基于計(jì)算機(jī)平臺構(gòu)建活血化瘀中藥3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

尹玉玲，李亞輝，馮俐，宋今輝，熊浪龍，肖榮鋒

(貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)作為改變世界的科學(xué)技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)時(shí)代，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展迅速，為人類的數(shù)據(jù)分析、采集、數(shù)據(jù)庫的建立提供較好的平臺，尤其在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫中有一定的指導(dǎo)價(jià)值[1-2]。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，運(yùn)用化學(xué)和生物學(xué)的相關(guān)知識，基于計(jì)算機(jī)對一些相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得藥物結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系以及模擬藥物分子與受體蛋白質(zhì)之間的相互作用，對藥物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而對新型藥物分子的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用，幫助我們更有效的研發(fā)及合成藥物。近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一門新興的研究領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)為新型藥物的研究和開發(fā)另辟蹊徑，不但降低了成本，縮短了藥物開發(fā)的周期，而且成功率很高[3]。

活血化瘀中藥為臨床治療心血管疾病的常用藥。臨床顯示活血化瘀中藥在抗血栓、改善流動(dòng)力學(xué)以及抗炎等方面發(fā)揮重要作用[4-5]。但是中藥具有多成分的特點(diǎn)，導(dǎo)致對活血化瘀中藥(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))研究的不全面，往往是集中于某一點(diǎn)或某一角度，需要一種從宏觀到微觀，多角度、多層次梳理和整合活血化瘀中藥對心血管的作用。以往評價(jià)體系多采用動(dòng)物模型，存在實(shí)驗(yàn)周期長、成本相對較高、工作量大等不足。因而，本研究整合TCSMP數(shù)據(jù)庫信息，結(jié)合PubChem數(shù)據(jù)庫得到活血化瘀中藥化學(xué)成分更為詳細(xì)的信息，基于SYBYL對活血化瘀中藥小分子(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))加氫、加電荷及能量優(yōu)化。從而構(gòu)建活血化瘀中藥3D結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫。

1 計(jì)算平臺及數(shù)據(jù)庫

SYBYL2.1.1(Tripos)軟件，TCMSP(http://ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmspsearch)，使用的相關(guān)軟件已授權(quán)或開源軟件。詳見表1。

表1 計(jì)算的硬件平臺

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 活血化瘀中藥小分子收集

基于TCSMP(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmspsearch.php)數(shù)據(jù)庫結(jié)合PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫得到活血化瘀中藥(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))化學(xué)成分更為詳細(xì)的信息[6]。主要內(nèi)容包括：活血化瘀中藥名稱、中藥成分(組分)、下載有效成分的mol2分子結(jié)構(gòu)文件。

2.2 活血化瘀中藥初始構(gòu)象

基于SYBYL2.1.1對活血化瘀中藥(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))小分子加氫、加電荷，每個(gè)分子進(jìn)行 Minimize能量優(yōu)化及加氫處理，優(yōu)化參數(shù)為[7-8]：優(yōu)化次數(shù)設(shè)置為10 000、能量收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0. 005 kcal/(moL·A)、選擇Tripos 標(biāo)準(zhǔn)分子力場、添加 Gasteiger-Hückel 電荷，基于 Powell能量梯度法優(yōu)化得到最低能量構(gòu)象，進(jìn)行能量優(yōu)化的目的是尋找配體分子的最低能量構(gòu)象以模仿自然體系中的分子穩(wěn)定構(gòu)象，建立活血化瘀中藥小分子數(shù)據(jù)集。優(yōu)化過程中使用的參數(shù)見表2。

表2 配體分子的優(yōu)化參數(shù)

2.3 活血化瘀中藥3D 結(jié)構(gòu)的生成

活血化瘀中藥(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))3D結(jié)構(gòu)通過能量函數(shù)計(jì)算某個(gè)構(gòu)象的內(nèi)部原子相互作用的能量總和，依能量最小化尋找某個(gè)分子最穩(wěn)定的空間構(gòu)象。本研究中所有化合物3D結(jié)構(gòu)的生成通過SYBYL2.1.1中能量最小化模塊(Energy Minimization)實(shí)現(xiàn)[9]。

2.4 活血化瘀中藥共有化學(xué)成分的理化性質(zhì)分析

活血化瘀中藥(丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù))化學(xué)成分基于TCMSP進(jìn)行分子量(Molecular Weight,MW)、口服生物利用度(oral bioavailability,OB)、氫鍵供體數(shù)(H-bond donors,HBD)、類藥性(drug likeness,DL)、分子量(Molecular Weight，MW)、氫鍵受體數(shù)(H-bond acceptors, HBA)、脂水分配系數(shù)等理化性質(zhì)分析。應(yīng)符合以下規(guī)則[1-2]：1)HBD(連接在N和O上的氫原子數(shù))<5；2)HBA(N和O的數(shù)目)<10；3)MW<500；4)脂水分配系數(shù)<5[10-11]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 活血化瘀中藥小分子收集

將丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù)分別輸入TCMSP數(shù)據(jù)庫，下載丹參化學(xué)成分202個(gè)，川芎化學(xué)成分189個(gè)，銀杏葉化學(xué)成分307個(gè)，莪術(shù)化學(xué)成分81個(gè)，紅花化學(xué)成分189個(gè)，桃仁化學(xué)成分66個(gè)，延胡索化學(xué)成分77個(gè)，益母草化學(xué)成分51個(gè)，共收集活血化瘀中藥1 162個(gè)化學(xué)成分。

3.2 活血化瘀中藥3D結(jié)構(gòu)生成

基于TCMSP收集活血化瘀中藥共1 162個(gè)化學(xué)成分。所有活血化瘀中藥化合物3D 結(jié)構(gòu)的生成通過SYBYL2.1.1中能量最小化模塊實(shí)現(xiàn)?；钛鲋兴幮》肿盈B合圖詳見圖1。

圖1 活血化瘀中藥小分子疊合圖

圖2 活血化瘀中藥小分子網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 活血化瘀中藥共有成分理化性質(zhì)分析

根據(jù)Lipinski規(guī)則，化合物應(yīng)該具備氫鍵受體數(shù)(HBD)<10，分子量(MW)<500，氫鍵供體數(shù)(HBA)<5，生物利用度(OB)>30%，類藥性(DL)>0.18，脂水分配系數(shù)(AlogP)<5。活血化瘀中藥1 162個(gè)化學(xué)成分，其中丹參化學(xué)成分54個(gè)，川芎化學(xué)成分3個(gè)，銀杏葉化學(xué)成分10個(gè)，莪術(shù)化學(xué)成分2個(gè)，紅花化學(xué)成分9個(gè)，桃仁化學(xué)成分15個(gè)，延胡索化學(xué)成分46個(gè)，益母草化學(xué)成分6個(gè)，活血化瘀中藥共145個(gè)化學(xué)成分符合Lipinski規(guī)則。采用Cytoscape3.5.1[12]構(gòu)建活血化瘀中藥小分子網(wǎng)絡(luò)模型見圖2。

4 討論

基于TCMSP數(shù)據(jù)下載活血化瘀中藥1 162個(gè)化學(xué)成分，每個(gè)分子進(jìn)行 Minimize 能量優(yōu)化及加氫處理，所有活血化瘀中藥化合物3D 結(jié)構(gòu)的生成通過SYBYL2.1.1中能量最小化模塊實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Lipinski規(guī)則對活血化瘀中藥1 162個(gè)化學(xué)成分進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)145個(gè)化學(xué)成分符合Lipinski規(guī)則。本研究選擇活血化瘀中藥結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行多學(xué)科交叉分析，初步建立活血化瘀中藥小分子配體庫，為研究者發(fā)現(xiàn)心絞痛、心肌梗死和心源性猝死等心血管疾病的先導(dǎo)化合物提供依據(jù)。

藥物開發(fā)過程中常常涉及到Lipinski經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，能初步預(yù)測化合物的吸收、分布、滲透性等，為研究者初步提供小分子的基本情況，降低開發(fā)藥物的成本[13]。所以本研究在建立3D活血化瘀中藥小分子配體庫的基礎(chǔ)上，對1 162個(gè)小分子又進(jìn)行了初步篩選，篩選出145個(gè)化合物在“五規(guī)則”的閾值范圍內(nèi)，我們將進(jìn)一步深入研究。

SYBYL是專業(yè)分子模擬平臺，涵蓋了分子模擬與顯示、組合化學(xué)和分子多樣性、數(shù)據(jù)處理、化學(xué)信息學(xué)和數(shù)據(jù)庫、定量構(gòu)效關(guān)系和、生物信息學(xué)等多種與藥物研究和開發(fā)相關(guān)的模塊[14]。丹參、川芎、銀杏葉、益母草、紅花、桃仁、延胡索和莪術(shù)分子構(gòu)型優(yōu)化的目的是尋找分子的最低能量構(gòu)象，最低能量構(gòu)象相對應(yīng)的是分子體系的穩(wěn)定構(gòu)象。本研究基于 Powell能量梯度法優(yōu)化得到最低能量構(gòu)象，建立活血化瘀中藥小分子數(shù)據(jù)集。