中药构效组学——以气滞胃痛颗粒抗炎镇痛作用为例

中药的化学成分复杂、研究思路局限,导致其发挥药效的物质基础与作用机制尚不清楚,这也是我国传统中医药现代化发展面临的共性问题。计算机虚拟技术的引入为中医药研究提供了新的角度。该研究建立了构效组学的研究方法,在中药成分化学结构的基础上,运用计算机虚拟筛选技术,研究中药中不同种类化合物结构与药效之间的多组多效,组效对应关系,分析和预测中药及中药复方的物质基础及多靶点协同的作用机制,并以气滞胃痛颗粒的抗炎镇痛作用为例开展构效组学研究,为药效组分筛选、有效成分解析提供了支撑,为复方疗效的物质基础和作用机制研究及中药先导化合物的开发提供思路和方向,推动中药的现代研究和中医药的创新发展。

气滞胃痛颗粒中香附抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学的研究方法,阐释香附发挥抗炎镇痛作用的药效物质。方法:基于课题组前期体外药效筛选,开展香附黄酮组分体内药效研究,并通过中药系统药理数据库和分析平台(TCMSP)、药效预测靶点数据库(PharmMapper)和Swiss TargetPrediction等数据库及文献调研获取香附黄酮类成分及作用靶点,采用疾病相关基因与突变位点数据库(DisGeNET)和人类孟德尔遗传数据库(OMIM)等数据库收集抗炎镇痛靶点,取交集靶点作为香附黄酮抗炎镇痛的直接作用靶点,构建核心靶点蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络。基于构效组学的研究方法,以靶点为桥梁,将香附中一类或多类化学成分结构与药效紧密关联,将化学成分按照结构分类,并通过SYBYL-X 2.1.1、PyMOL及Discovery Studio 4.5 visualizer软件将成分与核心靶点进行分子对接,选取整体对接活性最好的2个靶点,探讨化合物结构与靶点的关系。结果:香附黄酮对小鼠甲醛致痛模型具有良好的抗炎镇痛作用,筛选获得香附黄酮成分18个和直接作用靶点115个,分析得到高活性的核心靶点为蛋白激酶B1(Akt1)、白细胞介素-1β(IL-1β)、细胞肿瘤抗原p53(TP53)、前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)。香附黄酮成分按照结构类型分为双黄酮类、黄酮醇类、黄酮类及黄烷类,经分子对接筛选,成分与TP53和PTGS2整体对接活性最好。构效组学研究结果表明,双黄酮类结构是香附黄酮中整体与靶点结合最好的结构,但其多羟基醚化带来与PTGS2结合活性的明显下降;糖苷与PTGS2有更好的结合,而黄酮醇的A环引入长链烃基则与TP53结合更佳,B环取代基的变化不是影响结合活性的主要因素;3,4-二羟基黄烷结构与TP53的结合活性优于3-羟基黄烷,但与PTGS2的结合未表现出优势。结论:该研究基于香附黄酮抗炎镇痛的药效作用基础上,采用构效组学研究方法,可以分析香附黄酮抗炎镇痛的物质基础,同时构效组学为中药药效物质的阐释提供新思路新方法。

气滞胃痛颗粒中白芍抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学的研究方法,阐释白芍总苷发挥抗炎镇痛作用的药效物质。方法:在课题组前期体外药效筛选的基础上,采用甲醛致小鼠足肿胀模型,开展白芍总苷体内抗炎镇痛药效研究;运用中药系统药理数据库和分析平台(TCMSP),在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM),检索互作基因(STRING)等网络数据库,获取并筛选白芍抗炎镇痛活性成分的核心靶点;采用计算机虚拟筛选技术将不同类型的白芍总苷与核心靶点进行对接,以各靶点与活性结构的综合评分总分为遴选原则,得到高结合活性的关键核心靶点,以靶点为桥梁,将白芍中一类或多类化学成分结构与药效紧密关联,通过白芍总苷各类结构与药效靶点结合规律,探讨分析构效关系。结果:白芍总苷在体内具有良好的抗炎镇痛药效,筛选得到23个白芍活性成分,其发挥抗炎镇痛作用的核心靶点为表皮生长因子受体(EGFR),信号传导及转录激活因子3(STAT3),血管内皮生长因子A(VEGFA),细胞肿瘤抗原p53(TP53),原癌基因转录因子(JUN);按照母核进行结构归类,其中蒎烷单萜苷类成分16个,蒎烯单萜苷类成分4个,单萜内酯苷类成分2个,单萜酮类成分1个;经对接评分筛选得到关键核心靶点为EGFR、STAT3;通过活性结构与关键核心靶点的构效分析发现,母核上的酮基及苯环上基团的引入,会对结合活性造成影响。结论:该研究基于白芍总苷抗炎镇痛的药效作用,采用构效组学研究方法,可以分析白芍总苷抗炎镇痛的物质基础,为中药药效物质的阐释提供新思路新方法。

气滞胃痛颗粒中延胡索抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学研究方法,阐释气滞胃痛颗粒中延胡索含有化合物结构与抗炎镇痛的药效物质。方法:在课题组前期体外筛选的基础上,开展延胡索生物碱体内药效研究,以靶点为桥梁,将延胡索中一类或多类化学成分结构与药效紧密关联,将延胡索生物碱所含成分结构与抗炎镇痛疾病靶点进行分子对接,依据对接评分和延胡索生物碱结构母核的不同进行构效组学研究,总结其结合优劣的规律。结果:延胡索生物碱在体内抗炎镇痛药效研究中有良好效果,初步筛选延胡索生物碱中53个化学成分和73个靶点;抗炎镇痛疾病靶点3 074个,将成分靶点与抗炎镇痛疾病靶点取交集,共得到42个直接作用靶点;经过蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)、分子对接等分析,最终得到延胡索生物碱的主要活性成分有延胡索乙素、巴马汀等,核心靶点为前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)、代谢型谷氨酸受体5(GRM5)、雌激素受体1(ESR1)、钾依赖钠钙交换蛋白6(SLC6A4)、核蛋白转录因子(FOS)等;依据母核的不同将延胡索生物碱53个成分分为8类,其中原小檗碱类、小檗碱类、阿朴啡类三类成分多,并且与PTGS2、GRM5等靶点具有较好的结合,每组延胡索生物碱结构与对接评分关系呈现相同的规律。原小檗碱类结构中,母环的A环和D环上适当带有羟基、烷氧基或甲基的取代基有利于增强与两个靶点的结合活性。在小檗碱类结构中,含有13位甲基的结构对2个靶点结合更佳,推测甲基片段改变了成分结构与氨基酸残基的结合方式,极大地提高了其结合活性。结论:该研究采用构效组学研究方法,可以分析延胡索生物碱抗炎镇痛的物质基础,同时构效组学为中药药效物质的阐释提供新思路新方法。

气滞胃痛颗粒中柴胡抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学研究方法,阐释气滞胃痛颗粒中柴胡抗炎镇痛作用的药效物质。方法:采用甲醛小鼠致痛实验明确柴胡皂苷的体内抗炎镇痛作用;运用中药系统药理数据库和分析平台(TCMSP),人类在线孟德尔遗传数据库(OMIM)和检索互作基因(STRING)等网络数据库,获取并筛选柴胡抗炎镇痛活性成分的核心靶点;采用计算机虚拟筛选技术将不同类型的柴胡皂苷与核心靶点进行对接,以各靶点与活性结构的综合评分总分为遴选原则,得到高结合活性的关键核心靶点;通过各类结构与药效靶点结合规律探讨分析构效关系。结果:柴胡皂苷能够降低甲醛刺激引起的小鼠足部肿胀,并在甲醛引发小鼠足部炎性疼痛反应中能使前列腺素E2(PGE2)含量下降,对PGE2所引发的炎性疼痛有显著的抑制作用;筛选出柴胡皂苷中9个化学成分和39个靶点;抗炎镇痛靶点3074个,将成分靶点与抗炎镇痛疾病靶点取交集,共得到22个直接作用靶点;经过蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)分析,最终得到药物的主要活性成分有柴胡皂苷a、柴胡皂苷b1、柴胡皂苷b2、柴胡皂苷b3、柴胡皂苷c、柴胡皂苷d、柴胡皂苷e、柴胡皂苷f、柴胡皂苷v;关键靶点为fms相关受体酪氨酸激酶1(FLT1)、可溶性血管内皮生长因子受体(KDR)、成纤维细胞生长因子2(FGF2)、血管内皮生长因子A(VEGFA)、信号传导及转录激活因子3(STAT3)等;将柴胡中活性成分与PPI网络中度值前5的靶点进行分子对接,共得到>5分的高活性对接25个,其中5~6分的6个,>6分的18个。结论:该研究基于柴胡皂苷的体内抗炎镇痛药效作用,采用构效组学研究方法,可以分析柴胡皂苷抗炎镇痛的药效物质。构效组学能够为中药药效物质的阐释提供新思路、新方法。

气滞胃痛颗粒中甘草抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学的研究方法,阐释甘草发挥抗炎镇痛作用的药效物质。方法:在课题组前期体外筛选的基础上,开展甘草黄酮体内药效研究,通过中药系统药理数据库和分析平台(TCMSP)、药效预测靶点数据库(PharmMapper)、Swiss TargetPrediction、疾病相关基因与突变位点数据库(DisGeNET)及在线人类孟德尔遗传数据库(OMIM)等数据库获取甘草黄酮化合物结构及其发挥抗炎镇痛的直接作用靶点;运用检索互作基因(STRING)数据库及Cytoscape 3.7.2软件构建关键蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络关系;采用分子对接筛选技术对甘草黄酮中度值(degree)高的5个靶点与化学成分分别进行虚拟对接,筛选出关键核心作用靶点,以靶点为桥梁,将甘草中一类或多类化学成分结构与药效紧密关联,根据不同结构类型的甘草黄酮与靶点的亲和力及作用力进一步探讨甘草黄酮化学结构与核心作用靶点的关系。结果:甘草黄酮可降低甲醛致痛大鼠体内前列腺素E_(2)(PGE_(2))含量,有良好的抗炎镇痛效果。获得甘草黄酮发挥抗炎镇痛作用的活性化合物60种,以综合评分为标准,筛选前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)和促分裂原活化蛋白激酶3(MAPK3)为甘草发挥抗炎镇痛作用的关键核心作用靶点,除黄酮类结构表现出更好的MAPK3选择性外,其余各类甘草黄酮结构均与PTGS2和MAPK3呈现较好结合且含有糖苷片段的结构表现出更好的结合活性。甘草查耳酮类结构中环上引入链状烯烃更利于与靶点结合,甘草黄酮醇中异戊烯基片段可能引起结合活性的差异,黄烷类结构中A环骈合入吡喃环不利于与靶点的结合,异黄酮类化合物B环上取代基的电性、脂溶性和位阻等对结合活性有直接影响。结论:该研究基于甘草黄酮抗炎镇痛药效作用基础上,采用构效组学的研究方法,可以分析甘草黄酮抗炎镇痛的物质基础,同时构效组学为中药药效物质的阐释提供新思路新方法。

气滞胃痛颗粒中枳壳抗炎镇痛作用的构效组学

目的:采用构效组学研究方法,阐释气滞胃痛颗粒中枳壳黄酮发挥抗炎镇痛作用的药效物质。方法:在课题组前期体外药效筛选的基础上,开展枳壳黄酮体内药效研究,运用中药系统药理数据库和分析平台(TCMPS),人类在线孟德尔遗传数据库(OMIM),检索互作基因(STRING)等网络数据库,获取枳壳黄酮抗炎镇痛活性成分的核心靶点;采用计算机虚拟筛选技术将不同类型的枳壳黄酮与核心靶点进行对接,以各靶点与活性结构的综合评分总分为遴选原则,得到高结合活性的关键核心靶点;以靶点为桥梁,将枳壳中一类或多类化学成分结构与药效紧密关联,通过各类结构与药效靶点结合规律探讨药效明确的化合物与药效之间的构效关系。结果:枳壳黄酮对葡聚糖硫酸钠(DSS)结肠炎小鼠具有良好的抗炎镇痛药效,能够改善结肠炎小鼠体征,明显降低炎症因子白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β)水平(P<0.05),获得枳壳黄酮类活性成分12个,按照母核进行结构归类,其中二氢黄酮类9个,黄酮类3个。经韦恩(Venn)交互分析,得到枳壳抗炎镇痛靶点167个,通过度值(Degree)和分子对接综合评分,选择前列腺素内过氧化物合酶2(PTGS2)和丝裂原活化蛋白激酶3(MAPK3)进行进一步的结构分析。通过结构分析发现,含有糖苷类结构的成分与抗炎镇痛靶点结合活性更高。结论:该研究在体内药效实验的基础上采用构效组学的研究方法,可以分析枳壳黄酮抗炎镇痛的物质基础,同时构效组学为中药药效物质的阐释提供新思路新方法。