计算机虚拟筛选与辅助设计在中药现代研究中的应用课件

计算机虚拟筛选与辅助设计在中药现代研究中的应用,计算机虚拟筛选与辅助设计,研究内容,研究内容,1,中药研究领域的应用现状,2,中药研究领域的应用实例,3,对中药理论研究的重大意义,4,局限及解决的对策,5,研究内容,新药的寻找：耗费巨大、效率低下 重要原因：新药的发现还缺乏成熟的理论，新药的研制仍主要依赖反复试验。 计算机辅助药物分子设计方法(CADD)，在这种社会需求的强大推动下逐渐发展,研究内容,CADD思想核心：“锁钥原理” 药物的作用机制就是和体内的某个靶点（大多是蛋白质）作用，有如钥匙与锁一般，特定的钥匙药物分子只与特定的锁蛋白质作用，且中间的作用是相当精密的,研究内容,20世纪90年代，由于分子生物学和结构生物学的发展，CADD已经作为一种实用化的工具介入到了药物研究的各个环节，并成为创新药物研究的核心技术之一,研究内容,在药物设计中，一般把基于分子对接的数据库搜索方法称为计算机药物虚拟筛选。 计算机药物虚拟筛选技术覆盖了CADD的大部分研究领域 利用计算机强大的计算能力，从已建立的大规模化合物的三维结构数据库几十到几百万个化合物中搜寻与靶标生物大分子活性部位或结合部位相匹配的化合物，其目的是从几十到上百万个分子中，发现有苗头的化合物，集中目标进行攻关。,2D molecular databases,Atom/bond type assignment 3D structure conversion structure optimization,Conformation assemble data assignment,Protein structure,Protonation/charge assignment structure optimization,Binding site determination grid construction,docking,scoring,Ranking/selection drug likeness analysis,Hit candidates list,基于分子对接的虚拟筛选的基本流程图,研究内容,与传统药理测试比较： 大大降低了实验筛选化合物数量 缩短了研究周期 节约了研究经费 据统计，由于分子模拟和计算机辅助药物设计的介入，使得新药研发的周期缩短了0.8年，直接研发费用降低了1.3亿美元，这是除基因组计划外任何其它技术都无法比拟的,天然产物：具有分子多样性、先导化合物（甚至是药物）的重要来源 中药成分和作用靶点均十分复杂，如果将各成分分离提纯出来，测其分子结构，并进行相应的药理试验，其工作量巨大，耗时长，成本高，且只能是小规模筛选,中药研究领域的应用现状,中药研究领域的应用现状,实验具有比较强的导向性 提高药物设计的命中率 减少大量人力、物力的投人,将中药或复方看成天然组合化学库,已知中药或复方有关化学成分,计算机药物虚拟筛选技术,探讨可能的作用机理,中药研究领域的应用现状,1997年北京大学徐筱杰教授的研究小组 初步建立了包含10000多个化合物的中草药有效成分三维结构数据库和北京大学药物设计系统的两个数据库, 其中收人植物2037种, 涉及参考文献10814篇 这两个数据库之间实现了无缝连接, 在实际运用中发挥了极高的效率,中药研究领域的应用实例,计算机虚拟筛选技术对黄连解毒汤药效物质功能分群的研究 基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,计算机虚拟筛选技术对黄连解毒汤药效物质功能分群的研究,君臣佐使职能划分为标准，可以将中药方黄连解毒汤的化学成分分子中的药效物质进行有序组合，分群别类，形成一个相互影响、相互协作的有机系统,研究对象,方法,结果,黄连、黄芩、黄柏、栀子,文献调研建立黄连解毒汤的化学成分数据库 药效物质功能分子群的筛分 君、臣、佐、使分子群的建立,“君”药,“臣”药,“佐”药,“使”药,处方中针对疾病与证候起主要治疗作用的药物,处方中辅助君药起治疗作用的药物,处方中佐助君药、臣药，或与君药、臣药能相辅相成起治疗作用的药物,处方中引导诸药达到患病脏腑、相关经络病位或具有调和诸药作用的药物,中药复方的“君臣佐使论” 是中药制方的重要原则之一。所谓“君臣佐使” ， 即“君为主，臣为辅，佐为助，使为用 ”(原机启微),君药分子群的建立,其他分子群建立方法类似,运用软件 PowerMVV0. 61的相似性筛分 功能，以分子结 构二维相似度为 指针， 对化学 成分分子进行相 似性聚类，得到数个分子结构相 似的功能结构域,给予各指数优劣评 分，将每个分子的 10项指数结构域内 得分最高的几个分 子， 结合该化合物 在药材中的优劣性 评分加和，得出总 分，以总分进行排 序，挑选出各个含 量和生物活性资料 ，得出君药分子群,综合运用 PowerMV、Osiris 、Molinspiration 等软件的ADME (药 动学)预测功能计算 各结构域内的化学 成分分子的类药性 指数,结果,基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,研究显示，降脂可中止动脉硬化的进展，对预防心脑血管疾病具着重要意义，本研究采用分子对接方法从中草药中快速筛选FXR的天然配体，为新型降脂药物研发先导化合物,法尼酯受体（Farnesoid X receptor， FXR）是人体内重要的代谢性核受体，在胆汁酸代谢和胆固醇代谢中发挥重要作用，是新的降低胆固醇、治疗心脑血管疾病的靶点。,法尼酯 受体 抑制剂,基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,FXR 蛋白质晶体结构选择PDB 数据库中FXR- fexaramine 复合物中的fexaramine 活性构象为模板,分子构建、能量优化和对接研究均采用Accelrys 公司Cerius2 分子模拟软件包（版本4.10），在Silicon Graphics O2 图形工作站上完成,fexaramine的二维结构,基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,结构优化,分子对接,中草药所含10 000 多个小分子化合物来自北京大学药物设计系统，FXR 蛋白质晶体结构选择PDB 数据库中FXR- fexaramine复合物。,对接前先删除受体大分子PDB 文件中的水分子，加上极性氢原子，赋予电荷；所有小分子化合物的三维结构均采用MMFF 力场进行优化，并加载电荷。,小分子配体在大分子受体活性口袋中的可能构象模式采用Ligandfit 方法进行采集。根据配体- 受体相互作用能量大小和几何构型匹配程度确定相互作用强的候选化合物。,用打分函数对能量、几何形状、化学环境进行综合评价，选出最理想的化合物。,信息采集,打分评价,基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,结果 将中草药中所含的10000 多个化合物分子与FXR进行分子对接，以原配体fexaramine 的打分函数作为一个阈值，寻找与FXR 相互作用强的化合物，筛选出中草药中10 种与FXR 相互作用强的化合物，这些化合物可作为先导化合物，值得进一步研究。中草药中FXR配体计算机虚拟筛选结果见下表。,基于中草药数据库的法尼酯受体抑制剂的计算机虚拟筛选,对中药理论研究的重大意义,利用计算机药物虚拟筛选技术可以在细胞、动物实验前先模拟中药或复方中的化学成分与疾病密切相关的重要靶酶、参与药物吸收过程的关键酶之间的相互作用, 快速筛选出可能性大的候选化合物供随后的实验进行验证。,对中药理论研究的重大意义,尽快开发出具有原始创新、自主知识产权的成果。 以最少的成本在最短的时间，赢得与国内外相关领域竞争的胜利！,局限及解决的对策,仅是一个创新中药研究的辅助性工具, 且本身还有需要进一步完善之处。 我们不能将计算机药物虚拟筛选技术看成是“ 灵丹妙药”,任何问题都能一用就灵, 迎刃而解。而是应该全面评价,合理利用,让其真正成为研究中医药奥妙的有力武器。,缺少一个拥有大量中草药化学成分的数据库。 当前国内有3个包含中草药化学成分的数据库：徐筱杰教授小组开发的中药有效成分三维结构数据库、中国科学院上海药物所开发的中国天然产物数据库以及中国科学院工程过程研究所开发的中药化学数据库。这3个数据库搜集的化学成分的数量不超过20000种, 与商用数据库中包含几十至几百万种化合物相比是“ 小巫见大巫”,还需要一段相当长时间逐渐充实更新。,局限及解决的对策,缺乏一种完善、有效的评价方法来评估配体。 现有的打分方法都存在着各自的缺陷和局限性, 分高的分子未必是作用好的配体。同时各种打分函数具有一定的适用专属性, 某一个打分函数可能只对某几类化合物或相似结构比较灵敏,评价比较好。因此会出现假阴性、假阳性现象。,局限及解决的对策,虚拟筛选过程中只考虑受体和配体的作用, 而未考虑药物复杂的作用机制。 如果要提高计算机药物虚拟筛选技术在创新中药开发中的命中率, 除了考虑配体与受体的相互作用外, 还要考虑分子的类药性、毒性、化学稳定性和合成的难易性以及体内转运和代谢分布等药代动力学方面的性质。,局限及解决的对策,总之,由于大量新技术的应用,传统的