郑春松+范展彪+叶蕻芝+叶锦霞+付长龙+吴广文+刘献祥

【摘 要】目的：从化学空间探讨荣筋拈痛方补肝肾强筋骨和祛风湿止痹痛的作用。方法：将荣筋拈痛方分为补肝肾强筋骨药组和祛风湿止痹痛药组，建立其化合物的分子数据集；搜索DrugBank数据库中骨关节炎治疗相关的刺激关节软骨中蛋白多糖合成以及抗炎镇痛药物，建立其各自的药物分子集。依托定量构效关系平台，分析补肝肾强筋骨药组和刺激关节软骨中蛋白多糖合成药物分子数据集、祛风湿止痹痛药组和抗炎镇痛药物分子数据集的化学空间。结果：荣筋拈痛方分子具有分散的化学空间，且补肝肾强筋骨药物部分化合物与刺激关节软骨中蛋白多糖合成的药物具有相同或相近的化学空间，祛风湿止痹痛药物部分化合物与抗炎镇痛的药物具有相同或相近的化学空间。结论：荣筋拈痛方治疗骨关节炎具有广谱的作用特点，其中，补肝肾强筋骨药物可能具有刺激关节软骨中蛋白多糖合成的作用，而祛风湿止痹痛药物可能具有抗炎镇痛的作用。

【关键词】 骨關节炎；荣筋拈痛方；补肝肾；强筋骨；止痹痛；化学空间

【ABSTRACT】Objective：To investigate the effect of Rongjin Niantong Fang（荣筋拈痛方）to tonifyliver and kidney，strengthen muscles and bones and relieve rheumatism and bi from chemical space.Methods：Rongjin Niantong Fang was divided into a group for tonifying liver and kidney and strengthening muscles and bones（the TS group）and a group for relieving rheumatism and bi（the RRB group），establishing their molecular data of compounds.Medicinals stimulating proteoglycan synthesis in articular cartilage and anti-inflammatory analgesic medicinals related to the treatment of osteoarthritis were searched in the DrugBank database to establish respective molecule database.Based on quantitative structure-activity relationship platform，the chemical space between the TS group and database on stimulating proteoglycan synthesis in articular cartilage and the chemical space between the RRB group and database on anti-inflammatory analgesic medicinals were analyzed.Results：Molecules in Rongjin Niantong Fang have decentralized chemical space.Part of compounds in medicinals to tonify liver and kidney and strengthen muscles and bones has similar chemical space to medicinals to stimulate proteoglycan synthesis in articular cartilage，and part of medicinals to relieve rheumatism and bi has similar chemical space to anti-inflammatory analgesic medicinals.Conclusion：Rongjin Niantong Fang has a broad spectrum effect in the treatment of osteoarthritis，in which medicinals to tonify liver and kidney and strengthen muscles and bones may have the effect of stimulating proteoglycan synthesis in articular cartilage，while medicinals to relieve rheumatism and bi may have anti-inflammatory and analgesic effects.

【Keywords】 osteoarthritis；Rongjin Niantong Fang（荣筋拈痛方）；tonify liver and kidney；strengthen muscles and bones；relieve rheumatism and bi；chemical space

荣筋拈痛方是在中医“肝主筋、肾主骨”理论和对《清宫配方集成》中骨关节炎（osteoarthritis，OA）的治疗方药数据挖掘的基础上组方[1-2]，由牛膝、当归、独活、羌活、防风和甘草组成，具有补肝肾、强筋骨、祛风湿和止痹痛之功效，临床用于治疗OA显示出良好的疗效。但是，如何用现代语言阐释荣筋拈痛方的补肝肾强筋骨、祛风湿止痹痛作用未见报道。本实验从化学空间的角度[3-4]，探讨荣筋拈痛方不同功效与关节软骨中蛋白多糖的合成以及关节疼痛的联系，揭示荣筋拈痛方中化学成分在防治OA方面的重要意义。endprint

1 材料与设备

1.1 实验材料 荣筋拈痛方分子数据集；OA的治疗药物。

1.2 实验设备 本文是在北京大学化学与分子工程学院计算机模拟实验室的计算模拟与数据建模平台Discovery Studio?（简称DS）完成的。计算过程中除非特别说明，所选用的参数均为缺省值。

2 方 法

2.1 荣筋拈痛方分子数据集建立 从北京大学中草药有效成分三维结构数据库、中药原植物化学成分手册和文献中[5-8]，共检索出荣筋拈痛方化合物411个。按不同功效分组，即牛膝、当归为补肝肾强筋骨药组，独活、羌活、防风和甘草为祛风湿止痹痛药组。其成分在DS模拟平台上，选用MMFF力场优化，建立荣筋拈痛方中2组的分子数据集。根据DrugBank数据库[8]，搜索到OA的治疗药物31个，其中，刺激关节软骨中蛋白多糖合成的药物3个，抗炎镇痛的药物28个，建立各自的药物分子集。

2.2 描述符的计算 在DS QSAR模块下，选择1D、2D、3D的描述符48个，分别为碳原子数、氧原子数、氮原子数、总重原子数、分子量、环数目、可旋转键数目、氢键受体数目、氢键给体数目、分子接触体积、分子表面面积、总极性表面面积、总疏水表面面积和脂水分配系数等，计算荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组、祛风湿止痹痛药组的多维描述符值[3，9]。这些描述符形成的空间定义为化学空间。通过主成分分析，将描述符的多维数据有效映射到三维化学空间上。另外，同样按上述方法，计算刺激关节软骨中蛋白多糖合成和抗炎镇痛的药物分子集的化学空间描述符。

2.3 评价方法 相似结构的化合物可能具有相似的属性，这一点是定量构效关系以及分子相似性分析的基础。根据这一点可推广出来化学空间这一概念。化学空间是通过一系列特定选择的描述符描述化合物的性质形成的多维描述符空间[5，10]。因此，笔者通过分析补肝肾强筋骨药组和刺激关节软骨中蛋白多糖合成药物分子集的化学空间，揭示荣筋拈痛方补肝肾强筋骨在关节软骨中蛋白多糖合成方面的作用；通过分析祛风湿止痹痛药组和抗炎镇痛药物分子集的化学空间，揭示荣筋拈痛方祛风湿止痹痛在抗炎镇痛方面的作用。

3 结 果

本文构建了荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组和药物库中刺激关节软骨中蛋白多糖合成药物分子集、荣筋拈痛方中祛风湿止痹痛药组和药物库中抗炎镇痛药物分子集的化学空间，图1和图2显示了补肝肾强筋骨药组中的化合物在化学空间上具有较好的分散性，与刺激关节软骨中蛋白多糖合成药物分子距离很近，而且，与氨基葡萄糖（DB01296）有较好的重叠；祛风湿止痹痛药组的化合物在化学空间上具有较好的分散性，部分与抗炎镇痛药物分子有较好的重叠。即荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组可能具有刺激关节软骨中蛋白多糖合成的作用，祛风湿止痹痛药组可能具有抗炎镇痛的作用。表1和表2显示，相对药物分子，荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组、祛风湿止痹痛药组在分子量、氢键受体、氢键给体、脂水分配系数、环数目和可旋转键数等方面具有更广的分布，其中，荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组与药物库刺激关节软骨中蛋白多糖合成药物在N原子数上分布在区间[1，4]存在交集，即荣筋拈痛方具有广谱的作用，与药物分子集既具有相似的性质，又具有部分不同的性质。

4 讨 论

DOBSON等[3，11]学者构建了生物活性化合物的化学空间，为化合物结构多样性、化学多功能性及生物学特性提供了一个很好的研究平台；同时，通过比较未知活性化合物和已知活性化合物化学空间的相似性，来推测未知化合物的活性性质，也为药物的发现提供了线索。鉴于中药具有多成分、多靶点的作用特点，利用“中药到活性成分”传统途径来研究中药药效物质基础，很难将其多成分和多靶点从整体上联系在一起。徐筱杰[12]提出了中药复方的计算机模拟研究方法，其中，化学空间成为中药中活性化合物虚拟筛选前的重要计算机模拟技术之一；通过化学空间了解更多关于中药成分活性的信息，然后再进行实验工作，可能会减少人力、物力的投入[9，13]。在此基础上，笔者课题组开展了独活寄生汤和桃红四物汤治疗OA的化学空间研究，通过与已知的OA药物/类药分子比对，揭示了其治疗OA存在的类药性和多样性，为其治疗OA多成分-多靶点网络的研究奠定了基础[14-15]。同时，比较了透骨消痛胶囊中补肾柔肝药与活血祛风药的化学空间，揭示了其补肾柔肝和活血祛风作用的异同[16]。因此，化学空间可用于中药方剂作用方面的研究，为其不同功效的理解提供了新依据。

OA属中医学“痹证”范畴，其核心病机为“本痿标痹”，即肝肾亏虚、正气不足为“本”，风寒湿邪等为“标”。临床上补肝肾、祛风湿为中医治疗OA的重要治法[17]。西医学认为，OA的主要病理特点为关节软骨的退行性病变和继发性的骨质增生。其中，退行性病变与软骨内蛋白多糖聚合体降解有关，临床上常用氨基葡萄糖、N-乙酰-D-氨基葡萄糖、S-腺苷基甲硫氨酸刺激关节软骨中蛋白多糖的合成，修复受损软骨[18-20]；骨质增生临床主要表现为疼痛，常用抗炎镇痛药治疗，如布洛芬、塞来昔布、萘普生等[21]。由此课题组结合以上两点，认为关节软骨退变临床表现为“痿”，骨质增生临床表现为“痹”，应从本治痿，从标治痹，即补肝肾强筋骨治痿，祛风湿止痹痛治痹。因此，笔者以荣筋拈痛方为研究对象，将其分为补肝肾强筋骨药组和祛风湿止痹痛药组，研究补肝肾强筋骨药组与刺激关节软骨中蛋白多糖合成的药物、祛风湿止痹痛药组与和抗炎镇痛药物的化学空间，揭示补肝肾强筋骨在延缓软骨退变，以及祛风湿止痹痛在缓解骨质增生引起的疼痛方面的作用。

本文研究发现，来源于荣筋拈痛方的分子集在分子量、氢键给体数目、氢键受体数目及脂水分配系数分布上涵盖了来源药物库中药物分子的分子集。从图1和图2可以看出，荣筋拈痛方所含分子的多样性优于药物分子，后者的分布相对更为集中，而且，前者存在与后者重叠或接近的化学空间。说明荣筋拈痛方涵盖了OA治疗药物分子的作用，但可能还具有其他的作用。此外，根据“rule of five”规则[22]，口服药物的描述符具有以下特点：分子量 < 500，氢键给体数目 < 5，氢键受体数目 < 10，脂水分配系数 < 5。如果违反过多，则药物的溶解性和肠吸收能力会受到限制。根据表1和表2在荣筋拈痛方中补肝肾强筋骨药组和祛风湿止痹痛药组含有的化合物中，2组的分子量平均值分别为238.502和322.277，氢键给体数目平均值分别为1.575 76和2.164 22，氢键受体数目平均值分别为3.404 04和4.697 95，脂水分配系数平均值分别为2.517 22和3.433 3，说明荣筋拈痛方含有的化合物大部分没有违反“rule of five”规则，具有较好的类药性质，适合做成口服制剂。这为临床上榮筋拈痛方口服给药提供了依据。endprint

總之，本文从化学空间角度阐释了荣筋拈痛方中不同治法在OA治疗上的微观意义，直观显示了补肝肾强筋骨与刺激关节软骨中蛋白多糖合成作用、祛风湿止痹痛与抗炎镇痛作用的相关性，为构建中西医结合交融的OA研究平台提供了新思路。

5 参考文献

[1] 刘献祥.基于陈可冀学术思想之骨性关节炎研究[J].康复学报，2016，26（1）：2-5.

[2] 陈可冀.清宫配方集成[M].北京：北京大学医学出版社，2013：1-527.

[3] DOBSON CM.Chemical space and biology[J].Nature，2004，432（7019）：824-828.

[4] REYMOND JL，AWALE M.Exploring chemical space for drug discovery using the chemical universe database[J].ACS Chem Neurosci，2012，3（9）：649-657.

[5] QIAO X，HOU T，ZHANG W，et al.A 3D structure database of components from Chinese traditional medicinal herbs[J].J Chem Inf Comput Sci，2002，42（3）：481-489.

[6] 周家驹，谢桂荣，严新建.中药原植物化学成分手册[M].北京：化工工业出版社，2004：1165-1211.

[7] GU J，GUI Y，CHEN L，et al.Use of natural products as chemical library for drug discovery and network pharmacology[J].PLoS One，2013，8（4）：e62839.

[8] WISHART DS，KNOX C，GUO AC，et al.DrugBank：a comprehensive resource for in silico drug discovery and exploration[J].Nucleic Acids Res，2006，34（Database issue）：D668-672.

[9] 黄钦，乔学斌，徐筱杰.中草药有效成分化合物的化学空间分析[J].计算机与应用化学，2007，24（1）：51-54.

[10] 郑春松，叶蕻芝，刘献祥，等.海桐皮汤治疗骨性关节炎的化学空间及多靶点效应分析[J].中国临床药理学与治疗学，2009，14（1）：67-71.

[11] RIGBY AC.Exploring novel chemical space through the use of computational and structural biology[J].Comb Chem High Throughput Screen，2009，12（10）：927-928.

[12] 徐筱杰.中药复方的计算机模拟研究[J].化学进展，1999，11（2）：201-204.

[13] 龙伟，邳馨，向剑，等.中药方剂网络与中药化学空间的构建与分析[J].北京中医药大学学报，2011，34（11）：729-732.

[14] ZHENG CS，XU XJ，YE HZ，et al.Computational approaches for exploring the potential synergy and polypharmacology of Duhuo Jisheng Decoction in the therapy of osteoarthritis[J].Mol Med Rep，2013，7（6）：1812-1818.

[15] ZHENG CS，XU XJ，YE HZ，et al.Network pharmacology-based prediction of the multi-target capabilities of the compounds in Taohong Siwu decoction，and their application in osteoarthritis[J].Exp Ther Med，2013，6（1）：125-132.

[16] 郑春松，叶蕻芝，李西海，等.透骨消痛胶囊中补肾柔肝药和活血祛风药治疗骨关节炎作用方式的计算机模拟比较[J].中医正骨，2015，27（7）：6-10.

[17] 王宾，王培民.中医治疗骨性关节炎研究进展[J].辽宁中医药大学学报，2008，10（1）：42-43.

[18] FRISBIE DD，MCILWRAITH CW，KAWCAK CE，et al.Efficacy of intravenous administration of hyaluronan，sodium chondroitin sulfate，and N-acetyl-d-glucosamine for prevention or treatment of osteoarthritis in horses[J].Am J Vet Res，2016，77（10）：1064-1070.

[19] SHARMA L.Osteoarthritis year in review 2015：clinical[J].Osteoarthritis Cartilage，2016，24（1）：36-48.

[20] SOEKEN KL，LEE WL，BAUSELL RB，et al.Safety and efficacy of S-adenosylmethionine（SAMe）for osteoarthritis[J].J Fam Pract，2002，51（5）：425-430.

[21] GORDO AC，WALKER C，ARMADA B，et al.Efficacy of celecoxib versus ibuprofen for the treatment of patients with osteoarthritis of the knee：A randomized double-blind，non-inferiority trial[J].J Int Med Res，2017，45（1）：59-74.

[22] LIPINSKI CA，LOMBARDO F，DOMINY BW，et al.Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings[J].Adv Drug Deliv Rev，2001，46（1-3）：3-26.

收稿日期：2017-09-11；修回日期：2017-10-25endprint