基于靜電勢(shì)電荷的抗擊埃博拉病毒新藥物法匹拉韋及其衍生物水溶解度logS值預(yù)測(cè)

裴詩(shī)恩　黃穎琦　吳淑曼　彭自珍　蘇凌峰　劉喜靈　陳晗劍　鐘愛(ài)國(guó)

摘要：運(yùn)用分子中的原子理論（AIM），探討了以法匹拉韋分子羰基氧原子值為目標(biāo)，測(cè)試了不同基組和泛函選擇的依賴(lài)性。然后用密度泛函理論（DFT B3LYP）和6-31+G（d，p）基組，優(yōu)化了20種法匹拉韋及其常見(jiàn)衍生物的分子結(jié)構(gòu)，分別得到11號(hào)羰基氧的密立根電荷（MUL-O）、自然原子軌道電荷（NBO-O）、何秀巴赫電荷（HIR-O）和靜電勢(shì)電荷（EsP-O）值，發(fā)現(xiàn)11號(hào)氧原子的ESP-O電荷值與用ACD Lab6.0預(yù)測(cè)出來(lái)的logS值相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.986；計(jì)算了法匹拉韋及其11種未知衍生物的ESP-O電荷值，代入相關(guān)最佳線(xiàn)性方程，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與ACD Lab6.0預(yù)測(cè)結(jié)果十分接近，最大誤差絕對(duì)對(duì)數(shù)值僅為0.08；分子的靜電勢(shì)圖也顯示法匹拉韋及其甲基法匹拉韋發(fā)揮其藥理毒理作用可能的部位在電負(fù)性強(qiáng)的羰基氧原子上。

關(guān)鍵詞：密度泛函理論；法匹拉韋；Mulliken電荷；NBO電荷；ESP電荷；logS值

中圖分類(lèi)號(hào)：O 644.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0031-04

法匹拉韋（Favipiravir，商品名為ANIGAN，T705，），化學(xué)名為6-氟-3-羥基吡嗪-2-甲酰胺，是日本富山化學(xué)有限公司研制的新型RNA依賴(lài)的RNA聚合酶抑制類(lèi)廣譜抗病毒藥，2011年3月在日本完成Ⅲ期臨床試驗(yàn)，臨床可用于治療流感。法匹拉韋和其他抗擊流感病毒藥物的作用機(jī)理不同，它主要通過(guò)阻斷病毒核酸復(fù)制的方法來(lái)抑制病毒繁殖。在2014年抗擊埃博拉病毒疫情的戰(zhàn)役中，日本Fujifilm公司最近獲批的流感治療藥物法匹拉韋可以對(duì)抗西非埃博拉病毒的漫延，法匹拉韋作為明星藥物也確實(shí)在治療埃博拉患者中取得良好的效果。分子酸堿度pK_b值和溶解度值logS是藥物分子的一個(gè)基本物化性質(zhì)，其對(duì)人體的藥物吸收程度有重要影響。通常它的值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，但實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法會(huì)有一定的局限性，在實(shí)際使用中，由于分子受穩(wěn)定性等諸多因素的制約，使從實(shí)驗(yàn)上很難準(zhǔn)確測(cè)定一些分子的pK_b值和溶解度值，尤其是像法匹拉韋這些最新出現(xiàn)的藥物。因此從理論和計(jì)算上尋找有效和可靠的預(yù)測(cè)酸堿電離性的方法成為目前十分活躍的課題。

當(dāng)前已有多種方法用于預(yù)報(bào)有機(jī)化合物的脂水分配系數(shù)logP值和水溶解度logS值。相比較而言，脂水分配系數(shù)logP值的計(jì)算方法更為成熟和有效些。這是因?yàn)?，相?duì)于溶質(zhì)在水和正辛醇兩種液-液之相間的分配，分子溶質(zhì)的溶解過(guò)程則是更為復(fù)雜的物化過(guò)程，它不僅有溶質(zhì)一溶劑之間的相互作用，還含有溶質(zhì)一溶質(zhì)分子之間的相互作用。對(duì)于固體溶質(zhì)，還需要考慮其相變過(guò)程，這也是目前計(jì)算與預(yù)測(cè)分子溶解度所面臨的挑戰(zhàn)與難題之一。目前分子溶解度的計(jì)算方法對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物效果則較好，但對(duì)于結(jié)構(gòu)比較繁雜的、含有多個(gè)官能團(tuán)的分子化合物則較為不適用，預(yù)測(cè)的效果也不是很好。不過(guò)這一問(wèn)題對(duì)有機(jī)化合物脂水分配系數(shù)的計(jì)算實(shí)際上在一定程度上也存在這一現(xiàn)象。前文我們?cè)?jīng)采用量子化學(xué)密度泛函理論的方法，利用計(jì)算機(jī)和高斯軟件對(duì)法匹拉韋及其衍生物的堿式電離常數(shù)pK_b進(jìn)行了預(yù)測(cè)，所得結(jié)果較好。本文基于密度泛函理論的B3LYP法在6-31+G（d，p）水平下對(duì)取代法匹拉韋分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，將優(yōu)化得到的量子化學(xué)參數(shù)和ACD Lab 6.0預(yù)測(cè)pK_b值建立線(xiàn)性回歸模型，選擇相關(guān)陛最好的回歸方程，用其預(yù)測(cè)法匹拉韋及其衍生物的logS值（圖1），這對(duì)于了解法匹拉韋及其衍生物的藥理及毒理質(zhì)和新藥研發(fā)有及其重要的意義。

1 計(jì)算方法

利用PC機(jī)及其軟件Gauss View 5.0.9、Gaussian09W、Origin 7.5、ACD-Labs 6.0、Chemdraw 8.0等軟件）；利用Gaussion 09 W軟件包，構(gòu)建20個(gè)用ACD-Lab 6.0預(yù)測(cè)得到pK_b的法匹拉韋衍生物的分子結(jié)構(gòu)模型，然后用Gaussion View 5.09軟件在DFT/B3LYP/6-31+G（d，p），POP=（muHiken，nbo，chelpg，hirshfeld）水平和條件下，對(duì)20種法匹拉韋衍生物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算得到相應(yīng)的量化參數(shù)，記錄11-0的MiHiken電荷值和自然原子電荷軌道（NBO）值以及靜電勢(shì)電荷（ESP）；用Mulliken、NBO和ESP電荷值（橫坐標(biāo)）分別對(duì)ACD Lab 6.0預(yù)測(cè)得到的logS（縱坐標(biāo)）用Origin7.5作圖，得到四個(gè)線(xiàn)性回歸方程，得出相關(guān)系數(shù)，并比較各相關(guān)系數(shù)的大小，R值越接近1或-1，則相關(guān)性就越好，反之，相關(guān)性就越差。篩選出R值較大的線(xiàn)性方程作為預(yù)測(cè)方程。選取10種未知水溶液溶解度logS的法匹拉韋衍生物，用該量化方程計(jì)算其logS值，并與目前最流行的ACD Lab 6.0軟件直接計(jì)算的得到的logS比較，驗(yàn)證密度泛函理論方法預(yù)測(cè)法匹拉韋及其衍生物分子的水溶解度值的準(zhǔn)確性（圖1）。

2 結(jié)果和討論

2.1 不同基組對(duì)法匹拉韋氧原子電荷的影響

為測(cè)試基組對(duì)于法匹拉韋及其衍生物的11號(hào)氧原子四種電荷適應(yīng)性與依賴(lài)性，首先使用流行的10種基組，包括pople's 6-31G，6-31G*，6-31G**，6-31++G**，6-311++G**和dunning's的相關(guān)一致性基組（CC-pVDZ，CC-pVTZ和Aug-CC-pVTZ）。結(jié)果表明，選擇不同的基組對(duì)計(jì)算氧原子ESP、HIR和NBO電荷的影響不太顯著（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差std≤±1.7%），但是它們卻對(duì)體系密立根電荷MUL值影響甚大（std=±8.7%）（表1）。

2.2 不同泛函對(duì)法匹拉韋氧原子電荷的影響

固定6-31+g（d，p）基組，選用經(jīng)常采用的近似10種泛函如beckhandh，BLYP，B3LYP，beck-97ggal，MPWIK，becke98，HCTH407p，TPSS和M06-2X等，它們基本覆蓋了最流行的GGA，metagga和混合交換相關(guān)勢(shì)的形式。測(cè)試并計(jì)算了法匹拉韋氧原子電荷值的泛函依賴(lài)性。結(jié)果如表2所示。選擇不同的泛函對(duì)計(jì)算法匹拉韋氧原子電荷的影響，除密立根電荷（MUL）外，對(duì)其余三種電荷（NBO，ESP，HIR）的影響也是不太顯著（std≤±2.0%）。結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用分子中的原子理論（AIM）方法，采用不同的基組和泛函組合，除密立根電荷值外，其余三種電荷值，于法匹拉韋及其衍生物系統(tǒng)氧原子電荷的計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)值定性符合，不會(huì)產(chǎn)生顯著的依賴(lài)性（低于±2%）。

2.3 羰基氧上的四種類(lèi)型電荷值比較

本次實(shí)驗(yàn)中，模擬所得的20種未知logS值的法匹拉韋衍生物的羰基氧上的Mulliken、NBO和ESP電荷值以及相對(duì)應(yīng)的由ACD Lab6.0軟件預(yù)測(cè)得知的logS如表3所示。

分別將羰基氧的MUL、NBO、HIR和ESP電荷值與相對(duì)應(yīng)的log5作圖，得到圖2-4（省去圖3，4），可以看出相關(guān)系數(shù)R，分別為0.716，0.956，0.902和0.986，發(fā)現(xiàn)ESP-011電荷的相關(guān)性最好（0.986，相關(guān)系數(shù)R越大越好），所以我們將采用此線(xiàn)性方程來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)后面的法匹拉韋衍生物的溶解度值（5，單位mol·L^-1）。

2.4 羰基氧上的ESP電荷值與誰(shuí)溶解度相關(guān)性

將所選的11種未知溶解度值的法匹拉韋的衍生物用opt進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，用DFT/B3LYP方法，采用6-31+G（d，p）基組進(jìn)行分子計(jì)算，將得到的羰基氧的ESP-O電荷數(shù)據(jù)分別帶入選定的線(xiàn)性回歸方程中，計(jì)算得到相應(yīng)化合物的logS值，擬合結(jié)果見(jiàn)表4。預(yù)測(cè)得到的logS值和ACD-Labs 6.0預(yù)測(cè)的logS值十分接近，最大偏差絕對(duì)對(duì)數(shù)值僅為0.08。這與其他理論模型方法預(yù)測(cè)的有機(jī)分子水溶解度對(duì)數(shù)值誤差在一個(gè)單位值，效果較好。

圖2（a）是法匹拉韋分子的靜電勢(shì)電荷分布圖，淺紅色氧原子部分，顯示其氧原子帶有較強(qiáng)的電負(fù)性。圖2（b）是甲基取代的法匹拉韋衍生物分子的靜電勢(shì)電荷分布圖，深紅色氧原子部分，顯示其氧原子帶有強(qiáng)的電負(fù)性。

3 結(jié)論

（1）基于分子中的原子理論（AIM）框架下的-電荷分解法，測(cè)試了不同的基組與泛函對(duì)法匹拉韋藥物分子氧原子的電荷的影響。結(jié)果顯示，除了密立根電荷（MUL-0）外，不同的基組與泛函對(duì)其余三種氧原子電荷（NB0-0，ESP-0，HIR-0）擬合的值變化不大，影響也不顯著；

（2）運(yùn)用Gaussion 09W和Gaussion View 5.09軟件，采用密度泛函活性方法，DFT B3LYP和6-31+G（d，p）基組，優(yōu)化了20種法匹拉韋的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)羰基氧上的ESP電荷值與log5值的相關(guān)性要好于NBO電荷值和靜電勢(shì)電荷ESP，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.986，由此可以得出，法匹拉韋發(fā)揮其藥理和毒理作用的部位很可能是在羰基的氧上。

（3）用上述的計(jì)算方法，我們計(jì)算了12種未知logS值的法匹拉韋衍生物（包括法匹拉韋）的ESP電荷值，并將其代入擬合所得較佳的線(xiàn)性方程，預(yù)測(cè)得到的logS值和ACD-Labs 6.0預(yù)測(cè)的logS值十分接近，最大偏差絕對(duì)對(duì)數(shù)值僅為0.18。發(fā)展基于第一性原理的高精度能量理論是今后一段時(shí)期理論工作者努力的方向。我們期待出現(xiàn)更為有效的預(yù)測(cè)多官能團(tuán)分子溶解度的理論方法。