代谢组学结合网络药理学探讨AD治疗新思路

  • 2020-03-30 12:34:16
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英文题目:Integrated network pharmacology analysis and serum metabolomics to reveal the cognitive improvement effect of Bushen Tiansui Formula on Alzheimer's disease

中文题目: 综合网络药理和血清代谢组学,揭示补肾填髓方对阿尔茨海默的认知改善作用

发表杂志: Journal of Ethnopharmacology

影响因子:3.414

 

阿尔茨海默病(AD)是一种隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上表现为记忆障碍、执行功能障碍,病因包括生物和社会心理等多种因素已经成为老年人中第四严重的疾病,尽管在过去十年中对AD的研究取得了重大进展,但尚无有效的AD治疗方法。中医药在AD的预防和治疗方面积累了丰富的临床经验,显示出巨大的治疗潜力和科学研究价值。其中补肾填髓方(BSTSF),又被称为脑灵汤,是临床上多年用于治疗阿尔茨海默氏病(AD)的传统中药配方。

代谢组学被认为是一种新兴的系统生物学技术,可以监测生物体内内源性小分子代谢物的动态变化。并且代谢组学中体现的系统生物学特性与中医理论相一致。因此本项目研究把网络药理学与基于液相色谱-质谱(LC-MS)的血清代谢组学相结合,以全面阐述BSTSF对AD的作用机理。目前,这是首次基于血清代谢组学结合网络药理学方法探讨BSTSF对AD的治疗机制的研究。

项目背景:

先前研究发现BSTSF可能通过多种途径改善AD的认知功能障碍,包括调节蛋白的表达以及减弱神经炎症反应。此项研究中,首先利用网络药理学来鉴定BSTSF中潜在的生物活性化合物,并阐明其在AD中的分子机制。此外,基于液相色谱-质谱(LC-MS)的血清代谢组学方法研究BSTSF治疗引起的内源性物质的变化,提供与BSTSF治疗AD代谢机制有关的实验证据。

研究思路:

1、采用Aβ1-42注射液处理建立AD大鼠模型

2、经过莫里斯水迷宫试验评价BSTSF对AD的疗效。

3、应用网络药理学分析来鉴定可能与BSTSF作用有关的活性化合物和靶基因。

4、通过代谢组学分析,研究BSTSF可能诱导的重要血清代谢物和代谢途径。

5、两部分结果整合并相互验证。

 


实验过程:

1、制备BSTSF:BSTSF六种草药冻干粉的制备和质控。

2、模型建立:雄性Sprague–Dawley大鼠。分为三组:假手术组,AD组和BSSTF组。

AD组和BSTSF组注射低聚Aβ1-42建立AD模型。对假手术组注射等量磷酸盐缓冲液。所有大鼠均连续28天接受管饲。 BSTSF组给予BSTSF(27 g / kg / d ),假手术组和模型组给予等量的蒸馏水。

3、莫里斯水迷宫测试:在Aβ1-42注射后第24至28天之间进行了空间获取测试,以通过5天的记忆获取实验评估动物的空间学习能力。在第29天进行空间探测实验,以确定大鼠的空间记忆保留能力。

4、网络药理分析BSTSF的复合化合物和靶基因:根据中药系统药理学和中药分子机制数据库来确定BSTSF的化合物信息。从GeneCards和OMIM来收集AD相关的靶蛋白。BSTSF的假定靶基因与AD相关靶蛋白取交集,对应疾病和治疗的基因则被认为是BSTSF的潜在靶标。

5、基于LC-MS的血清代谢组学:

5.1 经过样本的收集制备、LC-MS数据采集、原始数据经过Progenesis QI软件处理得到Raw数据矩阵。

5.2 Raw数据矩阵经过归一化、缺失值补充、RSD筛选、log转换等预处理得到可分析数据矩阵。

5.3 经过多元统计方法结合t检验分析,选择(OPLS-DA)VIP>1.0,P<0.05的差异代谢物进行后续研究。

    6通过对靶基因和差异代谢物进行功能分析和KEGG通路注释等找到目标通路

 

 

实验结果:

1、网络药理分析结果显示,BSTSF的37个化合物64种潜在靶基因与BSTSF治疗AD有关。

2、功能富集分析表明,潜在的机制主要与肿瘤坏死因子信号通路和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K-Ak)信号通路有关。

3、 代谢组学中差异代谢物:AD和假手术组对比得到54个差异代谢物,正离子模式下30个(12个上调,18个下调);负离子模式下24个(11个上调,13个下调);同样,BSTSF和AD组鉴定到78个差异代谢物,正离子模式下45个(23个上调,22个下调);负离子模式下33个(15个上调,18个下调);筛选标准VIPs> 1.0且P <0.05

 

4代谢物表达量分析:正离子模式下与假手术组相比,AD组中 dihydrocumambrin A, calcitriol, 2-hydroxyacorenone, phosphatidylserine(18:2(9Z,12Z)/22:0), palmitoylethanolamide,  bis(2-ethylhexyl) phthalate水平升高,在BSTSF中,这些代谢物水平降低了。与假手术组相比,AD组中creatine, pubescenol, 41-O-demethylrapamycin, 15 (S) hydroxyeicosatrienoic acid, diplosporin, and CL(8:0/11:0/16:0/18:2(9Z,11Z))表达量下调。用BSTSF治疗后,这些代谢物水平增加.

同样,在负离子模式下也有相同现象,BSTSF的干预逆转了AD诱导的改变,并与假手术组中的表达量水平趋势相近.

5代谢途径分析:鉴定出的78种内源性差异代谢物,可用于BSTSF治疗AD的潜在生物标志物。这些代谢物主要与脂肪酸磷脂和类固醇激素有关。通过筛选,得到五个主要的靶代谢途径,分别属于脂质代谢和氨基酸代谢途径,如下:亚油酸代谢,α-亚麻酸代谢,甘油磷脂代谢,色氨酸代谢以及精氨酸和脯氨酸代谢,这些发现部分与网络药理学的发现一致。



1在莫里斯水迷宫测试中评估空间学习和记忆能力

证实AD大鼠模型成功,表明BSTSF可能改善AD模型大鼠的学习和记忆能力

 

 


2(B,C)假手术组,AD组,BSSTF组在正离子和负离子模式下三组之间的OPLS-DA得分图

 

 


3 正离子和负离子模式下,不同组之间所有差异代谢物表达水平的比较

颜色表示每种代谢物的归一化后丰度值。行表示代谢物,列代表组别。

 


 

4 靶基因,代谢物(红色代表上调,绿色代表下调)和代谢途径的相互作用网络

 

结论:

本研究使用网络药理学和基于LC-MS的代谢组学相结合的策略,阐明了BSTSF中化合物的组成,以及其对血清代谢物和AD中信号通路的诱导作用。据我们所知,这是首次使用代谢组学和网络药理学分析系统研究BSTSF抗AD的机制。

以前的研究表明,AD的发展可能存在内源性代谢物生物标志物,包括氨基酸,卵磷脂等.在此项研究中发现,BSTSF和AD组内源性差异代谢物主要与脂肪酸,磷脂和类固醇激有关。另外,色氨酸代谢和精氨酸/脯氨酸代谢属于氨基酸代谢途径。先前的研究表明患有AD的鼠大脑各个区域的精氨酸代谢都发生了显著变化。此项研究巩固了精氨酸代谢与AD之间的关系。

作者表示此研究中还一些局限性首先,需要进一步的药理实验来验证网络预测的BSTSF的精确机制分析。其次,应在以后的研究中确定其他组织(例如海马和脑脊液)的整体代谢变化,以更准确地反映BSTSF通过其作用于AD的机制。 此外,需要有针对性地检测代谢物生物标志物,例如应用靶向代谢组学技术。

总之,这项研究无疑将为深入研究BSTSF治疗AD的机制提供数据支持和理论支持,从而为进一步的研究奠定基础。

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