钩吻镇痛活性成分与吗啡的计算研究

Computational Study of Analgesia Effect of Gelsemium and Morphine

摘要: 在X3LYP/6-31++G(d,p)水平，对钩吻16种镇痛活性成分和吗啡的几何结构、谱学性质和电子结构进行了详细的计算研究，并根据概念密度泛函理论对所有化合物的化学性质进行考察。研究结果表明：钩吻镇痛活性成分的几何结构与吗啡的部分结构类似；钩吻镇痛活性成分的红外光谱吸收峰主要分布于波数1700~1832 cm^-1，3500~3600 cm^-1和3730~3860 cm^-1的三个区域；乙醇溶剂中钩吻和吗啡的极性增加，电负性、硬度、软度和亲电指数显示gw7、gw12和gw15与吗啡的性质最为相似。药代动力学数据表明gw7的药代动力学评价最佳。

Abstract: The geometrical and electronic structures, spectral properties of 16 active analgesia components of Gelsemium and Morphine were calculated at the X3LYP/6-31++G(d,p) level and Concept-DFT was also employed. The computed results indicate that: Structure of the active analgesia components of Gelsemium is similar to the partial structure of morphine. The infrared absorption peak of active analgesia components is mainly distributed in the three regions in wave number of 1700 - 1832 cm^-1, 3500 - 3600 cm^-1and 3730 - 3860 cm^-1. To characterize the solvent effect, the polarity of all compounds is larger than that of gaseous states. The values of electronegativeity, hardness, softness and electrophilicity indexes of gw7, gw8, gw12 and gw15 are in good agreement with Morphine. Among all of the compounds, the pharmacokinetic evaluation of gw7 is the optimal.

1. 引言

如今，全球每年新增加癌症患者约1000万人，在我国，癌症患者人数也逐年高速增长。因此，有效规范的镇痛治疗是提高患者生存质量的重要措施。癌症疼痛治疗主要使用效果显著的强阿片类药物吗啡等，但该类药易引起一系列的副作用，比如：便秘、恶心、尿潴留等[1] 。更多的是长期使用吗啡可产生耐受性而使得用药剂量增加，可产生痛觉过敏以及成瘾性，从而限制了其在临床上的应用。目前临床上陷入了对癌症患者“用药荒”的困境，因此急需开发出新型的不易产生耐受性的镇痛药物代替吗啡。

钩吻又名断肠草，味辛、苦、性温、有剧毒，故多以外用为主 [2] 。根据目前对钩吻的药用研究，发现其药理作用主要有抗肿瘤、镇痛、恢复造血功能、增强免疫、降压等；临床调查及基础研究表明，钩吻生物总碱具有显著的镇痛作用，调节疼痛阈值增大的能力仅次于吗啡，明显高于其他镇痛药物，且无成瘾性、耐受性和累积性毒性等副作用，但其毒性较大，治疗剂量与中毒剂量相近 [3] - [6] 。黄志毅首次报道钩吻素子具有显著的治疗外周神经损伤所致神经病理性疼痛的作用，其镇痛作用的有效剂量远离LD₅₀，安全性强，作用持续时间长 [7] 。相关研究人员采用大鼠骨癌疼痛模型，深入研究了钩吻素甲对癌症疼痛的镇痛作用及作用机制，证实了“钩吻可以有效减轻癌症等病患所带来的疼痛”，这为癌症患者带来了新的希望。

本研究将钩吻的镇痛活性成分的几何结构与吗啡的几何结构进行量子化学分析，比较两者之间的异同性 [8] - [12] ，具体化合物分子式见表1。利用钩吻(断肠草)的有效镇痛的成分，研究其分子结构与药代动力学参数，为研制出不易产生耐药性的镇痛药提供理论基础。

2. 计算方法

本文采用X3LYP密度泛函理论(DFT)在6-31++G(d,p)基组水平上，对已报道的16种钩吻镇痛活性成分和吗啡的几何结构，电子结构性质和振动光谱进行了计算研究，并在相同计算水平上采用极化连续模型(PCM)计算了16种钩吻镇痛活性成分和吗啡在乙醇环境中的性质变化，所有计算工作用G09程序包完成 [13] 。运用ACD/Percepta软件平台统一模拟计算其脂水分布系数(LogP)，药物与血浆蛋白结合能力(PPB)和血脑屏障通过性(CNS)等基础数据，由此预测药代动力学性质。

3. 结果与讨论

3.1. 几何结构

如图1所示吗啡为五环结构，其中含有部分氢化的菲环。吗啡分子中存在C5、C6、C9、C13和C14

Table 1. Active analgesia components of Gelsemium and Morphine

表1. 钩吻镇痛活性成分和吗啡的分子式

共5个手性碳，左旋体吗啡作用于m受体产生药理作用，而右旋体吗啡则无生理活性。C5、C6和C14上的氢与乙胺链成顺式，A环与B、C、E环均成顺式，D环(乙胺链)突出于其他平面之上。吗啡环A和环C上的酚羟基的酰化和醚化，6位羟基的氧化和氮上取代基的改变以及引入新的基团都会影响吗啡的活性。与吗啡的几何结构相比，钩吻的镇痛活性成分结构中也具有一平坦的芳环结构，苯环可以通过范德华力与作用位点结合产生药理效应；除gw3、gw5、gw6、gw7、gw14和gw15这6种活性成分，其余钩吻镇痛活性成分均有一碱性中心，能在生理pH条件下大部分电离为阳离子，与受体的阴离子部位以静电结合 [14] 。吗啡中N原子被不同取代基取代，可从激动剂转变为拮抗剂，如吗啡17位的氮原子上的甲基换成烯丙基得到纳洛酮，是吗啡受体的纯拮抗剂，但在钩吻镇痛活性成分结构中没有类似构型。

3.2. 谱学性质

优化得到的稳定钩吻镇痛活性成分和吗啡的IR光谱数据如图2和表2所示。主要存在3个较强的红外活性特征振动：C=O、N-H和O-H键的伸缩振动。除gw5、gw6、gw7、gw15和吗啡外，其他钩吻镇痛活性成分的红外光谱数据显示在1700~1832cm^-1范围内均存在的一个尖峰，对应C=O伸缩振动，与文献 [15] 中的数据吻合。在3500~3600 cm⁻¹范围出现较弱吸收带，对应N-H伸缩振动。gw4、gw6、gw10、gw12、gw13和gw14都在3730~3860 cm⁻¹范围内出现醇羟基的伸缩振动，n_(N-H)较n_(O-H)谱带弱、尖。吗啡分子中存在一个酚羟基和一个六元环上的醇羟基，吗啡六元环C=C伸缩振动为1664 cm⁻¹，环中-CH=CH-的反式CH面外弯曲振动为937 cm⁻¹，与文献 [16] 中的C=C和-CH=CH-振动伸缩频率红移了约20 cm⁻¹。

Figure 1. Structure of active analgesia components of Gelsemium and morphine

图1. 钩吻镇痛活性成分和吗啡的结构

(a) (b) (c) (d)(e) (f)^{(a), (b), (c)}Infared spectrum of gw1-gw16 and morphine; ^{(d), (e), (f)}UV-Vis spectra of gw1-gw16 and morphine

Figure 2. Infared spectrum and UV-Vis spectrum of active analgesia components of Gelsemium and Morphine

图2. 钩吻镇痛活性成分与吗啡的红外谱图和紫外–可见光谱

采用密度泛函理论中的X3LYP/6-31++(d,p)方法计算了钩吻16种镇痛活性成分和吗啡的UV-Vis的光谱性质(如图2所示)。钩吻镇痛活性成分中gw1、gw3、gw4、gw5和gw9在220~240 nm和260~300 nm范围内存在两个吸收峰，构型中存在和n→σ^*和n→π^*跃迁。图2(f)显示gw16的C=O吸收峰与吗啡相比红移了15 nm。gw2和gw13在300 nm以上存在吸收峰，说明分子中存在较大的共轭体系 [17] 。考虑溶剂化效应后，吗啡在233 nm处的吸收峰发生蓝移，在224 nm处出现吸收峰；对于钩吻镇痛活性成分中C=O的吸收峰在乙醇环境中也出现蓝移。

3.3. 电子结构分析

钩吻镇痛活性成分和吗啡的偶极矩如图3所示，所有化合物的偶极矩均大于1，其中结构gw6的偶极矩最大，约为16.07 × 10⁻³⁰ C∙m。gw16的偶极矩仅次与gw6，gw2的偶极矩最小，极性最小。从图3可以看出gw3、gw6、gw11和gw16的偶极矩大于吗啡的偶极矩，表示这四种镇痛活性成分的极性较大。采用极化连续模型(PCM)考虑溶剂效应后，钩吻镇痛活性成分和吗啡的偶极矩均大于气相中的偶极矩，因此在乙醇环境中，钩吻镇痛活性成分和吗啡的极性均增大。

Table 2. The stretching vibrational frequencies (n(C=O), n(N-H) and n(O-H)) of active analgesia components of Gelsemium and Morphine

表2. 钩吻镇痛活性成分与吗啡C=O、N-H和O-H键的伸缩振动频率

Figure 3. Dipole moment (μ) of active analgesia components of Gelsemium and Morphine

图3. 钩吻镇痛活性成分和吗啡结构的偶极矩(μ)

3.4. 概念密度泛函分析

采用概念密度泛函方法按照下式计算了钩吻16种镇痛活性成分和吗啡的电负性(χ)、硬度(η)、软度(S)和亲电指数(ω) [18] [19] ：

具体数值见表3。应用概念密度泛函理论定义的电负性和硬度，从而在理论上探讨化合物的化学性质。gw7、gw12和吗啡的电负性较大，电负性越大，得电子能力越强，与受体结合作用越强。由η值可知，吗啡和gw15的硬度大于钩吻其余镇痛活性成分，其分子中可旋转键最少，而gw14的硬度最小。gw15的亲电指数最小，亲电性最弱，则其对应的酸性则最强。因此，从电负性、硬度、软度和亲电指数来看gw7、gw12和gw15与吗啡的性质最为相似。

3.5. 药代动力学分析

钩吻的镇痛活性成分和吗啡的脂水分布系数评价都较好。吗啡与不同脑区的阿片受体结合，模拟内源性阿片肽的作用，抑制P-糖蛋白的释放，从而干扰痛觉冲动传入中枢发挥镇痛作用，从表4中可以看出吗啡进入中枢神经系统的比例是35%，而gw7进入中枢神经系统的比例高达97%；gw7更容易作用于

Table 3. The values of electronegativity (χ), hardness (η), softness (S) and electrophilicity (ω) of active analgesia components of Gelsemium and Morphine calculated at the X3LYP/6-31++G(d,p) level

表3. 在X3LYP/6-31++G(d,p)水平计算得到钩吻镇痛活性成分和吗啡的电负性(χ)、硬度(η)、软度(S)和亲电指数(ω)

Table 4. The pharmacokinetic parameters of active analgesia components of Gelsemium and Morphine

表4. 钩吻镇痛活性成分和吗啡的药代动力学参数

中枢神经系统。药物和血浆蛋白的结合率是影响药物的分布和代谢的重要参数，是药物在体内动力学的一个重要过程，游离的血药浓度能够影响药物的排泄和代谢速率，更为重要的是它密切关系到药物的作用强度，计算结果显示，gw13和gw16有较强的血清蛋白结合率。

影响药物的代谢主要是指药物对药物代谢酶的影响 [20] ，根据报道90%以上的药物是通过肝微粒体的细胞色素P450酶完成 [21] 。人类参与药物代谢的主要细胞色素氧化酶CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6和CYP3A4在此激活过程中具有决定性的催化作用。计算结果显示，吗啡对CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19酶没有其抑制作用，相比之下钩吻的镇痛活性成分中gw11的抑制作用较小，CYP2D6酶的抑制作用较强，在钩吻镇痛活性成分中gw4、gw5、gw6、gw7和gw15对CYP2D6酶抑制作用与吗啡相似。综上所述，gw7的药代动力学评价与其他镇痛活性成分相比最佳。

4. 结论

采用X3LYP密度泛函理论(DFT)在6-31++G(d,p)基组水平上计算钩吻16种镇痛活性成分和吗啡的几何结构，同时采用极化连续模型(PCM)模拟乙醇溶液环境表明溶剂化效应对几何结构的影响。计算结果显示：1) 钩吻的镇痛活性成分分子中也具有一平坦的芳环结构，苯环可以通过范德华力与作用位点结合；钩吻镇痛活性成分中的N原子被不同取代基取代，可从激动剂转变为拮抗剂。2) 红外谱图中钩吻的镇痛活性成分存在三个较强的吸收峰即：C=O、N-H和O-H键；gw16的C=O吸收峰与吗啡相比红移了15 nm。考虑溶剂化效应后，紫外-可见光谱中钩吻镇痛活性成分和吗啡的羰基吸收峰发生蓝移。3) 从电负性、硬度、软度和亲电指数来看gw7、gw12和gw15与吗啡的性质最为相似。4) 通过计算机模拟平台，预测钩吻镇痛活性成分的药代动力学性质发现gw7的药代动力学的评价与其他钩吻镇痛活性成分相比最佳。

致谢

感谢浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)项目(2014R413020)的资助。

^*通讯作者。