专利名称：一种新药创制方法
技术领域：
本发明属于医药技术领域，具体涉及利用传统中药单方或复方中各药味里面的化学成分，采用遗传算法中的分子杂交技术和逆合成理论中的分子切割和重组技术，构建海量化合物数据库，然后结合计算机虚拟筛选来发现新药的方法。
背景技术：
传统的新药发现研究，主要采用天然药物随机筛选，属于偶然发现阶段。20世纪 90年代初，为了克服偶然发现所带来的新药创制周期长、效率低、费用高等缺点，高通量筛选和组合化学技术得到了迅速的发展。然而，经过多年的努力，高通量筛选和组合化学技术仍然没有解决新药发现的瓶颈。人们一直梦想着通过设计来发现药物，于是90年代末产生了计算机辅助药物设计技术，其中基于受体和配体相互作用的计算机虚拟筛选方法在药物设计中取得了巨大的成功，已经成为药物设计中最重要的方法之一。基于受体和配体相互作用的新药筛选方法的关键是构建小分子化合物数据库，虽然目前已有不少公司提供商用或非商用化合物数据库，但是这些化合物数据库存在明显缺陷，其一是数据库里面的化合物数量有限，结构过于“成熟”，结构变化余地小，导致投入产出比低；其二是化合物数据库没有导向性，按照理论计算，含有30个C、N、O和S原子组合成化合物的数量有106°个，因此，漫无目标的筛选，即使筛选以百万计算(106)，其筛选也只占很少部分，发现先导化合物的概率很低；其三是商用化合物数据库，尤其是组合化学提供的商用化合物数据库中的化合物分子量较大、亲脂性过强、多样性偏低，导致发现先导化合物的几率低，优化成药的难度大；其四是各个商业公司之间的化合物数据库里面的化合物结构类似，筛选靶标相同时， 容易产生知识产权纠纷；其五是漫无目标的筛选，即使筛选到先导化合物，进入临床后被淘汰的几率也很高。在世界传统药宝库中，中药历经了数千年的临床实践，是一块尚未发掘的最大最亮的瑰宝。传统中药活性成分的筛选，通常是采用植物化学的方法提取其中的有效部位化合物群或单体化合物，再经药理实验进行确定。由于中药及其复方中的化学成分极其复杂， 往往从植物中提取得到的化合物并不是其中活性成分。复方中药里面的活性成分来源于四个方面其一是方剂中各药用植物(药味)中的化合物；其二是中药在炮制中产生的化合物； 其三是中药在体内各种因素作用下产生的化合物；其四是众多化合物的群集效应。实际上， 从药用植物里分离提取的化学成分只是中药里化学成分的一个部分，并不能代表中药里的全部化学成分。因此，如何快速获知中药里面尽可能多的化学成分信息，作为基于中药的新药筛选药源，是中药现代化开发的一个亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的，就是要通过获知中药里面尽可能多的化学成分信息，构建全新的化合物数据库并克服现有的商用或非商用化合物数据库中存在的缺陷，来建立一种新型的新药创制方法。
本发明提供的一种新药创制方法采取以下七步技术方案来实现
(O构建中医单方或复方化合物数据库
选择中医单方或复方，通过已有的期刊文献和各种网络数据资源，尽可能多的获得该中医单方或复方中所有药味里面的化合物，利用已有的各种免费或商用软件绘制其结构式，然后使用数据库软件将这些化合物的2D或3D结构式导入到数据库中，即可构建中医单方或复方化合物数据库(I)。(2)构建中医单方或复方分子杂交数据库
中药是通过中医方剂中各药味的组合、炮制而成，其中的化学成分基于各药味中的化学成分，但是又不等于各药味的化学成分简单的加和。因为各药味在炮制过程中，有些化学成分可能消失，有些化学成分可能相互之间发生化学反应而产生新的化合物。但是这些新化合物分子的产生都是基于方剂中各药味里面的化学成分之间的相互作用。因此，利用中医单方或复方化合物数据库(I)中的化合物分子为模板，使用遗传算法，对该方剂里面已知的化合物分子进行杂交操作，产生新的化合物，来代表炮制中产生的新的化合物。分子杂交操作是利用遗传算法中的“交叉重组”的思想，通过对一群已知化合物分子之间的化学键进行比较和互换来产生大量的新化合物分子，并计算每一个分子的类药性，氢供体和受体数目等特性，然后以2D或3D结构数据库形式保存起来。将分子杂交操作产生的新化合物和中医单方或复方化合物数据库(I)中的化合物合并，构建新的数据库(2)，即中医单方或复方分子杂交数据库。数据库(2)中的化合物数量可达到几千甚至几万，理论上，数据库(2) 涵盖了该中医方剂在炮制中可能产生的新化合物。上述使用的分子杂交操作可以借助计算机通过各种专业软件来实现。(3)构建中医单方或复方分子切割和重组数据库
中医方剂是通过各药味的科学组合、炮制成中药，中药在体内经过各种物理、化学或生物转化而发挥药效作用，其中化学成分就更为复杂。除了原有各药味中的化学成分和炮制过程中产生的化学成分外，还有可能是在体内的各种物理、化学或生物转化而产生的化学成分。但是，在体内的各种物理、化学或生物转化而产生的化学成分都是基于中药里面的化学成分。因此，利用中药里所有可能的化合物，即数据库(2)为模板，采用逆合成分析法，将数据库(2)里面的所有化合物按照逆合成方法和理论，切割成许许多多的合成子，然后再将这些合成子按照有机合成方法和原理重新进行组装，即可获得数量更多的化合物。逆合成分析理论是诺贝尔化学奖获得者E. J. Corey在1960s提出的基于化学反应知识的逆合成分析理论，从该理论的提出到现在，90%以上的目标有机化合物的合成均遵循逆合成分析理论。Corey的逆合成分析理论是针对一个确定目标化合物合成的逆向分析。分子切割和重组是利用Corey的逆合成分析思路，将数据库(2)里面的所有化合物均作为目标化合物，逐一对其进行逆向分析，切割成大量的合成子，再将这些合成子按照有机合成方法和原理相互重组，即可获得数量庞大的2D或3D结构化合物。分子切割和重组产生的化合物和数据库
(2)合并，删除掉重复的化合物，构建成新的数据库(3)，即中医单方或复方分子切割重组数据库。数据库(3)中包含基于中医方剂的数目庞大的化合物群，通常一个中医方剂经过分子杂交、分子切割和重组后得到的数据库里面的化合物数量可达到几万甚至几十万，远远超过中医方剂中各药味的化合物总和。数据库(3)中的化合物群基于中医方剂中的化学成分，又有别于中医方剂里的化学成分。理论上，数据库(3)涵盖了中药经过炮制以及在体内
5发生物理、化学或生物转化而产生的新化合物。数据库(3)具有类聚性(数据库中的化合物群来源于某个特定方剂中的化合物，而中医方剂配伍常常是以病类方，随症加减。一个方剂中往往聚集着对某类疾病具有较好疗效的化合物群)、多样性(数据库中的化合物由多种药味的化学成分经过计算机组合而产生，化合物数量巨大、种类多样)、新颖性(数据库中的化合物是由中医方剂中各药味的化学成分经过分子杂交、分子切割和重组产生，骨架结构新颖。不同于网络数据库资源，来源单调)和导向性(数据库中化合物群是来源于治疗特定疾病的中医方剂，针对特定疾病的生物大分子靶标。因此，数据库中的化合物对生物大分子靶标导向明确)等特点。上述使用的逆合成分析法和分子切割和重组技术均可使用相应的专业软件借助计算机来实现。(4)构建海量化合物数据库
通过(I)、(2)、(3)三步，一个方剂就可以构建一个化合物数据库，该化合物数据库中包含几万甚至几十万个结构多样、骨架新颖的化合物。而中医方剂千千万万，古方、偏方、验方、效方、民间方剂等更是不计其数。因此，选取不同的中医方剂，重复上述(1)、(2)、(3)三步，按照一个方剂一个数据库进行归类，然后合并所有的单方和复方数据库，即可在短时间内产生结构多样、骨架新颖的海量化合物数据库(4)。(5)计算机虚拟筛选
运用ADMET计算模型对数据库(1)、(2)、(3)或(4)中所有分子的化学结构进行吸收、分布、代谢、排泄和毒理等性质筛选，淘汰一部分不符合标准的化合物。运用类药5规则(rule of five)对通过ADMET筛选剩下的化合物做进一步筛选，淘汰不具有类药性的分子。运用分子对接(Dock)对通过ADMET和类药规则筛选剩下的化合物做进一步靶向筛选，筛选的靶标充分考虑到该方剂或中药在临床中治疗疾病的类型并结合疾病的中西医病理进行选择， 确保有的放矢。上述所有的筛选都可以使用商业的或非商业的软件来完成。在进行计算机虚拟筛选时，尽可能使用不同公司的多种软件进行评测，然后综合比较，选择得分高的一些化合物作为先导化合物做下一步的综合评估。对先导化合物做综合评估，主要考虑是否已有专利，该化合物是否容易获得或合成，综合评估后的先导化合物留待下一步体外筛选。(6)体外活性筛选
留待体外筛选的先导化合物，如果商业可以获得，采用购买方式获得，如果商业不可获得，采用人工合成、半合成或提取分离方式获得。体外筛选靶标根据虚拟筛选的靶标以及该方剂或中药在临床中治疗疾病的类型和病理有目标地进行选择，筛选靶标可以是细胞，酶、 蛋白质或核酸等生物大分子。体外筛选得到的一个或数个高活性化合物作为候选药物留待下一步进行体内活性评价。(7)体内活性评价
留待体内活性评价的候选药物将经历毒性和体内活性评价，并选择市售的药物作为阳性对照，获得毒性低、活性高的候选药物作为新药进入新药临床前研究。以上“七步法”中，(I)、(2)、(3)、(4)主要是为新药筛选提供药源，因为新药计算机虚拟筛选需要大量的结构多样、骨架新颖的化合物。(5)、(6)、(7)是依据该方剂临床并结合疾病的中西医病理选择疗效相应的筛选靶标，对上述数据库中的化合物进行筛选。由于筛选靶标明确、疾病作用机制清楚，所以弥补了纯粹的计算机虚拟筛选存在着发现先导化合物几率低、盲目性大、商业库中化合物结构单一、靶点选择缺乏临床依据等缺陷。本发明的新药创制方法绝大部分工作是由计算机来完成，筛选的化合物库是自创的基于临床使用多年的古方、偏方、验方、效方或民间方等中医单方、复方，化合物库中包含中药里面尽可能多的化学成分信息。因此，本发明不但是一种快速有效、经济可靠、没有产权纠纷的新药创制方法，而且为中药现代化开发和中药物质基础探索，提供了一条可行的思路。本发明方法实施流程见图I。
图I本发明方法实施流程2甘草汤化合物数据库界面3甘草汤分子杂交数据库界面图
图4甘草汤分子切割重组数据库界面5化合物GCT-798与环氧合酶3PGH分子对接示意6半夏泻心汤化合物数据库界面7半夏泻心汤分子杂交数据库界面8半夏泻心汤分子切割重组数据库界面9化合物BXT-129与尿素酶3SF5分子对接示意10海量化合物数据库界面11化合物结构式图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明做进一步的描述，以下仅仅罗列一些具体实例和参数， 但本发明并不受限于下列实施例。实施例I构建中医单方“甘草汤”化合物数据库
中医典籍《伤寒论》上最早记载“甘草汤”，在《千金翼方》里又称“温液汤”。该中医单方仅含甘草一味，该方经过历代的加减，有了很大的发展和变化，出现了许多的偏方、验方、 秘方和民间方，但都离不开甘草。通过查找各种文献和网络数据库资源，获得甘草中化合物分子共计572个，使用商用的或非商用的分子建模软件，如ChemBi0Office来构建“甘草汤化合物数据库”，该数据库留待下一步分子杂交。甘草汤化合物数据库界面图见图2。实施例2构建中医单方“甘草汤”分子杂交数据库
将上述甘草化学成分数据库中的572个分子导出为SDF格式文件，使用可以获得的商用或非商用的分子杂交专业软件，对572个分子进行杂交操作，分子杂交操作主要采用官能团交换方式进行。通过分子杂交操作，得到16590个新的分子，将分子杂交操作产生的 16590个分子和甘草中的572个分子合并，得到“甘草汤分子杂交数据库”。该数据库含有 17162个2D或3D结构化合物分子，这些化合物来源于甘草汤中药味的化学成分，理论上该数据库涵盖了甘草汤在炮制中可能产生的新化合物。甘草汤分子杂交数据库界面图见图3。 该数据库中的化合物留待下一步分子切割和重组。实施例3构建中医单方“甘草汤”分子切割重组数据库
将上述甘草分子杂交数据库中的17162个分子导出为SDF格式文件，采用逆合成分析理论，对17162个分子进行切割和重组，该操作可以使用相应的计算机程序来完成。通过分子切割和重组，得到110749个新的分子，将切割和重组产生的110749个分子和分子杂交数据库中的17162个分子合并，得到含有127911个2D或3D结构分子的“甘草汤分子切割重组数据库”。通过对甘草里化学成分的杂交、切割和重组，来模拟中药甘草汤在炮制中的化学反应过程以及在体内发生的物理、化学或生物转化过程。理论上，该数据库中的127911 个化合物，涵盖了中药甘草汤经过炮制以及体内发生物理、化学或生物转化可能产生的新化合物。甘草汤分子切割重组数据库界面图见图4。实施例4甘草汤中抗炎药的计算机虚拟筛选
“甘草汤”主要临床功效为清热泻火，解毒缓痛。主治各种炎症引起的痛疼，特别是对咽喉肿痛有效。运用ADMET计算模型对“甘草分子切割重组数据库”中127911个分子的化学结构进行吸收、分布、代谢、排泄和毒理等性质筛选，淘汰一部分不符合标准的化合物。运用类药5规则(Rule of Five)对ADMET筛选剩下的105243个化合物分子做进一步筛选，淘汰不具有类药性的分子，留下87656个分子。对留下的87656个分子进行计算机初步筛选，初筛后得分较高的100个分子再进一步进行分子对接(Dock)打分。考虑到“甘草汤”在临床上治疗疾病的类型并结合疾病的中西医病理，选取作用机制明确的炎症靶标酶一环氧合酶(C0X-2)作为筛选靶酶。靶酶蛋白结构来自Protein Data Bank，编号为3PGH。在进行计算机虚拟筛选时，尽可能使用多种软件进行综合比较，选择得分高的前10个化合物作为先导化合物，对10个先导化合物做进一步的综合评估，同时考虑到是否已有专利，该化合物是否容易获得或合成等因素，综合评估后留下化合物GCT-798，GCT-3766，GCT-31732作为药用先导化合物留待下一步活性测试。化合物GCT-798，GCT-3766，GCT-31732的结构式见图11。化合物GCT-798与环氧合酶3PGH分子对接示意图见图5。实施例5甘草汤中抗炎药的体外活性筛选
环氧合酶C0X-2抑制活性测试。实施例4从甘草汤中得到的药用先导化合物GCT-798， GCT-3766，GCT-31732对环氧合酶C0X-2的抑制活性，用酶免疫试剂盒进行测试。由于环氧合酶能够催化花生四烯酸生物合成PGH2，然后PGH2被氯化亚锡还原生成PGF2a。利用酶联免疫检测生成的PGF2a来检测化合物对环氧合酶的抑制情况，阿司匹林作为阳性对照，测试结果如表I。
表I甘草汤中药用先导化合物对环氧合酶C0X-2抑制活性
权利要求
1.一种新药创制方法，其特征在于，包括以下七步(I)构建中医单方或复方化合物数据库中医单方或复方的选择可以是历代经方、古方、偏方、秘方、验方、效方或民间方，方剂里各药味的化学成分是通过已有的各类期刊文献和各种网络资源来获得，化学成分2D或 3D结构式的绘制是利用已有的各种免费或商用软件来绘制，使用数据库软件将这些化合物的2D或3D结构式导入到数据库中构建中医单方或复方化合物数据库；(2)构建中医单方或复方分子杂交数据库利用中医单方或复方化合物数据库中的化合物分子为模板，利用遗传算法中的“交叉重组”思想，使用各种免费或商用软件，通过对中医单方或复方化合物数据库中的化合物分子杂交，产生大量的新化合物分子，用以模拟中医方剂在炮制过程中可能产生的新化合物，然后将分子杂交操作产生的新化合物和中医单方或复方化合物数据库中的化合物合并，来构建中医单方或复方分子杂交数据库；(3)构建中医单方或复方分子切割和重组数据库使用各种免费或商用软件，按照逆合成分析方法和理论，以中医单方或复方分子杂交数据库里面的所有化合物为模板，将分子杂交数据库里面的所有化合物分别切割成许许多多的合成子，再将这些合成子按照有机合成方法和原理重新进行相互组装，即可获得数量庞大的新化合物，用以模拟中药在体内发生物理、化学或生物转化而产生的新化合物，将这些化合物和中医单方或复方分子杂交数据库中的化合物合并，删除掉重复的化合物，构建中医单方或复方分子切割和重组数据库，该数据库里面的化合物群具有类聚性、多样性、新颖性和导向性等特点；(4)构建海量化合物数据库重复上述(1)、(2)、(3)三步，按照一个方剂组成一个化合物数据库，然后将每一个化合物数据库里面的化合物分别导出为SDF格式文件，或SMI格式文件，或MDB格式文件等任何可被数据库软件读写的格式文件,全部写入到一个数据库中，构建海量化合物数据库,为了方便检索和查找,该数据库按照年代时间顺序分为战国、秦汉、三晋、南北、隋唐、五代、宋朝、辽金、元朝、明朝、清朝、民国和当代共十三个大类，每一个大类中又按照方剂的来源分成小类，每一个小类中又按照方剂名称的笔画顺序或拼音顺序或方剂编码顺序排列；(5)计算机虚拟筛选使用各种免费或商用软件，对(I)、(2)、(3)、(4)中构建的化合物数据库依次进行ADMET筛选、类药5规则筛选、分子对接(Dock)筛选，分子对接靶标依据该方剂或中药在临床中治疗疾病的类型并结合疾病的中西医病理来选择，确保有的放矢；(6)体外活性筛选计算机虚拟筛选获得的先导化合物，如果商业可以获得，采用购买方式获得，如果商业不可获得，采用人工合成或半合成方式获得，体外筛选祀标是结合虚拟筛选的祀标以及该方剂或中药在临床中治疗疾病的类型和病理有目标地进行选择，筛选靶标可以是细胞、酶、蛋白质或核酸等生物大分子；(7)体内活性评价体外筛选获得的高活性化合物将经历毒性和体内活性评价， 体内活性评价以市售的药物作为阳性对照，获得毒性低、活性高的候选药物作为新药进入新药临床前研究。
2.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(I)构建中医单方或复方化合物数据库时，使用的医方可以是单方，亦可是复方；单方或复方的来源可以是经方、 古方、秘方、偏方、验方、效方、或民间方，亦可是根据上述方剂通过药味的加减而产生的加减方。
3.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(2)构建中医单方或复方分子杂交数据库，是以中医单方或复方里面的化合物分子为模板，使用可获得的免费或商用软件，利用遗传算法中的“交叉重组”的思想，采用分子杂交技术，通过对中医单方或方化合物数据库中的化合物分子之间的化学键进行比较和互换来实现的。
4.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(3)构建中医单方或复方分子切割和重组数据库，是以步骤(I )、(2)中的数据库里面的化合物为基础，使用可获得的免费或商用软件，采用逆合成分析法，按照逆合成方法和原理，把步骤(I)或步骤(2)中数据库里面的化合物切割成许许多多的合成子，然后再将这些合成子按照有机合成方法和原理重新进行相互组装来实现的。
5.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(3)构建中医单方或复方分子切割和重组数据库，该数据库里面的化合物群具有类聚性、多样性、新颖性和导向性等特点。
6.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(4)构建海量化合物数据库，是重复上述(I)、(2)、(3)三步，按照一个方剂组成一个化合物数据库，然后将每一个化合物数据库里面的化合物分别导出为SDF格式，或SMI格式，或MDB格式等任何可被数据库软件读写的格式文件，全部写入到一个数据库中来实现。
7.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(4)构建海量化合物数据库，该数据库是按照年代时间顺序分为战国、秦汉、三晋、南北、隋唐、五代、宋朝、辽金、元朝、明朝、清朝、民国和当代共十三个大类，每一个大类中又按照方剂的来源分成小类，每一个小类中又按照方剂名称的笔画顺序或拼音顺序或方剂编码顺序排列，以便检索和查找。
8.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(5)计算机虚拟筛选， 是使用免费或商用软件，对(I)、(2)、(3)、(4)中构建的化合物数据库里面的化合物依次进行ADMET筛选、类药5规则筛选和分子对接(Dock)筛选，但筛选顺序可调换，即先进行类药 5规则筛选、然后再进行ADMET筛选、最后进行分子对接筛选，亦可按照其它顺序来进行。
9.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，步骤(5)计算机虚拟筛选、 步骤(6)体外筛选，筛选靶标的选择，是依据该方剂或中药在临床中治疗疾病的类型并结合疾病的中西医病理来确定的，筛选靶标可以是细胞，也可以是酶、蛋白质或核酸等生物大分子。
10.根据权利要求I所述的一种新药创制方法，其特征在于，权利要求I中所涉及到的各种软件，可以是免费软件、亦可是商用软件，软件版本可以是正式版、试用版、注册版、免费版、付费版或共享版等任何形式可获得的版本。
全文摘要
一种新药创制方法，是以传统中医单方或复方中各药味里面的化学成分为模板，采用遗传算法和逆合成分析理论，通过分子杂交、分子切割和重组，来模拟中药在炮制过程中的化学变化以及在体内发生的物理、化学或生物转化。通过分子杂交、切割和重组，一个方剂即可获得数万到数十万个化合物，合并所有方剂中的化合物，可得到具有类聚性、导向性、多样性和新颖性的海量化合物数据库。选择和中医方剂疗效相应的靶标，对上述数据库中的化合物进行筛选，快速获得药用先导化合物。最后结合体外、体内活性评价来发现新药。同现有的新药创制方法相比，本发明方法具有新药筛选药源充足、发现周期短、命中率高、操作简单和经济有效等优点。
文档编号G06F17/50GK102609586SQ20121002995
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者王世范 申请人:王世范