Uma investigação de biologia de sistemas híbridos e farmacologia de sistemas dos efeitos de Zingerone em tecidos epidérmicos humanos reconstruídos Parte 1

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Fundo:À medida que os indivíduos vivem mais, espera-se que as populações idosas enfrentem problemas. Esse padrão incita os pesquisadores a investigar mais o conceito de envelhecimento para produzir agentes antienvelhecimento bem-sucedidos. No presente estudo, os efeitos da zingerona (um composto natural) nos tecidos epidérmicos foram analisados ​​usando uma abordagem de bioinformática. Métodos: Para isso, escolhemos o conjunto de dados GEO GSE133338 para realizar as abordagens de biologia de sistemas e farmacologia de sistemas, que vão desde a identificação dos genes diferencialmente expressos até a análise da ontologia do gene, determinando estruturas semelhantes de Zingerone e suas características (ou seja, anti- oxidantes, anti-inflamatórios e dermatológicos), construindo a rede gene-química, analisando as relações gene-doença e validando genes significativos através das evidências apresentadas na literatura.

Resultados:O pós-processamento do conjunto de dados do microarray identificou treze genes essenciais entre as amostras de controle e tratadas com Zingerone.pó de cistacheO procedimento revelou vários compostos químicos e fitoterápicos estruturalmente semelhantes com possíveis efeitos relacionados à pele. Além disso, estudamos as relações de genes diferencialmente expressos com doenças relacionadas à pele e validamos suas conexões diretas com doenças de pele sob as evidências disponíveis na literatura. Além disso, a análise do conjunto de dados de perfil de microarray revelou o papel crítico das interleucinas como parte da família de citocinas no progresso do envelhecimento da pele.

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Conclusões:Zingerone, e potencialmente quaisquer constituintes de Zingerone (por exemplo, sua funcionalidade de varredura composta semelhante), podem ser usados ​​como agentes terapêuticos no gerenciamento de distúrbios da pele, como o envelhecimento da pele. No entanto, os efeitos benéficos do Zingerone devem ser avaliados em outros modelos (ou seja, humanos ou animais) em estudos futuros.

Palavras-chave:Zingerone, Envelhecimento da pele, Biologia de sistemas, Farmacologia de sistemas, Interleucina, Associação de doenças genéticas, Rede de produtos químicos genéticos, Compostos semelhantes, Distúrbios da pele

Fundo

A pele, composta pela epiderme, derme e camadas subcutâneas, é o maior órgão do corpo e forma uma barreira física entre o meio externo e o meio interno que protege e mantém. À medida que a população envelhece, a epiderme e a derme são os principais alvos de várias mudanças que incentivam o desenvolvimento de novos agentes terapêuticos antienvelhecimento [1]. Fatores ambientais físicos e químicos, como radiação UV e xenobióticos, desempenham papéis significativos no estresse oxidativo das células da pele, alterando as vias de sinalização envolvidas, imunossupressão e produzindo espécies reativas de oxigênio (ROS) e doenças de fotossensibilidade [2]. Vários procedimentos de tratamento antienvelhecimento da pele estão disponíveis, incluindo retinóides tópicos, peelings (por exemplo, ácido salicílico), neurotoxina botulínica, preenchimentos de tecidos moles, colágenos, ácido hialurônico, gordura autóloga, produtos alogênicos e sintéticos, lasers, procedimentos cirúrgicos e terapias endocrinológicas , além de outras alternativas como os fitohormônios[3]. Os relatórios mostraram que o uso de compostos naturais tem resultados promissores na redução dos efeitos do envelhecimento cutâneo induzidos por UV, o que os fez desempenhar o papel principal nas ciências relacionadas à cosmética[4].

(4-(4-hidroxi-3-metoxifenil)-2-bu-Zingeronetanona) é uma estrutura alcenona fenólica barata e não tóxica derivada do gengibre (Zingiber officinale Rosc), que é amplamente erva usada em indústrias farmacêuticas e alimentícias em todo o mundo (por exemplo, China, Grécia e Índia)[5-7].extrato de salsa cistacheZingerone é resultado da desidratação do gingerol enquanto é cozido ou seco [5]. As principais propriedades farmacológicas do Zingerone incluem efeitos antioxidantes, imunoestimulantes, anti-inflamatórios e anticancerígenos [8]. Estudos anteriores relataram a atividade anti-radiação ultravioleta B (UVB) de Zingerone na proteção da epiderme [9].

Cistanche pode anti-envelhecimento

Zingerone provavelmente atua como um agente neuroprotetor, bloqueando a via apoptótica, prevenindo assim o estresse oxidativo e limitando a inflamação [10]. Acredita-se que os compostos polifenólicos chamados Zingerone estejam presentes no gengibre e tenham potentes propriedades antioxidantes, exibam atividade de eliminação de radicais livres e forneçam resistência ao estresse oxidativo [11].haste de cistacheVários efeitos protetores da Zin-gerona foram relatados na toxicidade induzida por chumbo [12], diabetes tipo 2 induzida por estreptozotocina/dieta rica em gordura [13], artrite reumatóide [14], estresse oxidativo induzido por lipopolissacarídeos, danos ao DNA, tempestades de citocinas [15], carcinogênese experimental do cólon [16], estresse oxidativo induzido por aloxana [17], toxicidade orgânica induzida por ciclofosfamida [11] e cisplatina (toxicidade jejunal induzida por cis-diaminedicloroplati-num (I)[18]. Zingerona substancialmente diminuiu os níveis de NF-KB, TGF-, TNF-, IL-1, IL-6 e Hs-CRP enquanto aumenta consideravelmente os níveis de I-10 e restaura os níveis de enzimas antioxidantes [14] Assim, quando administrado a animais (por exemplo, ratos Wistar) expostos às toxicidades e doenças acima mencionadas, Zingerone pode reduzir o estresse oxidativo, inflamação e danos em múltiplos órgãos.

De acordo com o conhecimento do autor, nenhuma investigação usou abordagens de biologia de sistemas e farmacologia de sistemas para determinar genes significativamente expressos diferencialmente entre tecidos de controle e aqueles tratados por Zingerone. Neste estudo, usamos os conjuntos de dados de perfis de expressão gênica de microarray disponíveis para atender a esse objetivo. Os mecanismos funcionais e celulares dos genes identificados também foram inspecionados. Em seguida, várias análises de rede, incluindo doenças genéticas e produtos químicos genéticos, foram realizadas. Finalmente, os efeitos de compostos químicos e fitoterápicos semelhantes à estrutura de Zingerone foram estudados em detalhes, e a validação de genes potencialmente significativos foi revisada com base em evidências encontradas na literatura.

Métodos

Um resumo do fluxo de trabalho de pesquisa atual é ilustrado como um diagrama de fluxo, conforme mostrado na Fig.1. Fonte de dados O conjunto de dados usado neste estudo está disponível publicamente no repositório de banco de dados de expressão gênica omnibus (GEO) do centro nacional de informações sobre biotecnologia (NCBI) (ou seja, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ ) com a plataforma GPL17692 [HuGene-2_1-st] Affymetrix Human Gene 2.1 ST Array [transcript(gene) version]. O único conjunto de dados GEO disponível, GSE133338, incluiu seis tecidos epidérmicos humanos (RHE) reconstruídos tratados por Zingerone (n=3) e controle de água (n=3), conforme mostrado na Fig.1.

Genes expressos diferencialmente (DEGs) entre dois tipos de tecidos

O Dr. Richard Simon e a equipe de desenvolvimento do BRB-ArrayTools desenvolveram uma ferramenta analítica de genômica, BRB-ArrayTools (v4.6.1, versão estável), para determinar DEGs potentes. Várias etapas, incluindo importação do conjunto de dados GEO, filtragem de genes (ou seja, |fold changel Maior ou igual a 1), normalização (ou seja, normalização de quantil) e anotação (ou seja, "pd. enormene.2.1.st" pacote R [ 19]), foram necessários para identificar os GDEs significativos. O BRB-ArrayTools usou o algoritmo alemão (análise robusta de múltiplos arrays de guanina-citosina) para mapear as intensidades da sonda em seus valores de expressão gênica correspondentes, descartando o ruído existente. A comparação entre dois grupos tratados resultou na identificação de GDEs significativos usando valores de 10,000 e 1 para testes de permutação univariada e o limiar de mudança de dobra. Os resultados de DEG obtidos foram significativos em p Menor ou igual a 0,05.

Análises de ontologia gênica e enriquecimento funcional DAVID v.6.8 (Database for Annotation, Visualization, and Integrated Discovery), que está disponível gratuitamente em http://david.abcc.ncifcrf.gov/summary.jsp, desde a avaliação da ontologia gênica (VAI). Esta avaliação incluiu componentes celulares, funções moleculares e processos biológicos de DEGs [20,21]. O limite para a pontuação EASE de um valor p exato de Fisher modificado foi definido para seu valor padrão de 0,1.

Análises de eficácia e estrutura de similaridade de Zingerone

A string canônica SMILES (sistema de entrada de linha de entrada molecular simplificada) para a estrutura Zingerone (mostrada na Fig. 2a) foi obtida do banco de dados de compostos PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound)[ 22]. Cada string de SMILES foi usada para estrutura de similaridade PubChem e previsão ADME usando web online

ferramentas de servidor, ou seja, SwissADME [23-25], SwissSimilarity [26] e SwissTargetPrediction [27]. O servidor da web SwissADME cobre o design e a descoberta de medicamentos computando vários parâmetros, incluindo descritores físico-químicos, parâmetros relacionados ao ADME, propriedades farmacocinéticas, efeito de semelhança de medicamentos e estudando a facilidade de química medicinal da estrutura SMILES.

Os critérios de similaridade para a estrutura de similaridade PubChem e as ferramentas SwissSimilarity foram {{0}},92 e 0,50, respectivamente. Finalmente, examinamos a literatura para qualquer evidência existente de funcionalidades de compostos semelhantes.

Análises da rede gene-doença e gene-químicos Extraímos as doenças relacionadas com evidência de acordo com os genes significativos obtidos através da plataforma amigável DisGeNET (ou seja, http://www.disgenet.org/), derivada da literatura sobre humanos associações gene-doença [28].Cistanche tubulosa benefícios e efeitos colateraisAlém disso, o envolvimento dos DEGs obtidos afetados pelo tratamento com Zingerone em várias doenças específicas (e possivelmente em distúrbios relacionados à pele) foi minuciosamente examinado através de estudos da literatura para confirmar e validar se tais genes são expressos como potenciais biomarcadores da doença. Além disso, construímos e analisamos a rede gene-química do servidor web NetworkAnalyst 3.0 para revelar associações potentes entre genes e compostos disponíveis na literatura[29].

Resultados

Como a falta de quaisquer genes possíveis pode afetar os resultados finais, todos os genes incluídos no conjunto de dados do microarray são considerados. A abordagem de pré-processamento de dados e comparação de classes usando um teste t de duas amostras revelou um total de sessenta IDs de sonda, dos quais apenas treze DEGs estavam disponíveis como genes anotados. Quatro genes foram regulados negativamente e nove foram regulados positivamente (como mostrado na Fig. 2b), juntamente com seus níveis de expressão gênica entre amostras de controle e tratadas com Zingerone. A ferramenta de anotação funcional DAVID revelou que dois componentes celulares (ou seja, (i) GO:0005615, e espaço extracelular com quatro genes envolvidos TNFRSF11B, CTSL, ENDOU e SPACA5 e (ii )GO:{{20}}005576, uma região extracelular com três genes envolvidos TNFRSF11B, CTSL e ENDOU) foram considerados significativos. Os valores de kappa de 1.00 e 0,80 indicaram um nível muito alto de similaridade entre os dois termos GO. Além disso, os valores de medição estatística para GO:0005615 e GO:0005576 têm enriquecimentos dobrados de 7,73 e 4,85, valores de Bonferroni de 0,09 e 0,72 e valores de Benjamini de 0,088 e 0,60, e valores de taxa de falsa descoberta (FDR) de 0,088 e 0,6, respectivamente. A inspeção detalhada dos termos GO mostra que seus termos filhos correspondentes têm vários relacionamentos e referências cruzadas com GO:0005576 e GO:0005615. As relações envolvendo o espaço extracelular sugerem que o complexo interleucina-35, interleucina-27, interleucina-23 e interleucina-12 faziam parte de GO:0005615. Além disso; as relações envolvendo a região extracelular eram principalmente parte do complexo isoamilase extracelular, complexo ferritina extracelular, espaço extracelular, vesícula extracelular e matriz extracelular, para citar alguns. Quatro tipos de interleucinas (ou seja, interleucina-1, interleucina-6, interleucina-34 e interleucina-34 alfa)) tiveram relações diretas com referências cruzadas de GO:0005615 (para mais informações, consulte https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005615). Vários tipos de interleucina, incluindo interleucina-12 alfa, interleucina-23 alfa, interleucina-17, interleucina-1 alfa, interleucina-1 beta e interleucina{{54} }, estavam relacionados a referências cruzadas de GO:0005576 (derivado de https://www.ebi.ac.uk/QuickGO/GTerm?id=GO:0005576).

A avaliação da absorção, distribuição, metabolismo e excreção (ADME) da estrutura de Zingerone usando o radar de biodisponibilidade (Fig. 3a) indica a propriedade de alta semelhança de droga bioativa e representa as propriedades de lipofilicidade, peso molecular, solubilidade e flexibilidade posicionadas na área rosa. Além disso, as propriedades físico-químicas e de lipofilicidade (regra dos cinco de Lipinski) (ou seja, peso molecular: 194,23 g/mol, número de ligações rotativas: 4, número de aceitadores de ligação H: 3, número de doadores de ligação H: 1 e consenso Log Po/w:1.79) não mostram violações.extrato de cistanche tubulosaOs parâmetros de solubilidade em água, incluindo Log S (ESOL), Log S (Ali) e Log S (SIL-COS-IT), demonstram características muito solúveis, muito solúveis e solúveis, respectivamente. Além disso, as propriedades farmacocinéticas revelam um alto nível de absorção gastrointestinal e apenas função inibitória do CYP1A2 entre outros inibidores da enzima do citocromo.

A análise SwissTargetPrediction resulta em um total de 100 proteínas alvo para Zingerone, entre as quais enzimas, proteínas secretadas, receptores nucleares e oxidorredutases compõem as porcentagens mais altas (Fig. 3b). Uma inspeção adicional de estruturas semelhantes através do SwissSimilarity e PubChem descobriu dois medicamentos aprovados pela FDA (ou seja, Nabumetone e Maso-procol), dois medicamentos experimentais (ou seja, Matairesinol e 3-(4-hidroxifenil){{ 6}}(2,4,6-trihidroxifenil)propano-1-um) e três constituintes Zingiber (ou seja,6-Shogaol, 6-Paradol e {{13} }Gingerol)(listado na Tabela 1). A inspeção também revelou suas propriedades anti-inflamatórias e antioxidantes validadas, bem como as doenças de pele confirmadas, como o antienvelhecimento da pele, por meio de evidências fornecidas na literatura.Os resultados da relação gene-doença do Dis-GeNET (acompanhados de evidências relevantes da literatura) estão resumidos na Tabela 2. Os resultados indicam que os DEGs influenciam várias doenças, incluindo doenças relacionadas à pele. Além disso, a construção da rede gene-química mostra o envolvimento de sete DEGs que estão diretamente associados a diferentes substâncias químicas. Apenas quatro deles (ou seja, TNFRSF11B, DNLZ, OR9Il e MIR614) estão relacionados a vinte e três compostos relacionados à pele (mostrados na Fig. 4).

Discussão

A luz solar é uma fonte de radiação ultravioleta (UV), que pode prejudicar a pele. O envelhecimento da pele, que resulta da exposição à radiação UV, é frequentemente classificado em três categorias principais (ou seja, UV-A, UV-B e UV-C). UV-A compõe 95 por cento dos raios UV que atingem a superfície da Terra, e

onde R é um tipo de radical livre, como radicais hidroxil, per-oxil, alcoxil ou alquil, e O ou OCH, são os radicais livres remanescentes [46,47]. Da mesma forma, o mecanismo de ação desses produtos químicos, devido às suas propriedades anti-inflamatórias, aplica-se por meio de atividades de eliminação de radicais [48].

Além disso, foi estabelecido que o sistema imunológico pode funcionar no corpo humano como uma faca de dois gumes, na qual a imunidade e a imunopatologia simultaneamente fornecem benefícios e causam danos ao equilibrar a imunidade inata e adaptativa [49]. Em uma revisão recente, Zouboulis et al. afirmou que "Na prática clínica, 'parecer melhor não significa parecer mais jovem."[50].

A pele, o maior órgão do corpo humano, herda todas as funções do sistema imunológico para melhor estudar inflamação, autoimunidade e câncer [51]. O envelhecimento da pele é um processo de várias etapas que pode ser promovido através da exposição solar, que pode resultar em alterações epidérmicas e fotoenvelhecimento [52]. Vários estudos propuseram os benefícios de compostos naturais como a curcumina e seus análogos no tratamento de distúrbios da pele, como o envelhecimento da pele [53, 54].

Na presente investigação, os efeitos do Zingerone nos tecidos epidérmicos foram estudados considerando os genes diferencialmente expressos e os componentes celulares envolvidos. Como resultado, sem exceções, os genes avaliados desempenham papéis no envolvimento das interleucinas, que são um grupo bem conhecido de citocinas expressas principalmente por leucócitos. As citocinas, que são produzidas pelas células de Langerhans do sistema imunológico da pele, desempenham um papel significativo no envelhecimento da pele [55]. Com base nos genes expressos diferencialmente identificados e seus componentes celulares eficazes em termos de GO, incluindo GO:0005615 e GO:0005576, dezoito e quatro tipos de interleucinas foram determinados para desempenhar papéis no espaço e região extracelular, respectivamente.

Em linha com nossos resultados, Shirato et al. descobriram que o ETAS 50 poderia prevenir o envelhecimento da pele ao diminuir as expressões beta de L-6 e IL-1 induzidas por UV-B(56, 57). Além disso, Guo et al. relataram que as células-tronco derivadas do tecido adiposo podem secretar várias interleucinas (por exemplo, interleucina-I ,interleucina-8, interleucina-9,interleucina-12, interleucina-15 e interleucina -17) para inibir o envelhecimento da pele [58]. O exercício também pode afetar os níveis de interleucina-15, prevenindo assim o envelhecimento da pele [59]. A interleucina 17 (ou IL-17A) tem uma relação direta com a estimulação de IL-23, tornando-os um eixo de ouro IL-23/IL-17 na inflamação associada à idade e atenuar o envelhecimento da pele através do tratamento com acetil Zingerone através da estimulação IL-17A [60, 61].

Em resumo, o presente estudo propôs um procedimento híbrido de biologia de sistemas e farmacologia de sistemas para identificar os mecanismos funcionais e os efeitos bem-sucedidos do tratamento com Zingerone. O procedimento proposto considera o impacto de compostos semelhantes para estimular a família das interleucinas envolvidas no envelhecimento da pele e suas propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias. Mais estudos experimentais em modelos humanos e animais são necessários para confirmar os resultados atuais, pois os efeitos do Zingerone nos mecanismos celulares e moleculares no envelhecimento da pele ainda não são claros.

Conclusões

O papel proeminente dos remédios fitoterápicos é claro para as comunidades científicas e de pesquisa. O envelhecimento da pele e outros tipos de doenças da pele têm atraído a atenção de pessoas em todo o mundo. A este respeito, vários medicamentos e produtos químicos têm sido propostos para fins antienvelhecimento. Neste estudo, foi considerado um procedimento computacional e estatístico para investigar o efeito da Zin-gerona no envelhecimento da pele nos níveis celular e genômico. Além disso, foram estudados compostos que são estruturalmente semelhantes ao Zingerone e seus impactos em doenças relacionadas à pele.

Além disso, a associação gene-doença e as análises da rede gene-química revelaram conexões diretas inegáveis ​​entre a genética e os distúrbios da pele, incluindo o envelhecimento da pele. Finalmente, descobriu-se que vários tipos de interleucinas têm papéis vitais na atenuação do envelhecimento da pele. No entanto, mais pesquisas usando modelos humanos ou animais são necessárias para confirmar os efeitos do Zingerone determinados no presente estudo.

Este artigo é extraído de Amjad et al. Egito J Med Hum Genet (2021) 22:90