BMC Oral Health：姜黄素治疗牙周炎的潜在机制研究
2023-07-12 医路坦克 MedSci原创 发表于上海
姜黄素是一种广泛使用的古老化合物，据报道具有治疗牙周炎的作用。然而，其活动的确切机制尚不清楚，本研究旨在通过计算模拟来揭示姜黄素治疗牙周炎的潜在作用机制。
牙周疾病包括广泛的炎症问题，这些问题会损害牙齿的支撑成分（即牙龈、骨骼和牙周韧带）。牙周病是影响全世界数百万人的最常见的长期口腔疾病，其中包括欧洲和美国76%的人口。牙周疾病的分类在2018年进行了更新，许多全身和局部改变与牙周疾病有关。其中以牙周炎最为典型，牙菌斑是其主要病因。传统上，牙周炎的治疗侧重于非手术干预(例如，刮治和牙根规划结合抗生素的应用)，这无疑可以显著改善患者的口腔状况。
长期以来，人们一直担心这些治疗方法的局限性。如Tomasi等研究发现，深层牙周袋和复杂的牙根解剖结构可能导致较差的临床结果。
此外，由于抗菌素耐药性是全球公共卫生的重大威胁，牙科中抗生素的过度使用正在引起争论。宿主调节疗法、激光疗法和组织工程用于组织修复和再生是目前正在研究的新治疗技术。与此同时，天然产品因其似乎问题较少而成为患者和临床医生更受欢迎的选择。其中，姜黄素是过去50年来在半个亚洲的传统医学中使用的多种天然提取物中的一种成分。
姜黄素已被推荐作为牙周炎非手术牙周治疗的辅助治疗，但其分子机制尚不清楚。姜黄素已用于许多类型的传统药物制剂中，由于其有益的副作用和易于获得，它很可能很容易在治疗中被利用。通过阐明可能的作用机制，我们希望这将导致更有针对性，从而更有效地应用这些治疗方法。此外，对姜黄素参与的相互作用进行建模可以导致特定的分子修饰，从而增加其与最重要伙伴的结合，从而在(不久的)将来开发新的治疗方法。因此，在本研究中，我们旨在将单细胞分析与大量转录组数据相结合，以揭示姜黄素在牙周炎中的潜在靶点。
图1:GSE10334和GSE16134数据集中与牙周炎相关的共同差异表达基因(CDEGs)的鉴定和富集分析。A-B火山图分别显示GSE10334和GSE 16134数据集中DEGs的上调和下调。维恩图显示了数据集之间cdeg的数量。GSE10334和GSE 16134数据集中DEGs的D-E功能富集分析
图2:单细胞分析结果及其在确定姜黄素治疗牙周炎关键靶点中的应用。健康个体和牙周炎样本中特定细胞类型的集群。B柱状图显示个体和牙周炎样本中每种细胞类型的分布。可以观察到两者之间的明显差异。C)维恩图，展示了从大量RNAseq和单细胞分析中的标记基因中提取的deg的交集，以及姜黄素分子的验证目标。D一个互动网络，显示了丰富的GO术语和KEGG途径，具有统计学意义。蓝色的节点代表基因，红色的节点代表富集的GO项和KEGG通路
图3 FOS、CXCL1、CXCL8和IL1B作为姜黄素治疗牙周炎炎症免疫和细菌耐药的候选靶点被过滤掉。从上一步选择的重叠基因的初级PPI网络。黑色的节点代表我们输入到GeneMANIA系统的蛋白质编码基因，灰色的节点代表系统输入的蛋白质编码基因。黄色部分的节点通过MCODE算法被归为同一类，得分为10.2。同样，蓝色的节点也被分类到得分为3的集群中。B文本中提到的第一个mcode定义的簇。C文中提到的第二个由mcode定义的集群。D第一簇成员的GO项和KEGG通路的功能富集分析
目标候选分子对接。A-D分别为FOS、CXCL1、CXCL8和IL1B结合物的3D模型和2D可视化
图5 分子动力学模拟。A在分子动力学模拟过程中，均方根偏差(RMSD)图在100ns内。B 100ns分子动力学模拟的均方根波动(RMSF)图。C 100ns分子动力学模拟中选择的重要蛋白质-配体接触点
材料和方法：单细胞分析使用从Gene Expression Omnibus (GEO)数据库中筛选的数据集(即GSE164241)，通过R软件包“Seurat软件包”进行。大量RNA测序数据来自GSE10334和GSE16134，并使用R包Limma进行处理。然后，将单细胞转录组中的标记基因与整体转录组中的差异表达基因(differential expression genes, DEGs)进行整合。京都基因与基因组百科全书(KEGG)和基因本体(GO)分析也揭示了它们的功能。从它们的蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络拓扑结构中挖掘关键靶点。随后进行分子对接。对排名靠前的位姿进行了分子动力学模拟，以研究对接结果的稳定性。
结果：FOS、CXCL1、CXCL8和IL1B经过一系列筛选后被过滤。分子模拟结果表明，除IL1B外，其余小鼠的Vena Scores均超过-5 kcal/mol。此外，分子动力学模拟表明，cxcl8-姜黄素复合物的结合在整个100 ns模拟过程中是稳定的。
结论：本研究揭示了CXCL1、FOS和CXCL8与姜黄素分子的结合模式，这些结合模式相对稳定，尤其是CXCL8，阻碍了其作为姜黄素治疗牙周炎关键靶点的潜力。
文献来源：
Huang X, Liu Y, Wang Q,Brief literature review and comprehensive bioinformatics analytics unravel the potential mechanism of curcumin in the treatment of periodontitis.BMC Oral Health 2023 Jul 08;23(1)
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