本专利申请要求于2017年3月3日在印度提交的印度说明书(标题：用于对人体皮肤上的活性物质进行硅上(insilico，计算机模拟)测试的方法和系统)no.201721007631的优先权。
本文的实施方式大体上涉及人体皮肤建模和模拟领域，更具体地涉及用于使用分子动力学模拟和计算流体动力学通过所开发的皮肤模型来测试活性分子的方法和系统。
背景技术：
皮肤是我们身体最大的器官，它可以保护我们免受外来病原体的侵袭，并针对许多有害分子的渗透提供屏障，并维持组织的水合作用水平。皮肤外层(也被称为角质层(sc))主要负责这些阻隔性能。
通过皮肤递送药物由于皮肤的高表面积而提供了便利的给药途径，并且通常可以自己给药。因此准确预测化学品的真皮吸收与透皮给药以及化妆品的局部应用都有关。控制皮肤中组分输送的主要物理性质是扩散系数。角质层即皮肤第一层提供更高的渗透阻力。有必要对通过角质层的渗透进行研究。角质层由分别以砖-砂浆形式排列的角质细胞(死亡蛋白质)和脂质基质组成。为了预测输送机制，对角质层中分子的扩散系数进行测定是非常重要的。为了设计新的分子/药物/化妆品，有必要对分子通过皮肤的输送机制进行研究。从用于药物递送的角度，所开发的分子需要通过皮肤层，而在化妆品或皮肤护理应用的情况下，不希望渗透进入皮肤内部。
目前的药物和化妆品行业标准是在皮肤上进行详细的体外试验和体内试验以测试任何新分子。这显然会产生巨大的费用，从而导致极少数成功的候选者最终被管理机构(fda)批准。2-d体外细胞培养研究不能准确反映出3-d体内皮肤环境中存在的多个细胞之间发生的复杂相互作用。由于解剖结构的差异，啮齿动物和其它小动物的体内研究并不能很好地解释人类的情况。虽然存在一些可商购的人体皮肤等效物，如
考虑到开发和测试新的药物/化妆品制剂所涉及的时间和成本，有必要用计算机模拟测试代替一些复杂的体内/体外测试。计算机模拟提供了用于产生在分子水平和宏观水平重要的物理见解的方法，并具有重现分子性质、大分子性质和输送性质的能力。研究人员已专注于析因实验设计，以根据其渗透性筛选药物/化妆品。大多数模拟工作迄今只涉及纯的神经酰胺双分子层，这与真正的皮肤组成差距很大。早期的模拟工作主要集中处于液晶相的磷脂细胞膜上，磷脂细胞膜能够使得md模拟中的采样更容易。作为cfd模拟的关键参数的扩散率通常在拟合模型中使用。这些模型主要通过将皮肤看作均匀的膜而得到。
现行方法是先进行渗透实验，然后将渗透数据拟合到已知的均相模型中。拟合的扩散系数是近似值，因为它没有考虑角质层脂质的异质性。皮肤角质层的脂质应该接近真实的组成以准确计算扩散系数。所计算的扩散系数可以进一步用于使用计算流体动力学技术预测通过角质层的真皮吸收/累积释放。
技术实现要素：
以下提供本公开的一些实施方式的简化概述从而提供对实施方式的基本理解。该概述不是实施方式的广泛概述。并非意在确定实施方式的关键/关键要素或描述实施方式的范围。其目的仅是以简化的形式呈现一些实施方式作为下面呈现的更详细的说明书的序言。
鉴于上述内容，本文的实施方式提供了一种用于使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试的系统。该系统包括输入/输出接口、结构库、力场库、存储器和处理器。输入/输出接口提供皮肤上层结构的皮肤模型作为第一输入。结构库提供活性物质作为第二输入。力场库提供皮肤模型和活性物质的力场参数作为第三输入。处理器与存储器通信。处理器还被配置为从输入/输出接口接收第一输入、第二输入和第三输入。处理器还被配置为进行以下步骤：使用第一输入、第二输入和第三输入在存在活性物质的情况下建立皮肤膜的角质层的分子模型；使用多重分子动力学模拟(multiplemoleculardynamicsimulation)计算活性物质的扩散率；算出沿双层法线(bilayernormal)的平均扩散率；形成角质层的输送模型，其中输送模型表现活性物质的输送机制；将平均扩散率作为输入提供给输送模型；以及通过处理器使用输送模型生成活性物质的释放曲线。
在另一个实施方式中，提供了一种使用人体皮肤模拟来对活性物质进行计算机模拟测试的方法。首先，将皮肤上层结构的皮肤模型作为第一输入提供给处理器。将活性物质作为第二输入提供给处理器。并且将皮肤模型和活性物质的力场参数作为第三输入提供给处理器。接着，通过处理器使用第一输入、第二输入和第三输入在存在活性物质的情况下建立皮肤膜的角质层的分子模型。接着，使用多重分子动力学模拟来计算活性物质的扩散率。接着，算出沿双层法线的平均扩散率。接着，建立角质层的输送模型。输送模型表现活性物质的输送机制。然后将平均扩散率作为输入提供给输送模型。最后，通过处理器使用输送模型生成活性物质的释放曲线。
在又一个实施方式中，提供一种或多种包括一个或多个指令的非易失性机器可读信息存储介质，在由一个或多个硬件处理器执行所述一个或多个指令时，进行如下动作，所述动作包括将皮肤上层结构的皮肤模型作为第一输入提供给处理器。此外，将活性物质作为第二输入提供给处理器，然后将皮肤模型和活性物质的力场参数作为第三输入提供给处理器。然后，使用第一输入、第二输入和第三输入在存在活性物质的情况下建立皮肤膜的角质层的分子模型。此外，使用多重分子动力学模拟来计算活性物质的扩散率。然后，算出沿双层法线的平均扩散率。此外，形成角质层的输送模型，其中输送模型表现活性物质的输送机制。此外，将平均扩散率作为输入提供给输送模型，并使用输送模型形成活性物质的释放曲线。
附图说明
根据以下参考附图的详细描述，将更好地理解本文的实施方式，其中：
图1示出了根据本公开的实施方式的用于使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试的系统的框图；
图2a和图2b是示出根据本公开的实施方式的使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试所涉及的步骤的流程图；
图3示出了根据本公开的实施方式的使用砖-砂浆模型创建的皮肤上层角质层的几何结构；
图4示出了根据本公开的实施方式的、穿过计算流体动力学模拟数据中使用的角质层的初始条件和边界条件；
图5示出了根据本公开的实施方式的根据约束分子动力学模拟计算的芬太尼分子的局部扩散系数；和
图6示出了根据本公开的实施方式的使用多尺度建模框架协议计算的芬太尼的累积质量释放曲线。
具体实施方式
将参考在附图中示出并在以下描述中详细描述的非限制性实施方式来更完整地解释本文的实施方式及其各种特征和有利的细节。本文使用的示例仅旨在便于理解可以实施本文中的实施方式所用的方式，并且还旨在使得本领域技术人员能够实施本文中的实施方式。因此，这些示例不应被解释为限制本文实施方式的范围。
词语“包括”、“具有”和“包含”及其它形式被规定为具有等同意义并且是开放式的，因为这些词语中的任何一个之后的一项或多项并不意味着是这些项的穷举列表，或者仅限于所列出的项。
还必须注意的是，如本文和所附权利要求中所使用的单数形式“一个”和“所述”包括复数形式，除非上下文另外明确指出。尽管在本公开的实施方式的实施或测试中可以使用与本文描述的那些类似或等同的任何系统和方法，但现在描述优选的系统和方法。
现在将详细讨论本公开的说明其所有特征一些实施方式。所公开的实施方式仅仅是本公开的示例，本公开可以以各种形式来实施。
在阐述详细解释之前，应注意，无论所描述的具体实施方式如何，以下所有讨论本质上都是示例性的，而不是限制性的。
现在参考附图，并且更具体地参考图1，其中相同的附图标记在所有附图中一致地表示相应的特征，示出了优选实施方式，并且在以下示例性系统和/或方法的背景下描述了这些实施方式。
在本公开的上下文中，表述“活性物质”或“活性分子”是指将用于测试的不同类型的分子。应该理解，活性物质、活性分子、药物在下面的描述中可以互换使用，以表示在示例性实施方式中正在使用的测试分子。
根据本公开的实施方式，图1中示出了用于使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试的系统100。本公开提供了皮肤的上部保护层“角质层”的微观和宏观水平模型。本发明通过使用分子动力学模拟和计算流体动力学方法通过开发的皮肤模型提供了用于计算不同活性物质例如药物、颗粒和化妆品的扩散和释放曲线的多尺度建模框架。该系统由皮肤上层角质层和渗透分子的分子模型组成。该系统还包括角质层的宏观输送模型。
皮肤模型由三种最重要的角质层组分，即，神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸组成。分子模型使用键合参数和非键合参数来描述分子之间的相互作用。约束分子动力学模拟用于计算扩散系数。该沿着双层法线的平均扩散系数被用作宏观模型的输入。还使用计算流体动力学技术对宏观模型进行了求解。
根据本公开的实施方式，图1中示出了系统100的框图。系统100包括输入/输出接口102、存储器104和与存储器104通信的处理器106。存储器104被配置为存储多个算法。处理器106还包括用于执行各种功能的多个模块。多个模块访问存储在存储器104中的多个算法以执行各种功能。系统100还包括结构库108和力场库110。
i/o接口102可以包括多个软件接口和硬件接口，例如web接口、图形用户接口等，并且可以便于多种网络n/w和协议类型(包括有线网络，例如lan，线缆等；以及无线网络，诸如wlan、移动电话或卫星)中的多种通信。在实施方式中，i/o接口设备可以包括用于将多个设备彼此连接或连接到另一个服务器的一个或多个端口。输入/输出接口102被配置为提供皮肤上层的结构的皮肤模型作为处理器106的第一输入。
根据本公开的实施方式，系统100还包括结构库108和力场库110。结构库108是不同类型的活性物质(例如药物、生物分子、蛋白质、化妆品、纳米颗粒、皮肤成分的溶剂等)的数据库。结构库108被配置为向处理器106提供第二输入。力场库110包括多个数据库，例如gromos、opls、amber、charmm、compass等。力场库110被配置为向处理器106提供第三输入。
根据本公开的实施方式，处理器106还包括分子动力学模拟模块112和输送模型模拟模块114。分子动力学模拟模块112被配置为使用第一输入端、第二输入端和第三输入端在活性物质的存在下建立皮肤膜的角质层的分子模型。多个分子动力学模拟在恒定的温度和压力下进行。在一个示例中，模拟在310k的生理温度和1个大气压的正常大气条件下进行。虽然模拟也可以在任何其它温度和压力下进行，但需要保持恒定。角质层的分子模型提供了皮肤脂质基质的分子水平信息以及活性物质的渗透过程。在一个示例中，系统100使用gromos数据库进行分子动力学模拟。
皮肤模型由三种最重要的角质层组分组成，即神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸。由分子动力学模拟模块112开发的分子模型使用键合和非键合参数来描述分子之间的相互作用。约束多重分子动力学模拟用于计算活性分子的扩散系数或扩散率。分子动力学模拟模块112进一步被配置为算出沿着双层法线的平均扩散率。模拟提供了活性物质通过皮肤脂质基质的侧向和z方向(沿着双层法线)扩散。
根据本公开的实施方式，输送模型模拟模块114形成角质层的输送模型。输送模型表现活性物质的输送机制。沿着双层法线的平均扩散系数进一步被用作输送模型的输入。在示例中，有限元技术(fem)已被用来求解输送模型。但应该理解，使用任何其它数值技术都在本公开的范围内。输送模型进一步被配置为生成活性物质的释放曲线。活性物质的扩散性和释放曲线决定了人体皮肤膜上活性物质的渗透特性。
砖-砂浆模型分别用于表现角质细胞和脂质基质。该结构通过几何参数例如角质细胞宽度、长度、脂质区域的厚度、角质细胞偏移比率和角质层数表征。测量穿过sc的通量，并相对于时间积分以计算通过sc的渗透的真皮吸收/累积释放。累积释放由以下表达式给出：
在操作中，用于使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试的流程图200在图2a和图2b中示出。首先在步骤202，将皮肤上层结构的皮肤模型作为第一输入提供给处理器106。使用输入/输出接口102提供第一输入。在步骤204，将活性分子作为第二输入提供给处理器106。活性分子存储在结构库中。在步骤206，将皮肤模型和活性分子的力场参数作为第三输入提供给处理器106。力场参数存储在力场库110中。力场参数包含用于运行分子动力学模拟的键合相互作用参数和非键合相互作用参数。它们可以有不同的数学形式，如谐波、余弦和正弦组合、指数等。
在下一步骤208中，处理器106使用第一输入、第二输入和第三输入的在活性物质的存在下建立皮肤膜的角质层的分子模型。在步骤210，使用多重分子动力学模拟来计算活性物质的扩散率。在步骤212中，算出沿双层法线的平均扩散率。在步骤214，处理器106建立角质层的输送模型。输送模型表现活性分子的输送机制。在实施方式中，有限元技术(fem)已被用于求解输送模型。但应该理解，使用任何其它数值技术都在本公开的范围内。在下一步骤216中，将平均扩散率作为输入提供给输送模型。最后在步骤218中，处理器106使用输送模型生成活性分子的释放曲线。
根据本公开的实施方式，系统100还被配置为将活性物质的释放曲线与活性物质的实验释放曲线进行比较或验证。
根据本公开的一个实施方式，借助于以下实验发现验证了使用人体皮肤模拟对活性物质进行计算机模拟测试的方法。首先用实验数据测试当前的皮肤双层模型并计算扩散率。将该扩散率与实验数据比较，并用作输送模型模拟的输入。将通过该虚拟皮肤的药物分子的最终累积释放曲线与实验释放曲线如下进行比较：
分子模拟
力场
神经酰胺的力场参数取自伯格力场和gromos87参数。ryckaert-bellemans二面角电位用于游离脂肪酸和神经酰胺的烃链。游离脂肪酸和胆固醇的参数取自gromos数据集。单点电荷(spc)模型用于水分子。
模拟设置
在nvt和npt系综中进行模拟。通过nose-hoover恒温器在时间常数5ps下将温度控制在310k，将恒温器分别与脂质分子和水联接。在半各向同性联接(xy和z方向单独联接)下通过parrinello-rahman恒压器在时间常数5ps和可压缩性为4.5×10-5bar下将压力控制在1bar。使用lincs算法约束脂质和溶质分子中的所有键，而将settle算法用于水。所有模拟均采用2fs的时间步长。对于vanderwall和静电相互作用使用1.2nm的截止。将所有系统均衡至少～5ns。将约束模拟的最后25ns运行用于计算约束力和其它属性。
将等摩尔双层结构在npt系综中平衡约～200ns。等摩尔双层由52cer、52chol、52ffa和5120水分子组成。系统的反应坐标选择为膜法线z，其中z＝0nm对应于双层的质心(com)。对于每个系统，在不同的xy平面上手动放置四种药物分子，并且距离双层com的z距离为4.8。将重叠的水分子移除并且随后使系统能量最小化。然后通过将溶质分子保持固定在它们的位置而将每个系统在npt系综中平衡另外20ns。将这些平衡后的结构进一步用于制备约束模拟的初始配置。将溶质以不同的速度缓慢地拉向双层的中心。该运行的时间步长保持在1fs。当脂质和溶质分子的质心(com)之间的z距离改变0.2nm时，存储该配置。在每个窗口中，药物分子被约束在不同的z和xy位置。使用上述过程生成总共25个窗口。这些窗口从体相水(bulkwater)跨越从上部leaflet到双层中部的整个空间。为了阻止同一窗口中的溶质之间的相互作用，将最小z距离保持为1.2nm(用于vdw和库仑的截止)。
使所存储的等距离配置进一步运行30ns，其中将最初5ns模拟作为平衡运行丢弃。溶质的com与双层的com之间的距离被限制在z方向上，而溶质沿横向自由移动。将该配置每隔1ps存储一次，并且将约束力每隔10fs存储一次。将每次模拟的最后25ns运行用于计算平均力的扩散和电势。假定双层是对称的，并且双层的一侧的结果将是另一侧的结果的镜像。
局部扩散系数
均匀溶解度扩散模型通常用于计算通过膜的溶质的被动渗透性。根据该模型，溶质首先溶解到膜中，然后扩散通过膜内部，并最终再次溶解在外部周围介质中。该模型的渗透率由下式给出：
其中p是分子穿过双层的渗透率，k是从水相到有机相的溶质配分函数，d是溶质的扩散系数，d是双层的厚度。这种模式已多次受到挑战。先前已经解释，溶质大小和组成改变渗透性许多倍以及局部分配函数决定溶质渗透率。分子动力学模拟提供了计算沿着双层法线z的d(z)的有力的方式。我们采用了非均相溶解扩散模型来计算扩散率。
具有沿z方向的法线的对称双层体系中分子的扩散率可以由下式给出:
δf(z，t)＝f(z，t)-<f(z，t)>
其中r是气体常数，t是温度，f(z，t)是在给定的z下对溶质的约束力。
计算流体动力学
模型
在具有边界条件的sc的脂质区域中用fem框架对修改的菲克第二定律求解。
其中，c＝渗透物浓度，
db＝sc的脂质区中渗透物的扩散系数
τflux(τ通量)、τvolume(τ体积)＝用于解释平行和分支输送或脂质区域中的渗透物的扭曲因子
t＝时间。
τ通量、τ体积根据sc的几何参数计算
其中，h＝角质细胞宽度，
d＝角质细胞长度，
g＝脂质通道厚度，
ω＝角质细胞偏移比率，
n＝sc中的角质细胞层数。
通常使用砖-砂浆模型来分别表示角质细胞和脂质基质。该结构通过例如角质细胞宽度、长度、脂质区厚度、角质细胞偏移比率和角质层数等的几何参数表征。测量穿过sc的通量并相对于时间积分以计算通过sc的渗透的真皮吸收/累积释放。累积释放由以下表达式给出:
模拟设置
几何参数从文献中获得。h＝0.8μm、d＝40μm、g＝0.075μm、ω＝1、n＝15。基于这些参数，创建如图3所示的几何结构。几何结构符合三角形元。在comsolmultiphysics中执行模拟。如图4所示，下面的边界条件用于cfd模拟。
入口(供给侧)浓度c(t,y＝l)＝comol/m3，
出口(接收侧)浓度c(t,y＝0)＝0mol/m3，
sc脂质区域中的初始浓度scc(t＝0)＝0mol/m3，
sc脂质区域两侧的周期性边界条件。
系统参数
这里研究的渗透剂是芬太尼。芬太尼的浓度为0.09mol/m3。芬太尼从贴剂到sc的配分系数为0.14。芬太尼的扩散率基于分子动力学模拟(db＝3.67×10-10m2/s)而计算。cfd模拟的运行时间为70s，时间步长为100s。
结果
·与双层的均匀扩散模型不同，发现扩散系数与双层深度相关，如图5所示。
·发现体相水中的扩散系数高于双层内部，如图5所示。这可能是因为双层内部的自由体积较小。
·发现芬太尼药物在体相水中的扩散系数为(1.8±0.3)×10-6cm2/s，如图5所示。
·双层内的扩散与芬太尼药物分子的标定值相比下降了几乎一个数量级，如图5所示。
·发现沿双层深度计算的芬太尼药物的平均扩散系数为3.67×10-6cm2/s。
·发现通过sc层的芬太尼渗透的皮肤吸收/累积释放与所记载的实验曲线完全一致，如图6所示。
·形成的多尺度建模框架可用于在皮肤sc上对任何药物/化妆品/生物分子等进行筛选/测试。
书面说明书描述了本文的主题，以使得本领域的任何技术人员能够实施和使用这些实施方式。这些主题实施方式的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它修改。如果这些其它修改具有与权利要求的字面语言没有区别的相似要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同要素，则这些其它修改确定为在权利要求的范围内。
然而，要理解的是，保护范围扩展到这种程序，并且还扩展到其中具有消息的计算机可读装置；当程序在服务器或移动设备或任何合适的可编程设备上运行时，这种计算机可读存储装置包含用于实现该方法的一个或多个步骤的程序代码装置。硬件设备可以是任何种类的可以被编程的设备，包括例如，任何类型的计算机，如服务器或个人计算机等，或其任何组合。设备还可以包括可以是例如硬件装置的装置，像例如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者硬件装置和软件装置(例如，asic和fpga，或者至少一个微处理器和至少一个其中存储有软件模块的存储器)的组合。因此，该装置可以包括硬件装置和软件装置两者。这里描述的方法实施方式可以用硬件和软件来实现。该设备还可以包括软件装置。或者，可以例如使用多个cpu在不同的硬件设备上实现实施方式。
这里的实施方式可以包括硬件元件和软件元件。以软件实现的实施方式包括但不限于固件、常驻软件、微码等。由本文描述的多个模块执行的功能可以在其它模块或其它模块的组合中实现。为了本说明书的目的，计算机可用介质或计算机可读介质可以是能够包括、存储、通信、传播或传输供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何装置。
介质可以是电子系统、磁性系统、光学系统、电磁系统、红外系统或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括光盘只读存储器(cd-rom)、光盘读/写(cd-r/w)和dvd。
适合于存储和/或执行程序代码的数据处理系统将包括通过系统总线与存储器元件直接或间接联接的至少一个处理器。存储器元件可以包括在实际执行程序代码期间使用的本地存储器、大容量存储器和提供对至少一些程序代码的临时存储(从而减少在执行期间必须从大容量存储器检索代码的次数)的高速缓冲存储器。
输入/输出(i/o)设备(包括但不限于键盘、显示器、指示设备等)可直接或通过中间i/o控制器联接到系统。网络适配器也可以联接到系统，以使数据处理系统能够通过中间专用网络或公共网络与其它数据处理系统或远程打印机或存储设备联接。调制解调器、线缆调制解调器和以太网卡只是当前可用类型的网络适配器中的几个。
用于实践实施方式的代表性硬件环境可以包括根据本文中的实施方式的信息处理/计算机系统的硬件配置。本文中的系统包括至少一个处理器或中央处理单元(cpu)。cpu通过系统总线与多个设备(如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)和输入/输出(i/o)适配器)互连。i/o适配器可以连接到外围设备，例如盘设备和磁带驱动设备，或者系统可读的其它程序存储设备。系统可以读取程序存储设备上的本发明的指令并遵循这些指令来执行本文实施方式的方法。
系统还包括用户接口适配器，其将键盘、鼠标、扬声器、麦克风和/或诸如触摸屏设备(未示出)之类的其它用户接口设备连接到总线以收集用户输入。此外，通信适配器将总线连接到数据处理网络，并且显示适配器将总线连接到显示设备，该显示设备例如可以被实施为输出设备，例如监视器、打印机或发送机。已经参考多个实施方式呈现了前面的描述。本申请所属领域的技术人员将理解，可以在不有意背离原理、精神和范围的情况下实践对所描述的结构和操作方法的变更和改变。