題目：通過網(wǎng)絡毒理學和分子對接策略高效預測聚乳酸引起的炎性骨溶解

英文名：The efficient prediction of inflammatory osteolysis caused by polylactic acid through network toxicology and molecular docking strategy

雜志：Ecotoxicology and Environmental Safety

影響因子：6.2

發(fā)表時間：2025年2月12日

研究背景：聚乳酸（PLA）作為一種生物塑料，因其生物相容性、適應性和經(jīng)濟性被廣泛應用于骨組織工程。然而，PLA的毒理學研究仍有限，其水解產物可能通過誘導炎癥反應導致炎性骨溶解，最終使骨組織再生失敗。

研究思路：本研究通過結合網(wǎng)絡毒理學和分子對接技術，系統(tǒng)探討PLA誘導炎性骨溶解的潛在分子機制。首先基于PLA的分子結構進行網(wǎng)絡毒理學評估，整合篩選多個數(shù)據(jù)庫中的靶點，構建靶點相互作用網(wǎng)絡圖。通過GO/KEGG富集分析明確PLA可能通過的代謝途徑及與癌癥、脂質和動脈粥樣硬化相關的通路。進一步利用STRING和Cytoscape軟件篩選出25個核心靶點。最后，通過分子對接驗證PLA與核心靶點的結合能力。

圖1

研究結果：

1、初始網(wǎng)絡評估PLA毒性

為獲取PLA毒性特征，整合了根據(jù)PLA分子結構的軟件工具輸出結果。通過SwissADME數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)PLA分子量為90.03，有3個氫鍵受體和2個氫鍵供體，表明PLA具有良好的生物活性，有潛力用于藥物設計。預測毒性結果顯示，PLA具有皮膚致敏（0.304）、人肝毒性（0.334）和耳毒性（0.349）。這些結果表明，盡管PLA被認為是環(huán)保型增塑劑，但仍可能對人類健康構成潛在風險。

2、 確定PLA誘導炎性骨溶解靶點

為全面收集PLA靶點，整合了來自PharmMapper和SwissTargetPrediction數(shù)據(jù)庫的150個預測靶點。從GeneCards和OMIM數(shù)據(jù)庫篩選出11078個與炎性骨溶解高度相關的靶點。將PLA靶點與炎性骨溶解相關的人類基因進行映射，經(jīng)過去重后，確定了126個與PLA誘導炎性骨溶解相關的潛在靶點，并以維恩圖形式直觀展示（圖2）。

圖2

3、靶點相互作用網(wǎng)絡及核心基因獲取

為進一步揭示潛在靶點之間的相互作用，通過STRING平臺獲得了一個PPI網(wǎng)絡。結果顯示，共有243條邊和130個節(jié)點，平均節(jié)點度值為3.74。此外，構建了一個優(yōu)化的PPI網(wǎng)絡圖，以分析網(wǎng)絡節(jié)點的拓撲性質，其中每個鏈接代表蛋白質之間的相互作用，每個節(jié)點代表一個靶點。在PPI網(wǎng)絡圖中，度值highest的節(jié)點標記為深紅色，度值越低顏色越淺。節(jié)點大小表示連接數(shù)（圖3A）。進一步構建了由25個核心靶點組成的PPI網(wǎng)絡圖，以展示這些核心靶點之間的相互作用（圖3B）。有趣的是，根據(jù)度值排名前五的基因包括熱休克蛋白90alpha家族A類成員1（HSP90AA1）、絲氨酸/蘇氨酸激酶1（AKT1）、原癌基因酪氨酸激酶SRC（SRC）、信號轉導和轉錄激活因子1（STAT1）和酪氨酸蛋白激酶FYN（FYN），這些基因被認為在多種細胞功能中發(fā)揮重要作用。

圖3

4、GO和KEGG富集分析

為檢測PLA對炎性骨溶解的126個靶點的生物學特征，通過DAVID數(shù)據(jù)庫進行GO和KEGG分析。根據(jù)錯誤發(fā)現(xiàn)率（FDR）<0.05的標準，GO分析共生成103個顯著條目，涉及39個生物過程（BP）、29個細胞組分（CC）和35個分子功能（MF）。選擇了BP、CC和MF中FDR得分minimum的前10個條目來繪制GO富集分析圖（圖4A-B）。結果表明，PLA可能通過多種激酶和肽酶活性，以及細胞外囊泡、細胞質和線粒體中的ATP結合和酶結合來實現(xiàn)膠原蛋白降解和磷酸化，從而導致炎性介導的骨丟失。此外，KEGG分析篩選出55個特殊信號通路。選擇了FDR值minimum的前20個信號通路來生成分類直方圖和氣泡圖（圖4C-D）。結果表明，與PLA誘導炎性骨溶解相關的靶點的主要通路也與代謝通路、癌癥通路、脂質和動脈粥樣硬化密切相關，以及由胰島素、ras、雌激素、松弛素和催乳素等不同分子誘導的信號傳導。

圖4

5、PLA-基因-通路PPI網(wǎng)絡

為了更直觀地闡明PLA誘導炎癥骨溶解的相互作用關系和潛在機制，構建了一個包含PLA、核心靶點和前5條KEGG信號通路的PPI網(wǎng)絡圖，以評估PLA引起的炎癥骨溶解。結果顯示，PLA誘導炎癥骨溶解的核心靶點可能激活癌癥和代謝通路，以及脂質和動脈粥樣硬化通路（圖5）。值得注意的是，炎癥骨溶解與前列腺癌之間似乎存在有趣的關聯(lián)性，這在潛在基因和核心基因中都很明顯，表明前列腺組織可能對PLA暴露造成的潛在損害敏感。

圖5

6、 PLA與炎癥骨溶解核心靶點蛋白的分子對接

為了研究PLA與其核心靶點（HSP90AA1、AKT1、SRC、STAT1和FYN）的親和力，進行了分子對接分析。結果表明，PLA形成了明顯的氫鍵，并顯示出低結合能。令人驚訝的是，所有五個靶點與PLA的結合能均小于0，表明PLA能夠自發(fā)地與每個核心靶點結合（圖6）。這些結果澄清了PLA與所有五種蛋白質的結合高度穩(wěn)定，表明它們在PLA誘導炎癥骨溶解的分子機制中起著關鍵作用。

圖6

7、PLA在誘導炎癥過程中對核心靶點表達的調控

為了驗證PLA降解對MC3T3的真實影響，進行了相應的各種檢測。通過CCK8檢測，結果顯示當PLA用量在100mg/mL以內時，MC3T3的細胞活力未受到顯著影響（圖7A）。因此，選擇100mg/mL作為后續(xù)實驗的安全濃度。此外，為了確定PLA降解誘導的炎癥是否與核心基因相關，進行了RT-qPCR和WB檢測。結果顯示，PLA提取液上調了Hsp90aa1基因表達，同時增加了包括Il-1β和Tnf-α在內的炎癥因子的mRNA水平（圖7B-D）。此外，PLA誘導的炎癥增加了Src的磷酸化水平，而降低了Akt的磷酸化水平（圖7E-G）。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明核心靶點Hsp90、Akt和Src在PLA誘導的炎癥中起著關鍵作用。

圖7

總結：本研究利用網(wǎng)絡毒理學和分子對接、外加細胞驗證，揭示了PLA誘導炎性骨溶解的潛在生物機制。網(wǎng)絡毒理學的文章門檻還不高，本文可模仿性非常高，傲星生物深耕生信分析十余載，有豐富的實驗方案、完善的下游驗證、機制研究服務，一對一專屬服務為您排憂解難，助您輕松應對畢業(yè)和晉升！