Predição baseada em similaridade estrutural dos ingredientes ativos potenciais e mecanismo de ação de formulações de medicina tradicional chinesa usadas para antienvelhecimento

Contato: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Qian Zhang, e outros

Abstrato

Objetivo:Para prever o potencialativoingredientes(PAIs) e mecanismo de ação detradicionalchinêsmedicamentoformulações usadas para retardar o envelhecimento.

Métodos: Incorporamos o uso de cálculos de química quântica e aprendizado de máquina para prever oativoingredientesde alguns medicamentos fitoterápicos chineses usados ​​para retardar o envelhecimento. Em seguida, uma abordagem de farmacologia de rede foi usada para descobrir como esses PAIsatrasadoenvelhecimento.

Resultados:Doze PAIs comanti-envelhecimentoefeitos foram descobertos: androsterona, MHP, cortisona, propil metil trissulfeto, retinol, retinal, cortisol, 11-cis-retinol (2R, 3R)-3-hidroxiprolina,4,5alfa-dihidrocortisona (2S){{ 9}}amônia-6-ureidohexanoato e 17alfa, 21-Dihidroxi-5beta-pregnano-3,11,20-triona. As análises de enriquecimento indicaram que um alvo composto putativo e alvo de envelhecimento foram significativamente associados a: regulação do sistema imunológico; via de sinalização do receptor de insulina; regulação do ciclo celular mitótico; resposta aos níveis de nutrientes; resposta ao estresse oxidativo; liberação de citocromo c das mitocôndrias; aprendizagem ou memória; resposta inflamatória.

Conclusões:Um novo método foi proposto para prever os PAIs deanti-envelhecimentofitoterápicos incorporando cálculos de química quântica e aprendizado de máquina. Em seguida, uma abordagem de farmacologia de rede foi usada para descobrir como esses PAIs retardam o envelhecimento. As informações fornecidas por nosso estudo sobre PAIs podem auxiliar na descoberta deanti-envelhecimentodrogas.

PALAVRAS-CHAVE: Cálculos de química quântica; Aprendizado de máquina; Ingredientes ativos; Mecanismo; Envelhecimento

Cistanche temanti-envelhecimentofunção

Introdução

O envelhecimento refere-se a uma diminuição gradual na função do órgão. Uma característica do envelhecimento é a perda progressiva da integridade fisiológica que leva a um aumento do risco de mortalidade. A deterioração causada pelo envelhecimento é um importante fator de risco para o desenvolvimento de câncer, diabetes mellitus e outras doenças humanas relacionadas à idade1 e é um grande fardo para a sociedade, famílias e indivíduos.2 Portanto, a descoberta de novosativoingredientespara retardar o envelhecimento e prevenir doenças relacionadas ao envelhecimento é uma importante necessidade não atendida.

Os produtos naturais oferecem grandes perspectivas para a descoberta deanti-envelhecimentodrogas. Muitos compostos e extratos de produtos naturais têm sido relatados para retardar o envelhecimento e prolongar a vida,3 como polipeptídeos de Fructus lycii (Lycium barbarum L.),4 e polissacarídeos de frutos de ginseng (Solanum muricatum).5 Em comparação com a medicina ocidental,tradicionalchinêsmedicamento(TCM) baseia-se em mecanismos de múltiplos alvos e está associado a menos efeitos adversos no que diz respeito ao atraso do envelhecimento.6 Estudos mostraram que as formulações de TCM provocam seus efeitos sobre o envelhecimento, reforçando os efeitos antioxidantes, a função imunológica e a regulação neuroendócrina, bem como como inibindo a lesão do DNA dentro das células.7e9 No entanto, se oanti-envelhecimentoO efeito das formulações de MTC é um mecanismo preciso ou parte de um efeito sinérgico não é conhecido. As implicações clínicas da MTC naanti-envelhecimentonão são conhecidos, e oativoingredientesdas formulações de MTC devem ser caracterizadas.6

Identificação doativoingredientesde drogas geralmente envolve o uso de modelos animais, como Drosophila melanogaster e Caenorhabditis elegans,3 testes de viabilidade celular,10 aprendizado de máquina e docking molecular.11,12 No entanto, esses métodos experimentais são demorados e caros. Além disso, o aprendizado de máquina é afetado por problemas de overfitting e amostras negativas. O encaixe molecular nem sempre pode fornecer a estrutura tridimensional (3D) precisa dos cristais de proteína.13

A farmacologia de rede pode ser usada para identificação de alvos e previsão de atividade de forma sistemática.14 Essa estratégia economiza tempo e ajuda a superar os problemas de não ter estruturas 3D precisas de cristais de proteínas e ter amostras negativas.13

Poucos estudos se concentraram na relação entre os componentes das formulações da MTC e suas estruturas químicas.6 A química quântica é uma das aplicações mais bem-sucedidas da mecânica quântica e pode ser usada para entender materiais de escala atômica a molecular.15 Assim, a química quântica cálculos, aprendizado de máquina e farmacologia de rede podem ser integrados para estudar formulações de MTC.

Neste trabalho, os componentes e metabólitos de váriosanti-envelhecimentoAs formulações de MTC foram coletadas doTradicionalchinêsMedicamentoBanco de Dados de Farmacologia de Sistemas (TCMSPD) e Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto (KEGG). Também algunsanti-envelhecimentoos medicamentos foram recolhidos no Banco de Medicamentos. Algumas propriedades moleculares dos componentes e metabólitos de formulações de MTC e drogas antienvelhecimento foram calculadas por química quântica. Em seguida, essas propriedades moleculares foram utilizadas como insumos para desenvolver o modelo de agrupamento de acordo com o método de Ward. Os componentes e metabólitos agrupados em uma categoria com medicamentos antienvelhecimento foram selecionados como potenciaisativoingredientes(PAI). Por último, um método abrangente de farmacologia em rede foi usado para esclarecer o mecanismo de ação desses PAIsanti-envelhecimento. O objetivo do presente estudo foi usar um novo método para prever os PAIs de formulações de MTC e seu mecanismo de ação contra o envelhecimento.

Cistanchetem umanti-envelhecimentofunção

Materiais e métodos

Preparação de dados

Compostos compostos e metabólitos de cada formulação de TCM

Nós analisamos o potencialanti-envelhecimentoingredientes de seis medicamentos fitoterápicos tonificantes do Yang: eucommiae córtex (Eucommia ulmoides Oliv),16 sêmen complanado de astrágalo (Astragalus queixosos R.Br.),17 placenta humana (Hominis placenta),18 cistanches herba (Cistanche deserticoLa YC Ma/Cistanche tubulosa ( Schenk) Wight),19 cerci cornu pantotrichum (Cervus nipport Temminck/Cervus elaphus Linnaeus) 20 e cynomorii herba (Cynomorium songaricum Rupr.).21

Os componentes e estruturas 2D dos componentes dos fitoterápicos mencionados acima foram do TCMSPD22, uma plataforma de farmacologia de sistemas exclusiva projetada para fitoterápicos chineses. oTradicionalchinêsMedicamentoO Banco de Dados (TCMD) 23 é um banco de dados de informações básicas usado para a administração estadual do TCM.

Eventualmente, coletamos 119 componentes no córtex de eucommiae, 41 componentes no sêmen de astragali complanati, 10 componentes na placenta humana, 75 componentes em cistanches herba, 10 componentes em cerci cornu pantotrichum e 3 componentes em cynomorii herba (Arquivo Complementar 1).

Os metabólitos e estruturas 2D desses seis fitoterápicos foram recuperados de KEGG (www.kegg.jp).24 Obtivemos os metabólitos desses fitoterápicos de www.kegg.jp/kegg/reaction/. No total, 29 metabólitos no córtex de eucommiae, 11 metabólitos no sêmen complanado de astrágalo, 13 metabólitos na placenta humana, 51 metabólitos em cistanches herba e 22 metabólitos em cerci cornu pantotrichum foram coletados (Arquivo Complementar 2).

Estruturas químicas e alvos de drogas antienvelhecimento

Cinquenta medicamentos relataram teranti-envelhecimentoefeitos foram observados.25e32 As estruturas 2D desses medicamentos foram exportadas do banco de dados do Drug Bank v3.033 (www.drugbank.ca) (Arquivo Suplementar 3).

Os alvos compostos de cadaanti-envelhecimentomedicamento (a estrutura química desses medicamentos era semelhante aos PAIs) foram coletados do banco de dados do Drug Bank. Entre todos os alvos, apenas os existentes no corpo humano foram mantidos. Assim, foram coletados 69 alvos (Ficha Complementar 4).

Genes relacionados ao envelhecimento

O Human Aging Genomic Resources é um banco de dados gratuito que fornece informações sobre a biologia e a genética do envelhecimento.34 Neste trabalho, 293 genes relacionados ao envelhecimento foram coletados do HAGR (Arquivo Suplementar 5).

Interações proteína-proteína (PPIs)

Os dados de PPI foram importados do banco de dados hiPathDB (http://hiPathDB.kobic.re.kr).35 Esse banco de dados fornece informações sobre reações biológicas e vias de sinalização para construir redes de interação molecular deanti-envelhecimentoFormulações de MTC.

Cistanche temanti-envelhecimentofunção

Previsão de PPAI

Descritores moleculares

A descrição computacional de moléculas é necessária para a predição in silico, que é frequentemente utilizada para descrever as características estruturais das moléculas de forma quantitativa.36 No presente estudo, foram calculados 209 descritores moleculares37e39: 1 propriedade de polarização molecular; 42 propriedades topológicas; 11 propriedades geométricas; 147 fragmentos propriedades da eficácia dos grupos; 8 propriedades dos oligoelementos (Arquivo Complementar 6).

O cálculo da polarizabilidade molecular, propriedades topológicas e propriedades geométricas foi realizado usando ChemAxon (https://www.chemaxon.com/). As outras propriedades foram calculadas usando Power MV v0.61 (www.niss.org/PowerMV).

Análises de cluster

Usamos o método de Ward para análises de agrupamento hierárquico. Essa abordagem emprega análises de variância. O critério para escolher o par de clusters a serem mesclados em cada etapa é baseado no valor ótimo de uma função objetivo. O método de Ward pode reduzir ao máximo a soma do erro ao quadrado.40

Previsão de metas de PAI

Descritores moleculares e análises de agrupamento foram usados ​​para rastrear formulações de MTC que eram semelhantes a drogas. Os componentes e metabólitos agrupados em uma categoria comanti-envelhecimentodrogas foram selecionadas como PAIs. Além disso, os alvos terapêuticos dos medicamentos antienvelhecimento foram considerados como os alvos dos PAIs de fitoterápicos.

Um método de farmacologia de rede para descobrir o mecanismo de ação dos PAIs no antienvelhecimento

Os sistemas gramaticais da MTC ilustram o mecanismo molecular de ação dos medicamentos fitoterápicos e podem ser demonstrados por GZ (V, F, P, S ).41 No presente estudo, o mecanismo de ação dos componentes ativos emanti-envelhecimentofitoterápicos foi explicado pelos sistemas gramaticais da MTC.

V continha vários tipos de nós (PAIs, alvos, doenças e genes relacionados, compostos). F compreendia vários tipos de relacionamentos de nós (por exemplo, interação, ativação). P foi a regra de inferência entre os alvos dos PAIs em ervas da MTC e proteínas relacionadas ao envelhecimento. Todas as redes foram geradas usando Cytoscape v3.2.142, que tem sido usado para ilustrar o mecanismo de ação das formulações de TCM.

Resultados

Análises de cluster

Os resultados das análises de cluster são mostrados na Figura 1. Oito grupos foram levados em consideração. O Grupo 1 continha colina e trissulfureto de propilmetilo. O grupo 2 compreendeu metformina e (2S)-2-amônia-6-ureidohexanoato. O grupo 3 continha b-caroteno, retinol, retinal e 11-cis-retinol. O grupo 4 compreende ácido lipóico e (2R, 3R)-3- hidroxiprolina. O grupo 5 continha levodopa e MHP. O grupo 6 compreendeu DHEA (dehidroepiandrosterona) e androsterona. O grupo 7 continha prednisona cortisona, 17alfa, 21-Dihidroxi-5beta-pregnano-3,11,20-triona e 4,5alfa-Dihidrocortisona. O grupo 8 foi composto por hidrocortisona, prednisolona e cortisol (Tabela 1).

Assim, com base nas semelhanças de estruturas químicas entreanti-envelhecimentodrogas e os componentes e metabólitos de fitoterápicos, descobrimos 12 PAIs (retinol, retinal, cortisol, MHP, androsterona, cortisona, propil metil trissulfeto (2S)-2-amônia-6-ureidohexanoato (2R,3R) -3-hidroxiprolina, 4,5alfa-Dihidrocortisona, 11-cis Retinol e 17alfa,21-Dihidroxi-5beta-pregnano-3,11,20- trioleína quatro ervas (eucommiae córtex, cistanches herba, placenta humana, cynomorii herba).

Figura 1. Análises de cluster entre compostos detradicionalchinêsmedicamentose drogas com base na semelhança estrutural.Observação: os termos "mol007647", "mol009052", "mol009019", "mol009018", "1170" e "4097" referem-se a propil metil trissulfeto (2S)-2-amônia{{ 8}}ureidohexanoato (2R, 3R)-3-hidroxiprolina, MHP, androsterona e cortisona, respectivamente.

Metas putativas para PAIs

Com base na previsão de alvos, os 69 alvos correspondentes desses medicamentos semelhantes como alvos putativos de PAIs são mostrados no Arquivo Suplementar 4.

Mecanismo de ação dos PAIs no antienvelhecimento

Construção de PAIeputativos alvos genes relacionados ao envelhecimento - outra rede PPI humana

Um PAIeputativo tem como alvo genes relacionados ao envelhecimento, outra rede PPI humana foi construída (Fig. 2). A rede era composta por 518 nós (12 PAIs, 16 alvos putativos/alvos de envelhecimento conhecidos, envelhecimento, 123 alvos de envelhecimento conhecidos/genes relacionados ao envelhecimento, 366 outras proteínas humanas) e 2.377 bordas.Enriquecimentoas análises indicaram que um alvo composto putativo e alvo de envelhecimento foram significativamente associados a: regulação do sistema imunológico; via de sinalização do receptor de insulina; regulação do ciclo celular mitótico; resposta aos níveis de nutrientes; resposta ao estresse oxidativo; liberação de citocromo c das mitocôndrias; aprendizagem ou memória; resposta inflamatória (Tabela 2).

Análises de um (2R, 3R)-3-composto putativo de hidroxiprolina visando a sub-rede alvo

Análises minuciosas de toda a rede foram difíceis devido à sua complexidade. Portanto, analisamos a relação entre os alvos dos PAIs e as proteínas associadas à doença, extraindo uma sub-rede. Consequentemente, um composto putativo de (2R, 3R)-3-hidroxiprolina visando a sub-rede alvo foi utilizado para esclarecer como (2R, 3R)-3-hidroxiprolina atua no envelhecimento. Nesta sub-rede, havia 8 nós e 15 arestas (Fig. 3).

Discussão

A Tabela 1 mostra que a estrutura química dos compostos em cada grupo foi semelhante. Por exemplo, no grupo 7, prednisona, cortisona, 17a,21-Dihidroxi-5b-pregnano-3,11,20- triona e 4,5a-Dihidrocortisona têm hidroxila grupos carbonila e um número idêntico de anéis. Os PAIs que previmos, como a androsterona, têm efeitos ansiolíticos e de aprimoramento cognitivo, que diminuem com a idade.43 A cortisona é um dos componentes da placenta humana, que tem sido relatado para prolongar a vida.44,45 Vitamina A é um grupo de compostos orgânicos nutricionais insaturados que inclui retinol, retinal, ácido retinóico, que podem prevenir o comprometimento da memória relacionado à idade.46,47 Assim, concluímos que androsterona, cortisona, retinol e retinal podem ser PAIs emanti-envelhecimentoervas, uma conclusão que está de acordo com os resultados de agrupamento.

O envelhecimento está relacionado a mudanças no número e função das células imunes inatas. O envelhecimento reduz a capacidade dos receptores das células imunes inatas de responder a patógenos bacterianos e virais.48 O desequilíbrio redox induzido pelo estresse oxidativo influencia o envelhecimento e as doenças neurodegenerativas relacionadas à idade.49,50 O aumento do estresse oxidativo pode levar ao envelhecimento.51 A resposta biológica ao estresse oxidativo, deficiências de aprendizagem21 e regulação positiva do sistema imunológico19 usando ontologia gênica (Tabela 2) foi consistente com a literatura, e que está relacionada ao envelhecimento.

O transportador multivitamínico dependente de sódio (Q9Y289) pode transportar pantotenato, biotina e lipoato na presença de sódio (Fig. 3). A biotina (AB171548) é uma vitamina do complexo B solúvel em água (B7, B8 ou H) e um cofator essencial para várias reações de carboxilação. A deficiência de biotina tem efeitos adversos na função imune celular e humoral.52 A4 (P05067) é uma pequena lipoproteína transmembrana que pode ajudar a restringir altos níveis de replicação viral.53 Além disso, a capacidade de controlar a replicação viral está intimamente relacionada ao envelhecimento.54 Assim , concluímos que (2R, 3R)-3-hidroxiprolina pode atuar como um transportador multivitamínico dependente de sódio para controlar a replicação viral, ativando proteínas precursoras de amiloide para retardar o envelhecimento.

Figura 3 A rede de vias de (2R, 3R)-3-hidroxiprolina para o alvo terapêutico P05067. Observação: as setas pontilhadas laranja, azul, amarela, cinza, rosa e vermelha e a linha contínua T representam os componentes do córtex de eucommia, putativo alvo, composto, processo biológico, alvo de envelhecimento, envelhecimento, ativação e inibição, respectivamente.

Conclusão

Um novo método foi proposto para prever os PAIs deanti-envelhecimentofitoterápicos incorporando cálculos de química quântica e aprendizado de máquina. Em seguida, uma abordagem farmacológica de rede foi usada para descobrir como esses PAIs retardam o envelhecimento. Tal método in silico poderia auxiliar na descoberta e desenvolvimento deanti-envelhecimentodrogas. As informações fornecidas por nosso estudo sobre PAIs podem auxiliar na descoberta de medicamentos antienvelhecimento.

Financiamento

Este trabalho é apoiado pela Natural Science Foundation ofChina (81373985).

Conflitos de interesse

Declaramos que não há interesses concorrentes.

De: ' Previsão estrutural baseada em similaridade do potencialativoingredientese mecanismo de ação detradicionalchinêsmedicamentoformulações usadas paraanti-envelhecimentoporQian Zhang, e outros

---Diário deTradicionalchinêsCiências Médicas (2018) 5, 177e184