基于神經(jīng)網(wǎng)絡的黃酮類金屬配合物抗腫瘤與抗氧化構(gòu)效關系模型研究.pdf

1、定量構(gòu)效關系研究在藥物化學、藥物篩選、藥物活性預測和藥物設計領域具有重大意義，據(jù)文獻報道目前一般是基于線性關系方法建立定量構(gòu)效關系模型的。研究表明物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)與藥理活性之間往往存在非線性的關系，為更有效地描述結(jié)構(gòu)與活性之間的關系，提高預測藥理活性的能力，對生理活性物質(zhì)進行結(jié)構(gòu)改造，避免盲目探索造成的浪費以最少的成本直接獲得高性能的化學實體的目標。本論文將非線性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡法引入到定量構(gòu)效關系模型中，達到良好的擬合精度和較強的預測能力

2、，研究能真實、客觀地描述物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)與藥理活性之間關系，在新藥研究及開發(fā)等方面具有一定的意義。
　　黃酮類化合物具有抗腫瘤、抗氧化、抗菌、抗炎和抗病毒等多種藥理活性，可作金屬離子的良好的螯合配體，黃酮類化合物與金屬離子配位能大大提高原有的藥理活性，但由于黃酮類金屬配合物的結(jié)構(gòu)比較復雜，不易獲得其電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，黃酮類金屬配合物的結(jié)構(gòu)與活性之間存在非線性關系，若用對線性關系有效的方法建立的定量構(gòu)效關系模型無法描述結(jié)構(gòu)與活性之間的關系

3、。因此本論文采用量子化學獲得黃酮類金屬配合物的特征電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于非線性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡法建立定量構(gòu)效關系模型并完成初步驗證，同時利用建立的定量構(gòu)效關系模型預測了橙皮素金屬配合物的抗腫瘤與抗氧化活性，并依據(jù)預測結(jié)果設計了相關實驗，實驗結(jié)果反過來又驗證了模型有效性、科學性。
　　論文以黃酮及其衍生物金屬配合物為研究對象，通過文獻獲得了各種黃酮及其衍生物金屬配合物的結(jié)構(gòu)式和相應的藥理活性；利用量子化學計算得到配合物的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)；利用

4、逐步回歸分析和主成份分析篩選出對藥理活性起重要作用的特征電子結(jié)構(gòu)參數(shù)；在此基礎上利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡法建立了抗腫瘤（包括配合物與DNA的結(jié)合作用和配合物的抗HepG2作用）和抗氧化（包括清除羥基自由基和清除超氧陰離子自由基）定量構(gòu)效關系模型并對模型進行了初步驗證；利用建立的定量構(gòu)效關系模型對4種橙皮素金屬配合物的抗腫瘤和抗氧化活性進行了預測；根據(jù)預測結(jié)果指導實驗，通過橙皮素-銅配合物的合成、表征、抗腫瘤及抗氧化實驗進一步驗證了模型的準確性，

5、結(jié)果表明得到的定量構(gòu)效關系模型具有較好的預測能力。論文主要研究結(jié)果如下：
　?、俣繕?gòu)效關系模型特征參數(shù)的獲取。
　　1)利用Gaussian03軟件對文獻中收集到的黃酮及其衍生物金屬配合物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計算電荷布居、前沿軌道、自然鍵軌道、能量等獲得相關電子結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明偶極矩（Dp）、A環(huán)上的電荷（Qa）、B環(huán)上的電荷（Qb）、C環(huán)上的電荷（Qc）、金屬離子電荷(Qmetal)、1號氧原子所帶電荷（QO1）、2號碳原子

6、所帶電荷（QC2）、4號碳原子所帶電荷（QC4）、5號碳原子所帶電荷(QC5)、6號碳原子所帶電荷（QC6）、7號碳原子所帶電荷(QC7)、8號碳原子所帶電荷（QC8）、11號原子所帶電荷（QO/N11）、4’號碳原子所帶電荷（QC4’）、6’號碳原子所帶電荷（QC6’）、1’號碳原子所帶電荷（QC1’）、12號氧原子所帶電荷（QO12）、3條最高占據(jù)軌道能量（EHOMO）、（EH-1）、（EH-2）、3條最低空軌道能量（ELUMO）、

7、（EL-1）、（EL-2）、3個最高與最低軌道能量差（△EL-H2）、（△EL-H1）、（△EL-H）均能表征黃酮及其衍生物金屬配合物的結(jié)構(gòu)，是重要的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　2)應用逐步回歸法對黃酮及其衍生物金屬配合物的重要的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，篩選出對藥理活性起重要作用的特征電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括：C環(huán)電荷、C1’電荷；A環(huán)電荷、C4’電荷、B環(huán)電荷、△EL-H1；C8電荷、△EL-H1、C環(huán)電荷；C7電荷、偶極矩、O11電荷、L1能

8、量、A環(huán)電荷。
　　3)應用主成份分析法對黃酮及其衍生物金屬配合物的重要的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，得到各重要電子結(jié)構(gòu)參數(shù)的線性組合特征參數(shù)F。
　?、诨谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡建立定量構(gòu)效關系模型。
　　1)利用神經(jīng)網(wǎng)絡法以逐步回歸分析為基礎建立定量構(gòu)效關系模型4個；利用神經(jīng)網(wǎng)絡法以主成分分析為基礎建立定量構(gòu)效關系模型4個。建模過程中將收集到的文獻數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分做訓練組，一部分做驗證組，分別以訓練組中的特征電子結(jié)構(gòu)參數(shù)（逐

9、步回歸法得到）和新的線性組合特征參數(shù)F（主成份分析得到）為自變量，以對應的抗腫瘤和抗氧化活性為因變量利用神經(jīng)網(wǎng)絡建立黃酮及其衍生物金屬配合物的定量構(gòu)效關系模型。結(jié)果得到了黃酮及其衍生物金屬配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合作用定量構(gòu)效關系模型、黃酮及其衍生物金屬配合物抗HepG2作用定量構(gòu)效關系模型、黃酮及其衍生物金屬配合物清除羥基自由基抗氧化作用定量構(gòu)效關系模型、黃酮及其衍生物金屬配合物清除超氧陰離子自由基抗氧化作用定量構(gòu)效關系模型共計8個。

10、
　　2)分別以驗證組中的特征電子結(jié)構(gòu)參數(shù)和新的線性組合特征參數(shù)F做為輸入變量輸入到定量構(gòu)效關系模型中得到輸出變量即藥理活性，利用驗證組中相應的抗腫瘤和抗氧化活性實驗值與模型預測值進行對比從而完成模型的初步驗證，驗證結(jié)果表明以逐步回歸分析和主成份分析結(jié)果為基礎通過神經(jīng)網(wǎng)絡法建立的2個黃酮類金屬配合物與DNA結(jié)合的定量構(gòu)效關系模型的相對標準偏差分別為0.255和0.162，對應的決定系數(shù)R2分別為0.837和0.854；2個黃酮類金

11、屬配合物對HepG2作用的定量構(gòu)效關系模型的相對標準偏差分別為0.4799和0.4349；2個黃酮類金屬配合物清除羥基自由基作用的定量構(gòu)效關系模型的相對標準偏差分別為2.71和2.46，R2分別為0.89和0.90；2個黃酮類金屬配合物清除超氧陰離子自由基作用的定量構(gòu)效關系模型的相對標準偏差分別為2.262和1.554，R2分別為0.958和0.981。說明建立的模型都是可靠的，具有有效的可預測性，其中以主成份分析數(shù)據(jù)為依據(jù)建立的定量構(gòu)

12、效關系模型預測效果更好。
　?、鄱繕?gòu)效關系模型預測活性
　　1）構(gòu)建橙皮素-銅、橙皮素-鋅、橙皮素-鈷和橙皮素-鎳的結(jié)構(gòu)式并計算電子結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　2）利用建立的定量構(gòu)效關系模型預測4種橙皮素金屬配合物與小牛胸腺DNA的結(jié)合作用，對肝癌細胞HePG2的作用，清除羥基自由基作用和清除超氧陰離子自由基作用。結(jié)果顯示：橙皮素-銅配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合的常數(shù)取對數(shù)為6.24，對HepG2作用的IC50為19.95μM，清

13、除羥基自由基作用的IC50為32.26μM，清除超氧陰離子自由基作用的IC50為9.97μM。橙皮素-鋅配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合的常數(shù)取對數(shù)為5.65，對HepG2作用的IC50為31.92μM，清除羥基自由基作用的IC50為34.69μM，清除超氧陰離子自由基作用的IC50為7.29μM。橙皮素-鎳配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合的常數(shù)取對數(shù)為4.52，對HepG2作用的IC50為54.58μM，清除羥基自由基作用的IC50為40.31μ

14、M，清除超氧陰離子自由基作用的IC50為30.64μM。橙皮素-鈷配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合的常數(shù)取對數(shù)為4.53，對HepG2作用的IC50為74.70μM，清除羥基自由基作用的IC50為47.62μM，清除超氧陰離子自由基作用的IC50為17.63μM。整體來看橙皮素-銅配合物的活性比較好。
　?、芨鶕?jù)定量構(gòu)效關系模型預測結(jié)果進行橙皮素金屬配合物的合成、表征、抗腫瘤與抗氧化實驗。
　　1)合成橙皮素-銅配合物，利用紅外光

15、譜、原子吸收光譜、元素分析儀、核磁共振等手段對結(jié)構(gòu)進行表征。
　　2)用MTT法研究不同濃度橙皮素-銅金屬配合物對HepG2肝癌細胞的抑制作用，IC50為22.03μM；用紫外光譜法研究橙皮素-銅金屬配合物與小牛胸腺DNA結(jié)合的作用，結(jié)合常數(shù)取對數(shù)為6.80；清除羥基自由基作用的IC50為37.2μM；清除超氧陰離子自由基作用的IC50為13.16μM。
　　3)對比實驗結(jié)果與模型預測結(jié)果，橙皮素-銅配合物與小牛胸腺DNA結(jié)