基于网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的作用机制

申报人:王璇 申报日期:2023-06-19

基本情况

2023
基于网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的作用机制 盲选
创新训练项目
理学
生物科学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
银屑病是一种常见的慢性炎症性皮肤病,传统治疗银屑病药物副作用明显,并且价格较高。中药土茯苓中提取分离的二氢黄酮苷类化合物黄杞苷因具有抗炎抗氧化等药理作用被研究人员广泛关注,但其治疗银屑病方面却未见报道。本研究基于网络药理学及分子对接挖掘黄杞苷治疗银屑病潜在靶点和作用机制,后续以小鼠为模式动物,建立小鼠银屑病模型,验证网络药理学预测结果,为开发新的治疗银屑病的药物治疗提供理论基础。

主持国家自然基金青年项目、省青年创新人才项目、省博士后科研启动基金项目、农垦总局指导项目、大庆市指导项目1

指导教师负责指导大创项目研究的整体思路以及团队的分工合作

国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王璇 生命科学技术学院 制药工程(化药方向) 2021 总体项目的运行
吕佳洁 生命科学技术学院 制药工程(化药方向) 2020 模型建立
张金丽 生命科学技术学院 制药工程(化药方向) 2021 细胞因子检测
王欣丹 生命科学技术学院 制药工程(化药方向) 2021 模型表征变化分析
潘宇琪 生命科学技术学院 制药工程(化药方向) 2021 细胞通路靶点验证

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
宋博翠 生命科学技术学院

立项依据

银屑病已经被确定为由T细胞介导的慢性炎症复发性皮肤疾病,传统治疗银屑病药物副作用明显,治疗周期长,价格较高,对患者家庭经济负担过大。中药土茯苓中含有的成分的黄杞苷因具有抗炎抗氧化等药理作用被研究人员广泛关注,但其治疗银屑病方面却未见报道。本研究基于网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的潜在靶点及作用机制,后续通过建立小鼠银屑病模型,观察与检测皮损改变、PASI评分、病理变化、炎症因子等方面变化,验证网络药理学预测结果,阐明黄杞苷对银屑病的治疗作用机制,为黄杞苷治疗银屑病的临床应用提供理论依据。

1基于网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的潜在靶点和作用机制已完成

2将小鼠进行分组,使用咪喹莫特作为诱导剂,通过涂抹的方式建立咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型。

3通过观察小鼠皮损面积和评定严重程度指数(PASI,测定脾指数和制作皮肤病理组织切片HE染色)探究黄杞苷咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型的治疗作用

4)通过使用ELISA方法检测黄杞苷对银屑病模型小鼠血清中促炎细胞因子TNF-αIL-17等细胞因子表达水平的影响,研究黄杞苷通过降低TNF-αIL-17分泌水平从而发挥对银屑病小鼠的保护作用。

5)通过Western Blot方法验证网络药理学分析结果,检测黄杞苷对关键靶点的影响和对PI3K/Akt信号通路的调控作用,阐明黄杞苷治疗银屑病的作用机制。

银屑病作为一种慢性的复发性疾病,世界人口中大概有2%-3%患病率,欧美等国家发病率与非洲和亚洲人群相比较患病率更高,我国银屑病患者也达到数百万。银屑病的病程呈慢性表现,欧美等国家的人容易复发,季节性明显,大多数患者在冬季会加重症状,夏季则相反会得到缓解。据调查发现,其发病年龄具有双峰表现,年龄在15-30岁及50-60岁容易病发。银屑病影响着病人生活、工作、心理,广大患者治疗产生极大负担。根据调查的研究发现,患银屑病的人的死亡风险增加,与心血管疾病、糖尿病、精神疾病相关,而且银屑病人常人相比较容易出现自杀抑郁的倾向银屑病是由免疫系统介导的一种多基因遗传的炎症性的疾病,其特征性标志是产生持续不断的炎症,导致不受控制的角质形成细胞的增殖异常的分化临床分型可分为斑块状银屑病(寻常型银屑病)、脓疱型银屑病、红皮病型银屑病、关节病型银屑病典型临床表现为边界清楚的红斑,上覆银白色鳞肩等。除皮肤表现,严重的患者还可能积累一系列疾病,如高血压病、糖尿病、高血脂、炎症性肠病等。且该病易复发、并难以根治,不仅对患者的身体健康有影响,还为患者带来了沉重的心理负担,严重影响了患者的生活质量银屑病的发病机制错综复杂,包括免疫调控异常、炎症因子浸润、细胞信号的异常转导、角质形成细胞的过度増殖,使银屑病反复发作,难以根治。

目前治疗银屑病的方法是当患者皮损较小时,尽量采用外用药。其传统治疗主要为外用维生素D3衍生物类,如卡泊三醇、他卡西醇等;激素类药膏也是目前治疗银屑病的常用药物之一,常用的有丙酸氟替卡松、倍他米松等;维A酸类包括他扎罗汀等;焦油类等外用药。口服药物有甲氨蝶呤、维A酸类等,糖皮质激素不常规用于银屑病的系统治疗。现阶段常用的生物制剂有TNF-α拮抗剂,如英夫利昔单抗、 阿达木单抗;IL-17A拮抗剂,如司库奇尤单抗、依奇珠单抗;IL-23IL-12拮抗剂,如乌司奴单抗马婧一研究发现,银屑病是LCN2通过激活KCs的胆固醇合成通路,并通过激活此通路的关键基因SREBP2而诱导KCs炎症诱发病症Kamiya K研究发现参与银屑病发病机制的细胞,通过分泌TNF-αIFN-γIL-17等细胞因子以及角质形成细胞不可控制的增殖分化,促使表皮过度生长,中性粒细胞浸润以及增加Th1/Th17细胞数量,从而使炎症持续的时间变长,导致银屑病反反复复发作。乔佩研究发现,在银屑病患者皮损中QA的表达水平显著低于非皮损及健康对照QA表达水平与银屑病患者严重程度指数之间存在显著负相关发现了银屑病患者皮肤表面微生物菌群的Trp代谢异常其终末端产物QA异常低表达,且与PASI评分呈显著负相关。王亚男研究发现寻常型银屑病的发生发展被加重是由于METTL3下调介导的m6A甲基化下调。通过MeRIP-seq及分析推测m6A甲基化下调可能通过调节Wnt信号通路加重寻常型银屑病的发展。

虽然生物制剂治疗效果比较好,明显改善了患者的生活质量,但是价格比较高,治疗周期长,对患者家庭负担很大,相对比于传统的治疗药物,天然药物有价格低廉,毒副作用小优点黄杞苷是从中药中提取出来的产物具有良好的抗炎作用但是在治疗银屑病的方面未见相关报道

黄杞苷是一种从中药土茯苓中提取分离的二氢黄酮苷类化合物。有研究表明,黄杞苷能够促进内皮细胞的迁移能力、内皮细胞管腔形成血管新生的作用。黄杞苷药用价值高,药理作用广泛,具有杀菌抗炎、抗氧化等药理作用。Haichong Wu研究发现,黄杞苷脂多糖诱导的小鼠子宫内膜炎模型中发挥治疗作用,降低TNF-αIL-1βIL-6细胞因子的表达水平,并调节TLR4介导的NF-κB信号通路。Xian Jiang研究发现,黄杞苷显著抑制脂多糖诱导的急性肺损伤小鼠模型中TNF-α等促炎因子水平,调控NF-κB信号通路发挥抗炎作用,从而治疗急性肺损伤。Baixing Li研究发现黄杞苷抑制MAPKNF-κB信号通路的激活,下调炎症因子的表达水平,在椎间盘退变大鼠模型体内注射黄杞苷,可以有效缓解症状刘慧研究发现黄杞苷对大鼠脑缺血再灌注损伤具有较好的保护作用,通过激活VEGF/VasohibinAng-1/Tie-2信号通路促进了血管新生,提高血管的稳定性

网络药理学是基于系统生物学的理论,对生物系统的网络分析,选取特定信号节点进行多靶点药物分子设计的新学科。网络药理学对信号通路的多途径调节进行强调,会提高药物的治疗效果,降低毒副作用,从而使新药临床试验的成功率提高,节省药物的研发费用。网络药理学从系统生物学和生物网络平衡的角度阐释疾病的发生发展过程、从改善或恢复生物网络平衡的整体观角度认识药物与机体的相互作用并指导新药发现。

1)选用天然来源药物黄杞苷,相较于传统治疗银屑病的药物有毒副作用低、价格低廉、易获取的优势。

2)通过网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的潜在靶点和作用机制并进行体内实验验证,阐明黄杞苷对银屑病的治疗作用机制。

1技术路线


2)拟解决的问题

①阐明黄杞苷治疗银屑病的作用机制。
②明确黄杞苷对银屑病小鼠模型的治疗作用。

3)预期成果

通过网络药理学和分子对接方法挖掘黄杞苷治疗银屑病靶点进一步建立银屑病小鼠模型研究与验证黄杞苷治疗银屑病的作用机制

②发SCI一篇或中文文章一篇

2023.05-2023.07 利用网络药理学和分子对接挖掘黄杞苷对银屑病潜在靶点与作用机制

2023.08-2023.09 使用咪喹莫特诱导,建立银屑病小鼠模型;

2023.10-2023.12 根据银屑病皮损面积及疾病严重程度评分标准,对小鼠背部皮损情况进行评分,测定脾脏指数,制作小鼠背部皮肤石蜡包埋切片并进行HE染色;

2024.01-2024.03 使用ELISA方法检测细胞因子分泌水平,Western Blot法检测PI3K/Akt信号通路相关蛋白水平变化

2024.04-2024.05 总结整理并分析数据,撰写结题报告。

1)与本项目有关的研究积累

本项目相关研究内容已投稿一篇,正在审稿中。具备的前期研究结果如下:

 药物及疾病相关靶点获取

TCMSP等四个数据库中收集了共356个的黄杞苷相关靶点,去除重复靶点后并在Uniprot数据库中限定物种为人(Human)并且已验证(Reviewed)的条件下矫正基因名称,剩余328个基因,确定为黄杞苷相关靶点。在TTD等四个数据库中收集银屑病相关靶点共648个,去除重复靶点后并在Uniprot数据库中限定物种为人(Human)并且已验证(Reviewed)的条件下矫正基因名称,剩余595个基因,确定为银屑病相关靶点。

 PPI网络构建及关键靶点的筛选

使用Venny 2.1平台获得黄杞苷-银屑病交集靶点共66个,并制作韦恩图,见图1。使用STRING数据库建立PPI的网络,共包括66个节点,329条边。将结果导入Cytoscape 3.9.1进行可视化分析,见图2,靶点的形状越大,颜色越深,说明Degree值越大,靶点在网络中越重要。使用Cytoscape 3.9.1CytoHubba插件,利用插件中MCC算法筛选出排名前10hub基因并对其进行可视化处理,颜色越接近红色,说明MCC分数越高,排名前十的基因分别是ALBMMP9EGFRMMP2KDRPTGS2CCL5PPARGIL2JAK2


1黄杞苷靶点与银屑病靶点韦恩图

Fig.1 Venn diagram of targets of engeletin and psoriasis

 

 

2 黄杞苷-银屑病共同靶点PPI网络图排名前10hub基因

Fig.2 PPI network diagram of common targets of engeletin and psoriasis and top 10 hub genes

 GOKEGG通路富集分析

应用Metascape数据平台对黄杞苷-银屑病共同靶点进行GO功能富集分析与KEGG通路富集分析。由GO富集结果可知,分别得到739项生物过程(BP)条目,主要包括对荷尔蒙的反应response to hormone、炎症反应的调节regulation of inflammatory response等;45项细胞成分(CC)条目,主要包括囊泡腔vesicle lumen、液泡腔vacuolar lumen等;76项分子功能(MF)条目,主要包括羧酸结合carboxylic acid binding、丝氨酸型肽酶活性serine-type peptidase activity根据P值分别筛选处排名前10GO富集分析结果,使用微生信在线平台采用数据可视化处理,见图3

KEGG富集分析结果显示,共得到80条通路,将富集程度最高的前20条通路,使用微生信在线平台进行可视化,见图4。横坐标代表GeneRatio,颜色趋于红色,说明P值越大,点的面积越大,说明富集在此条通路上的基因靶点越多。由图5可知,富集程度较高且与银屑病相关的通路包括PI3K-Akt信号通路、IL-17信号通路TNF信号通路等。

 

3 GO富集分析中BPMFCC排名前10的条目

Fig.3 Top 10 entries of BP, MF and CC in GO enrichment analysis



4 KEGG通路富集分析气泡图

Fig.4 KEGG pathway enrichment analysis bubble diagram

 黄杞苷与关键靶点分子对接

如图5所示,ai分别是黄杞苷与ALBMMP9EGFRMMP2KDRCCL5PPARGIL2JAK2靶点对接结果,黄杞苷与PTGS2对接过程中AutodockTools软件显示错误,因此无法对接。表1为对接蛋白质靶点在PDB数据中的ID及与黄杞苷对接的结合能。通常认为当结合能小于0 kcal·mol-1时,小分子配体与靶点具有良好的结合活性,当结合能小于-5 kcal·mol-1时,说明小分子配体与靶点具有较强的结合能力。根据分子对接结果,黄杞苷与除PTGS2外的关键靶点的结合能均小于0 kcal·mol-1,说明与关键蛋白都具有较好的结合能力。

 

 

 

5 分子对接结果可视化

Fig.5 Visualisation of molecular docking results

 

1黄杞苷与关键靶点分子对接结果

Table 1 Results of molecular docking of engeletin with core targets

Target

PDB ID

结合能/kcal·mol-1

ALB

6M4R

-4.37

MMP9

5TH6

-4.29

EGFR

3P0V

-4.23

MMP2

8H78

-3.95

KDR

6GQQ

-5.61

CCL5

6AEZ

-4.72

PPARG

8B8X

-3.98

IL2

5LQB

-2.98

JAK2

8B8U

-4.36


 已具备的条件

研究可依托学院实验室和生物技术中心实验室提供实验设备,本课题组所在的实验室主要仪器和设备有:流式细胞仪、超低温冰箱、高速低温离心机、切片机、CO2培养箱、PCR扩增仪、倒置生物显微镜、多功能显微镜、凝胶成像系统、酶标仪、超声粉碎仪、水平电泳和垂直电泳装置、超净工作台、超纯水系统等,计算机联网等及分子生物学分析所需的软件,如用于PCR引物设计的软件Primer designer,用于分析蛋白表达量的凝胶分析软件Band Scan,用于数据处理的软件SPSS等,拥有无菌室和洁净级动物实验室等,能够独立完成本项目的研究工作。

 尚缺少的条件及解决方法

基础实验楼公共仪器平台的化学成像系统处于维修阶段,暂不能使用。因此,需要借助哈尔滨医科大学的研究平台完成此项试验任务。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 8000.00 2000.00
1. 业务费 2000.00 0.00 2000.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 2000.00 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 8000.00 8000.00 0.00

项目附件

  • A类+基于网络药理学及分子对接探究黄杞苷治疗银屑病的作用机制+原版(1).zip
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结束