Food Chem Toxicol |网络药理学揭示草酸钙肾结石氧化应激和炎症损伤机制

草酸钙(CaOx)肾结石是泌尿系统最常见的疾病之一。肾组织中CaOx晶体过饱和沉积会导致肾小管细胞损伤和凋亡,从而导致肾结石的形成。短链脂肪酸由肠道内厌氧细菌发酵膳食纤维产生,不仅在局部肠道屏障中发挥作用,而且在系统水平上也发挥关键作用。其中,丁酸是最丰富的短链脂肪酸,具有抗炎和免疫抑制作用,本研究探讨丁酸对CaOx肾结石的作用及其潜在靶点。

围绕草酸钙肾结石相关机制研究,华山医院泌尿外科吴忠教授、周子健博士于今年5月在Chem Biol Interact发表了相关成果,7月4日该团队又有一篇新作发表。吴忠教授、周子健博士Food and Chemical Toxicology(IF=4.3)上发表题为“Butyric acid inhibits oxidative stress and inflammation injury in calcium oxalate nephrolithiasis by targeting CYP2C9”的研究文章。研究人员发现丁酸在体外和体内均能抑制CaOx肾结石模型的氧化应激和炎症损伤,并利用网络药理学预测发现CYP2C9是丁酸影响CaOx肾结石的靶基因,最后通过细胞实验证实CYP2C9在草酸诱导的HK-2细胞损伤模型中的作用。拜谱生物与吴忠教授、周子健博士团队再次合作,提供了网络药理学服务,助力预测CYP2C9是丁酸影响CaOx肾结石的潜在靶点,为丁酸预防CaOx肾结石产生的临床应用奠定理论基础。


Food Chem Toxicol |网络药理学揭示草酸钙肾结石氧化应激和炎症损伤机制


文章名称:Butyric acid inhibits oxidative stress and inflammation injury in calcium oxalate nephrolithiasis by targeting CYP2C9(Food Chem Toxicol.,IF=4.3,2023.07)

客户单位:华山医院

研究对象:大鼠、HK-2细胞

分组信息:对照组(Con)、模型组(Model)和丁酸钠组(NaB)

拜谱提供技术:网络药理学检测






思路流程图




Food Chem Toxicol |网络药理学揭示草酸钙肾结石氧化应激和炎症损伤机制




研究结果




研究人员首先构建大鼠模型,通过生理生化指标和组织病理学染色等研究手段发现丁酸可以减少CaOx模型大鼠肾CaOx晶体的形成和损伤,改善CaOx模型大鼠的炎症损伤和氧化物质的过度表达。此外,丁酸还可抑制草酸诱导的HK-2细胞损伤、氧化应激和细胞凋亡。

为探究丁酸结构和靶基因网络,研究人员从PubChem获取丁酸和丁酸酯的二维和三维结构(图1A)。通过PharmMapper数据库和Uniprot数据库处理后共筛选出118个丁酸靶基因供进一步分析。将基因列表导入STRING数据库,进行PPI网络分析。Cytoscape给出了排序的前20的枢纽靶基因的详细网络图,包括CYP2C9、CASP3、MAPK14、ALB、HRAS、ABL、RARA、RARG、RXRB、PRKACA、NOS3、SRC、MMP9、KDR、HSP90AA1、HPGDS、GSTA3、GSTA1、GSR和GSTM2(图1B)。这些枢纽基因与网络中的其他基因均表现出一定的相关性,说明这些基因可能发挥着协同作用。GO和KEGG分析揭示了丁酸枢纽基因的相关途径和生物学功能(图1C)。枢纽基因主要与类固醇激素应答、氧化应激应答、活性氧细胞对类固醇激素刺激的反应以及对酸性化学物质的反应有关。综上所述,这些枢纽基因主要参与了氧化应激和对活性氧的生物反应过程,是肾结石形成机制中至关重要的途径,这表明丁酸可能在肾结石中发挥重要作用。

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图1| 丁酸结构与靶基因网络分析

(图源:Zijian Zhou., et al., Food Chem Toxicol., 2023)


为进一步探索丁酸对CaOx肾结石的确切靶基因,研究人员利用GEO数据库对GSE73680中健康对照与CaOx肾结石患者的基因差异进行了研究。对照组与CaOx结石患者的显著性差异表达基因(DEGs)筛查标准为P < 0.05、|log2(FC)| > 1。共筛选到3783个基因发生显著变化,其中3379个(89.4%)基因表达上调,404个(10.6%)基因表达下调(图2A)。对DEGs进行聚类分析,热图显示了前10个被选中DEGs的二维分层聚类特征(图2B)。随后,研究人员通过GeneCards数据库人工鉴定了370个可能与CaOx肾结石相关的基因,排名前20位的预测基因及其相关性评分如图2C所示。为了找到丁酸治疗CaOx肾结石的关键靶点,研究人员将PharmMapper中的丁酸靶点、GEO中的DEGs和GeneCards中的CaOx肾结石相关基因处理得到了一个Venn图。最终,CYP2C9被确定为丁酸影响CaOx肾结石的潜在靶点(图2D)。此外,研究人员还进行了丁酸与CYP2C9的分子对接,CYP2C9的三个氨基酸残基ASN-474、LYS-48和GLY-46与丁酸相互作用,氢键能为4.2 kcal/mol(图2E)。

在利用网络药理学预测CYP2C9是丁酸影响CaOx肾结石的靶基因后,研究人员还通过细胞实验证实了CYP2C9可降低草酸诱导的HK-2细胞的ROS水平、炎症损伤和凋亡。

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图2| 多数据库联合分析预测CYP2C9是丁酸作用于CaOx肾结石的靶基因

(图源:Zijian Zhou., et al., Food Chem Toxicol., 2023)







研究结果




本研究首先发现丁酸在体外和体内均能抑制CaOx肾结石模型的氧化应激和炎症损伤,随后通过网络药理学筛选得到丁酸影响CaOx肾结石的潜在靶点——CYP2C9,最后通过细胞实验证实CYP2C9在草酸盐诱导的HK-2细胞ROS水平、炎症损伤和凋亡。这些发现表明丁酸可能通过抑制CYP2C9来抑制CaOx肾结石的氧化应激,减轻炎症损伤。这一过程中拜谱生物提供了网络药理学技术服务,此外拜谱生物可提高成熟完善的基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学产品及技术服务,欢迎致电咨询!




参考文献:Zhou Z, Zhou X, Zhang Y, Yang Y, Wang L, Wu Z. Butyric acid inhibits oxidative stress and inflammation injury in calcium oxalate nephrolithiasis by targeting CYP2C9. Food Chem Toxicol. 2023 Aug. doi: 10.1016/j.fct.2023.113925.



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