利用实验方法、人工智能技术和分子建模手段解析Adansonia digitata的抗癌及抑制生物膜形成的功效

《Frontiers in Molecular Biosciences》：Decoding the anticancer and biofilm-inhibiting efficacy of Adansonia digitata using experimental, AI-powered, and molecular modeling approaches

本研究评估了Adansonia digitata乙醇提取物（ADEE）对MDA-MB-231乳腺癌细胞的抗癌活性及对铜绿假单胞菌生物膜抑制效果。通过MTT法、荧光显微镜及AI驱动的分子对接和动力学模拟，发现ADEE在1.56 μg/mL下有效抑制生物膜，并呈现剂量依赖性细胞毒性（IC50=9.17 μg/mL）。结构稳定性分析表明，ADEE中的化合物与pqsA和CK2蛋白结合稳定，提示其潜在治疗价值。

　　本研究聚焦于一种广泛分布于非洲的植物——非洲猴面包树（*Adansonia digitata*），并探讨其乙醇提取物（ADEE）在对抗乳腺癌细胞和微生物生物膜形成中的潜力。作为一种在非洲传统医学中广泛应用的植物，猴面包树不仅具有丰富的营养成分，还被用于治疗多种疾病，如炎症、疟疾、腹泻和微生物感染等。近年来，随着对天然药物开发的关注增加，研究者们逐渐意识到其潜在的药用价值，尤其是在对抗癌症和慢性感染方面。本研究通过结合实验分析与计算机模拟方法，系统评估了ADEE的抗癌和细胞毒性特性，以及其抑制生物膜形成的能力，为开发基于植物提取物的新疗法提供了科学依据。

在方法部分，研究采用了GNINA这一基于深度学习的分子对接工具，以评估ADEE中提取的化合物与靶标蛋白（如pqsA和CK2）之间的分子相互作用。GNINA通过卷积神经网络（CNN）对蛋白-配体结合构象进行预测和评分，相较于传统对接方法，其在结合亲和力和构象稳定性方面表现出更高的准确性和效率。此外，研究还利用分子动力学模拟（MDS）进一步分析了ADEE中化合物与靶标蛋白之间的结合特性，通过计算结构稳定性、残基灵活性和氢键相互作用，验证了这些化合物的潜在药效。MMPBSA方法也被用于评估结合自由能，以量化不同化合物与蛋白之间的相互作用强度。

实验结果显示，ADEE在1.56 μg/mL浓度下显著抑制了*Pseudomonas aeruginosa*的生物膜形成。通过荧光显微镜观察，控制组中可见成熟的绿色荧光生物膜，而ADEE处理组则表现出荧光强度降低，表明生物膜结构受到破坏。这可能与ADEE干扰细菌的群体感应（QS）信号通路有关，从而抑制生物膜的形成和维持。此外，ADEE在不同浓度下对MDA-MB-231乳腺癌细胞显示出剂量依赖性的细胞毒性。MTT实验表明，随着ADEE浓度的增加，细胞存活率显著下降，且在9.17 μg/mL时达到50%的细胞死亡率（IC50值）。这一结果表明ADEE具有显著的抗癌活性，尤其在针对三阴性乳腺癌（TNBC）细胞方面表现出色。通过Hoechst和AO/EB染色技术，进一步验证了ADEE诱导癌细胞凋亡的能力，表现为细胞核的染色变化和细胞膜的完整性受损，提示其在细胞死亡过程中的关键作用。

在分子对接分析中，研究者们对ADEE中的化合物与pqsA和CK2蛋白的结合情况进行了比较。其中，CID_22217550在GNINA平台上的CNN Pose Score为0.7234，CNN Affinity为4.538，表明其在结合构象和亲和力方面优于其他化合物。同时，其与参考抑制剂四环素的比较也显示出更优的结合性能，包括更稳定的氢键相互作用和更小的内部能量损失。相比之下，CID_559495虽然在传统对接方法中表现出一定的结合能力，但在GNINA评估中显示出较低的Pose Score和较高的Affinity值，表明其结合构象可能不够稳定。此外，通过MDS进一步分析，CID_22217550在pqsA和CK2蛋白结合后表现出较低的RMSD值，说明其在长时间模拟中结构稳定性良好，这为其作为潜在药物候选提供了有力支持。

分子动力学模拟不仅验证了ADEE中化合物的结合稳定性，还揭示了其在不同蛋白靶标中的相互作用机制。对于pqsA蛋白，CID_22217550表现出更低的RMSD值，表明其与pqsA的结合更加紧密，且在模拟过程中未出现显著的结构变形。同时，RMSF分析显示，该化合物与pqsA结合后，关键残基（如Thr87、Asn84和Thr164）表现出较低的波动性，进一步证明其在蛋白结合部位的稳定性。此外，氢键相互作用的分析表明，CID_22217550在模拟过程中与pqsA形成了更频繁且稳定的氢键网络，有助于维持其结合状态。而CK2蛋白的结合分析则显示，CID_22217550虽然表现出较弱的总结合自由能（0.36 kcal/mol），但其在非极性溶剂化和范德华相互作用方面具有明显优势，这些因素共同促进了其与CK2的稳定结合。相比之下，CID_559495在结合过程中表现出更高的极性溶剂化能量，可能影响其结合稳定性。

通过PCA和FEL分析，研究进一步揭示了蛋白-配体复合物的动态行为。对于pqsA复合物，CID_22217550表现出更广泛的构象变化，这可能意味着其具有更强的适应性，能够与不同的靶标形成稳定的相互作用。而CID_559495则表现出更狭窄的构象范围，说明其结构可能更加受限，这或许影响了其与蛋白的结合灵活性。对于CK2复合物，CID_22217550同样显示出更宽泛的构象分布，而CID_559495则更倾向于保持特定的结合构象，这可能与其较高的结合亲和力有关。然而，这种较高的结合亲和力也可能导致分子间相互作用的不稳定性，尤其是在模拟过程中出现的较大波动。

研究结果表明，ADEE中的化合物不仅能够有效抑制*P. aeruginosa*的生物膜形成，还能够显著降低MDA-MB-231乳腺癌细胞的存活率，并诱导其发生凋亡。这些发现可能与ADEE的抗氧化特性有关，因为CK2作为一种与细胞氧化应激相关的蛋白，其抑制可能有助于调节细胞内的氧化平衡，从而影响癌细胞的生存能力。此外，ADEE中的化合物可能通过干扰QS信号通路，影响生物膜的形成，这为开发针对生物膜相关感染的新疗法提供了思路。结合实验与计算方法的综合分析，不仅验证了ADEE的药效，还揭示了其作用机制，为后续的药物开发和优化奠定了基础。

本研究的成果不仅扩展了对ADEE药理作用的认识，还为利用人工智能技术进行药物筛选和设计提供了新的视角。通过GNINA等AI驱动的工具，研究人员能够更高效地评估化合物的结合亲和力和构象稳定性，从而加快新药发现的过程。此外，AI技术的引入使得传统药物开发流程中的某些瓶颈得以突破，例如大规模虚拟筛选和分子构象预测。在这一背景下，ADEE的药理特性成为一种具有多方面潜力的天然药物资源，其应用范围可能不仅限于癌症治疗，还包括抗菌、抗炎、抗疟疾和抗抑郁等多个领域。

尽管本研究提供了大量支持ADEE药效的证据，但仍需进一步的实验验证。例如，ADEE在体内环境中的表现、其对其他类型癌细胞的抗癌效果、以及其对不同病原体的抗菌能力等，均需通过更深入的实验研究加以确认。此外，研究还需关注ADEE的毒理学特性，确保其在实际应用中的安全性。目前的研究结果显示，ADEE在体外环境中表现出良好的抗癌和抗菌活性，但其在人体中的作用机制和效果仍需更多数据支持。因此，未来的研究应结合体内实验和临床试验，以全面评估ADEE的药理潜力，并探索其在多种疾病治疗中的实际应用价值。

综上所述，本研究通过实验和计算方法的结合，揭示了ADEE在抑制生物膜形成和诱导癌细胞凋亡方面的双重作用。这些发现不仅支持了猴面包树作为天然药物资源的潜力，还为利用人工智能技术进行药物筛选和开发提供了新的思路。随着对植物药理作用研究的不断深入，ADEE有望成为治疗多种疾病的重要候选药物，尤其是在对抗癌症和慢性感染方面。未来的研究应进一步优化提取工艺，筛选更有效的活性成分，并探索其在实际临床应用中的可行性。通过多学科的协同合作，ADEE的药理特性有望被更全面地理解和应用，为人类健康提供更多自然疗法的可能性。