基于计算机平台构建活血化瘀中药3D结构数据库

尹玉玲，李亚辉，冯俐，宋今辉，熊浪龙，肖荣锋

(贵州中医药大学，贵州 贵阳 550025)

科学技术的不断发展，计算机技术作为改变世界的科学技术，结合大数据时代，计算机数据库技术发展迅速，为人类的数据分析、采集、数据库的建立提供较好的平台，尤其在文献数据库、数字数据库中有一定的指导价值[1-2]。计算机辅助药物设计是以计算机为基础，运用化学和生物学的相关知识，基于计算机对一些相关数据进行计算，获得药物结构与生物活性的关系以及模拟药物分子与受体蛋白质之间的相互作用，对药物的结构进行优化，从而对新型药物分子的设计起到指导作用，帮助我们更有效的研发及合成药物。近年来随着计算机辅助药物设计方法的发展，计算机辅助药物设计已经成为一门新兴的研究领域，计算机辅助药物设计方法的出现为新型药物的研究和开发另辟蹊径，不但降低了成本，缩短了药物开发的周期，而且成功率很高[3]。

活血化瘀中药为临床治疗心血管疾病的常用药。临床显示活血化瘀中药在抗血栓、改善流动力学以及抗炎等方面发挥重要作用[4-5]。但是中药具有多成分的特点，导致对活血化瘀中药(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)研究的不全面，往往是集中于某一点或某一角度，需要一种从宏观到微观，多角度、多层次梳理和整合活血化瘀中药对心血管的作用。以往评价体系多采用动物模型，存在实验周期长、成本相对较高、工作量大等不足。因而，本研究整合TCSMP数据库信息，结合PubChem数据库得到活血化瘀中药化学成分更为详细的信息，基于SYBYL对活血化瘀中药小分子(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)加氢、加电荷及能量优化。从而构建活血化瘀中药3D结构的数据库。

1 计算平台及数据库

SYBYL2.1.1(Tripos)软件，TCMSP(http://ibts.hkbu.edu.hk/LSP/tcmspsearch)，使用的相关软件已授权或开源软件。详见表1。

表1 计算的硬件平台

2 实验方法

2.1 活血化瘀中药小分子收集

基于TCSMP(http://lsp.nwu.edu.cn/tcmspsearch.php)数据库结合PubChem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)数据库得到活血化瘀中药(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)化学成分更为详细的信息[6]。主要内容包括：活血化瘀中药名称、中药成分(组分)、下载有效成分的mol2分子结构文件。

2.2 活血化瘀中药初始构象

基于SYBYL2.1.1对活血化瘀中药(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)小分子加氢、加电荷，每个分子进行 Minimize能量优化及加氢处理，优化参数为[7-8]：优化次数设置为10 000、能量收敛标准设置为0. 005 kcal/(moL·A)、选择Tripos 标准分子力场、添加 Gasteiger-Hückel 电荷，基于 Powell能量梯度法优化得到最低能量构象，进行能量优化的目的是寻找配体分子的最低能量构象以模仿自然体系中的分子稳定构象，建立活血化瘀中药小分子数据集。优化过程中使用的参数见表2。

表2 配体分子的优化参数

2.3 活血化瘀中药3D 结构的生成

活血化瘀中药(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)3D结构通过能量函数计算某个构象的内部原子相互作用的能量总和，依能量最小化寻找某个分子最稳定的空间构象。本研究中所有化合物3D结构的生成通过SYBYL2.1.1中能量最小化模块(Energy Minimization)实现[9]。

2.4 活血化瘀中药共有化学成分的理化性质分析

活血化瘀中药(丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术)化学成分基于TCMSP进行分子量(Molecular Weight,MW)、口服生物利用度(oral bioavailability,OB)、氢键供体数(H-bond donors,HBD)、类药性(drug likeness,DL)、分子量(Molecular Weight，MW)、氢键受体数(H-bond acceptors, HBA)、脂水分配系数等理化性质分析。应符合以下规则[1-2]：1)HBD(连接在N和O上的氢原子数)<5；2)HBA(N和O的数目)<10；3)MW<500；4)脂水分配系数<5[10-11]。

3 实验结果

3.1 活血化瘀中药小分子收集

将丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术分别输入TCMSP数据库，下载丹参化学成分202个，川芎化学成分189个，银杏叶化学成分307个，莪术化学成分81个，红花化学成分189个，桃仁化学成分66个，延胡索化学成分77个，益母草化学成分51个，共收集活血化瘀中药1 162个化学成分。

3.2 活血化瘀中药3D结构生成

基于TCMSP收集活血化瘀中药共1 162个化学成分。所有活血化瘀中药化合物3D 结构的生成通过SYBYL2.1.1中能量最小化模块实现。活血化瘀中药小分子叠合图详见图1。

图1 活血化瘀中药小分子叠合图

图2 活血化瘀中药小分子网络模型

3.3 活血化瘀中药共有成分理化性质分析

根据Lipinski规则，化合物应该具备氢键受体数(HBD)<10，分子量(MW)<500，氢键供体数(HBA)<5，生物利用度(OB)>30%，类药性(DL)>0.18，脂水分配系数(AlogP)<5。活血化瘀中药1 162个化学成分，其中丹参化学成分54个，川芎化学成分3个，银杏叶化学成分10个，莪术化学成分2个，红花化学成分9个，桃仁化学成分15个，延胡索化学成分46个，益母草化学成分6个，活血化瘀中药共145个化学成分符合Lipinski规则。采用Cytoscape3.5.1[12]构建活血化瘀中药小分子网络模型见图2。

4 讨论

基于TCMSP数据下载活血化瘀中药1 162个化学成分，每个分子进行 Minimize 能量优化及加氢处理，所有活血化瘀中药化合物3D 结构的生成通过SYBYL2.1.1中能量最小化模块实现。根据Lipinski规则对活血化瘀中药1 162个化学成分进行筛选，发现145个化学成分符合Lipinski规则。本研究选择活血化瘀中药结合计算机进行多学科交叉分析，初步建立活血化瘀中药小分子配体库，为研究者发现心绞痛、心肌梗死和心源性猝死等心血管疾病的先导化合物提供依据。

药物开发过程中常常涉及到Lipinski经验性规律，能初步预测化合物的吸收、分布、渗透性等，为研究者初步提供小分子的基本情况，降低开发药物的成本[13]。所以本研究在建立3D活血化瘀中药小分子配体库的基础上，对1 162个小分子又进行了初步筛选，筛选出145个化合物在“五规则”的阈值范围内，我们将进一步深入研究。

SYBYL是专业分子模拟平台，涵盖了分子模拟与显示、组合化学和分子多样性、数据处理、化学信息学和数据库、定量构效关系和、生物信息学等多种与药物研究和开发相关的模块[14]。丹参、川芎、银杏叶、益母草、红花、桃仁、延胡索和莪术分子构型优化的目的是寻找分子的最低能量构象，最低能量构象相对应的是分子体系的稳定构象。本研究基于 Powell能量梯度法优化得到最低能量构象，建立活血化瘀中药小分子数据集。