本期分享一篇中南大學今年發表在Computational and Structural Biotechnology Journal 雜志（影響因子6.018)上的論文《結合代謝組學和網絡藥理學揭示羥基紅花黃色素A抗急性顱腦損傷的機制》。
回復HSYA, 獲取論文原文。
外傷性腦損傷(Traumatic brain injury，TBI)已成為世界范圍內導致死亡、發病和殘疾的主要原因。羥紅花黃A (hydroxysafflor yellow A，HSYA)是治療腦外傷的有效藥物，但其潛在機制有待進一步研究。
此研究的目的是通過代謝組學和網絡藥理學相結合的綜合策略揭示HSYA抗急性腦外傷的機制。建立控制性皮質沖擊(controlled cortical impact, CCI)大鼠模型，評估神經功能。采用腦組織代謝組學方法鑒定差異代謝物，代謝分析工具富集代謝通路。然后，應用網絡藥理學方法，挖掘出HSYA抗腦外傷的潛在靶點。用Cytoscape構建代謝組學與網絡藥理學的集成網絡。最后，對得到的關鍵靶標進行分子對接驗證。
研究發現，HSYA能減輕腦外傷的神經功能障礙，且15種潛在的重要代謝物參與了HSYA對急性腦外傷的治療作用。這些代謝物大部分在HSYA治療后被調節恢復。根據網絡藥理學，發現了10個中樞基因，這與代謝組學的發現部分一致。進一步的綜合分析集中于4個關鍵靶點，包括NOS1、ACHE、PTGS2和XDH，以及它們相關的核心代謝產物和通路。分子對接顯示關鍵靶點與HSYA具有較高的親和力。在皮質和海馬區域特異性代謝改變被闡明。
本研究揭示了HSYA抗急性腦外傷的復雜機制，提供了一個新的范式，以確定從天然化合物衍生的藥理作用的潛在機制。
一、研究路線
研究路線見圖1。 通過腦組織代謝組學分析HSYA抗TBI的機制(第1部分)，通過網絡藥理學提取Hub基因(第2部分)，根據第1部分和第2部分鑒定關鍵代謝產物和靶點并進行關聯。通過分子對接(第三部分)進一步驗證關鍵靶點。
二、藥效學實驗：HSYA治療可改善CCI大鼠的神經功能障礙
對CCI大鼠用藥第0、1和3天神經行為評分(A)和體重變化(B)，顯示HSYA治療可改善CCI大鼠的神經功能障礙（圖2）。
三、 代謝組學實驗：HSYA治療可以減少代謝紊亂
應用1260 infinity高效液相色譜(Agilent, CA, USA)和Q-Exactive MS/MS (Thermo, MA, USA)進行代謝組學實驗。
設定閾值為VIP > 1和q < 0.05，第1天和第3天，假手術組和CCI組皮層中分別識別到26和33個差異代謝物; HSYA組和CCI組在第1天和第3天分別識別到18和25個差異代謝物。第1天和第3天，sham組和CCI組海馬中分別有18和15個差異代謝物; HSYA組和CCI組在第1天和第3天分別有22和25個差異代謝物。
Fig4C, D顯示，在CCI組發生改變的代謝物，在HSYA組大部分發生了逆轉，說明HSYA治療可以減少代謝紊亂。
將HSYA處理后在皮層和海馬中差異表達的代謝物分別輸入MetaboAnalyst分析，得到影響的通路見圖5。
四、網絡藥理學分析：識別關鍵代謝物、通路和靶標
首先用BATMAN-TCM平臺對HSYA進行初步分析，發現腦損傷是HSYA治療的相關疾病之一。此外，在BATMAN-TCM預測發現HSYA的靶標富集了代謝組學分析中的11條通路，其中5條通路受到顯著影響（調整后的p值< 0.05）(圖5紅色字體通路)。驗證了代謝組學中通路分析的準確性。
進一步的網絡藥理學分析的步驟和結果如下：
(1)以 ''traumatic brain injury”為關鍵詞，在OMIM, TTD， TCMSP， genecards數據庫搜索TBI的潛在靶點
(2) 用STITCH, SwissTargetPrediction, ChemBL, BATMAN-TCM獲取HSYA的潛在靶點
（3）將(1)和(2)的靶點求交集，獲得41個基因，這41個基因被看作是HSYA抗TBI的潛在靶點。
（4）用string和Cytoscape 3.7.2構建了41個基因之間的蛋白-蛋白相互作用(PPI)網絡（圖6A）。在Cytoscape中使用CytoHubba獲得網絡的10個樞紐基因（ache, app, ptgs2, gria1, htr3a,nos1, mtor, gsr, maob, htr1b)。
（5）用Cytoscape軟件的ClueGO APP識別潛在靶點富集的KEGG通路（圖6B) 和GO term(圖6C）。
（6）將代謝組學中鑒別出的差異代謝物導入Cytoscape的MetScape App中，構建化合物-反應-酶-基因網絡 （圖7）。
（7）結合化合物-反應-酶-基因網絡、中樞基因、代謝通路，識別關鍵代謝產物和蛋白質。將HSYA抗TBI的潛在靶點與化合物-反應-酶-基因網絡中的基因進行匹配，發現了4個關鍵靶點，包括NOS1、ACHE、PTGS2和XDH（圖7)。關鍵代謝物、靶標、通路見表2.
四、分子對接：驗證關鍵靶標
用分子對接驗證了3個關鍵靶標ACHE, NOS1, PTGS2與HSYA的結合（圖8）。
評論：本文是將代謝組學實驗與網絡藥理學研究結合的一個良好范例。
參考文獻：
Teng Li, Wei Zhang, En Hu, Zhengji Sun, Pengfei Li, Zhe Yu, Xiaofei Zhu, Fei Zheng, Zhihua Xing, Zian Xia, Feng He, Jiekun Luo, Tao Tang, Yang Wang,Integrated metabolomics and network pharmacology to reveal the mechanisms of hydroxysafflor yellow A against acute traumatic brain injury,Computational and Structural Biotechnology Journal,Volume 19,2021,Pages 1002-1013。
