, сладкий вкус, легкую горечь и такие традиционные эффекты, как тонизирование ци и питание инь, очищение жара и выработка жидкостей. Современная фармакология показывает, что американский женьшень обладает различными фармакологическими действиями, включая противоопухолевое, сердечно-сосудистое, иммунное, а также противоишемическое, противоокислительное и другие эффекты. Однако до сих пор представление о противогипоксическом эффекте и специфическом составе веществ американского женьшеня остается весьма ограниченным. Предыдущие исследования показали, что гинзенозид Rg3 может ингибировать пролиферацию клеток Eca-109 и 786-0 в условиях гипоксии и вызывать значительное снижение экспрессии мРНК фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). Он также может подавлять экспрессию индуцируемого гипоксией фактора-1 α (HIF-1 α), циклооксигеназы-2 (COX-2) и ядерного фактора каппа B (NF - κ B), вызванную гипоксией в условиях гипоксии; гинзенозид Rb3 может стабилизировать клеточную мембрану, подавлять экспрессию и активность NOS и оказывает значительное защитное действие на гипоксически-ишемическое повреждение нейронов. Поэтому углубленное изучение ключевых активных веществ американского женьшеня против гипоксии имеет большое значение для оценки качества и разработки новых лекарств.

Топологический анализ сети PPI позволяет предположить, что AKT1, STAT3, HSP90AA1, JUN и TNF могут быть основными целевыми генами американского женьшеня для борьбы с гипоксией. AKT1, как серин/треониновая протеинкиназа, может активироваться PI3K, связываясь с факторами роста, и фосфорилироваться для активации или ингибирования нижележащих субстратов, таких как белки, связанные с апоптозом Bad, Caspase9, активность mTOR, тем самым участвуя в регулировании биологических процессов, таких как пролиферация, дифференциация, апоптоз и миграция клеток. Исследования показали, что трансфекция гена Akt1 рекомбинантным лентивирусом может значительно повысить устойчивость крысиных БМСК к гипоксии за счет ингибирования апоптоза. STAT3 является членом семейства STAT и играет важнейшую роль в регуляции клеточной пролиферации, дифференцировки, апоптоза и других процессов. STAT3 играет важную роль в индуцированной гипоксией пролиферации гладкомышечных клеток легочной артерии, а блокирование сигнального пути STAT3 может эффективно подавлять пролиферацию сосудистых гладкомышечных клеток. HSP90AA1 - член семейства белков теплового шока и один из наиболее распространенных цитоплазматических белков в клетках, не подвергающихся стрессу. Он играет важную роль в поддержании клеточного гомеостаза и может повышать устойчивость клеток к внешнему стрессу в условиях гипоксического стресса. JUN принадлежит к семейству онкогенов и является членом суперсемейства MAPKs. Он может участвовать в таких процессах, как пролиферация клеток, воспаление, миграция и инвазия. В условиях гипоксии повышение уровня экспрессии фосфорилированной c-jun N-terminal kinase может способствовать пролиферации гладкомышечных клеток легочной артерии крысы. TNF - провоспалительный цитокин, секретируемый в основном моноцитами и макрофагами, который играет важнейшую роль в регуляции воспалительных эффектов и защите хозяина от микробных патогенов. Во время стресса гипоксии TNF регулирует уровень транскрипции HIF-1 α (гипоксия-индуцибельный фактор-1 α) через NF - κ B-путь.

В результате динамического молекулярного докинга было установлено, что ключевые соединения американского женьшеня (такие как гинзенозид F11, папаверин, гинзенозид RO, гинзенозид Rb3, гинзенозид Rg1, гинзенозид Rg3) могут хорошо связываться с основными целевыми генами гипоксии (AKT1, HSP90AA1, JUN, STAT3, TNF). Исследование молекулярного докинга показало, что исходное положение лиганда в кристаллической структуре является активным докинг-карманом, что гарантирует, что место связывания между ключевыми соединениями американского женьшеня и гипоксическими белками-мишенями является ключевой активной областью. Чем ниже энергия связывания, тем сильнее связывающая способность между лигандом и целевым белком. В результате докинга различных соединений с мишенью было обнаружено, что провоспалительный фактор TNF и белок теплового шока HSP90AA1 обладают сильной способностью связываться с ключевыми активными компонентами, которые могут быть потенциальной ключевой мишенью американского женьшеня для борьбы с гипоксией. В ходе дальнейшей проверки методом молекулярной динамики было установлено, что при динамическом моделировании HSP90AA1 и гинзенозид Rg1, TNF и гинзенозид Ro могут образовывать стабильные конформации, выявляя и подтверждая тесноту связывания и стабильность комплекса основной мишени и соединения. Это создает надежную теоретическую основу для изучения потенциальных мишеней американского женьшеня для борьбы с гипоксией.

Таким образом, в данном исследовании был оценен эффект американского женьшеня против гипоксии на модели зебрафиш, а также изучены активные ингредиенты и основные мишени, участвующие в борьбе с гипоксией, с помощью методов сетевой фармакологии. Технология молекулярного докинга и молекулярная динамика были использованы для дальнейшей проверки связывания активных ингредиентов и основных целей, выявляя потенциальные цели американского женьшеня для борьбы с гипоксией. Из-за сложности ингредиентов традиционной китайской медицины и молекулярной структуры сапонинов в американском женьшене предварительное исследование на основе сетевой фармакологии все еще недостаточно. Что касается предполагаемых целей антигипоксических эффектов китайского и западного женьшеня, дальнейшая экспериментальная проверка будет проведена на более позднем этапе, чтобы обеспечить теоретическую основу и ссылку для изучения антигипоксических фармакологических компонентов американского женьшеня, а также обеспечить основу для исследования соответствующих механизмов на более позднем этапе.