Published April 8, 2014 | Version v1
Publication Open

Synergistic and Antagonistic Drug Combinations Depend on Network Topology

  • 1. Peking University
  • 2. Center for Systems Biology
  • 3. Harvard University
  • 4. Center for Life Sciences
  • 5. Beijing National Laboratory for Molecular Sciences

Description

Drug combinations may exhibit synergistic or antagonistic effects. Rational design of synergistic drug combinations remains a challenge despite active experimental and computational efforts. Because drugs manifest their action via their targets, the effects of drug combinations should depend on the interaction of their targets in a network manner. We therefore modeled the effects of drug combinations along with their targets interacting in a network, trying to elucidate the relationships between the network topology involving drug targets and drug combination effects. We used three-node enzymatic networks with various topologies and parameters to study two-drug combinations. These networks can be simplifications of more complex networks involving drug targets, or closely connected target networks themselves. We found that the effects of most of the combinations were not sensitive to parameter variation, indicating that drug combinational effects largely depend on network topology. We then identified and analyzed consistent synergistic or antagonistic drug combination motifs. Synergistic motifs encompass a diverse range of patterns, including both serial and parallel combinations, while antagonistic combinations are relatively less common and homogenous, mostly composed of a positive feedback loop and a downstream link. Overall our study indicated that designing novel synergistic drug combinations based on network topology could be promising, and the motifs we identified could be a useful catalog for rational drug combination design in enzymatic systems.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

قد تظهر تركيبات الأدوية تأثيرات تآزرية أو عدائية. لا يزال التصميم العقلاني لتركيبات الأدوية التآزرية يمثل تحديًا على الرغم من الجهود التجريبية والحسابية النشطة. نظرًا لأن الأدوية تظهر تأثيرها من خلال أهدافها، يجب أن تعتمد تأثيرات تركيبات الأدوية على تفاعل أهدافها بطريقة شبكية. لذلك قمنا بنمذجة تأثيرات تركيبات الأدوية جنبًا إلى جنب مع أهدافها المتفاعلة في الشبكة، في محاولة لتوضيح العلاقات بين طوبولوجيا الشبكة التي تنطوي على أهداف الدواء وتأثيرات تركيبة الدواء. استخدمنا شبكات إنزيمية ثلاثية العقد ذات طبولوجيا ومعلمات مختلفة لدراسة تركيبات الدواءين. يمكن أن تكون هذه الشبكات تبسيطات لشبكات أكثر تعقيدًا تتضمن أهدافًا للمخدرات، أو شبكات مستهدفة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بنفسها. وجدنا أن تأثيرات معظم المجموعات لم تكن حساسة لاختلاف المعلمات، مما يشير إلى أن التأثيرات المركبة للأدوية تعتمد إلى حد كبير على طوبولوجيا الشبكة. ثم حددنا وحللنا زخارف تركيبة الدواء التآزرية أو العدائية المتسقة. تشمل الزخارف التآزرية مجموعة متنوعة من الأنماط، بما في ذلك التوليفات التسلسلية والمتوازية، في حين أن التوليفات العدائية أقل شيوعًا ومتجانسة نسبيًا، وتتكون في الغالب من حلقة تغذية راجعة إيجابية ورابط نهائي. بشكل عام، أشارت دراستنا إلى أن تصميم تركيبات عقاقير تآزرية جديدة بناءً على طوبولوجيا الشبكة يمكن أن يكون واعدًا، ويمكن أن تكون الزخارف التي حددناها كتالوجًا مفيدًا لتصميم تركيبة عقاقير عقلانية في الأنظمة الأنزيمية.

Translated Description (French)

Les associations médicamenteuses peuvent présenter des effets synergiques ou antagonistes. La conception rationnelle des combinaisons de médicaments synergiques reste un défi malgré des efforts expérimentaux et informatiques actifs. Parce que les médicaments manifestent leur action via leurs cibles, les effets des combinaisons de médicaments devraient dépendre de l'interaction de leurs cibles de manière en réseau. Nous avons donc modélisé les effets des associations médicamenteuses avec leurs cibles interagissant en réseau, en essayant d'élucider les relations entre la topologie du réseau impliquant des cibles médicamenteuses et les effets des associations médicamenteuses. Nous avons utilisé des réseaux enzymatiques à trois nœuds avec diverses topologies et paramètres pour étudier les combinaisons de deux médicaments. Ces réseaux peuvent être des simplifications de réseaux plus complexes impliquant des cibles médicamenteuses, ou des réseaux cibles eux-mêmes étroitement connectés. Nous avons constaté que les effets de la plupart des combinaisons n'étaient pas sensibles à la variation des paramètres, ce qui indique que les effets combinatoires des médicaments dépendent en grande partie de la topologie du réseau. Nous avons ensuite identifié et analysé des motifs de combinaison de médicaments synergiques ou antagonistes cohérents. Les motifs synergiques englobent une gamme diversifiée de motifs, y compris des combinaisons en série et en parallèle, tandis que les combinaisons antagonistes sont relativement moins courantes et homogènes, principalement composées d'une boucle de rétroaction positive et d'une liaison en aval. Dans l'ensemble, notre étude a indiqué que la conception de nouvelles combinaisons de médicaments synergiques basées sur la topologie du réseau pourrait être prometteuse, et les motifs que nous avons identifiés pourraient constituer un catalogue utile pour la conception rationnelle de combinaisons de médicaments dans les systèmes enzymatiques.

Translated Description (Spanish)

Las combinaciones de fármacos pueden presentar efectos sinérgicos o antagonistas. El diseño racional de combinaciones sinérgicas de fármacos sigue siendo un desafío a pesar de los esfuerzos experimentales y computacionales activos. Debido a que los fármacos manifiestan su acción a través de sus dianas, los efectos de las combinaciones de fármacos deben depender de la interacción de sus dianas en red. Por lo tanto, modelamos los efectos de las combinaciones de fármacos junto con sus dianas que interactúan en una red, tratando de dilucidar las relaciones entre la topología de la red que involucra dianas de fármacos y los efectos de la combinación de fármacos. Utilizamos redes enzimáticas de tres nodos con varias topologías y parámetros para estudiar combinaciones de dos fármacos. Estas redes pueden ser simplificaciones de redes más complejas que involucran objetivos de drogas, o redes objetivo estrechamente conectadas. Encontramos que los efectos de la mayoría de las combinaciones no eran sensibles a la variación de los parámetros, lo que indica que los efectos combinacionales de los fármacos dependen en gran medida de la topología de la red. A continuación, identificamos y analizamos motivos de combinación de fármacos sinérgicos o antagónicos consistentes. Los motivos sinérgicos abarcan una amplia gama de patrones, que incluyen combinaciones tanto en serie como en paralelo, mientras que las combinaciones antagónicas son relativamente menos comunes y homogéneas, en su mayoría compuestas por un bucle de retroalimentación positiva y un enlace descendente. En general, nuestro estudio indicó que el diseño de nuevas combinaciones sinérgicas de fármacos basadas en la topología de red podría ser prometedor, y los motivos que identificamos podrían ser un catálogo útil para el diseño racional de combinaciones de fármacos en sistemas enzimáticos.

Files

journal.pone.0093960&type=printable.pdf

Files (828.2 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:021f8189c79073223514426b2b134683
828.2 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تعتمد تركيبات الأدوية التآزرية والمناهضة على طوبولوجيا الشبكة
Translated title (French)
Les combinaisons synergiques et antagonistes de médicaments dépendent de la topologie du réseau
Translated title (Spanish)
Las combinaciones de fármacos sinérgicos y antagonistas dependen de la topología de la red

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2015789827
DOI
10.1371/journal.pone.0093960

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1592483428
  • https://openalex.org/W1966668708
  • https://openalex.org/W1975728616
  • https://openalex.org/W1978995242
  • https://openalex.org/W1994663540
  • https://openalex.org/W2002544582
  • https://openalex.org/W2031932867
  • https://openalex.org/W2042065803
  • https://openalex.org/W2044025814
  • https://openalex.org/W2053804601
  • https://openalex.org/W2061949512
  • https://openalex.org/W2075540142
  • https://openalex.org/W2096439168
  • https://openalex.org/W2111888201
  • https://openalex.org/W2113551867
  • https://openalex.org/W2114621192
  • https://openalex.org/W2115076532
  • https://openalex.org/W2115147179
  • https://openalex.org/W2123973944
  • https://openalex.org/W2126506845
  • https://openalex.org/W2135879265
  • https://openalex.org/W2138427043
  • https://openalex.org/W2145744900
  • https://openalex.org/W2148134634
  • https://openalex.org/W2154169469
  • https://openalex.org/W2155626151
  • https://openalex.org/W2157144029
  • https://openalex.org/W2165240999
  • https://openalex.org/W2165982972
  • https://openalex.org/W2223501982
  • https://openalex.org/W2327624288
  • https://openalex.org/W2335490758
  • https://openalex.org/W3101756747
  • https://openalex.org/W4243645092