基于网络药理学和分子对接探索黑种草（Nigella sativa）调控皮肤癌关键信号通路的分子机制及多靶点治疗潜力

本研究针对皮肤癌高发病率和高死亡率的全球健康挑战，创新性地采用网络药理学与分子对接技术，系统解析了黑种草（Nigella sativa）活性成分通过调控MAPK cascade、EGFR signaling等多条关键致癌通路抑制皮肤癌的分子机制。研究发现Gramisterol等化合物与EGFR、MAPK3等靶点具有强结合亲和力（-9.1 kcal/mol），证实其多靶点治疗潜力，为开发低毒性天然抗癌疗法提供了重要理论依据。

　　

皮肤癌是全球第17位最常见癌症，2022年新发病例超过33万，其中黑色素瘤虽然发病率较低却具有高度侵袭性和死亡率。紫外线辐射导致的DNA损伤和基因突变是主要诱因，尽管现有治疗方法不断进步，但晚期或耐药性皮肤癌仍然缺乏有效治疗手段。在这种背景下，源自传统药用植物的天然产物因其多靶点作用和低毒性特征，成为抗癌药物开发的新方向。

黑种草（Nigella sativa）作为毛茛科植物，在传统医学中长期用于治疗炎症和自身免疫性疾病，其活性成分 thymoquinone (TQ) 已被证实具有显著抗癌特性。然而，黑种草对抗皮肤癌的具体分子机制尚不明确。为此，研究人员采用整合性计算生物学方法，系统探索了黑种草活性成分调控皮肤癌信号通路的分子机制。

研究人员采用多学科交叉方法开展本研究：首先通过文献挖掘和IMPPAT数据库鉴定黑种草活性成分，采用SwissADME和MolSoft进行口服生物利用度(OB>30%)和类药性(DL≥0.18)筛选；利用SwissTargetPrediction进行靶点预测，结合GeneCards和DisGeNET数据库获取皮肤癌相关基因；通过DAVID数据库进行基因本体(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析；使用Cytoscape构建化合物-靶点网络和蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络；采用PyRx进行分子对接验证，选择AR(PDB:1E3G)、CDK4(PDB:2W9Z)、EGFR(PDB:2GS6)、MAPK1(PDB:4S31)和MAPK3(PDB:2ZOQ)等关键靶点；最后通过Desmond软件进行100 ns分子动力学(MD)模拟验证结合稳定性。

Selection of active compounds

从110种活性成分中筛选出13种符合药代动力学标准的化合物，包括Cycloeucalenol、Lophenol、Nigellicine等。通过SwissTargetPrediction预测获得1300个潜在靶点。

Disease target prediction

从GeneCards和DisGeNET数据库获得9697个皮肤癌相关基因，与活性成分靶点取交集后获得303个重叠靶点，这些靶点被认为是黑种草抗皮肤癌的核心作用靶点。

Network construction

构建的化合物-靶点网络显示黑种草活性成分具有多靶点特性，其中Cycloeucalenol、Lophenol、Nigellicine等化合物连接度最高，表明这些成分在抗皮肤癌中可能起关键作用。

PPI network construction and analyses

蛋白质-蛋白质相互作用网络分析发现161个节点和1871条边，通过CytoHubba插件鉴定出AKT1(137)、IL6(133)、SRC(121)、EGFR(107)、MAPK3(93)、MAPK1(76)、CDK4(48)等关键枢纽基因，这些基因在皮肤癌发生发展中具有重要作用。

GO, KEGG and functional enrichment analyses

GO分析揭示了780个生物过程、87个细胞组分和278个分子功能。KEGG分析发现162条显著富集通路，包括Wnt Signaling Pathway、NF-Kappa B Signaling Pathway、JAK-STAT Signaling Pathway等关键致癌通路。这些分析表明黑种草活性成分可能通过调控这些关键通路发挥抗皮肤癌作用。

Molecular docking analysis

分子对接结果显示，Gramisterol(CID:5283640)与各靶点表现出最强结合亲和力：EGFR(-9.1 kcal/mol)、MAPK3(-9.1 kcal/mol)、CDK4(-9.0 kcal/mol)、MAPK1(-8.2 kcal/mol)和AR(-7.4 kcal/mol)。Cycloeucalenol、Obtusifoliol和Lophenol也表现出强结合能力，特别是与EGFR、MAPK1、MAPK3和CDK4的相互作用。

MD simulations

分子动力学模拟验证了EGFR-Hederagenin和MAPK3-Gramisterol复合物的稳定性。MAPK3-Gramisterol复合物显示出更稳定的结合构象（RMSD 4-6 ?），关键残基ILE51、ALA55、VAL59、ALA72和LEU176保持持久相互作用。EGFR-Hederagenin复合物虽然RMSD较高（12-14 ?），但也显示出稳定的结合模式，主要氢键形成残基为VAL34、SER28、ARG307和ASP311。

Discussion

研究表明黑种草通过多靶点方式调控皮肤癌关键信号通路。网络药理学分析揭示了303个重叠靶点，涉及MAPK、PI3K-AKT、JAK-STAT等关键致癌通路。分子对接证实了活性成分与EGFR、MAPK3、CDK4等关键靶点的强结合能力，其中Gramisterol表现出特别突出的结合特性。分子动力学模拟进一步验证了这些相互作用的动态稳定性，为黑种草抗皮肤癌机制提供了结构生物学依据。

该研究的创新性在于将网络药理学、分子对接和分子动力学模拟有机结合，系统揭示了黑种草多组分-多靶点-多通路的作用机制。特别是发现Gramisterol等化合物能同时抑制多个关键致癌靶点，这为开发多靶点抗皮肤癌药物提供了新思路。与传统单靶点药物相比，多靶点天然产物可能更有效地克服肿瘤耐药性问题。

然而，这些计算生物学预测需要实验验证。未来研究应通过体外细胞实验和体内动物模型验证这些化合物的抗肿瘤活性，并进一步研究其药代动力学特性和毒理学 profile。如果这些研究结果得到证实，黑种草活性成分可能成为开发新型皮肤癌治疗药物的先导化合物，特别是对于传统治疗无效的晚期或耐药性皮肤癌患者。

该研究由沙特阿拉伯国王 Khalid 大学科学研究院资助（项目编号 RGP2/426/44），论文发表在《Scientific Reports》期刊，为传统药用植物的现代医药应用提供了科学依据，促进了传统医学与现代计算生物学的交叉融合，为天然产物抗癌研究建立了可借鉴的方法学框架。