基于神经网络的黄酮类金属配合物抗肿瘤与抗氧化构效关系模型研究

发布时间：2018-03-02 18:31

  本文选题：定量构效关系　切入点：神经网络　出处：《重庆大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：定量构效关系研究在药物化学、药物筛选、药物活性预测和药物设计领域具有重大意义，据文献报道目前一般是基于线性关系方法建立定量构效关系模型的。研究表明物质的化学结构与药理活性之间往往存在非线性的关系，为更有效地描述结构与活性之间的关系，提高预测药理活性的能力，对生理活性物质进行结构改造，避免盲目探索造成的浪费以最少的成本直接获得高性能的化学实体的目标。本论文将非线性的人工神经网络法引入到定量构效关系模型中，达到良好的拟合精度和较强的预测能力，研究能真实、客观地描述物质的化学结构与药理活性之间关系，在新药研究及开发等方面具有一定的意义。 黄酮类化合物具有抗肿瘤、抗氧化、抗菌、抗炎和抗病毒等多种药理活性，可作金属离子的良好的螯合配体，黄酮类化合物与金属离子配位能大大提高原有的药理活性，但由于黄酮类金属配合物的结构比较复杂，不易获得其电子结构参数，黄酮类金属配合物的结构与活性之间存在非线性关系，若用对线性关系有效的方法建立的定量构效关系模型无法描述结构与活性之间的关系。因此本论文采用量子化学获得黄酮类金属配合物的特征电子结构参数，基于非线性的人工神经网络法建立定量构效关系模型并完成初步验证，，同时利用建立的定量构效关系模型预测了橙皮素金属配合物的抗肿瘤与抗氧化活性，并依据预测结果设计了相关实验，实验结果反过来又验证了模型有效性、科学性。 论文以黄酮及其衍生物金属配合物为研究对象，通过文献获得了各种黄酮及其衍生物金属配合物的结构式和相应的药理活性；利用量子化学计算得到配合物的电子结构参数；利用逐步回归分析和主成份分析筛选出对药理活性起重要作用的特征电子结构参数；在此基础上利用人工神经网络法建立了抗肿瘤（包括配合物与DNA的结合作用和配合物的抗HepG2作用）和抗氧化（包括清除羟基自由基和清除超氧阴离子自由基）定量构效关系模型并对模型进行了初步验证；利用建立的定量构效关系模型对4种橙皮素金属配合物的抗肿瘤和抗氧化活性进行了预测；根据预测结果指导实验，通过橙皮素-铜配合物的合成、表征、抗肿瘤及抗氧化实验进一步验证了模型的准确性，结果表明得到的定量构效关系模型具有较好的预测能力。论文主要研究结果如下： ①定量构效关系模型特征参数的获取。 1)利用Gaussian03软件对文献中收集到的黄酮及其衍生物金属配合物进行结构优化，计算电荷布居、前沿轨道、自然键轨道、能量等获得相关电子结构参数。结果表明偶极矩（Dp）、A环上的电荷（Qa）、B环上的电荷（Qb）、C环上的电荷（Qc）、金属离子电荷(Qmetal)、1号氧原子所带电荷（QO1）、2号碳原子所带电荷（QC2）、4号碳原子所带电荷（QC4）、5号碳原子所带电荷(QC5)、6号碳原子所带电荷（QC6）、7号碳原子所带电荷(QC7)、8号碳原子所带电荷（QC8）、11号原子所带电荷（QO/N11）、4’号碳原子所带电荷（QC4’）、6’号碳原子所带电荷（QC6’）、1’号碳原子所带电荷（QC1’）、12号氧原子所带电荷（QO12）、3条最高占据轨道能量（EHOMO）、（EH-1）、（EH-2）、3条最低空轨道能量（ELUMO）、（EL-1）、（EL-2）、3个最高与最低轨道能量差（△EL-H2）、（△EL-H1）、（△EL-H）均能表征黄酮及其衍生物金属配合物的结构，是重要的电子结构参数。 2)应用逐步回归法对黄酮及其衍生物金属配合物的重要的电子结构参数进行分析，筛选出对药理活性起重要作用的特征电子结构参数，包括：C环电荷、C1’电荷；A环电荷、C4’电荷、B环电荷、△EL-H1；C8电荷、 EL-H1、C环电荷；C7电荷、偶极矩、O11电荷、L1能量、A环电荷。 3)应用主成份分析法对黄酮及其衍生物金属配合物的重要的电子结构参数进行分析，得到各重要电子结构参数的线性组合特征参数F。 ②基于人工神经网络建立定量构效关系模型。 1)利用神经网络法以逐步回归分析为基础建立定量构效关系模型4个；利用神经网络法以主成分分析为基础建立定量构效关系模型4个。建模过程中将收集到的文献数据分为两部分，一部分做训练组，一部分做验证组，分别以训练组中的特征电子结构参数（逐步回归法得到）和新的线性组合特征参数F（主成份分析得到）为自变量，以对应的抗肿瘤和抗氧化活性为因变量利用神经网络建立黄酮及其衍生物金属配合物的定量构效关系模型。结果得到了黄酮及其衍生物金属配合物与小牛胸腺DNA结合作用定量构效关系模型、黄酮及其衍生物金属配合物抗HepG2作用定量构效关系模型、黄酮及其衍生物金属配合物清除羟基自由基抗氧化作用定量构效关系模型、黄酮及其衍生物金属配合物清除超氧阴离子自由基抗氧化作用定量构效关系模型共计8个。 2)分别以验证组中的特征电子结构参数和新的线性组合特征参数F做为输入变量输入到定量构效关系模型中得到输出变量即药理活性，利用验证组中相应的抗肿瘤和抗氧化活性实验值与模型预测值进行对比从而完成模型的初步验证，验证结果表明以逐步回归分析和主成份分析结果为基础通过神经网络法建立的2个黄酮类金属配合物与DNA结合的定量构效关系模型的相对标准偏差分别为0.255和0.162，对应的决定系数R2分别为0.837和0.854；2个黄酮类金属配合物对HepG2作用的定量构效关系模型的相对标准偏差分别为0.4799和0.4349；2个黄酮类金属配合物清除羟基自由基作用的定量构效关系模型的相对标准偏差分别为2.71和2.46，R2分别为0.89和0.90；2个黄酮类金属配合物清除超氧阴离子自由基作用的定量构效关系模型的相对标准偏差分别为2.262和1.554，R2分别为0.958和0.981。说明建立的模型都是可靠的，具有有效的可预测性，其中以主成份分析数据为依据建立的定量构效关系模型预测效果更好。 ③定量构效关系模型预测活性 1）构建橙皮素-铜、橙皮素-锌、橙皮素-钴和橙皮素-镍的结构式并计算电子结构参数。 2）利用建立的定量构效关系模型预测4种橙皮素金属配合物与小牛胸腺DNA的结合作用，对肝癌细胞HePG2的作用，清除羟基自由基作用和清除超氧阴离子自由基作用。结果显示：橙皮素-铜配合物与小牛胸腺DNA结合的常数取对数为6.24，对HepG2作用的IC50为19.95μM，清除羟基自由基作用的IC50为32.26μM，清除超氧阴离子自由基作用的IC50为9.97μM。橙皮素-锌配合物与小牛胸腺DNA结合的常数取对数为5.65，对HepG2作用的IC50为31.92μM，清除羟基自由基作用的IC50为34.69μM，清除超氧阴离子自由基作用的IC50为7.29μM。橙皮素-镍配合物与小牛胸腺DNA结合的常数取对数为4.52，对HepG2作用的IC50为54.58μM，清除羟基自由基作用的IC50为40.31μM，清除超氧阴离子自由基作用的IC50为30.64μM。橙皮素-钴配合物与小牛胸腺DNA结合的常数取对数为4.53，对HepG2作用的IC50为74.70μM，清除羟基自由基作用的IC50为47.62μM，清除超氧阴离子自由基作用的IC50为17.63μM。整体来看橙皮素-铜配合物的活性比较好。 ④根据定量构效关系模型预测结果进行橙皮素金属配合物的合成、表征、抗肿瘤与抗氧化实验。 1)合成橙皮素-铜配合物，利用红外光谱、原子吸收光谱、元素分析仪、核磁共振等手段对结构进行表征。 2)用MTT法研究不同浓度橙皮素-铜金属配合物对HepG2肝癌细胞的抑制作用，IC50为22.03μM；用紫外光谱法研究橙皮素-铜金属配合物与小牛胸腺DNA结合的作用，结合常数取对数为6.80；清除羟基自由基作用的IC50为37.2μM；清除超氧阴离子自由基作用的IC50为13.16μM。 3)对比实验结果与模型预测结果，橙皮素-铜配合物与小牛胸腺DNA结合作用误差为0.56，标准偏差是0.194， R2是0.839；对HepG2作用误差为2.08μM，标准偏差为0.722；清除羟基自由基作用误差为4.94μM，标准偏差是2.57，R2是0.93；清除超氧阴离子自由基作用误差为3.19μM，标准偏差是1.66， R2是0.983。结果表明建立的定量构效关系模型能对我们的实验起指导作用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP183;R914

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本文编号：1557676