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连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制

文章信息

近日,来自美国的科研团队在预印本ChemRxiv上发表文章,题目为“

In Silico Exploration of Repurposing and Optimizing Traditional Chinese Medicine Rutin for Possibly Inhibiting SARS-CoV-2’s Main Protease”。揭示了芦丁(连花清瘟、双黄连成分之一)结合到SARS-COV-2Mpro蛋白的活性位点,抑制其生物学功能。文章还对芦丁的结构进行了优化,设计了一种更加疏水的类似物,并证明它与SARS-COV-2Mpro具有更强的结合亲和力。

连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制

基本概念

芦丁:英文名Rutin,别称为芸香甙,维生素 P,紫槲皮甙 ,路丁, 路丁粉,路通,络通,紫皮甙。在芸香草、豆科植物的槐米、荞麦、红旱莲、光枝勾儿茶以及野梧桐叶中含量较为丰富。具有抗炎、抗病毒、抑制星形胶质细胞释放促炎因子,部分恢复多巴胺能神经元功能等多种作用。芦丁也是连花清瘟、双黄连等药物的成分之一

分子动力学:分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法,是研究凝聚态系统的有力工具。该技术不仅可以得到原子的运动轨迹,还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。

背景意义
 

目前全球新冠感染人数超过500万,但仍然没有特异性针对COVID-19的药物。日前,中国工程院院士钟南山团队研究揭示,连花清瘟在体外试验中显示出抗新冠病毒的作用。文章发表于Pharmacological Research杂志(https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.eur.idm.oclc.org/32205232/),但是其作用原理依然不清晰。而芦丁作为连花清瘟的有效成分之一,之前就被证实其能抑制多种蛋白酶以及病毒、真菌、寄生虫的感染。因此,作者利用分子动力学的方法探究了芦丁对SARS-COV-2 Mpro的抑制作用

 

实验结果
 

作者首先利用全原子分子动力学模型(MD)去研究芦丁在Mpro中的稳定性。MD模拟SARS-COV2生理环境下的晶体结构,然后用AutoDock Vina预测了芦丁与其的结合方式和亲和力,且展现了芦丁分子与Mpro结合的最佳形态(用球棍模型表示芦丁分子),此时整个芦丁分子被Mpro完全包裹(图1)。

 

连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制

图1:芦丁结合Mpro口袋模拟模式图

          

随后作者对Mpro口袋中的芦丁进行独立性MD 模拟(Sim-1 Sim-2)分析。作者发现若先对齐 Mpro 的口袋,则计算出的芦丁分子的时间依赖的均方根偏差(RMSD)变得更大,这一点表明芦丁分子或其中一部分已经偏离了它原来的对接姿势(见图1)。另外在能量上,作者计算了芦丁和 Mpro 之间以及芦丁和溶液(包括水和离子)之间的相互作用势能(包括范德华尔和静电势能)。结果表明,随着芦丁和 Mpro 之间的势能增加,它们之间的相互作用变弱。其次,芦丁与溶液之间的相互作用能也降低,这表明芦丁与水的相互作用变得更强。

 

另外,在 Sim-2 中约 200ns时,芦丁-Mpro 相互作用能出现暂时下降,与其对应的芦丁溶液相互作用能出现短暂上升(见图2)。这是由于 Mpro 的其他单体的C端漂移(没有结合的芦丁分子;在图c中以橙色着色),这个C端充当了Mpro口袋上方的“盖子”,覆盖了芦丁分子,从而增强了芦丁-Mpro的整体相互作用能。但是大约 20ns后,这个C端扩散出去,势能又回到了以前的值。因此,从芦丁分子的MD轨迹证明芦丁分子结合Mpro是流动的,存在构象的变化(见图3)。

 

连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制图2 Mpro口袋内芦丁的两个独立的MD模拟

 

连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制

图3 MD模拟芦丁M结合于Mpro口袋中

 

作者进一步分析发现芦丁的成分槲皮素结构中苯环除了与 Mpro 中疏水残基(Met164)之间的疏水相互作用外,也与残基 His41 His163 形成稳定的氢键。

 

虽然过程中芦丁结构发生了巨大的变化,但是槲皮素部分结构在整个模拟时间(300ns)内都被牢固地束缚在口袋里,且芦丁分子位于 Mpro 活性位点(包括 Ser46Cys145)的上方。因此,芦丁分子稳定地结合在 Mpro 的口袋上,可以在空间上阻断底物结合。

 

最后作者设计一种基于芦丁结构的新药分子(芦丁-M)。因锚定位点内的疏水部分可以帮助稳定/增强配体结合,所以分别用两个甲基取代了每个糖环中的两个羟基(图4)。并对其进行MD模拟,结构表明新药分子与Mpro的结合能力更强。

 

连花清瘟/双黄连 治疗新冠患者的机制图4 芦丁与芦丁类似物分子结构

文章结论
 

研究发现通过MD模拟,芦丁可以结合到 Mpro 的口袋里,阻止Mpro与底物的结合。其次,研究设计了一种更疏水的芦丁类似物(芦丁-M),其结合亲和力高于芦丁。最后作者在此研究基础上,又提出了两种可能的方法来设计芦丁类似物:(1)优化芦丁上的化学基团,以提高结合亲和力,提高生物活性;(2)利用所设计的芦丁类似物作为不可逆结合的候选物。

 

原文链接:

https://chemrxiv.org/articles/In_Silico_Exploration_of_Repurposing_and_Optimizing_Traditional_Chinese_Medicine_Rutin_for_Possibly_Inhibiting_SARS-CoV-2_s_Main_Protease/12281078/1

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