基于靜電勢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

裴詩恩　黃穎琦　吳淑曼　彭自珍　蘇凌峰　劉喜靈　陳晗劍　鐘愛國

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)，測試了不同基組和泛函選擇的依賴性。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)測出來的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)最佳線性方程，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與ACD Lab6.0預(yù)測結(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依賴的RNA聚合酶抑制類廣譜抗病毒藥，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，它主要通過阻斷病毒核酸復(fù)制的方法來抑制病毒繁殖。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實(shí)驗(yàn)來測定，但實(shí)驗(yàn)測定方法會(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)椋鄬?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)的溶解過程則是更為復(fù)雜的物化過程，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程，這也是目前計(jì)算與預(yù)測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)測的效果也不是很好。不過這一問題對(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，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pK_b值建立線性回歸模型，選擇相關(guān)陛最好的回歸方程，用其預(yù)測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)測得到的logS（縱坐標(biāo)）用Origin7.5作圖，得到四個(gè)線性回歸方程，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值較大的線性方程作為預(yù)測方程。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)勢的形式。測試并計(jì)算了法匹拉韋氧原子電荷值的泛函依賴性。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)生顯著的依賴性（低于±2%）。

2.3 羰基氧上的四種類型電荷值比較

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性方程來進(jìn)行預(yù)測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)果見表4。預(yù)測得到的logS值和ACD-Labs 6.0預(yù)測的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性方程，預(yù)測得到的logS值和ACD-Labs 6.0預(yù)測的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)測多官能團(tuán)分子溶解度的理論方法。