2023年12月7日发(作者:)

中华眼底病杂志2016年11月第32卷第6期ChinJOeulFundusDis,November2016,V01.32,No.6591・眼底疾病基因、干细胞研究・基于基因表达芯片和连接网络技术筛选干预缺氧诱导视网膜血管内皮细胞模型的小分子化合物研究聂川张亮王俊平王越张春一罗先琼511442广州,广东省妇幼保健院新生儿科通信作者:罗先琼,Email:luoxqgz@126.cornDOI:10.3760/cma.j.issn.1005—1015.2016.06.007【摘要】目的利用基因表达芯片技术和连接网络(CMAP)技术筛选干预缺氧诱导视网膜血管内皮细胞模型的小分子化合物和药物。方法将前期研究获取的CoClz诱导的缺氧人胚视网膜微血管内皮细胞模型中包括上调和下调的326个差异表达基因建立成查询签名格式文件,进入CMAP。通过疾病特征性差异基因谱与CMAP中的对照基因表达谱之间的逐一比对,获取正相关和负相关的小分子化合物和药物。进一步检索文献,了解其作用机制,对照早产儿视网膜病变(ROP)的发病机制,筛选与ROP正相关或负相关的化合物。结果差异表达基因CMAP检索发现,44种小分子化合物和药物与ROP存在正相关;18种小分子化合物和药物与ROP存在负相关。文献检索发现,环吡酮胺、CoCIz、棉酚和醉茄素A与ROP有正相关;环腺苷酸、去甲骆驼蓬碱、柚皮甙和丙磺舒与ROP有负相关。结论环吡酮胺、CoCI:、棉酚和醉茄素A与ROP有正相关;环腺苷酸、去甲骆驼蓬碱、柚皮甙和丙磺舒与ROP有负相关。【关键词】早产儿视网膜病/预防和控制;基金项目:国家自然科学基金(71173055)中图分类号:R774.1R394.3基因表达;预测;计算生物学ScreenofcompoundsZhangaffectingthehypoxiainduced-geneexpressionofretinalendothelialcellsNieChuan,Liang,WangJunping,WangYue,ZhangChunyi,LuoXianqiongNeonateDepartment,GuangdongMaternalandChildHealthHospital,GuangzhouCorrgspotzdi挖gauthor:LuoXianqiong,Email:luoxqgz@126.com511442,China[Abstract]ObjectiveMethodsToscreenoncompoundsgeneordrugscanaffectthehypoxiainduced—geneexpressionofretinalvascularendothelialcellbasedexpressionmicroarraysandconnectivitymap(CMAP)technology.Totally326up—regulatedanddown-regulatedgenesofhypoxichumanembryonicretinalmicrovascularendothelialcellsminducedbycobaltchlorideinthepreviousstudywereconvertedintoquerysignatureformatdocuments.GeneprofileofthediseasecharacteristicswasthencomparedwiththatofcontrolinCMAPwebsitedatabase,positiveandnegativecompoundsrelatedout.Results44toretinopathyofprematurity(ROP)werefinallyscreenedand18compoundsordrugshavepositiveandnegativerelationshipwithROPrespectivelybychloride,gossypolandsearchingCMAPdatabasewithdifferentiallyexpressedgenes.Ciclopirox,cobalteffectROP.ConclusionswithaferinAhavepositiverelationshipwithROP.Cyclicadenosinemonophosphate,harmalol,naringinandprobenecidhavehavehaveaaanegativeononCiclopirox,cobaltchloride,gossypolandwithaferinApositivenegativeeffecteffect.ROP.However,cyclicadenosinemonophosphate,harmalol,naringinandprobenecid[Keywords]Retinopathyofprematurity/prevention&control;Geneexpression;Forecasting;ComputationalbiologyFundprogram:NationalNaturalScienceFoundationofChina(71173055)早产儿视网膜病变(ROP)的发病初期病理基础是视网膜血管生成抑制,缺血、缺氧可抑制视网膜血管生成并成为ROP发病的主要病因之一[1]。目前ROP的治疗主要集中在氧浓度控制、抗氧化治疗、环氧化酶抑制剂、普萘洛尔、血管生成抑制因子等方面,但多数药物疗效存在争议且无明确结论‘2。。近年随着分子生物学技术的发展,已经可以利用基因芯片技术对疾病的基因谱表达进行分析。Lamb等‘33在2006年建立了万方数据中华眼底病杂志2016年11月第32卷第6期ChinJOeulFundusDis,November2016,V01.32,No.6在体外培养并采用小生物活性分子处理后的人体细胞基因表达谱的查询数据库,也被称为连接网络(CMAP),目前已收录超过7000个基因表达谱以及与其相关的1309种小分子化合物和药物。该数据库可通过基因表达谱的改变探索化合物的分子效果是与基因表达的作用相似或相反而用于药物的研发,已广泛应用到肿瘤靶向基因小分子替代物筛选、基于临床数据和网络模块化的新药物适应证预测、精确医学药物研发、利用基因表达谱聚类分析阐明天然药物药理机制等方面的研究[。…。但目前利用此数据库进行眼科疾病与小分子物质之间关系的研究尚少。本研究旨在利用基因表达芯片技术和CMAP技术预测可能对R()P有干预效果的小分子化合物,为ROP干预药物的研制提供相关理论基础。现将结果报道如下。1材料和方法将326个差异表达基因建立成查询签名格式文件,进入CMAP网站(http://WWW.broad.mit.edu/cmap/)。通过疾病特征性差异基因谱与CMAP中的对照基因表达谱之间的逐一比对.得到正相关和负相关的小分子化合物或药物和药物。将结果按connectivityscore强度进行排序,正相关取>0.7,负相关取<一0.7,筛选出正负相关的小分子化合物和药物。数据库白行计算出P值,值越小代表富集越显著。得分:由perturbagen中所有实例的关联系数综合计算出的富集关联系数,范围一l~+1。获得负分数的小分子化合物和药物表示与某一特殊的生物过程或状态有相反或拮抗的联系;获得正分数的小分子化合物和药物则表示与这些小分子化合物和药物有类似的作用机制。得分>O.7可能与ROP正相关;得分<一0.7可能与ROP负相关。特异性:评估perburbagen和差异基因集(signatureofinterest)之间关联系数唯体外培养的人胚视网膜血管内皮细胞采用CoCl。处理,建立视网膜血管内皮细胞缺氧模型,模拟ROP病理改变。双色微阵列法分析差异基因表达,微阵列显著分析(SAM)软件筛选差异表达基因,荧光定量逆转录聚合酶链反应,基因分类法进行基因功能富集分析。Featureextraction软件获取并分析数据,得出基因差异倍数,按差异倍数上调≥2.0倍,差异倍数下调40.5进行聚类。结果筛查出326个差异表达基因,其中上调基因198个,下调基因128个(图1)旧J。本研究利用已发现的326个差异表达基因,进行后续CMAP研究。一性值,值越小越好,值越大说明被研究的小分子化合物和药物有多种生物效应。将筛选出的小分子化合物和药物进行文献检索,检索数据库为美国国立医学图书馆PubMed、中国期刊全文数据库。搜寻相关文献,对照R()P发病机制,了解其在抗氧化治疗、环氧化酶抑制剂、血管生成抑制等方面作用机制,确定与ROP正相关或负相关的化合物。2结果差异表达基因CMAP检索发现,44种小分子化合物和药物与之存在正相关(表1);18种小分子化合琶o三≈三暑物与之存在负相关(表2)。文献检索发现,44种存在正相关的小分子化合物和药物中,环吡酮胺、CoCll、棉酚和醉茄素A等4种化合物和药物可能与R()P存在正相关;18种存在负相关的小分子化合物中,环腺苷酸、去甲骆驼蓬碱、柚皮甙和丙磺舒等4种化合物可能与R()P存在负相关。3讨论R()P的发病机制通路主要包望:望三望:望:~.L∽\.∽\卜.寸∽\.L.∽望善;_言_言呼言_言I言荔i罱i葛i器i器ii;;;。r-q磊罱葛]拐@图1人胚视嘲膜血管内皮细胞基因表达染色交换热图。lA.配时的人胚视刚膜血管内皮细胞(对照组)样本监督聚类分析,显示有15400个基因信号强度大于800;1B.与对照组比较.视网膜血管内皮细胞缺氧模型可见326个差异表达基因,其中上调基因198个,下调基因128个。红色表示上调基因,绿色表示下调基因括缺氧、氧化应激、炎症以及生后发育迟缓,其中低氧、氧化应激和炎症往往相互作用,影响血管生长从而导致ROPE”13]。另有研究发万方数据中华眼底病杂志2016年11月第32卷第6期ChinJOculFundusDis,November2016,V01.32,No.6593现高碳酸血症、酸中毒、系统感染也参与ROP的发病u4|。由于ROP的人体视网膜标本难以获取,而鼠类动物模型的基因和人类不完全相同,因此通过缺氧诱导的ROP动物模型而获取的基因表达谱改变不能完全反映人类ROP基因改变。石文静等u副发现与正常小鼠相比,缺氧诱导的视网膜病变动物模型小鼠有表1排序1234567891347个差异基因表达,并呈现出12类不同表达差异变化模式。Tea等[163发现SpragueDawley新生大鼠视网膜疾病模型中,差异基因表达251个。CoClz是一种常用的化学性低氧模拟剂,能诱导多种细胞产生缺氧性损伤,导致细胞存活率降低和细胞凋亡。我们前期研究采用CoCl。诱导视网膜血管内皮细胞缺氧,CMAP筛选出与ROP正相关的小分子化合物和药物得分0.9980.9820.9770.9490.9410.9380.9330.9330.930小分子化合物和药物P值环吡酮胺(ciclopirox)0.00000相关性0.00000.00000.00000.1287功能抗真菌药表皮生长因子受体(EGFR)抑制剂组蛋白去乙酰化酶抑制剂抗高血压药诱导细胞缺氧钙调素结合蛋白抑制剂男用避孕药紫铆因(butein)0.000Scriptaid620.0000400苯氧苄胺(phenoxybenzamine)0.000卡米达佐(calmidazolium)0.007STOCKlN一35215COCl2(cobaltchloride)0.00026550.00000.0730.0000.0007000.000500048棉酚(Gossyp01)0.000N一({5一r(1E)一N—carbamoylethanehydrazonoyl]一0.0093一thienyl)methyl)一2一ehloroacetamide0.098010ll121314洛莫司汀(10mustine)0.000醉茄素A(withaferin0173570—0000060.9i00.8800.8640.8640.8620.0353抗肿瘤药可以缓解肌肉萎缩,可以抑制血管和肿瘤生长抗生素类药A)0.00028650。07900.0620.0110.307543利福布汀(rifabutin)0.004N—l4一(3一OXO~3一phenylprorphenyll一2.2一diphenylaeetamide0.000021一en一1一y1)0.038871516171819202122232425依他尼酸(etacrynicacid)0.0060951558770.00072840.853O.8500.8460.8450.8430.8380.8260.8180.8110.7980.7890.02070.0180.0670.2040.0260.0960.041884345利尿药免疫抑制剂,抗增生,抗肿瘤药止血药抗病毒药抗肿瘤药司莫司汀(semustine)0.000曲氟尿苷(trifluridine)0.000甲萘醌(menadione)0.048459902巯嘌呤(mercaptopurine)0.05357078850297417一OOOZB0.0110.00145920.11580.0410.0000.092208硫鸟苷(thioguanosine)0.00241F0447—01250.003180.08969二十二碳六烯酸乙酯(docosahexaenoicacidethylester)262一chloro—N一(2一nitrophenyl)ylsulfonyl)benzamide5一(piperidin一1—0.090500.7880.0904272829硫链丝菌素(thiostrepton)0.004500.7790.7750.7690.08820.042O.15578抗感染药免疫抑制剂,抗增生治疗牛皮癣,免疫抑制剂,治疗原虫疾病,抗炎药,抗肿瘤药抗过敏药,免疫调节剂抗肿瘤药,抗感染药蛋白脱乙酰酶(HDAC)抑制剂,治疗皮肤T淋巴细胞瘤(ZOI。INZA@)曲古柳菌素(trichostatina)0.000000.02458麦考酚酸(mycophenolicacid)303132色甘酸(eromoglieieacid)0.112850.030670.000000.7640.7510.7500.1060.1870.170959阿扎胞苷(azacitidine)伏立诺他(vorinostat)NU—1025333435363738394041424344O.137220.0356l0.009490.00294chloride)0.000850.010480.04252O.011960.014120.7380.7370.7360.7360.7360.7300.7220.7220.7120.7100.7040.7020.1349利舍平(reserpine)苄普地尔(bepridil)奋乃静(perphenazine)0.07360.0940.05647抗高血压药抗心律失常药,抗肿瘤镇定剂甲苄索氯铵(methytbenzethonium丙米嗪(imipramine)0.01570.0229O.3180.0060.221256消毒防腐药抗抑郁药抗肿瘤药(结直肠癌新药)抗炎药抗肿瘤、细菌药,平滑肌松弛剂甲状腺激素及抗甲状腺药降血脂药伊立替康(irinotecan)氟米龙(fluorometholone)小白菊内酯(parthenolide)碘塞罗宁(1iothyronine)DO0.014560.050720.04200.1225897/99氯贝丁酯(clofibrate)0.177060.1394万方数据594中华眼底病杂志2016年11月第32卷第6期ChinJOculFundusDis,November2016,V01.32,No.6表2CMAP筛选出与ROP负相关的小分子化合物和药物成功制备视网膜血管内皮细胞缺氧模型,使用芯片技术对其基因表达谱进行检测,结果发现326个差异表达基因,其中198个基因上调,128个基因下调[8],为本研究奠定了基础。CMAP是利用小分子药物处理人类细胞后的基因表达差异,建立的一个小分子药物、基因表现与疾病相互关连的生物应用数据库,可以协助研究者在药物开发领域上,快速利用基因表达谱数据比对出疾病高关联性的药物,推论大部分药物分子的主要化学结构,并能归纳出药物分子可能作用的机制方向[10|。Lamb等[3]、Yanni等[1妇成功利用该数据库探讨了阿兹海默症的治疗药物和四物汤的作用机制。2006年至今,该数据库已大量应用于肿瘤靶向基因小分子替代物筛选、新药物适应证预测、精确医学药物研发、阐明天然药物药理机制等方面,已成为公认的疾病一基因一药物开发技术平台口。7]。本研究通过CoCI。诱导的视网膜血管内皮细胞缺氧模型模拟ROP基因表达谱改变,导入CMAP中比对后筛选出44种正相关和18种负相关的小分子化合物和药物作用机制,并将所有化合物和药物作用机制进行文献检索,结果发现环吡酮胺、CoCl。、棉酚和醉茄素A等4种化合物和药物与ROP发病类似,主要是诱导细胞缺氧,血管生成,促进活性氧产生[17-19]。Linden等[173研究表明环吡酮胺能够诱导内源的缺氧诱导因子(HIF-1)靶基因的表达,保持HIF一1在低氧条件下的稳定性,抑制氧传感蛋白羟化酶的功能,并且发现环吡酮胺能够诱导血管内皮生长因子(VEGF)的转录,提高mRNA和蛋白质的水平,以及导致新生血管生成。本研究与Linden等[17]分析结果一致,从另一方面也证明了CMAP筛选结果的准确性。经CMAP筛选发现环腺苷酸、去甲骆驼蓬碱、柚皮甙和丙磺舒等4种化合物和药物与ROP负相关。负相关的化合物,理论上可以逆转基因表达,从而具有治疗疾病的作用。研究表明,环腺苷酸是多药耐药相关蛋白4的底物,在缺血性新血管形成中扮演重要角色[2叩;去甲骆驼蓬碱能够清除羟基自由基,具有突出的保护作用,能够显著增加细胞的存活率,减少突变的发生[2¨。Schindler和Mentlein[221对21种化合物抑制VEGF的分泌抑制乳腺癌细胞的增长能力进行测试,发现柚皮甙抑制能力最强;Keith等[23]研究表明丙磺舒是一种有机阴离子运输抑制剂,能够抑制细胞外的环腺苷酸进入视网膜色素上皮细胞内,进而抑制色素颗粒的聚合。CMAP技术可以协助快速利用基因表达谱数据比对出疾病高关联性的药物,本研究基于基因表达芯片技术和CMAP技术发现了与ROP正相关的4种化合物和药物环吡酮胺、CoCl:、棉酚和醉茄素A以及4种负相关小分子化合物和药物环腺苷酸、去甲骆驼蓬碱、柚皮甙和丙磺舒目前。但未见以上化合物和药物在动物模型或体外细胞模型的研究报道,将来有望万方数据中华眼底病杂志2016年11月第32卷第6期ChinJOeulFundusDis,November2016,V01.32,No.6595对其进行相关研究,为ROP防治药物研发提供理论依据。4参考文献[13][i]uddin0phthalmolVisiovs.09—3652.Sci,2009,50(11):5479-5486.DOI:10.1167/[12]HellstrOmA,HardAI,,EngstrOmE,eta1.Earlyweightgainpredictsretinopathyinpreterminfants:new,simple,efficientapproachtoscreening[J].Pediatrics,2009,123(4):638—645.speciesasDOI:10.154z/peds.2008—2697.Ushio—FukaiM,AlexanderRW.ReactiveoxygenM1,EvansSM。CraftJR,eta1.Invivoimagingofretinalamediatorsofangiogenesissignaling:roleofNAD(P)Hoxidasehypoxiainretinopathy[J/01.].SciRep。2016,6:31011[2016—08—05].http://www.nature.com/oxygen—inducedmodelof[J].Mol1-143QuimsoncurrentCellBiochem,2004,264(卜2):85—97.articles/srep31011.DOI:10.1038/srep31011.SK.Retinopathyofprematurity:pathogenesisandtreatmentoptionsJ1.NeonatalNetw,2015,34(5):284—[2]BeharryKD,ValenciaGB,I。azzaroDR,eta1.Pharmacologicretinopathyof287.DOI:10.189I/0730—0832.34.5.284.interventionsforthepreventionandtreatmentof[15]prematurity[J].Semin[3]Perinatol,2016,40(3):189—202.DOI:石文静,陈超,胡宝洋,等.新生小鼠视网膜病变的基因表达谱变化[J].中华围产医学杂志,2006,9(6):385—388.Shi10.1053/J.semperi.2015.12.006.I.amhJ,CrawfordED,PeckD,eta1.TheConnectivityusinggene—expressiongenes,andsignaturestoconnectWJ,ChenC,HuBY,eta1.ChangeofinmousewithPerinatgeneexpressionprofileMap:anditssignificanceoxygeninducedretinopathysmallmolecules,[J].ChinJ[16]Teadisease[J].Science,2006,313(5795):1929—1935.BA,Perez—SosaM,FogartyMed,2006,9(6):385—388.R,BreretonHM,eta1.Geneofexpressionthe[43BelizdrioJE,SangiulianoM,eta1.Usingmicroarrayanalysisearlyoxygen—inducedretinopathyinpharmacogenomicdatabasesfordiscoveringpatient—targetgenesrat[J].J[17]ciclopirox763.OculBiolDisInfor,2009,2(4):190—201.therapyl,J/OI。].FrontPharmacol,2016,7:312[2016—09—29].http://dx.doi.org/10.andsmallmoleculecandidatestocancerLindenT,KatschinskiolamineDM,EckhardtK,eta1.TheantimycoticHIF一1alphastability。VEGFinduces[5]3389/fphar.2016.00312.YuI。.MaX,ZhangI。,eta1.Predictionofnewdrugindicationsbasedonexpression,andangiogenesisl-J].FASEBJ,2003,17(6):761—AG,KrupyankostimulatesVI.Gossypolinclinicaldataandnetworkmodularity[J/0I,].SciRep,[183ArinbasarovainhibitsAY,Medentsevtransportand2016,6:32530[2016-09—28].http:/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