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基于網絡藥理學研究大川芎方治療偏頭痛的作用機制

論文編號:lw201703092329343853 所屬欄目:醫藥學論文 發布日期:2018年02月28日 論文作者:無憂論文網
大川芎方源于金·劉完素《宣明論方》,由川芎、天麻2味中藥組成,具有活血化瘀、平肝熄風之功效,為治療偏頭痛的經典復方,并已被開發成用于治療多種頭痛的中成藥(如天舒膠囊、天舒片、天舒滴丸等)。而偏頭痛是臨床常見的、易反復發作的且發作時疼痛劇烈的頑固性疾病,以占主導地位的三叉神經血管學說認為,該病機理主要涉及到腦膜的血管擴張、血管活性肽釋放引起神經源性炎癥以及中樞疼痛調節系統的功能異常。正是這種復雜系統與復雜系統間的相互作用極大的限制了大川芎方及其相應制劑的作用機制解析。融合系統生物學(Systemsbiology)和多向藥理學(Polypharmacology)提出的網絡藥理學,利用網絡分析(Networkanalysis)理論從整個系統角度研究藥物作用機制,這為多成分藥物作用機制的闡釋提供了另一種研究策略。
而中醫藥正是在中醫理論指導下由一味或多味中藥合理配伍而成的復方,經現代藥物化學研究,其恰好是多成分藥物的一種典型代表。因此,網絡藥理學思想正被引入到中藥的藥效物質基礎和分子作用機制研究中以闡釋其科學內涵。在此背景下,本文嘗試采用分子對接與網絡分析相結合的方法來研究大川芎方治療偏頭痛的分子作用機制,進而詮釋其臨床應用的科學內涵。

1材料與方法

1.1靶蛋白與分子數據集構建
通過文獻分析認為,偏頭痛是血管神經性腦部疾病,各種原因導致腦膜血管擴張,血漿外滲,造成腦膜周圍神經炎癥,激活三叉神經產生頭痛。同時,興奮的神經釋放血管激活物質和致痛物質,激活內皮細胞、肥大細胞和血小板,進而引起胞外胺類、AA類代謝物、肽類及多種離子增加,增強感覺神經元的敏感性,造成頭痛增強延長。基于發病過程分析,根據是否人源、晶體結構分辨率以及是否含配體等方面從Uniprot數據庫和RCSB數據庫共篩選出21個含原配體靶蛋白晶體復合物。同時,根據大川芎處方組成,從UNPD數據庫檢索建立中藥川芎、天麻所含的111個小分子三維結構數據庫。

1.2分子對接
在建立的小分子三維結構數據庫和靶蛋白數據庫基礎上,依據靶蛋白uniprot和化合物UNPD編號從TCMN數據庫篩選大川芎方中小分子與靶點的分子對接得分。分子對接具體參數如下:以AutoDock4.0為內核的DOVIS2.0平臺上完成分子對接,以原配體為活性中心,盒子大小為4nm×4nm×4nm,格點間隔為0.0375nm,分子構象搜索采用拉馬克遺傳算法(LGA),初始種群數為150,平移步長為0.2nm,旋轉步長為50°,突變率為0.02,交叉率為0.8,局部搜索頻率為0.06,其余為默認值。

1.3網絡構建
根據分子對接得分,在高于原配體基礎上,選取得分較高(Score≥5.5)的111個分子-靶蛋白數據對導入Cytoscape3.2.1軟件構建分子-靶蛋白網絡,并通過插件Networkanalyzer分析網絡特征,識別大川芎方主要活性成分群和可能靶蛋白,以闡釋其治療偏頭痛科學內涵。

2結果

2.1分子對接結果分析
在分子計算中,分子與靶蛋白對接得分越高,則分子與靶蛋白相互作用的可能性越大。通過對大川芎方分子對接結果分析,發現與偏頭痛靶蛋白有較高對接得分(Score≥5.5)的38個分子(表2),其中32個分子(大部分屬于苯酞及苯酞二聚體類)來自川芎,6個分子(主要屬于酚類化合物)來自天麻。對38個分子活性報道分析發現,川芎內酯I(Sen-kyunolideI,UNPD152094)可通過調節神經遞質的水平顯著提升疼痛閾值來緩解偏頭痛小鼠的疼痛;z-藁本內酯(Z-ligustilide,UNPD37822)能抑制小神經膠質細胞介導的促炎反應治療神經元性炎癥反應;diligustilide(UNPD28251)能明顯抑制小鼠扭體次數。綜述所述,這個38個分子可能是大川芎方發揮治療偏頭痛的活性成分。

2.2活性成分的藥動學分析
口服大川芎方后,其活性成分經胃腸道吸收入血,再分布到病變部位發揮治療作用。而這些活性分子透過生物膜屏障入血或到達病灶部位與其結構密切相關。因此,可通過刻畫分子結構特征的分子描述符的分析來初步預測化合物進入體內的藥代動力學過程。
通過OpenBabel2.3.2對38個潛在活性分子進行分子描述符計算和結構特征的統計學分析(表3),從MW、logP、HBAs和HBDs的均數和中位數可看出,絕大部分化合物均符合“類藥5規則”;分子描述符RBs和PSA均數遠遠小于13,中位數遠遠小于1.4nm2,提示絕大部分化合物可能有較好口服生物利用度(≥20%)。同時,表3中顯示,在38個化合物中,大部分化合物的MW<450,HBDs<3,HBAs<7,RB<8,PSA<0.7nm2,進一步提示這些潛在活性化合物在中樞神經可能也有較高暴露量。
另外,對大川芎方相關藥動學研究報道顯示,ligustilide、butylphthalide、senkyunolideA、senkyunolideI等苯酞及苯酞二聚體類化合物可吸收入血,senkyunolideI等可移行入腦脊液,并分布到腦組織中,吻合了上述部分預測結果。這也進一步說明38個化合物可能是大川芎方的活性成分。

2.3分子-靶蛋白作用網絡分析
分子對接結果顯示,38個活性化合物不僅僅與一個蛋白或生物通路作用,而是調節多個靶蛋白的多條生物通路,構成成分與靶蛋白間的復雜作用網絡,這需要有效的數據分析方法來挖掘網絡特征,進一步揭示大川芎方的主要活性成分群和作用機制。作為計算機生物化學一個分支,網絡分析(Networkanalysis)為復雜數據關系研究提供了有效方法,并在醫藥領域中被廣泛用于病機分析、靶蛋白發現、老藥新用及作用機制預測等。
在網絡分析中,網絡度(Degree)和介數(Betweenness,BW)兩個參數常被用于刻畫節點在維持分子-靶點治療網絡的重要性,進而分析大川芎方治療偏頭痛的主要活性成分群和關鍵靶蛋白。根據虛擬篩選結果,構建了由38個分子和18個靶蛋白組成的大川芎方治療偏頭痛的分子-靶蛋白網。整體網絡特征分析發現,cDTN網由56個節點構成1個模塊,整個網絡的度分布服從冪律函數,且平均最短路徑3.19(整個網絡直徑6),表明cDTN網絡具有典型的無標度(Scale-free)和小世界(Small-world)特性,是一個穩健(Robustness)的生物網絡,故cDTN網絡具有一定抗擾動的能力,能保證處方在一定范圍內的波動不會影響其療效。
進一步局部網絡特征分析,發現16個分子具有較高網絡度和介數,可與18個靶蛋白相互作用,在保證cDTN網絡穩定方面具有重要作用,提示16個分子的變化更可能會破壞大川芎方分子-靶蛋白治療網絡的完整性,進而嚴重影響治療偏頭痛的效果。因此,這16個化合物可能是大川芎方主要活性成分群,也是其制劑質量控制的重要指標。
同時,在分子-靶蛋白網絡中靶蛋白節點網絡特征分析顯示,大川芎方中部分活性成分與一氧化氮合酶(iNOS,eNOS)、CGRP受體(CGRP1)作用,抑制血管激活物質(NO,CGRP,SP)產生與釋放[10],與ACE作用促進血管活性物質(P物質、緩激肽)降解,從而降低由NO-cGMP、CGRP通路介導的神經性炎癥;同時與mPLA2、COX、PG-ES作用,抑制PGE2合成,與TNF-α和p38MAPK激酶(p38α,p38β)作用抑制TNF介導的硬腦膜血管感受器對傷害的增敏化,進而緩解偏頭痛;還有部分化合物與NMDA受體(iGluR5)和AMPA受體(AMPA2)作用,對抗由谷氨酸鹽參與的偏頭痛發作時的皮層擴布性抑制(Corticalsprea-dingdepression)的發生和傳播;另外,還有可與多巴胺受體(D2R)和阿片受體(κopioidreceptor),調控多巴胺能神經,抑制疼痛感受器信息傳輸。前期實驗研究報道也部分證實,大川芎方能降低偏頭痛模型大鼠的NOS、CGRP受體表達。

3討論


隨著系統生物學發展,發現疾病是致病因素攻擊生物系統,擾動生物網絡的平衡,導致生物功能異常,最終造成特定疾病的形成,因此疾病可視為特定的生物網絡擾動,與之對應的藥物開發策略,也逐漸的由單靶點特異性設計向組合性多靶點藥物轉變,開始注重強調對整個生物系統的調整,但這種基于系統方法設計藥物還面臨著諸多挑戰。
而中藥是以中醫理論為指導,由單味或多味中藥組合配伍后,調整生物體環境,逐漸糾正失衡網絡,進而達到治療疾病目的,這恰好吻合了多靶點組合藥物設計理念。
目前,雖然對偏頭痛的治療選擇很有限包括用于急性發作時的色胺類藥物、用于預防發作的onabotulinumtoxinA及舒馬普坦,但對偏頭痛的病理生理研究不斷深入,發現了一
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