中药化学成分抗菌活性化学信息学研究

中药化学成分抗菌活性化学信息学研究

目的： 采用化学信息学方法，分析中药化学成分分子结构特征与其抗菌活性的构效关系。方法： 采用Cytoscape和ChemViz计算中药化学成分与目前临床使用的抗菌药物的二维化学结构相似度以及表征细胞渗透性的拓扑参数TPSA（Topological Polar Surface Area，拓扑分子极性表面积）。继而计算8大类中药化学成分与已知抗菌药物的整体化学结构相似程度。结果：相比其他类别的中药化学成分，黄酮类化合物表现出与现有抗菌药物较好的结构相似度，适宜的细胞渗透性。结合其较好的药物安全性特点，提示这类化合物可作为进一步合成抗菌药物的优选先导化合物骨架结构来源。结论： 化学信息学的应用有助于探究中药化学成分分子结构特征与其抗菌活性的构效关系，寻找合适的抗菌药物先导化合物骨架结构。

标签：中药化学成分；抗菌活性；化合物结构相似度；化学信息学

近30年来，随着我国医疗水平飞速发展，抗菌药物的生产与使用日益普遍。人们的健康状况得到了显著提高，这些都益于针对于不同作用途径的抗菌药物的不断涌现和大量的临床使用。目前临床上常用的抗菌药物主要有β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类、喹诺酮类等等。抗菌药物在发挥日益强大的抗菌功效的同时，致病菌也不断对现有药物产生适应性[1]。由于抗菌药物的滥用，使细菌的耐药性迅速产生[2]。另外，抗菌药物存在诸多不良反应，如中枢神经系统、血液系统、泌尿系统、消化系统的不良反应均十分常见，另外还包括一些严重的不良反应如过敏性休克、耳肾毒性等等[3-5]。结合以上事实，一方面深刻表明应在临床上严格控制和合理使用抗菌药物；另一方面也强烈提示开发新的基于全新的分子母核结构的抗菌药物应成为当务之急。

大量研究表明中药化学成分具有较好的抗菌活性[6]。本文依据化合物结构相似，可能具有相似的药理作用这一合理假设，通过化学信息学软件的合理使用，比对中药化学成分与目前临床应用的抗菌药物的二维化学结构相似程度，从中优选出具有较好抗菌活性的中药化学成分类别。研究结果可以为今后进一步对其结构改造，合成全新的基于中药化合物骨架结构的抗菌药物，提供理论指导和前期研究基础，从而替代当前细菌已经对其耐药的抗菌药物和使用后产生严重不良反应的抗菌药物。

1资料与方法

1.1抗菌药物和中药化学成分研究中所用的临床抗菌药物以及中药化学成分均其常用名称表示，各个化合物的SMILES字符串可在PUBMED compounds数据库中检索得到。研究中计算二维化合物结构相似度的参数为Tanimoto系数 （Tanimoto coefficient）。方法中将忽视化合物的旋光性，因此SMILES字符串将全部采用Canonical SMILES[7]。对于无法在PUBMED compouds数据库检索其Canonical SMILES的中药化学成分，则依据其二维分子结构，经ChemDraw软件重新绘制其化学结构，生成其SMILES字符串。

1.2计算化合物相似度及拓扑参数TPSA所有的中药化学成分将按化学结构特点被分为8大类，即黄酮类、萜类、木质素类、生物碱类、皂苷类、醌类、甾醇类以及香豆素类。采用网络分析软件Cytoscape[8]以及其化学信息学分析插件ChemViz[9]分别计算各类中药化学成分与现有临床使用的抗菌药物之间的化学结构相似性。Tanimoto系数（0～1）的大小用于表征化合物结构相似程度。计算结果越接近1，则表示2个化合物结构越相似，很可能存在相似的药理活性[10]。参考文献[10]，本次研究中Tanimoto 系数的阈值设定为0.57。计算Tanimoto系数之和得到E，反映2个类化合物之间的整体相似程度[10]。此外，ChemViz用来计算所有研究用化合物的TPSA，其大小可用于衡量化合物对于细胞膜的渗透性[11]。数据分析采用GraphPad Prism 5软件处理。当P＜0.05，认为方差分析结果存在显著性差异。

2结果

2.1收集的抗菌药物和中药化学成分及所使用的软件本次研究中，共纳入了161种抗菌药物。均为目前临床应用的药物品种。采用网络分析软件Cytoscape以及它的可用化学信息学插件ChemViz，依照化合物结构相似可能具有相似的药理活性的合理假设，对总共1 455种中药化学成分进行了抗菌活性化学信息学分析，以探究中药化学成分分子结构特征与其抗菌活性的构效关系。由于研究中涉及化合物个数较多，文章中不做列表显示化合物的名称和SMILES。在本次分析中，采用了Tanimoto系数作为计算两两化合物结构相似度的主要参数[7]；而E作为衡量2类化合物整体结构相似度的主要参数[10]，E越小，表明2类化合物越相似。所有化合物的拓扑参数TPSA由ChemViz计算得到，越小，表明药物的被动跨膜转运能力越强[11]。

2.2不同类别的中药化学成分与现有抗菌药物的化合物结构相似度存在显著差异尽管大量研究表明不同化合物结构特点的中药化学成分均可表现出一定的抗菌活性，但是研究结果提示不同类别的中药化学成分由于其母体结构的差异，表现出存在与抗菌药物化合物结构相似度的显著差异（图1，表1）。图1为示意图，显示了甾醇类和黄酮类化合物与抗菌药物的Tanimoto系数的分布趋势，可以看出抗菌药物之间的相似度最高，其Tanimoto系数平均值为0.48。黄酮较甾醇与抗菌药物更为相似，前者的Tanimoto系数平均值为0.44；而后者仅为0.18。在所有分析的1 455种中药化学成分中，仅有少量生物碱类化合物表现出与抗菌药物在化学结构上最为相似（Tanimoto系数>0.80，图2）。在图2中，若2个化合物的Tanimoto系数大于0.80， 即用实线连接。结果表明β-咔啉类生物碱与多种抗菌药物在化学结构上非常相似，提示此类生物碱很可能具有抗菌活性。

E的计算结果与以上结果一致（表1）。黄酮和生物碱以及皂苷的E最小，与其他类别化合物相比有显著区别，提示这3大类化合物在总体上与抗菌药物结构相似程度较高。而甾醇类化学成分无一个与抗菌药物相似（Tanimoto系数阈值为0.57[10]）。需要注意的是，E的大小与化合物的数目无关[10]。进一步的分析证明，黄酮类化合物与甾醇类化合物之间的E为2.1×105，2类化合物中无任何化合物之间结构相似（Tanimoto系数>0.57），说明中药化合物母核结构的差异显

著影响了它们的抗菌活性[6]。黄酮化合物按母核骨架的细微差异又可细分为亚类，各亚类黄酮化合物在抗菌药物相似程度上仍然表现出显著差异（表2）。2.3中药化学成分TPSA分析药物跨膜转运与药物在细菌内部的有效浓度紧密相关[11]，进而将显著影响药物的抑菌或杀菌活性。本次研究中，采用衡量化合物细胞渗透性的拓扑参数TPSA来总体比较各中药化学成分和现有抗菌药物在被动跨膜转运上是否存在显著区别（图3）。方差分析结果表明，各中药化学成分类别与现有抗菌药物在细胞渗透性上存在显著差异。除了皂苷类化合物的TPSA普遍偏高，提示其分子结构极性较强不易通过细菌细胞膜，其他各类中药化学成分均表现出较好的细胞膜渗透性能。对黄酮各亚类化合物的TPSA分析结果表明，各亚类化合物的TPSA不存在显著差异。

3讨论

抗菌药物的过度使用已经在我国造成大量抗生素不同程度的耐药，并且这种趋势不仅没有缓解，而是在逐年加剧。如何合理使用这些药物，避免耐药性菌群的出现，也将是一个亟待解决的临床问题。同时，抗菌药物的一些严重的不良反应也同样困扰着诸多医务工作者。

在药理学中，存在这样一个合理的假设：结构相似的化合物往往会具有相似的药物作用，并表现出近似的药理活性。而通过计算和比较在巨大的化合物空间中的化合物之间的结构相似性，有可能发现化合物或是药物的新的药理作用[10]。本次研究中，将采用现有的化学信息学软件计算和分析超过1 450种的中药化学成分与目前临床使用的抗菌药物之间的结构相似性。试图从中寻找到合适的先导药物骨架结构的来源。将这1 455种天然化合物按其结构特点分为8大类，即黄酮类、萜类、木质素类、生物碱类、皂苷类、醌类、甾醇类和香豆素类。对各大类化合物分别进行分析和讨论。而对于黄酮类化合物，还特别按其母核结构的细微差异，将其细分为5个亚类（表2）。总体而言，各大类中药化学成分与现有临床使用的抗菌药物在结构特征上存在不同程度的相似（图1）。生物碱、皂苷和黄酮化合物表现出于与抗菌药物的显著相似（表1）。本次研究结果与前人的研究一致[6，12]。有4种生物碱化合物分别与第四代头孢菌素头孢吡肟、大环内酯类乙酰麦迪霉素、糖肽类万古霉素和替考拉宁均高度相似（Tanimoto系数>0.800）。本次分析不仅能说明生物碱存在抗菌活性，同时也在一定程度上揭示了其抗菌活性的多重分子作用机制。具有多重抗菌作用机制无异将避免细菌出现耐药。这一优势使生物碱成为相比其他类化合物更为合适作为抗菌药物开发的先导化合物，但生物碱潜在的细胞毒性还尚不清楚，有待于进一步评估。尽管皂苷在抗菌药物相似性上表现良好，但较大的分子极性很可能限制这类化合物进入细菌内部，显著降低其抑菌或杀菌活性。有所不同的是，黄酮类化学成分表现出与现有抗菌药物在结构上的显著相似，提示其具有不容忽视的抗菌活性[6]。黄酮类化合物属于多酚类化合物，在自然界广泛分布，一方面这一结构特点使其具有极强的抗氧化性能，同时也进一步揭示同样的结构特征很可能也使这类化合物具有潜在的抗菌活性[6]。此外，黄酮类化合物多来自天然的饮食来源如大豆，相比生物碱类物质毒性较小。前人研究表明大豆提取物具有显著的抑菌活性[13]，这与分析结果是一致的（表2）。

终上所述，研究表明化学信息学方法有助于解析中药化学成分的化合物结构特征与其抗菌活性之间的构效关系，有助于揭示中药化学成分的潜在抗菌作用，同时可用于发现和寻找合适的抗菌药物先导药物骨架结构来源。本次研究将为今后进一步合成全新的基于中药化合物骨架结构的低毒有效的新一代抗菌药物，提供理论指导和前期研究基础。

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Chemoinformatics study on antibacterial activity of traditional

Chinese medicine compounds

ZHANG Kun， LI Yan， ZHANG Zhuo-ran， GUAN Wen-hui， PU Yan-chun

（Department of Pharmacy， Fourth Affiliated Hospital of Harbin Medical University， Harbin 150001， China）

[Abstract]Objective： The structure-activity relationship between traditional Chinese medicine （TCM） compounds and antibacterial activity was studied by chemoinformatics approach. Method： Cytoscape and its plug-in ChemViz were applied to compute the 2D chemical structure similarity and topological parameter TPSA （topological molecular polar surface area）， which measures cell permeability of chemicals， between TCM compounds and clinical antibacterials. The overall degree of structure similarity was then calculated and represented by E-value for the eight categories of TCM compounds and the known antibacterials. Result： Our results indicated that flavonoids showed good structural similarity with antibacterials and appropriate cell permeability， compared with those of the TCM compounds of the other categories. As flavonoids were featured by good drug safety， it suggested that they can be regarded as the preferred lead compounds skeleton structure source for further antibacterials synthesis. Conclusion： The application of chemoinformatics helps explore the structure-activity relationship between TCM compounds and the antibacterial activity and search for suitable antibacterial lead compounds skeleton structure source.

[Key words]traditional Chinese medicine compounds； antibacterial activity； chemical structure similarity； chemoinformatics

doi：10.4268/cjcmm20130532