基于计算机模拟探讨海桐皮汤治疗骨性关节炎的多向药理学行为

海桐皮汤首见于《医宗金鉴·正骨心法要旨》,是由海桐皮、透骨草、乳香、没药、当归、川椒、红花、川芎、防风、白芷、威灵仙、甘草组成,具有通畅气血、舒经活络、消肿止痛之功效,治疗骨性关节炎(0A)疗效确切[1]。前期我们课题组也研究了海桐皮汤与OA药物分子/类药分子分子集的化学空间,结果发现了海桐皮汤分子集中化合物物理化学性质有良好的多样性,与药物分子/类药分子分子集在化学空间有较大的重叠,提示海桐皮汤可能具有治疗OA多靶点药物的性质[2]。为进一步分析海桐皮汤治疗OA的作用模式,本文尝试构建海桐皮汤配体-靶作用网络,从网络特征角度研究其可能的多向药理学行为,有助于系统地揭示海桐皮汤的药效物质基础和作用规律,从而为开发疗效更显著、快速、安全的新药奠定基础。

材料和方法

一、实验材料

所有计算工作均在北京大学化学与分子工程学院计算机模拟实验室的Silicon,Graphics计算机工作站上完成,所用计算程序为Accelrys公司提供的Cerius2分子设计软件包(版本4.10)。计算过程中除非特别指明,所选用的参数均为缺省值。

二、实验方法

1.配体构建:根据海桐皮汤复方组成,从北京大学中草药有效成分三维结构与性质数据库、Bd-ston/GmelinCrossFire化学资料数据库及国内外文献中收集到746个化学成分[2-4],在Silicon,Graphics图形工作站上建立其三维结构,选用MMFF力场优化。

2.分子对接与打分:根据0A的主要病因相关文献[5],选择了12个重要的0A靶点蛋白质,从RCSB蛋白质数据库下载其结构(表1)。以受体结构中的原配体为结合位点,利用Cerius2的LigandFit模块自动地匹配受体结合腔穴和海桐皮汤化合物数据库中的小分子三维结构,做化合物的对接计算。在对接中,使用蒙特卡罗(Monte car1o)方法,CFF力场,只保留得分最高的构象

3.配体一靶作用网络的生成和分析:依据上述打分,对分子数据库中的化合物排序,视比每个靶蛋白原配体打分高的化合物为活性分子。将活性分子和相应的靶视为网络的节点,两者之间的相互作用抽象成边,将结果导人cyqtoscapc软件,绘制海桐皮汤分子集配体与靶的作用网络。运用cyqtoscape软件中Plugins面板下Network Ana1ysis计算节点数目、特征路径长度、网络异质性等网络参数[6-7],并通过度的分布(网络中节点度数为k的概率)情况[8],进一步揭示海桐皮汤治疗OA的作用特点。

结果

1.海桐皮汤治疗0A化学成分的虚拟筛选:以每个靶蛋白对原配体的匹配打分为阈值,共筛选出215个小分子化合物,其中,94个化合物与2个或2个以上的蛋白质有较好的相互作用。根据化合物与中药的对应关系,海桐皮汤各味药中化合物与OA重要靶酶都有较好的作用,其中,海桐皮、透骨草、当归、红花、川芎、防风、甘草中的化合物能与5个以上靶酶发生较好的相互作用。因此,海桐皮汤化学成分或组方中药与靶点的作用均具有“一对多,多对一”的特点。结果见表2。

2.海桐皮汤分子集配体-靶作用网络的特征:将虚拟筛选的结果导人cyqtoscape软件,制作海桐皮汤分子集配体-靶作用网络。该网络不存在孤立节点,不存在自环,节点之间最多只有一条边,连通情况都达到100%,平均节点度为3.814,特征路径长度为3.307。根据“度分布p(k)=度等于k的节点数/节点总数”,经过0rigin8软件曲线拟合该网络度的分布方程为P(k)=k-4.29766,遵守幂律分布(p(k)=Ck-γ,γ为特征标度因子),说明海桐皮汤中分子对OA靶点的作用模式是非线性。结果见表3、图1~2。

讨论

多向药理学是关于一个化合物与两个或两个以上分子靶点特异性结合的药理学。在临床药物治疗中,基于多向药理学性质的药物比高选择性单靶点药物在治疗复杂疾病方面可能会出现更好的疗效和更小的副作用[9]。由此多靶点药物研发成为热点。海桐皮汤方中海桐皮、透骨草、威灵仙舒筋活络,通痹止痛;孚1香、没药、当归、红花活血化瘀,消肿止痛、川芎温经通路,祛寒通痹;防风、白芷、威灵仙祛风湿止痹痛;甘草为和药。诸药共奏气血通畅、经络舒展、肿胀消退之功效[1]。药物功效越多,其作用于机体不同途径的靶点就越多[10]。因此,海桐皮汤多靶点与多途径的功能反应,为其多向药理学行为及多靶点药物的研究提供依据。

近年来,计算机模拟已成为中药研究的重要辅助手段,为中医药的现代科学阐释提供新方法[11]。本文通过计算机模拟实验,发现海桐皮汤方中不同中药所命中的靶不一样,体现了“方有合群之妙用,药有个性之特长”的中医方剂配伍特点。方中有94个化合物具有混杂药物的性质,其治疗0A的作用机制可能包括调节软骨基质中酶活性、抑制C0X—2活性、干预软骨细胞因子表达、抑制一氧化氮合成酶和聚蛋白多糖酶等,体现了海桐皮汤治疗0A的多途径特点。所构建网络的平均节点数为3.814,特征路径长度为3.307,度的分布遵守幂律分布,体现了小分子配体-靶之间的非线性作用。由此反映了海桐皮汤中化合物的多向药理学行为。

总之,本文视海桐皮汤为一个天然组合化学库,从分子层次阐释了其多向药理学行为,有助于传统中医药理论的现代阐释。同时,由于0A疾病涉及到的蛋白很多,中药多靶点调节(从疾病整体水平上的调节)相对于西医单一化合物单一靶点的治疗模式显示出很大的优越性。

参考文献

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