基于计算机模拟技术探讨当归活血和止痛作用的活性成分及其关联性

郑春松，段辛威，王圣杰，朱晓勤，付长龙，叶蕻芝*

（1.福建中医药大学中西医结合研究院，福建 福州350122；2.福建省中西医结合老年性疾病重点实验室，福建 福州350122）

当归具辛味，辛散善行，既能入血分，又能入气分，是活血行气的要药，有良好的止痛作用，《中药学》［1］记载其具有活血止痛的功效，即从中医的角度提示当归活血和止痛功效存在关联性，但是，用现代的语言来描述其功效及这种关联性未见报道。本研究拟利用基于分子对接、数据库全局指纹相似度和生物网络相结合的计算机模拟方法［2-4］，从活性成分的角度研究当归活血和止痛的功效及其之间的关联性，为现代医学理解当归功效提供帮助，也为当归的临床应用及深入开发提供线索。

1 方法

1.1 当归化学成分结构数据集建立 在中药系统药理学数据库及分析平台（traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform，TCMSP）网站中herb name一栏选择“当归”［5］，检索当归的化学成分125个并下载其文件。在discovery studio 2.0（简称DS2.0）模拟平台上［6］转化成三维分子结构，用默克分子力场（Merck molecular force field，MMFF）力场优化［7］，建立当归的化学成分结构数据集sd文件。

1.2 当归活血、止痛功效的活性成分筛选 根据活血类、止痛类靶点的相关文献［3］和［4］，确定凝血酶（Thrombin）、血栓素A2受体（TXA2R）、纤溶酶原激活物抑制物1型（PAI-1）、凝血因子Ⅸa（FactorⅨa）为活血功效的靶点，p38、肿瘤坏死因子α（TNFα）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、磷酸二酯酶4A（PDE4A）为止痛功效的靶点，从RCSB Protein Data Bank［8］上下载其蛋白质-配体复合物三维结构，见表1。在DS模拟平台上，使用Hierarchy和Chemistry模块对蛋白结构去溶剂、去配体、加氢处理后，在Binding Site模块中用活性原配体来确定活性位点，并使用DS LigandFit模块进行当归化学成分和受体的对接［9］；对接成功后，以各自原配体的DOCKSCORE为阈值，大于阈值的化合物分别视为当归活血功效和止痛功效的活性成分［4］。

表1 与活血、止痛功效有关的蛋白质-配体复合物三维结构信息

1.3 当归活血、止痛功效的关联性分析 在DS模拟平台上构建当归活血、止痛功效的活性成分结构数据集，在DSCompare Libraries模块生成两活性成分结构数据集的全局指纹（global fingerprint），计算两者的Tanimoto相似系数（tanimoto similarity coefficient）［2］，其系数范围为0～1。当系数为0时，表示两数据集结构间没有相同的字节编码；当系数为1时，则表示有相同的字节编码，意味着有相同的分子结构片断。即系数越接近1，代表两数据集在分子结构特征方面的相似度越好。鉴于药物的结构信息能在一定程度上反映功能信息［10-11］，故分子结构特征相似性在一定程度上可以反映当归活血功效与止痛功效之间的关联性。

1.4 当归活血、止痛功效的活性成分与靶点相互作用的可视化网络 将当归活性成分及其作用靶点视为节点，两者的相互作用用连接线表示，采用Cytoscape软件［12］构建活血、止痛功效的活性成分-靶点可视化网络。通过其Plugins模块的Network Analysis分析网络中节点的度值，以度值≥3的节点视为网络中的重要活性成分和靶点，进一步揭示当归活血功效与止痛功效在活性成分上的联系。

2 结 果

2.1 当归活血、止痛功效的活性成分 分别以活血功效的靶点Thrombin、TXA2R、PAI-1、FactorⅨa与各自原配体对接的DOCK-SCORE等于50.672、58.721、47.613和46.187为阈值，从当归中筛选到6个、1个、3个和6个活性化合物，见表2；分别以止痛功效的靶点p38、TNF-α、iNOS、PDE4A与各自原配体对接的DOCK-SCORE等于77.556、52.564、50.743、45.415为阈值，从当归中筛选到1个、4个、5个和15个活性化合物，见表3。结果显示活血与止痛功效之间存在6个共同活性成分，分别为阿魏酸松柏酯、欧当归内酯A、7，10-十五碳二炔酸、异汉防己碱、磷脂酰肌醇和6，7，3'，8'-双藁本内酯，属于苯酞类、磷酯类、生物碱类和有机酸类等。而且，从共同活性成分数目与各自功效活性成分总数进一步分析，75%活血功效的活性成分具有止痛作用，但仅约35%止痛功效的活性成分具有活血作用。

表2 当归活血功效的活性成分及其作用靶点

表3 当归止痛功效的活性成分及其作用靶点

2.2 当归活血、止痛功效的关联性 在生成当归活血、止痛功效的活性成分各自结构数据集的全局指纹后计算Tanimoto相似系数，结果显示两者相似度分值为0.7736，提示两个功效在活性成分结构特征上具有很好的相似性，即当归的活血功效与止痛功效的药理作用存在关联性。

2.3 当归活血、止痛功效的活性成分与靶点相互作用可视化网络 在Cytoscape平台进行当归活血与止痛功效的活性成分与靶点相互作用可视化，见图1和图2。结果显示：当归活血功效的活性成分-靶点网络中含有12个节点和16条边，当归止痛功效的活性成分-靶点网络中含有21个节点和25条边，2个网络都显示了“一对多，多对一”的特点。当归活血功效的重要活性成分为异汉防己碱、欧当归内酯A和阿魏酸松柏酯，重要靶点为Thrombin、FactorⅨa和PAI-1；当归止痛功效的重要活性成分为欧当归内酯A和阿魏酸松柏酯，重要靶点为PDE4A、iNOS和TNF-α。见表4。

表4 当归活血、止痛功效的重要活性成分和靶点

图1 当归活血功效的活性成分-靶点网络

图2 当归止痛功效的活性成分-靶点网络

3 讨 论

中药功效是在中医药理论基础上对中药临床作用的总结，是对中药特征最本质的描述，但因其概念的内涵和外延与现代药效学指标存在实质性差异，影响到西医对中药功效的理解［13］。在此背景下，国内学者认为中药基本是以混合物的作用为一个功效单位，化学成分是沟通中医和西医的桥梁，提出了中药的“成分-药理活性-中药功效”的可视化研究策略［14－15］。因此，本文以当归为例，利用分子对接方法，分析其活血功效和止血功效的活性成分；并从全局指纹特征的相似性，分析两功效的活性成分数据集在分子结构特征上的相似度，从而揭示两功效之间的关联性；并通过活性成分-靶点网络进行可视化，为从现代医学角度阐释传统中药功效提供示范作用。

分子对接作为计算机模拟的重要技术之一，已经成功应用于中药活性成分的筛选研究［16］。表2和表3分别显示当归中含有8个活血功效的活性成分和17个止痛功效的活性成分，其中，阿魏酸的镇痛作用已经报道［17］。从活性成分的种类看，当归可通过不同类型化合物组成的分子群达到活血或止痛的作用，例如，当归苯酞类成分6，7，3'，8'-双藁本内酯和生物碱类成分异汉防己碱具有活血和止痛的功效。从2种活性成分的关联性看，很大比例的当归活血功效活性成分可以达到止痛的功效，即存在促进关系，例如，活血的活性成分阿魏酸松柏酯也能达到止痛的功效，这给“在临床上，四物汤在增加桃仁和红花后，活血力增强的同时，止痛效力也有明显的促进作用”提供了实验依据。

根据“结构类似的化合物具有类似的物化性质和生物活性”原理［18-20］，本研究中两个数据集的相似系数将近0.8，提示当归活血和止痛功效的活性成分在很大程度上存在相似的药理作用。在此基础上，本研究构建了当归活血、止痛活性成分与靶蛋白相互作用的可视化网络，图1和图2分别直观显示了当归具有多成分-多靶点的活血、止痛作用。作用于活血功效靶点和止痛功效靶点的成分阿魏酸松柏酯，与单独作用于活血功效靶点的成分豆甾醇组合，可增强活血的功效；另外，与单独作用于止痛功效靶点的成分洋川芎内酯C组合，可增强止痛的功效。因此，当归活血功效与止痛功效可通过与既能活血又能止痛活性成分的组合发挥协同作用。

综述所述，计算机模拟可视化显示当归活血功效和止痛功效存在共同的活性成分以及相似的药理作用，且两功效之间存在协同作用，为理解当归活血止痛作用的本质提供了依据。鉴于活血止痛法在骨关节炎治疗中的重要性［21］，未来课题组将以当归中重要活性成分欧当归内酯A和阿魏酸松柏酯为对象，通过实验证实其活血、止痛作用，以及两成分配伍后在治疗骨关节炎中的协同作用，促进当归治疗骨关节炎的新药研发，并完善基于化学-药理-功效属性结合的中西医结合功效辨识的方法，服务于中药的现代化。