芪参益气滴丸治疗心血管疾病的计算药理学研究

中国科学B辑:化学2009年第39卷第11期:1415~1423芪参益气滴丸治疗心血管疾病的计算药理学研究古江勇①,袁谷①,朱永宏②,徐筱杰②*①稀土材料化学与应用国家重点实验室,北京分子科学国家实验室,北京大学化学与分子工程学院,北京100871;②天士力集团有限公司研究院,天津300410*通讯作者,E-mail:[e-mail]收稿日期：2009-08-10;接受日期：2009-08-26摘要利用计算药理学方法研究了中药芪参益气滴丸中含1729个化合物在化学空间分布,结果表明大部分化合物具有较好的类药性质.利用分子对接方法研究了1729个与26个心血管疾病相关的公认靶标的相互作用及它们在靶空间的分布,阐明了芪参益气滴丸抗血管疾病的可能作用机理及活性分子.关键词化学空间靶空间分子对接心血管疾病计算药理学1引言中药是中华民族的瑰宝,有深刻的科学内涵,中药是根据中医理论组合多种植物(包括动物及矿物)构成的基于人的整体的多组分天然药物.中药体系是天然的复杂组合化学库.它具有丰富的结构及生物活性多样性,蕴藏着丰富的化学及生物学信息.但中药体系成分复杂,成分的含量悬殊,具有与多种药靶作用,调控多种生物途径的复杂作用机理.因此,目前在分子水平实验研究中药作用机理有很大的难度[1].计算机药理学是整合化学、医学、生物数据、发展计算模拟方法及建立模型预测药理学性质[2],利用已知信息,通过计算药理学研究探讨中药可能的作用机理,对中药现代化研究可能是一条有效的新途径[1].心脑血管疾病是严重威胁人类健康的重大疾病之一,在我国居民疾病死亡率中居于首位,心脑血管疾病是一种复杂的疾病,目前已知的心脑血管疾病相关的蛋白质有二百三十余种[3].随着科学的发展,特别是系统生物学的发展,人们已经认识到复杂疾病是由于多种基因变异引起的,作用于一种靶点的单分子药物(魔术子弹)不能有效的治疗复杂疾病,目前药物开发的模式已从单一靶点药物开发转向基于系统生物学的药物开发[4,5],国外的一些制药公司都已推出疗效更好的治疗心血管疾病的组合药物.中药治疗心血管疾病已有千年历史,临床证明,已有不少古方及现代中药对心血管疾病有确切的疗效.因此,阐明这些中药的作用机理,从中总结多组分药物的组合规律对中药现代化研究及组合药物的开发有重要的意义及价值.芪参益气滴丸(国药准字Z20030139)是天士力集团继复方丹参滴丸后研制的治疗心血管疾病的现代中药,是以现代科技提取黄芪、丹参、三七、降香中的有效成分精制而成的滴丸制剂,是中医传统理论和现在制剂技术结合的结晶.芪参益气滴丸能够显著改善心肌损伤、心功能减退的各种症状,具有剂量小、服用方便、溶出速度快、可直接经黏膜吸收入血、生物利用度高、疗效高及无胃肠刺激、无明显毒副作用的特点.已有多篇文献报道了芪参益气滴丸在治疗心血管疾病方面的显著疗效[6~9].已有数篇文献报道了芪参益气滴丸的主要成1415古江勇等:芪参益气滴丸治疗心血管疾病的计算药理学研究分[6,10],但化合物数目较少.关于芪参益气滴丸治疗心血管疾病的机理却鲜有报道.因此为阐明芪参益气滴丸的作用机理,我们进行了计算药理学的研究.2芪参益气滴丸含有的小分子化合物的化学空间分析和主成分分析2.1芪参益气滴丸含有的小分子化合物的收集芪参益气滴丸是由黄芪(拉丁名Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bunge)、丹参(拉丁名SalviamiltiorrhizaBunge)、三七(拉丁名Panaxnotoginseng(Berk.)F.H.Chen)、降香(拉丁名DalbergiaodoriferaT.Chen)中提取的有效成分精制而成.从我们自己创建的中药信息系统CHDD(QiaoXB,JChemInfComputSci,2002,42(3):481)及Beilstein数据库中检索到四种植物所含的1729个化合物.用Cerius2软件对每个分子进行加氢和构象优化.2.2化学空间及主成分分析在Cerius2的QSAR模块中计算所有化合物的293个分子描述符[11],其中比较重要的分子描述符如下：分子结构信息相关的描述符：Molecularweight、Numberofchiralcenters、NumberofHbondAcceptors、NumberofHbondDonors、NumberofrotatableBonds;分子空间信息相关描述符：Vm、SurfaceArea、TPSA、TASA;拓扑描述符：Kappaindex(6个)脂水分配系数AlogP98等.使用IBMIntelliStationZPro工作站.计算结果见表1.根据“ruleoffive”规则[12],口服药物的描述符具有以下特点：分子量(MW)小于500,氢键给体数目(numberofHbonddonors)小于5,氢键受体数目(numberofHbondacceptors)小于10,脂水分配系数(AlogP98)小于5.如果违反过多,则药物的溶解性和肠吸收能力会受到限制.根据表1,在芪参益气滴丸含有的化合物中,平均分子量459,中值376;氢键给体数目平均值3.6,中值2;氢键受体数目平均值7.1,中值5;脂水分配系数平均值2.82,中值2.88;说明芪参益气滴丸含有的化合物大部分没有违反ruleoffive规则,具有较好的类药性质,适合用于先导化合物的筛选.表1芪参益气滴丸中含有的小分子的一些通用描述符的平均值、最大值、最小值和中位值DescriptorsMeanMaxMinMedianMolecularweight459.341373.5489.09376.41Numberofchiralcenters7.600038000005NumberofHbondAcceptors7.100031000005NumberofHbondDonors3.600020000002NumberofrotatableBonds8.300039000005SurfaceArea527.701496.1127.6435.9TPSA202.400873.0000170.7TASA354.201081.4000371.6Kappa-125.600077.6006.0021.7Kappa-29.500034.5001.8007.5Kappa-34.800031.0000.7003.4Kappa-1-AM24.200076.1005.0020.0Kappa-2-AM8.700032.3001.7006.8Kappa-3-AM4.300031.0000.6003.0Vm433.801241.3085.8352.2AlogP982.8200015.5−11.3002.9Ruleof5Violations0.950004000000为更直观的反映这些化合物在化学空间的分布,进行了主成分分析(图1).从图1可以看出,不论是图1(a)(前两个主成分)还是图1(b)(前三个主成分)都具有相当的分散性,说明芪参益气滴丸中含有的化合物具有很好的结构及物理化学性质多样性,这为能够筛选出合适的活性化合物提供了基础.为了比较芪参益气滴丸中的化合物与已知的对心血管疾病有作用的化合物的相似性,从DrugBank数据库[13]中收集了70个对于心血管疾病有作用的化合物,进行了主成分分析,结果见图1(c).可见芪参益气滴丸中的化合物与DrugBank数据库中收集的化合物在化学空间中有较大的重叠,说明芪参益气滴丸中的化合物有较大的可能含有治疗心血管疾病的活性化合物.1416中国科学B辑:化学2009年第39卷第11期图1芪参益气滴丸中含有的化合物主成分分析(a)PC2-PC1图;(b)PC3-PC2-PC1图;(c)芪参益气滴丸中含有的化合物与DrugBank数据库中收录的对于心血管疾病有治疗作用的化合物的主成分分析图,绿色圆点和红色矩形分别代表来自于芪参益气滴丸和DrugBank数据库中的化合物3芪参益气滴丸含有的小分子在靶空间的分布3.1虚拟筛选目前已知的与心脑血管疾病密切相关的蛋白质已有二百三十余种[3].其中根据相关文献确定了26个公认的比较重要的靶标蛋白质,其中有复合物结构的蛋白质有19个,无复合物晶体结构的蛋白质7个(表2).蛋白质PDB结构来自于RCSB蛋白质数据库().其中与高血压有关：过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR[14],肿瘤坏死因子α(TNF-α)[15],NADPH-Oxidase[16~18],caspase-3[19],P-selectin[20].与活性氧、炎症有关：环氧化酶2(COX-2)21[21],环氧化酶1(COX-1)[22],胆固醇氧化酶(CholesterolOxi-dase)[23],诱导型一氧化氮合酶(iNOS)[21,24],内皮型一氧化氮合酶(eNOS)[21,25],C反应蛋白(CRP)[26],血红素氧合酶-1(HO-1)[27],NADPH氧化酶(NADPH-Oxi-dase),细胞色素P450(CYP450)[28~30].与心力衰竭有关：细胞外信号调节激酶(ERK)[31],TNF-α,P-selectin.与高血糖有关：组织纤溶酶原激活物(tPA)[32],PPAR.与冠心病有关：VCAM-1[33,34],ICAM-1[34,35],CRP,e-selectin[34],PPAR.与细胞凋亡有关：半胱氨酸-天冬氨酸酶[19](caspase-3,caspase-8,caspase-9).各种细胞因子和黏附分子：白细胞介素[36,37](IL-1,IL-6,IL-12)血管细胞黏附分子-1(VCAM-1),细胞间黏附分子-1(ICAM-1),选择素[35,38](P-selectin,L-selectin,E-se-lectin),中性粒细胞黏附因子(CD11b)[39].利用cerius2的LigandFit模块进行中药芪参益气滴丸含有的化合物与心血管疾病相关蛋白质对接计算研究.对于每个化合物,使用蒙特卡罗(Monte表2计算中与心血管相关的蛋白质Proteincaspase-3COX-1COX-2CRPeNOSERKPDBEntry1RE12OYE1PXX1B091D0C1TVOProteinICAM-1IL-6:IL-12iNOSL-selectinPPARPDBEntry1MQ81ALU1F451M9R3CFW2P54ProteinP-selectinTNF-αtPACYP450HO-1CD11b*PDBEntry1G1Q2AZ51A5H2Q6N1N451BHOProteinE-selectin*IL-1*NF-kB*VCAM-1*caspase-8*caspase-9*PDBEntry1ESL7I1B1BFT1VSC1QDU1NW9ProteinNADPHOxidaseCholesterolOxidasePDBEntry2CDU1COY*无复合物晶体结构;所有晶体结构来源于PDB数据库()1417古江勇等:芪参益气滴丸治疗心血管疾病的计算药理学研究Carlo)方法进行构象采样,采样步长为15000步,只保留得分最高的构象;Dreiding力场打分,能量格点(energygrid)范围为超出结合口袋表面0.3nm,非键作用截止距离为1.0nm;其余均为默认设置.3.2结果分析与讨论对每个靶标蛋白质取筛选结果最好的前50名,共筛选出280个小分子化合物,其中有34个分子与10个或10个以上的蛋白质有比较强烈的相互作用,有12个分子(表3,图2)与15个以上的蛋白质有比较强烈的相互作用.尤其是sdmol_887(prionitisideB,CAS178273-46-6)、sdmol_102(luteolin-7-O-β-D-glu-curunide,