神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻毒性的預(yù)測(cè)研究

堵錫華，陳艷，宋明，田林，徐艷

徐州工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，徐州 221018

肉桂酸是從肉桂皮分離出的一種天然有機(jī)酸，有微量的桂皮氣味，安全無(wú)毒[1]，它不但具有抗腫瘤、抗炎及抗氧化作用[2-3]，還具有良好的抑菌和保鮮作用，故常被用作食品添加劑[4-5]，由于它具有抑制過(guò)氧化物酶的生物活性并誘導(dǎo)類脂的過(guò)氧化作用[6]，能抑制形成黑色酪氨酸酶、可隔絕紫外線，故又常用于高級(jí)防曬霜的生產(chǎn)；此外它還用于香精香料、醫(yī)藥、農(nóng)藥以及有機(jī)合成等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)[7-8]。鹵代肉桂酸則是基于肉桂酸得到一種鹵代芳烴化合物，由于具有類似的特性，故也廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品和農(nóng)藥等生產(chǎn)行業(yè)[9]，隨著近年來(lái)該化合物使用量的增加，對(duì)環(huán)境造成的影響也越來(lái)越為嚴(yán)重。

藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生物，它維持著水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定[10]，羊角月牙藻是淡水水體中常見(jiàn)的一種藻類，因其細(xì)胞特征明顯而且易于培養(yǎng)[11]，對(duì)污染脅迫敏感性很強(qiáng)，故常常用作水生生態(tài)毒理研究的一種重要的指示生物[12]。

定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系(quantitative structure-activity relationship, QSAR)研究最初是應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)中的一種方法[13-14]，近年來(lái)該法在化學(xué)[15]、環(huán)境科學(xué)[16]和毒理學(xué)[17]等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。由于目前對(duì)鹵代肉桂酸的相關(guān)研究并不多見(jiàn)，特別是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)鹵代肉桂酸相關(guān)急性毒性的QSAR研究未見(jiàn)有報(bào)道，故筆者在前期研究[18-19]基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[9]檢測(cè)分析鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻急性毒性半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)值，利用計(jì)算應(yīng)用程序軟件，計(jì)算了14種鹵代肉桂酸化合物分子的4類分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，并篩選了其中2種參數(shù)，構(gòu)建了用于預(yù)測(cè)鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻急性毒性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，本研究對(duì)評(píng)估鹵代肉桂酸殘留的生物毒性及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)處理(Data processing)

1.1 毒性數(shù)據(jù)來(lái)源

李敏等[9]選擇了14種鹵代肉桂酸，測(cè)定了這些化合物對(duì)羊角月牙藻急性毒性的72 h-EC50值，鹵代肉桂酸(序號(hào)1～14)的分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)羊角月牙藻的EC50實(shí)驗(yàn)值列于表1中。

表1 鹵代肉桂酸的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)及其毒性Table 1 Molecular structure parameter and toxicity of halogenated cinnamic acid

1.2 分子結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及處理

根據(jù)表1中所列的序號(hào)為1～14共14種鹵代肉桂酸的分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Chemoffice2005畫圖軟件勾畫這些分子的3D分子結(jié)構(gòu)圖，利用MATLAB自編程序[20]相關(guān)軟件，計(jì)算了分子連接性指數(shù)、分子形狀指數(shù)、電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)和電性距離矢量4類分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照分子樣本總數(shù)/變量數(shù)需>5這一規(guī)則[21]，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有選用電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)(E13)和電性距離矢量(M15)這2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，所得回歸分析結(jié)果相對(duì)最好，故這里選用E13和M15作為建立模型的自變量，相關(guān)數(shù)據(jù)也列于表1中。

2 模型的建構(gòu)(Model construction)

2.1 多元回歸模型

將選擇的E13和M15這2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為自變量，將鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻的急性毒性值(72 h-EC50)作為因變量，進(jìn)行多元回歸分析，得到對(duì)羊角月牙藻毒性預(yù)測(cè)的多元回歸方程為：

EC50=1267.772E13-32.493M15-9962.357

(1)

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和化學(xué)技術(shù)等多學(xué)科交叉又較為前沿的一種研究方法，它能模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理，具有強(qiáng)大的非線性映射能力，該法在眾多學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[22-26]。由于前述多元線性回歸法預(yù)測(cè)結(jié)果并不理想，這里進(jìn)一步采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性方法對(duì)鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻毒性進(jìn)行研究。將式(1)多元回歸模型中的E13和M15作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中的輸入層參數(shù)，14種鹵代肉桂酸化合物對(duì)羊角月牙藻急性毒性作為輸出層參數(shù)，綜合許祿[27]和Andrea等[28]建議規(guī)則，得出下式：

2.2>n/[(Si+2)Y+1]≥1.4

(2)

式中：n、Si和Y分別為樣本總數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層參數(shù)和隱含層參數(shù)。根據(jù)該式計(jì)算得到Y(jié)應(yīng)取2，為此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用2-2-1的結(jié)構(gòu)方式。為防止建模過(guò)程中有過(guò)擬合現(xiàn)象，將14個(gè)鹵代肉桂酸分子隨機(jī)分為3組：取每5個(gè)分子的第1、3、5個(gè)分子作為訓(xùn)練集、第2個(gè)分子作為測(cè)試集、第4個(gè)分子作為驗(yàn)證集，將本法建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到的EC50預(yù)測(cè)值也列入表1中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重與偏置相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2中。

表2 BP-ANN模型的權(quán)重和偏置Table 2 Weights and bias of BP-ANN model

3 結(jié)果與討論(Results and discussion)

通過(guò)計(jì)算14個(gè)鹵代肉桂酸的4類分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，篩選了其中E13和M15這2種指數(shù)，與這些化合物分子對(duì)羊角月牙藻急性毒性進(jìn)行相關(guān)性分析，建立的多元回歸模型的相關(guān)系數(shù)為0.911，根據(jù)該模型得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)平均誤差為7.16%，而在此基礎(chǔ)上建立預(yù)測(cè)毒性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法模型，模型的總相關(guān)系數(shù)R總=0.951，訓(xùn)練集R訓(xùn)練=0.956、測(cè)試集R測(cè)試=0.996、驗(yàn)證集R驗(yàn)證=0.999，從這些相關(guān)系數(shù)可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模型的相關(guān)系數(shù)明顯得到提高，利用該模型預(yù)測(cè)鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻急性毒性，預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值的吻合度較為理想(圖1)，兩者的相對(duì)平均誤差為4.49%，對(duì)相對(duì)誤差作控制圖(圖2)可以看出，所有相對(duì)誤差均在可控范圍之內(nèi)，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果較為可靠，分子結(jié)構(gòu)參數(shù)與毒性值之間存在較好的非線性關(guān)系，而不是線性關(guān)系。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與多元回歸法所得預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行比較可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測(cè)誤差值明顯小于多元回歸法的預(yù)測(cè)誤差值。

圖1 EC50的實(shí)驗(yàn)值(Exp.)與預(yù)測(cè)值(Pre.)關(guān)系Fig. 1 Relationship between experimental (Exp.) and predicted (Pre.) values of EC50

圖2 相對(duì)誤差的控制圖注：UCL為控制上限，LCL為控制下限。Fig. 2 Control chart of relative errorNote: UCL stands for upper control limit; LCL stands for lower control limit.

根據(jù)建構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)另外12種可能結(jié)構(gòu)的鹵代肉桂酸化合物分子(表1中打*的15～26號(hào)分子)的EC50進(jìn)行了預(yù)測(cè)，所得預(yù)測(cè)結(jié)果也列于表1中。根據(jù)表1中1～14號(hào)鹵代肉桂酸的分子結(jié)構(gòu)與EC50實(shí)驗(yàn)值的關(guān)系可以看出，肉桂酸苯環(huán)上連接半徑越大、電負(fù)性越小的鹵素原子，其毒性越大，如F的電負(fù)性>Cl的電負(fù)性>Br的電負(fù)性，而半徑大小相反，故連接Br的毒性>Cl>F；如基團(tuán)相同，則連接在2位的毒性<3位<4位。對(duì)照預(yù)測(cè)的15～26號(hào)分子所得毒性值，基本符合該變化規(guī)律，說(shuō)明本法建構(gòu)的模型具有一定的合理性和應(yīng)用型，當(dāng)然這還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確證，故本模型的建構(gòu)，可以在理論上指導(dǎo)設(shè)計(jì)低毒性、高活性的類似化合物分子。

綜上所述，本研究表明：

(1)優(yōu)化篩選電性拓?fù)錉顟B(tài)指數(shù)和電性距離矢量作為分子結(jié)構(gòu)描述子，與鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻急性毒性具有較好的非線性關(guān)系，建構(gòu)的毒性預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相關(guān)系數(shù)達(dá)0.951，預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于多元回歸法，說(shuō)明鹵代肉桂酸的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)與其對(duì)羊角月牙藻急性毒性(EC50)之間具有好的非線性關(guān)系，而不是線性關(guān)系。

(2)鹵代肉桂酸對(duì)羊角月牙藻急性毒性的大小，與其苯環(huán)上連接的鹵素基團(tuán)的原子半徑、電負(fù)性大小及基團(tuán)連接的位置有較大的相關(guān)性。