Abstrakt

Parkinsons sykdom (PD) representerer en progressiv nevrodegenerativ bevegelsesforstyrrelse som mangler radikale kurative terapier. Urteparet bestående avCistanche deserticolaogAngelica sinensiser en velkjent kombinasjon av tradisjonell kinesisk medisin (TCM) rapportert å lindre PD-assosierte kliniske symptomer. Denne forskningsintegrerte arbeidsflyten for nettverksfarmakologi og prediksjonsmodellen for dyp læring for å avdekke terapeutiske kandidater og latente molekylære mekanismer til dette urteparet mot PD.

Aktive kjemiske bestanddeler avCistanche deserticola-Angelica sinensisble hentet og filtrert via TCMSP-databasen. PubChem-databasen ga sammensatt strukturell informasjon. Skjæringsanalyse identifiserte 131 delte gener mellom medikamentrelaterte mål og PD-sykdomsassosierte gener. GO funksjonell berikelse og KEGG pathway berikelse ble utført for disse overlappende genene. Den forhåndstrente CNN_CNN_BindingDB-modellen innebygd i DeepPurpose dyplæringsverktøysett ble distribuert for å kvantitativt forutsi molekylær-proteinbindingsaffinitet mellom representative fytokjemikalier og hub-målproteiner.

Funksjonelle anrikningsresultater demonstrerte at denne urteblandingen griper inn i PD-patologisk progresjon gjennom biologiske responser, inkludert eksogen-stimulusreaksjon, infeksjonsrelaterte veier, lipopolysakkaridrespons og reaktiv-oksygen-arter stressrespons. Dominante KEGG-signalveier dekket kjemisk-karsinogenese-reseptor-aktiveringsvei samt AGE-RAGE-signaleringskaskade. Deep-learning affinitetsprediksjon bekreftet robust bindingsinteraksjon mellom viktige bioaktive ingredienser (-sitosterol, quercetin, arachidonate og andre fytokjemikalier) og kjerne-PD-relaterte hub-proteiner (HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AAND1, RECC, STOS, STEG1, RE, STEG1, RE). AKT1).

Til sammen,Cistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar utøver multi-komponent, multi-target farmakologiske effekter for PD intervensjon. Dens aktive substanser modulerer autofagi, cellulær apoptose, oksidativt stress-homeostase og nevroinflammatoriske responser. Denne beregningsstudien gir foreløpig teoretisk bevis og referanseressurs for påfølgende eksperimentell validering og anti-PD medikamentscreening avledet fra TCM-urtekombinasjoner.

Nøkkelord: Parkinsons sykdom; nettverk farmakologi; dyp læring;Cistanche deserticola; Angelica sinensis; urte par; nevrobeskyttelse; målprediksjon

1. Introduksjon

Parkinsons sykdom (PD) er en invalidiserende kronisk nevrodegenerativ lidelse karakterisert ved progressiv degenerasjon av nigrostriatale dopaminerge nevroner. Typiske kliniske manifestasjoner inkluderer hvilende skjelving, muskelstivhet, postural ustabilitet, bradykinesi, ledsaget av ikke-motoriske symptomer som søvnforstyrrelser, luktforstyrrelser, forstoppelse og mental-kognitiv svikt. reversere underliggende nevronal degenerativ fremgang. Langvarig administrering av levodopa genererer ofte motoriske komplikasjoner. Derfor er oppdagelse og utvikling av nye nevrobeskyttende terapeutiske midler fortsatt presserende kliniske krav.

Tradisjonell kinesisk urtemedisin gir rikelig med kandidatressurser for utforskning av nevrodegenerative sykdommer.Cistanche deserticola(Rou-cong-rong) ogAngelica sinensis(Dang-gui) er ofte kombinerte medisinske urter innen TCM klinisk praksis. Moderne farmakologiske undersøkelser har validert flere biofunksjoner for disse to urtematerialene.Cistanche deserticola, "ørkenginsengen", har nevronbeskyttende, immunmodulerende, antitumor- og gastrointestinal-regulerende aktiviteter med gunstige biosikkerhetsprofilerPMC. Dens fenyletanoid-glykosid-komponenter som echinacoside og verbascoside kan dempe oksidativ nevronal skade, hemme dopaminerg-neuron-apoptose og regulere autofagi-fluks, og viser lovende anti-PD pre-kliniske effekter.Angelica sinensiser mye brukt for å nære blod og aktivere blodsirkulasjonen i TCM-resepter; dets ekstrakter viser anti-inflammatorisk ytelse, reaktiv-oksygen-arter renseevne, anti-aldring og nevrotrofiske egenskaper Frontiers. Kombinert bruk av disse to urtene antas å generere synergistiske nevrobeskyttende fordeler for PD-pasienter.

Ikke desto mindre er den holistiske molekylære mekanismen som ligger til grunn forCistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar som behandler Parkinsons sykdom er fortsatt utilstrekkelig avklart av konvensjonelle laboratorieeksperimenter med ett mål. Nettverksfarmakologi-metodikk simulerer «multi-compound, multi-target, multi-pathway»-karakteristikken til TCM-formler, som passer perfekt for mekanisme-dechiffrering av urtekombinasjoner. Deep-learning-baserte medikament-mål-binding-affinitetsprediksjon supplerer dessuten tradisjonell molekylær-dokking arbeidsflyt og forbedrer high-throughput screening effektivitet for sammensatte-mål interaksjon. DeepPurpose-biblioteket med åpen kildekode leverer flere forhåndstrente nevrale nettverksarkitekturer for prognoser for interaksjoner mellom medisiner og mål; CNN_CNN_BindingDB-modellen oppnår pålitelig ytelse for estimering av bindingspoeng for småmolekyler.

I denne beregningsstudien integrerte vi nettverksfarmakologi analytisk pipeline med DeepPurpose dyplæringsmodell for systematisk å undersøke potensielle mål og signalkaskader modulert avCistanche deserticola-Angelica sinensismot PD. Vi hadde som mål å avsløre synergistisk molekylær mekanisme for dette urteparet og legge teoretisk grunnlag for oppfølging in vitro cellulær analyse og in vivo dyremodellverifisering, og akselerere utnyttelse av nye kandidater for terapi for Parkinsons sykdom.

2. Materialer og metoder

2.1 Datasettinnhenting og screening av sammensatte mål

Bioaktive kjemiske komponenter avCistanche deserticolaogAngelica sinensisble hentet fra TCMSP (Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform). Tre filterkriterier ble brukt for screening av kandidatforbindelser: oral biotilgjengelighet OB Større enn eller lik 30 %; medikamentlikhet DL Større enn eller lik 0,18; blod-hjerne-barriere-permeabilitet BBB Større enn eller lik -0,85. BBB-terskelinnstillingen garanterer at screenede fytokjemikalier har teoretisk evne til å krysse blod-hjerne-barrieren og virke på lesjoner i sentralnervesystemet relatert til PD-patologi, med tanke på svekkelse av blod-hjerne-barriere som ofte forekommer blant PD-pasienter.

PubChem-databasen ble spurt etter kanoniske SMILES-strukturstrenger av filtrerte forbindelser. Sykdomsassosierte målgener for Parkinsons sykdom ble samlet inn fra GeneCards, OMIM, PharmGkb, TTD og DrugBank databaser. Etter å ha konsolidert og deduplisert sykdomsrelaterte genoppføringer, ble skjæringsanalyse utført mellom spådde mål for urteforbindelser og PD-relevante sykdomsgener for å skaffe delte overlappende målgener fra urteparet for PD-behandling.

2.2 Konstruksjon av protein-protein-interaksjon (PPI) nettverk

Overlappende vanlige målgener ble sendt til STRING-databasen. Arter ble spesifisert somHomo sapiens, confidence threshold was set to highest‑confidence score >0,9; andre parametere beholdes som standardkonfigurasjon for å bygge protein-protein-interaksjonsnettverk. Nettverkstopologiske parametere inkludert grad-sentralitet (DC), betweenness-centrality (BC), closeness-centrality (CC), egenvektor-sentralitet (EC) ble beregnet. CytoNCA-plugin i Cytoscape-programvaren utførte to ganger hub-gen-filtrering for å identifisere kjerne-hub-target-gener. Første filtreringskriterier: BC større enn eller lik 49,43, CC større enn eller lik 0,15, DC større enn eller lik 5,0, EC større enn eller lik 0,05. Andre runde strengere filtrering: BC større enn eller lik 15,43, CC større enn eller lik 0,54, DC større enn eller lik 8, EC større enn eller lik 0,14. Gener som tilfredsstiller sekundære screeningterskler ble definert som hovedmål for dette urteparet mot PD.

2.3 GO og KEGG anrikningsanalyse

R-studio-plattform med Bioconductor-økosystempakker (clusterProfiler, ggplot2 og auxiliary dependency-pakker) ble tatt i bruk for Gene-Ontology (GO) funksjonell anrikningsanalyse og Kyoto-Encyclopedia-of-Genes-and-Genomes (KEGG) interecting share analyse pathway 13111. GO-anrikningsanalyse dekker tre kategorier: biologisk prosess (BP), cellulær komponent (CC), molekylær funksjon (MF). P-verdi< 0.05 was regarded as statistically‑significant enrichment threshold.

2.4 Deep-learning-basert bindings-affinitetsprediksjon

DeepPurpose-verktøysettet for dyplæring med åpen kildekode ble brukt for prediksjon av stoff-mål-binding-affinitet. Forhåndsopplært CNN_CNN_BindingDB-modell ble valgt for beregning. Aminosyresekvenser av kjernemålproteiner ble lastet ned fra UniProt-databasen; sammensatte SMILES-strenger ble hentet fra PubChem-databasen. Denne konvolusjonelle-nevrale nettverkshybridmodellen tar sammensatt SMILES-sekvens og målprotein-aminosyresekvens som doble input-funksjoner og gir ut kvantitativ bindingsstyrke-poengmatrise for sammensatte-mål-par. Visualisering av bindingsprediksjonsmatrise ble implementert for å vise interaksjonsintensitet mellom representative urte-par fytokjemikalier og hub PD-relaterte proteiner.

3. Resultater

3.1 Aktive forbindelser og innsamling av medisinmål

Etter TCMSP-databaseinnhenting og tredimensjonale filtreringskriterier (OB større enn eller lik 30 %, DL større enn eller lik 0,18, BBB større enn eller lik −0,85), ble syv bioaktive fytokjemikalier (inkludert én delt felles bestanddel for begge urter) hentet fraCistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar. Strawberry-Perl-skript utførte mål-ID-konvertering, UniProt-databasekommentarer og standardiserte gennavn; til slutt ble totalt 297 antatte medikamentmålgener knyttet til urteparforbindelsene ervervet.

3.2 Kryssscreening for PD-relevante terapeutiske mål

Flere sykdomsgendatabaser (GeneCards, OMIM, PharmGkb, TTD, DrugBank) ble integrert og deduplisert, og ga totalt 11 208 PD-relaterte sykdomsgener. Skjæringsberegning mellom urtepar-målsett og PD-sykdomsgendatasett produsert131 vanlige kryssende gener, som utgjorde en potensiell terapeutisk målgruppe som medierte anti-PD farmakologiske virkninger forCistanche deserticola-Angelica sinensis.

3.3 Kjernehub-målidentifikasjon fra PPI-nettverk

De 131 delte målene ble importert til STRING for å bygge protein-protein-interaksjonsnettverk. To-trinns topologisk parameterfiltrering av CytoNCA-plugin silte ut elleve kjernenav-gener:HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1. Disse nav-genene opptar sentral regulatorisk status i biologisk nettverk og spekuleres i å tjene som primære handlingsnoder for dette urteparet som forstyrrer PD-patologisk progresjon.

3.4 GO funksjonell berikelse og KEGG pathway-berikelse resultater

GO-anrikningsresultater avslørte at disse delte målene deltar i flere biologiske prosessresponser: eksogen-stimulusrespons, infeksjonsassosiert reaksjon, lipopolysakkarid-mediert inflammatorisk respons, reaktiv-oksygen-arter metabolsk respons. På molekylært funksjonsnivå utøver hub-proteiner DNA-bindende-transkripsjonsfaktor-bindingsaktivitet, ubiquitin-lignende proteinligase-bindingsfunksjon og nukleær-reseptor-regulerende aktivitet. Tilsvarende cellulære komponentplasseringer involverer plasmamembranmikrodomener, membranflåter og intracellulære granulatlumen.

KEGG pathway-berikelsesanalyse manifesterte signifikant berikede signalkaskader, blant hvilke kjemisk-karsinogenese-reseptor-aktiveringsvei og AGE-RAGE-signalvei er representative høyrelevante veier. Andre meningsfulle kaskader inkluderer PI3K-Akt-signalering, MAPK-signalering, IL-17-inflammatorisk responsvei og TNF-mediert-inflammatorisk vei, som er tett assosiert med neuronalt oksidativt stress, nevroinflammasjon, celleapoptose og autofagi-patogene regulatoriske hendelser.

3.5 Deep-learning CNN_CNN_BindingDB bindingsaffinitetsprediksjon

DeepPurpose CNN_CNN_BindingDB-modellen spådde bindingsinteraksjonsstyrke mellom representative fytokjemikalier (yangambin, suchilactone, stigmasterol, quercetin, marckine, -sitosterol, arakidonate) og elleve kjernenav-målproteiner. Bindingsscore-varmekartmatrisen illustrerte at flere forbindelser inkludert ‑sitosterol, quercetin, marckine og arakidonat viste sterk bindingsaffinitet med de fleste hub-target noder som AKT1, TP53, MYC, MAPK1, FOS, HIF1A og STAT1. Dette dypt læringsbaserte beregningsresultatet støtter hypotesen om at aktive komponenter stammer fraCistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar kan samhandle direkte med kjerne-PD-assosierte proteiner og modulere deres biologiske funksjon.

4. Diskusjon

Parkinsons sykdomspatogenese involverer komplisert krysstale mellom oksidativ stressskade, nevroinflammasjon, proteinaggregering, mitokondriell dysfunksjon, dysregulert autofagi og dopaminerg-nevronapoptose. Enkeltmolekyl monoterapi er vanskelig å reversere multifaktordrevet nevrodegenerativ skade. TCM urteparCistanche deserticola-Angelica sinensisfungerer via multi-komponent synergistisk modus, matchende multi-patologiske egenskaper karakteristiske for PD. Denne studien kombinerte nettverksfarmakologi og målbindingsprediksjon for dyp læring for å dissekere dens potensielle anti-PD-molekylære mekanisme.

Syv kvalifiserte bioaktive fytokjemikalier ble screenet, inkludert ‑sitosterol, quercetin, arakidonat, stigmasterol og andre godt dokumenterte nevrobeskyttende naturprodukter. Totalt 131 overlappende gener mellom urtemål og PD-sykdomsgener indikerte et bredt intervensjonsomfang for dette urteparet for PD-patologisk nettverk. Elleve hub-gener (HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1) ble filtrert fra PPI-nettverket. Disse hub-genene er sentrale regulatorer for celleoverlevelse, betennelse og oksidativt stressrespons. AKT1 tilhører kjernenoden til PI3K-AKT-signalveien; dens fosforyleringsstatus kontrollerer celleapoptose og autofagiprosessen i dopaminerge nevroner. TP53 medierer DNA-skade-utløst nevronal apoptose; MAPK1 deltar i stressaktivert mitogen-aktivert-protein-kinase-kaskade som letter nevrondød under oksidativt stresstilstand. HIF1A modulerer hypoksisk-inflammatorisk reaksjon i sentralnervesystemets mikromiljø. RELA og STAT1 er nøkkeltranskripsjonsfaktormolekyler for NF-κB-drevet nevro-inflammatorisk signaloverføring.

KEGG-anrikningsanalyse fremhevet AGE-RAGE-signalvei som kritisk beriket vei. Unormal AGE-RAGE-akseaktivering kan utløse frigjøring av NF-κB-avhengig inflammatorisk faktor, forverre oksidativ stressbelastning av substantia-nigra nevroner og akselerere PD-progresjon, noe som er i samsvar med tidligere publisert forskning på nevrodegenerasjon-mekanismer. TNF-inflammatorisk vei, IL-17-vei og PI3K-Akt-vei er også betydelig beriket. Ingrediensene i urteparet kan undertrykke overaktivering av mikroglia og pro-inflammatorisk-cytokinsekresjon (TNF‑, IL‑17 osv.), redusere inflammatorisk-mediert nevronskade. GO-anrikning av biologiske prosesser viste fremtredende berikelse for respons på reaktive oksygenarter, noe som indikerer at antioksidanteffekten utgjør en viktig nevrobeskyttende mekanisme for dette urteparet.

Forskjellig fra konvensjonell molekylær dokkingsimulering, brukte vi DeepPurpose CNN_CNN_BindingDB dyplæringsmodell for å vurdere sammensatt-mål-bindingsaffinitet. Den konvolusjonelle-nevrale nettverksmodellen lærer massive eksperimentelle bindingsdata fra BindingDB-databasen, som gir kvantitativ prediksjon med høy ytelse for interaksjon mellom små urtemolekyler og målproteiner. Prediksjonsvarmekartmatrise demonstrert - sitosterol, quercetin og arakidonat har utmerket bindingspotensial mot de fleste hub-proteiner, noe som antyder at disse komponentene kan tjene som hovedeffektormolekyler for anti-PD-aktivitet avCistanche deserticola-Angelica sinensis.

Denne beregningsforskningen har fortsatt iboende begrensninger. Alle konklusjoner er utledet fra in-silico-prediksjon; ytterligere eksperimenter på cellenivå og validering av PD-dyremodeller er uunnværlige for å verifisere interaksjon mellom sammensatte mål og baneregulerende effekter. I tillegg har våre screeningskriterier fastsatt OB-, DL- og BBB-parametere; enkelte bestanddeler med lav biotilgjengelighet kan filtreres ut, mens metabolske transformasjonsprodukter etter oral administrering av urter ikke ble vurdert. Påfølgende arbeid bør integrere serum-farmakokjemi for å identifisere faktiske blod-hjerne-barriere-penetrerende prototype-forbindelser og metabolitter avledet fra oral urte-par administrering.

Fra et translasjons-applikasjonsperspektiv gir denne studien en liste over kandidatsammensetninger og et kjernemålsett, som støtter oppfølging av screening av nye medikamenter, optimalisering av formuleringer av urteekstrakter for komplementær terapi for PD.

5. Konklusjon

Oppsummert tok denne studien i bruk nettverksfarmakologi kombinert med arbeidsflyt for dyp læringsprediksjon for systematisk å undersøke potensiell terapeutisk mekanisme forCistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar mot Parkinsons sykdom.

Totalt syv bioaktive fytokjemikalier og 131 kryssende PD-relevante terapeutiske mål ble oppnådd; elleve kjernenav-gener ble identifisert: HIF1A, TP53, MYC, MAPK1, HSP90AA1, FOS, EGFR, RELA, STAT1, CCND1, AKT1.

Resultater fra berikelsesanalyse indikerte at dette urteparet modulerer flere biologiske hendelser, inkludert stress med reaktive oksygenarter, nevrobetennelse, autofagi og apoptose. AGE-RAGE, PI3K-Akt, MAPK, TNF og IL-17 signalveier deltar i dens anti-PD farmakologiske prosess.

Deep-learning CNN_CNN_BindingDB bindingsaffinitetsprediksjon validerte at representative fytokjemikalier som ‑sitosterol og quercetin viser gunstig bindingskapasitet til kjernenav-målproteiner.

DeCistanche deserticola-Angelica sinensisurtepar behandler PD gjennom multi-compound-multi-target-multi-pathway holistisk mønster. Denne in-silico-forskningen tilbyr beregningsmessig referanse for ytterligere eksperimentell verifisering og utvikling av nevrobeskyttende midler med opprinnelse fra TCM for intervensjon mot Parkinsons sykdom.

Referanser

[1] Farmakopékommisjonen i Folkerepublikken Kina. Kinesisk farmakopé (volum I)[M]. Beijing: China Medical Science Press, 2020.

[2] Jenkins HE, Tolman AW, Yuen CM, et al. Forekomst av multiresistent tuberkulosesykdom hos barn: systematisk gjennomgang og globale estimater [J]. Lancet, 2014, 383(9928):1572-1579.

[3] Donovan JT, Thu D D A, Phu N H, et al. Xpert MTB/RIF Ultra versus Xpert MTB/RIF for diagnostisering av tuberkuløs meningitt: en prospektiv, randomisert, diagnostisk nøyaktighetsstudie[J]. Lancet Infectious Diseases, 2020, 20(3):299-307.

[4] Wang L J, Yi H Y, Liang X J, et al. Plasma-TNF- og fosforylert-syn er assosiert med tretthet hos pasienter med Parkinsons sykdom[J]. Journal of Neuroimmunology, 2023, 385:578222.

[5] Chen J, Zheng ZW, Li MQ, et al. Design, syntese og evaluering av monoketenforbindelser som nye potensielle Parkinsons sykdomsmidler ved å undertrykke ER-stress via AKT[J]. Bioorganisk kjemi, 2023,136:106543.

[6] Wang Z F, Huang PE, Wang N B, et al. ‑asarone hemmer autofagi ved å aktivere PI3K/Akt/mTOR-veien i en rottemodell for depresjon ved Parkinsons sykdom[J]. Behavioral Brain Research, 2024,465:114966.