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题目：通过网络毒理学和分子对接策略高效预测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

杂志：Ecotoxicology and Environmental Safety

影响因子：6.2

发表时间：2025年2月12日

研究背景：聚乳酸（PLA）作为一种生物塑料，因其生物相容性、适应性和经济性被广泛应用于骨组织工程。然而，PLA的毒理学研究仍有限，其水解产物可能通过诱导炎症反应导致炎性骨溶解，最终使骨组织再生失败。

研究思路：本研究通过结合网络毒理学和分子对接技术，系统探讨PLA诱导炎性骨溶解的潜在分子机制。首先基于PLA的分子结构进行网络毒理学评估，整合筛选多个数据库中的靶点，构建靶点相互作用网络图。通过GO/KEGG富集分析明确PLA可能通过的代谢途径及与癌症、脂质和动脉粥样硬化相关的通路。进一步利用STRING和Cytoscape软件筛选出25个核心靶点。最后，通过分子对接验证PLA与核心靶点的结合能力。

图1

研究结果：

1、初始网络评估PLA毒性

为获取PLA毒性特征，整合了根据PLA分子结构的软件工具输出结果。通过SwissADME数据，发现PLA分子量为90.03，有3个氢键受体和2个氢键供体，表明PLA具有良好的生物活性，有潜力用于药物设计。预测毒性结果显示，PLA具有皮肤致敏（0.304）、人肝毒性（0.334）和耳毒性（0.349）。这些结果表明，尽管PLA被认为是环保型增塑剂，但仍可能对人类健康构成潜在风险。

2、 确定PLA诱导炎性骨溶解靶点

为全面收集PLA靶点，整合了来自PharmMapper和SwissTargetPrediction数据库的150个预测靶点。从GeneCards和OMIM数据库筛选出11078个与炎性骨溶解高度相关的靶点。将PLA靶点与炎性骨溶解相关的人类基因进行映射，经过去重后，确定了126个与PLA诱导炎性骨溶解相关的潜在靶点，并以维恩图形式直观展示（图2）。

图2

3、靶点相互作用网络及核心基因获取

为进一步揭示潜在靶点之间的相互作用，通过STRING平台获得了一个PPI网络。结果显示，共有243条边和130个节点，平均节点度值为3.74。此外，构建了一个优化的PPI网络图，以分析网络节点的拓扑性质，其中每个链接代表蛋白质之间的相互作用，每个节点代表一个靶点。在PPI网络图中，度值highest的节点标记为深红色，度值越低颜色越浅。节点大小表示连接数（图3A）。进一步构建了由25个核心靶点组成的PPI网络图，以展示这些核心靶点之间的相互作用（图3B）。有趣的是，根据度值排名前五的基因包括热休克蛋白90alpha家族A类成员1（HSP90AA1）、丝氨酸/苏氨酸激酶1（AKT1）、原癌基因酪氨酸激酶SRC（SRC）、信号转导和转录激活因子1（STAT1）和酪氨酸蛋白激酶FYN（FYN），这些基因被认为在多种细胞功能中发挥重要作用。

图3

4、GO和KEGG富集分析

为检测PLA对炎性骨溶解的126个靶点的生物学特征，通过DAVID数据库进行GO和KEGG分析。根据错误发现率（FDR）<0.05的标准，GO分析共生成103个显著条目，涉及39个生物过程（BP）、29个细胞组分（CC）和35个分子功能（MF）。选择了BP、CC和MF中FDR得分minimum的前10个条目来绘制GO富集分析图（图4A-B）。结果表明，PLA可能通过多种激酶和肽酶活性，以及细胞外囊泡、细胞质和线粒体中的ATP结合和酶结合来实现胶原蛋白降解和磷酸化，从而导致炎性介导的骨丢失。此外，KEGG分析筛选出55个特殊信号通路。选择了FDR值minimum的前20个信号通路来生成分类直方图和气泡图（图4C-D）。结果表明，与PLA诱导炎性骨溶解相关的靶点的主要通路也与代谢通路、癌症通路、脂质和动脉粥样硬化密切相关，以及由胰岛素、ras、雌激素、松弛素和催乳素等不同分子诱导的信号传导。

图4

5、PLA-基因-通路PPI网络

为了更直观地阐明PLA诱导炎症骨溶解的相互作用关系和潜在机制，构建了一个包含PLA、核心靶点和前5条KEGG信号通路的PPI网络图，以评估PLA引起的炎症骨溶解。结果显示，PLA诱导炎症骨溶解的核心靶点可能激活癌症和代谢通路，以及脂质和动脉粥样硬化通路（图5）。值得注意的是，炎症骨溶解与前列腺癌之间似乎存在有趣的关联性，这在潜在基因和核心基因中都很明显，表明前列腺组织可能对PLA暴露造成的潜在损害敏感。

图5

6、 PLA与炎症骨溶解核心靶点蛋白的分子对接

为了研究PLA与其核心靶点（HSP90AA1、AKT1、SRC、STAT1和FYN）的亲和力，进行了分子对接分析。结果表明，PLA形成了明显的氢键，并显示出低结合能。令人惊讶的是，所有五个靶点与PLA的结合能均小于0，表明PLA能够自发地与每个核心靶点结合（图6）。这些结果澄清了PLA与所有五种蛋白质的结合高度稳定，表明它们在PLA诱导炎症骨溶解的分子机制中起着关键作用。

图6

7、PLA在诱导炎症过程中对核心靶点表达的调控

为了验证PLA降解对MC3T3的真实影响，进行了相应的各种检测。通过CCK8检测，结果显示当PLA用量在100mg/mL以内时，MC3T3的细胞活力未受到显著影响（图7A）。因此，选择100mg/mL作为后续实验的安全浓度。此外，为了确定PLA降解诱导的炎症是否与核心基因相关，进行了RT-qPCR和WB检测。结果显示，PLA提取液上调了Hsp90aa1基因表达，同时增加了包括Il-1β和Tnf-α在内的炎症因子的mRNA水平（图7B-D）。此外，PLA诱导的炎症增加了Src的磷酸化水平，而降低了Akt的磷酸化水平（图7E-G）。综上所述，这些发现表明核心靶点Hsp90、Akt和Src在PLA诱导的炎症中起着关键作用。

图7

总结：本研究利用网络毒理学和分子对接、外加细胞验证，揭示了PLA诱导炎性骨溶解的潜在生物机制。网络毒理学的文章门槛还不高，本文可模仿性非常高，傲星生物深耕生信分析十余载，有丰富的实验方案、完善的下游验证、机制研究服务，一对一专属服务为您排忧解难，助您轻松应对毕业和晋升！