基于网络药理学和分子对接探讨杨梅酮治疗糖尿病足的作用机制

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许佐蔚1,夏印(通讯作者)2

1. 福建中医药大学福建福州350122 2. 福建中医药大学附属人民医院福建福州350004

摘要

目的:运用网络药理学和分子对接技术,初步探讨杨梅酮治疗糖尿病足的潜在作用靶点及可能机制。方法:通过TCMSP、SwissTargetPrediction等数据库预测杨梅酮作用靶点;从Genecards、OMIM、TTD等数据库获取糖尿病足相关靶点;取交集获得潜在治疗靶点。利用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络并筛选核心靶点;通过R语言Bioconductor平台进行基因本体(GO)功能与京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析;最后采用AutoDock Vina软件对关键成分与核心靶点进行分子对接验证。结果:共筛选出杨梅酮治疗糖尿病足的潜在作用靶点50个,PPI网络分析得到EGFR、ERBB2、HSP90AA1、PPARG、PTGS2、STAT3等6个核心靶点。GO分析表明,杨梅酮主要参与调控蛋白酪氨酸激酶活性、MAPK级联正向调控、上皮细胞增殖等生物过程。KEGG分析提示,其作用可能通过EGFR酪氨酸激酶抑制剂耐药通路、PI3K-Akt信号通路、VEGF信号通路等介导。分子对接显示,杨梅酮与核心靶点EGFR、STAT3、PPARG、PTGS2、HSP90AA1均具有良好的结合活性。结论: 本研究初步提示,杨梅酮可能通过作用于EGFR、STAT3等多个核心靶点,调控PI3K-Akt、VEGF及MAPK等信号通路,在促进细胞增殖、血管生成及抑制炎症反应等方面发挥治疗糖尿病足的作用,为其多靶点药物开发提供了理论依据。


关键词

杨梅酮;糖尿病足;网络药理学;分子对接;PI3K-Akt信号通路

正文

1. 引言

糖尿病(Diabetes mellitus, DM)是一种以慢性高血糖为特征的代谢性疾病,其全球发病率持续攀升,已成为重大公共卫生问题[1]。糖尿病足(Diabetic Foot, DF)是糖尿病最常见且严重的慢性并发症之一,临床主要表现为足部溃疡、感染及深层组织破坏,严重时可导致截肢[2]。据统计,约15%的糖尿病患者会发展为慢性难愈性糖尿病足溃疡[3]。其病理机制复杂,涉及高血糖诱导的炎症反应、氧化应激、血管病变及神经病变等多重因素[4, 5]。目前临床治疗手段有限,疗效常不理想,因此,寻找安全有效、具有多靶点干预潜力的治疗策略已成为研究热点。

杨梅酮(Myricanone)是一种天然的二芳基庚烷类化合物,主要来源于川芎、杨梅树皮等植物。川芎作为活血行气要药,已被证实具有抗炎、抗氧化、改善胰岛素抵抗等多种药理作用,杨梅酮可能是其潜在活性成分之一[6, 7]。近年研究发现,杨梅酮在心血管疾病与代谢性疾病中展现出治疗潜力,并可通过诱导细胞凋亡发挥抗癌活性[8, 9]。然而,关于杨梅酮治疗糖尿病足的具体分子靶点及系统作用机制,目前尚不明确。

网络药理学(Network Pharmacology)能够从系统层面揭示“药物-靶点-疾病”间的复杂网络关系,尤其适用于天然多靶点药物的机制研究[10]。本研究拟运用网络药理学方法预测杨梅酮治疗糖尿病足的潜在靶点与通路,并结合分子对接技术进行验证,旨在为杨梅酮治疗糖尿病足提供理论依据,并为后续深入研究和转化应用提供方向。

2. 材料与方法

2.1 杨梅酮潜在靶点预测

利用TCMSP、SwissTargetPrediction及TTD等在线数据库,基于杨梅酮的二维/三维结构信息预测其潜在作用靶点,剔除重复值后获得杨梅酮作用靶点集。

2.2 疾病靶点收集

“Diabetic Foot”、“Diabetic Foot Ulcer”为关键词,检索Genecards、OMIM和TTD等疾病数据库,收集与糖尿病足相关的所有靶点基因。

2.3 共同靶点获取与PPI网络构建

将杨梅酮预测靶点与糖尿病足疾病靶点取交集,获得潜在治疗靶点。将共同靶点导入 STRING 数据库,设置物种为"Homo sapiens",置信度>0.4,构建PPI网络,并将结果导入Cytoscape3.10.3软件进行可视化分析。利用CytoNCA插件中的Betweenness、Closeness、Degree、Eigenvector、LAC、Network算法,以中位数为阈值筛选核心靶点。

2.4 GO与KEGG富集分析

使用R软件进行数据分析。利用org.Hs.eg.db数据库对潜在靶标进行基因ID转换。采用clusterProfiler等Bioconductor工具包进行GO功能富集分析和KEGG通路富集分析。设定生物过程(BP)、细胞组分(CC)和分子功能(MF)的p值及q值Cutoff均为0.05。富集结果以条形图与气泡图展示。

2.5 分子对接验证

RCSB PDB数据库下载核心靶点蛋白的晶体结构,从PubChem数据库获取杨梅酮的三维结构。使用AutoDock Tools对受体和配体进行加氢、计算电荷等预处理。运用AutoDock Vina进行分子对接,结合能越低表示结合越稳定。对接结果使用PyMOL软件进行可视化。

 

3. 结果

3.1 潜在作用靶点与PPI网络分析

共获得杨梅酮潜在靶点119个,糖尿病足相关靶点2277个,取交集后得到50个共同靶点(图1A)。以此构建的PPI网络包含48个节点、274条边(图1B)。通过拓扑分析筛选出的前6个核心靶点包括:表皮生长因子受体(EGFR)、ERBB2、HSP90AA1、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARG)、前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)和信号转导与转录激活因子3(STAT3)。




A                     B


1 A. 杨梅酮与糖尿病足交集靶点韦恩图;  B. 潜在靶点PPI网络图(注:图中节点大小代表连接度高低)

3.2 GO功能富集分析

GO富集分析结果(图2A)显示,在生物过程(BP)中,靶点显著富集于MAPK级联正向调控、上皮细胞增殖、蛋白酪氨酸磷酸化等过程;在细胞组分(CC)中,主要富集于膜筏、质膜筏、小窝等信号转导关键区域;在分子功能(MF)中,则主要富集于蛋白酪氨酸激酶活性、跨膜受体蛋白酪氨酸激酶活性等。提示杨梅酮可能通过调控激酶相关功能影响细胞增殖与信号转导。

3.3 KEGG通路富集分析

KEGG通路富集分析结果(图2B)显示,杨梅酮治疗糖尿病足显著富集于EGFR酪氨酸激酶抑制剂耐药通路、PI3K-Akt信号通路和VEGF信号通路等。这些通路与细胞存活、增殖、迁移、血管生成及炎症反应密切相关,可能构成杨梅酮发挥治疗作用的核心信号网络。

A                                B

             

2 A. GO功能富集分析条形图(前10项);B. KEGG通路富集分析气泡图

3.4 分子对接结果

分子对接结果表明,杨梅酮与所有6个核心靶点均能稳定结合(表1)。其中,与EGFR和PTGS2的结合能最低(分别为-8.3 kcal/mol和-8.1 kcal/mol),结合最为稳定。如图4所示杨梅酮通过形成氢键、π-π堆积及疏水相互作用等方式,与各靶点蛋白活性口袋内的关键氨基酸残基(如EGFR的LYS-721、GLN-767)结合,其结合模式与已知抑制剂相似,预示其具有良好的潜在抑制活性。

1 杨梅酮与核心靶点的分子对接结果

靶点

PDB ID

结合能

kcal/mol)

氢键

数量

氨基酸残基

EGFR

1M14

-8.3

2

LYS-721、GLN-767

ERBB2

2JWA

-5.9

2

SER-156、GLN-146

HSP90AA1

1BYQ

-6.7

4

ASP-54、LYS-58、ASN-106

PPARG

2Q59

-7.9

0

PTGS2

5F19

-8.1

2

GLN-372、HIS-122

STAT3

6NJS

-6.9

2

ASP-371

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 杨梅酮与核心靶点(EGFR、ERBB2、HSP90AA1、PTGS2、STAT3)的分子对接模式图

 

4. 讨论

糖尿病足是一种涉及炎症、血管生成障碍、氧化应激及神经病变的复杂疾病,临床治疗面临严峻挑战。本研究综合运用网络药理学和分子对接方法,首次系统预测并初步验证了天然化合物杨梅酮治疗糖尿病足的多靶点、多通路协同作用机制,为将其开发为潜在的多靶点治疗药物提供了新的理论线索。

通过靶点筛选与PPI网络分析,发现杨梅酮可能与EGFR、ERBB2、HSP90AA1、PPARG、PTGS2、STAT3等核心靶点密切相关。这些靶点在糖尿病足创面愈合过程中发挥关键作用:EGFR是调控上皮与内皮细胞存活、增殖和迁移的经典信号分子,在高血糖环境下其活化受损会延缓创面愈合[11–13]PTGS2是炎症反应中的关键酶,其过度表达可延长炎症期,阻碍伤口愈合[14]STAT3作为细胞存活与炎症调控的关键节点,其异常活化会妨碍创面由炎症期向增殖期过渡[15, 16]HSP90AA1作为分子伴侣蛋白,参与维持多种信号通路的稳定,其抑制可能有助于减轻氧化应激与细胞凋亡[17–19]。此外,HSP90AA1还可增强AKT磷酸化,进一步促进细胞存活[19]PPARG在脂质代谢与巨噬细胞功能调节中发挥重要作用。在损伤微环境中,巨噬细胞内PPARG的适度激活可促进脂质代谢重编程,并通过STAT3信号介导生长因子的表达,从而推动组织修复进程[20]。值得注意的是,EGFR可激活PI3K-Akt信号通路,促进细胞存活;而活化的Akt又可调控STAT3的活性,这些靶点并非孤立存在,而是构成一个相互关联的信号网络。

综上所述,杨梅酮可能通过多靶点协同机制,系统干预糖尿病足创面愈合过程。一方面,其通过抑制PTGS2与STAT3活性,减轻过度炎症反应;另一方面,通过调控EGFR/HSP90AA1/AKT信号轴,促进上皮细胞和内皮细胞的存活、迁移及血管生成。此外,杨梅酮还可通过调节PPARG活性,改善巨噬细胞功能与局部代谢状态,从而促进组织修复。

本研究仍存在一定的局限性。首先,网络药理学预测结果需通过体外及体内实验进一步验证;其次,杨梅酮在体内的药代动力学特性、生物利用度及安全性尚未明确;最后,基于动物模型及临床研究仍是阐明其具体作用机制的必要途径。

5. 结论

本研究基于网络药理学与分子对接方法,初步阐明了杨梅酮治疗糖尿病足的作用机制,重点揭示了其在调控细胞增殖与炎症反应方面的潜在作用。分子对接结果证实,杨梅酮与糖尿病足关键靶点具有较强的结合活性。该研究为进一步开展体外细胞实验与动物模型验证提供了理论依据,对推动杨梅酮的深度开发与临床应用具有重要意义。

利益冲突:作者声明无利益冲突。

作者贡献:许佐蔚负责数据收集与分析、论文撰写;夏印负责研究设计、论文修改与指导。

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作者简介:许佐蔚 出生年:1996.11.13 性别:男 民族:汉 籍贯:漳州市 学历:本科

职称:无  研究方向主要从事:动脉粥样硬化

 


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