分子对接实验及实验证据证实了β-胡萝卜素对卡培他滨诱导的心肌损伤的保护作用：其通过结合TLR4受体并下调MyD88/NFκB信号通路来发挥保护作用

《Tissue and Cell》：Molecular docking and experimental validation for the protective effect of betanin against capecitabine-induced myocardial injury: binding to TLR4 and downregulation of MyD88/NFκB signaling

贝塔因通过抑制TLR4/MyD88/NFκB信号通路减轻卡培他滨诱导的小鼠心肌损伤，实验结合分子对接、生物信息学及体内研究证实其效果。

　　

Tahani A. Saeedi|Fady T. Hakem|Mohamed A. Helal|Marwa Hussein Mohamed|Heba W.Z. Khella|Mohamed H. Elbassiouny|Hussein M. Ismail|Asma M. Alshahrani|Abir S. Mohamed|Asmaa Saleh|Noura Moustafa Mohamed|Sawsan A. Zaitone

沙特阿拉伯麦地那塔伊巴大学药学院药理学与毒理学系

摘要

Toll样受体4（TLR4）是一种与心肌细胞损伤相关的膜受体。当被激活时，TLR4通过招募髓系分化初级响应蛋白MyD88，启动信号级联反应，导致核因子κB（NFκB）的磷酸化并产生促炎细胞因子，从而加剧心脏损伤。甜菜红素（Betanin）是一种来自甜菜的甜菜花青素，可通过抑制细胞因子的放大作用来减轻器官毒性。通过分子对接实验验证了甜菜红素作为TLR4潜在靶点的可能性，生物信息学分析阐明了甜菜红素与TLR4通路（包括参与炎症反应和心脏毒性的通路）之间的潜在关系。进一步的研究中，将雄性白化小鼠平均分为三组：1）对照组；2）卡培他滨组；3）卡培他滨+甜菜红素组（剂量为100 mg/kg/天）。卡培他滨每周给药5次，持续3周。冷冻的心脏样本用于ELISA检测MyD88/NFκB蛋白；福尔马林固定的心脏样本用于铁血红蛋白染色进行组织病理学分析。生物信息学分析证实了心肌损伤与TLR4信号通路之间的关联。分子对接结果显示甜菜红素具有阻断TLR4受体的能力。在小鼠实验中，甜菜红素减轻了心脏组织病理学病变，降低了血清中心肌酶水平，并下调了MyD88/NFκB蛋白的表达。本研究表明甜菜红素可能作为TLR4的抑制剂。因此，甜菜红素被确定为进一步研究以减轻心肌损伤的候选物质。

引言

卡培他滨是一种抗代谢药物，可被胸苷磷酸化酶（dThdPase）转化为5-氟尿嘧啶（5-FU）（Miwa等人，1998年）。卡培他滨用于治疗多种类型的肿瘤，包括胃肠道癌和乳腺癌（Ang等人，2010年）。一些化疗药物已知会对心脏、肾脏和肺部造成损伤。据报道，卡培他滨会引起5%的心脏毒性症状（Polk等人，2016年）。随着年龄增长，心脏不良事件的发生率增加（Aprile等人，2014年）。一项回顾性研究显示，在目标患者中，卡培他滨相关的心脏毒性发生率为5.9%，其中2.3%的患者出现严重症状（Kwakman等人，2017年）。

Toll样受体4（TLR4）是一种与心肌细胞损伤相关的膜受体。Sumneang等人综述了TLR4信号通路，并指出TLR4在化疗引起的心脏炎症中起关键作用（Sumneang等人，2023年）。TLR4主要表达在心肌细胞表面（Avlas等人，2011年；Dekleijn和Pasterkamp，2003年）。当被激活时，TLR4通过招募髓系分化初级响应蛋白MyD88等接头蛋白，引发核因子κB（NFκB）的磷酸化，从而产生促炎介质（如肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和IL-1β），进而加剧心脏损伤。TLR4的激活会增强NFκB的表达，促进促炎细胞因子的产生。TLR4/NFκB信号通路会引发炎症和心脏损伤的病理生理过程（Bai等人，2019年）。在正常情况下，NFκB以二聚体形式存在于细胞质中，与抑制蛋白IκB-α结合。在应激状态下，IκB被磷酸化，导致NFκB释放并转移到细胞核中，进而表达炎症介质。

具有生物活性的天然成分有望成为治疗炎症性疾病的有效且经济可行的疗法。甜菜红素（一种甜菜花青素）就是这类成分之一，存在于红甜菜提取物中（Esatbeyoglu等人，2015年）。甜菜红素具有强大的自由基清除和抗氧化特性，可减少脂质过氧化（ElSayed等人，2023年；Zielińska-Przyjemska等人，2012年）。多项动物实验表明，甜菜红素能抑制有害细胞因子的产生（ElSayed等人，2023年；Han等人，2015年；Tan等人，2015年），并预防缺血/再灌注损伤（Tural等人，2020年）和阿霉素引起的心脏毒性（Al-Thubiani等人，2021年）。

近年来，结合系统生物学和生物信息学的网络药理学成为揭示靶点、疾病和药物之间复杂关系的有效方法（Zhang等人，2023年）。在本研究中，我们测试了甜菜红素对卡培他滨诱导的心肌损伤的保护作用。利用生物信息学工具筛选了甜菜红素在心肌损伤中的作用靶点，通过分子对接和分子动力学模拟（MDS）验证其结合稳定性，并通过小鼠实验验证了这一假设。鉴于TLR4在心脏损伤中表达上调，且甜菜红素具有显著的抗炎作用，我们开展了这项研究。此外，还探讨了甜菜红素的抗炎作用是否部分通过抑制TLR4实现；分子对接研究和分子动力学模拟证实了这一机制。

分子建模与分子动力学模拟

为了了解甜菜红素与TLR4-MD2复合物的结合模式，我们将甜菜红素对接到从蛋白质数据库（www.rcsb.org）获取的TLR4-MD2-LPS三元复合物的X射线晶体结构上。使用OpenEye软件2023.2.3版本的FRED模块和快速刚性穷尽对接方法进行了分子对接。在对接之前，利用OpenEye的Omega模块默认设置生成了甜菜红素的构象库。

分子对接研究

TLR4是一种跨膜受体，由三个结构域组成：外层亮氨酸重复序列（LRR）、跨膜结构域和细胞内Toll/IL-1受体（TIR）结构域。外层LRR结构域能识别细菌脂多糖（LPS）等外源性物质，而TIR结构域负责将信号传递到细胞内部。TLR4/MD2/LPS三元复合物的晶体结构显示两个TLR4/MD2复合物形成的M形二聚体（Park等人）

讨论

尽管甜菜红素在食品工业中广泛用作着色剂，但其强大的抗氧化作用也使其具有多种医疗用途（Esatbeyoglu等人，2015年；Gliszczyńska-?wig?o等人，2006年；Silva等人，2022年）。尽管针对甜菜红素作用机制的研究较少，但本研究试图在化疗（卡培他滨）的小鼠模型中发现其可能抑制的损伤信号通路。

CRediT作者贡献声明

Fady T. Hakem：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法设计、实验设计。Sawsan A. Zaitone：撰写初稿、方法设计、数据分析、概念框架构建。Mohamed H. Elbassiouny：撰写修订稿、资源获取、数据分析、概念验证。Heba W.Z. Khella：撰写修订稿、数据可视化、结果验证、软件应用、资源协调。Marwa Hussein Mohamed：撰写修订稿、资源协调、方法设计、概念框架构建。Mohamed Helal：

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文过程中，作者未使用任何AI工具/服务。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究项目（项目编号：PNURSP2026R141）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。