基于计算机模拟的动脉粥样硬化的生物通路研究文献综述

开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）

1. 研究背景：

心血管疾病是目前全球高发疾病，每年约有1500万人死于心血管疾病，其中以冠心病和脑卒中风为主。其中，动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是心血管代谢性疾病发生的重要诱因之一。动脉粥样硬化是由脂质在血管壁积累而引起的一种复杂疾病，受多种遗传以及环境因素影响。脂质代谢的障碍是动脉粥样硬化的病变基础，一般先有脂质和糖类在体内积累、沉积于血管壁导致出血及血栓形成，进而纤维蛋白组织增生及钙质的沉着，导致动脉血管壁增厚、变硬、血管腔变狭窄，一旦发展到足以阻塞动脉腔，则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死。由于在动脉内膜积聚的脂质外观呈黄色粥样，因此称为动脉粥样硬化。

目前，动脉粥样硬化的预防与治疗引起了广泛关注，但其病理机制并未完全明了，常用的治疗药物主要是调血脂药，有他汀类和贝特类。他汀类是羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG- CoA）还原酶抑制剂，主要降低总胆固醇TC和低密度脂蛋白LDL，具体有洛伐他汀、辛伐他汀等。贝特类主要降低三酰甘油TG和极低密度脂蛋白VLDL。AS相关的生物蛋白通路未探索清晰，当前治疗该疾病的药物没有针对性靶点，且具有一定的毒副作用，因此探索其生物通路和对当前临床治疗药物的分析成为一件迫在眉睫的任务。

随着“大数据时代”的降临，以及高通量测序技术的引入和计算机处理能力的提高，使得人们能用高通量筛选的方式去探索相关的机制。通过生物信息学的手段从海量蛋白质中寻找与动脉粥样硬化发生发展相关的靶点结构以及将大量的药物小分子对相应的靶点蛋白质进行虚拟对接是一个可行并且有效的手段。

1. 研究目的：

为了探寻动脉粥样硬化的疾病发展的相关通路以及用小分子作为分子探针与靶点蛋白进行虚拟对接，比较分析现如今常用药物与网络中不同蛋白的不同反应情况，来研究当前治疗手段的不足以及可选择的改进方向。在大数据时代的背景下，利用生物信息学的技术，选择常用治疗药如辛伐他汀、洛伐他汀等小分子药物为分子探针，通过计算机模拟药物小分子和靶标蛋白进行虚拟对接的方式，从而构建与动脉粥样硬化疾病发病与进展相关的蛋白质关系网络，分析生物通路的网络结构，探寻通路中具有高连接数的蛋白，即潜在的靶点蛋白。对于该疾病治疗方案的制定亦能提供重要的参考价值。

1. 研究内容
2. 统计用于治疗动脉粥样硬化的常用药物分子

通过文献查询以及书籍阅读，汇总整理出当前常用的，治疗动脉粥样硬化的药物名称。再通过http://www.molecular-networks.com画出小分子的三维结构图，保存为mol格式，作为待测药物分子，为后续的小分子和蛋白质靶点进行计算机虚拟对接做准备。

1. 统计动脉粥样硬化相关的靶点蛋白

在美国国家生物技术信息中心(National Center of Biotechnology Information，NCBI)的Protein字库中搜索关键词“atherosclerosis”得到了4907个相关靶点位置，再关注在PDB上有蛋白质三级结构的靶点位置共有255个。汇总整理出相应的PDB序列号、名称以及下载相应的PDB文件，作为待测靶点蛋白。

1. 进行计算机模拟的目标分子对接靶点蛋白

对接程序：ZDOCK；RDOCK

分子显示、分析程序：Amber

药物作用靶点库： NCBI（药物作用靶点共255个蛋白质）

具体研究过程：

本部分研究将采用ZDOCK软件进行蛋白质与蛋白质的刚性对接，RDOCK等软件进行蛋白质与蛋白质的柔性对接，再用Amber等软件进行分子动力学结合能优化，最终在原子微观尺度上探索蛋白质与蛋白质的相互作用，其具体过程包括：

1. 蛋白质受体与配体分子结构的构建与优化
2. 基于空间结构域的蛋白质与蛋白质的刚性对接
3. 基于分子片段的蛋白质与蛋白质的柔性性对接
4. 对接结构的分子动力学优化
5. 结合能的打分与评价
6. 对接药物靶点总结

将22个目标分子共与255个蛋白质药物作用靶点发生对接，其中与目标分子发生作用多次的药物作用靶点汇总成表。进行初步的靶点类型分析，在进行药物作用靶点相关疾病总结，关注其主要的药理活性，比如抗肿瘤活性、抗血栓活性等，其次，观测其是否与其他生理系统具有高对接度的现象，这有可能是药物的副反应以及毒性作用的靶点，为后续是否能通过修改细微结构来增强药效部位的针对性以及减轻毒副作用提供信息。

1. 目标分子与动脉粥样硬化相关药物作用靶点分析

将目标分析作用的与动脉粥样硬化相关的蛋白靶点一一列出，将每一个药物分子与相应靶点对接的具体三维图像列出并分析。根据其对接的不同靶点蛋白以及反应的不同结构位点来分析每一个药物相应的优缺点以及潜在的改善方向，从而评价当前药物的价值，为筛选新的药物分子或者是发现已有药物分子新的药用价值提供有效信息。

1. 文献综述

［摘要］：目前，心血管疾病是全球高发疾病，其中动脉粥样硬化是心脑血管病症的的主要诱因之一，迄今为止，其发病的机制以及相关通路尚未研究清晰，因而临床治疗尚无有效且特异性强的药物。由于先进临床常用的他汀类及贝特类药物并非针对动脉粥样硬化的相关靶点蛋白，一些毒副作用也就较为高发，相应的治疗效果堪忧。本文为了更好的理解动脉粥样硬化的发病机制，搜索了相关蛋白质靶点，并用现如今临床常用治疗药物作为目标小分子，在大数据背景下，利用生物信息学的手段，用计算机模拟的基础上进行分子对接和反应结果分析。

［关键词］：动脉粥样硬化 药物治疗 生物信息学 计算机分子对接

1. 动脉粥样硬化的药物治疗

动脉粥样硬化是一种复杂的心血管代谢性慢性疾病。其相关的病理过程有脂质代谢紊乱、血管内皮细胞受损、炎性细胞浸润、斑块破裂和血栓形成等，是心脑血管疾病重要的病理基础。现如今，心脑血管疾病已成为当今社会的主流疾病，因而动脉粥样硬化的预防以及治疗一直以来都是医药学界研究的重点。现将动脉粥样硬化药物治疗的研究新进展综述如下。

• 1. 以低密度脂蛋白为靶点降胆固醇药物治疗

有一项研究数据证实，即使药物只在短期内降低低密度脂蛋白胆固醇也能降低主冠状动脉事件发生的风险，使冠状动脉死亡率和冠心病患者的总死亡率降低[^[1]]。降脂药物的作用是减少肝脏脂蛋白的产生或增加其从血液中的清除，其用于预防和治疗动脉粥样硬化具有广泛的市场，以他汀类为代表的药物目前临床上常用于治疗动脉粥样硬化，他汀类药物就是以低密度脂蛋白为靶点降低胆固醇。

然而，仅仅降低低密度脂蛋白胆固醇的策略似乎并没有很好的的控制动脉粥样硬化疾病的发生以及恶化，也未能很好的预防心血管疾病的发生。观察发现，有超过一半的高脂血症患者在服用降胆固醇药物并没有避免心血管事件的发生。越来越多的证据也表明他汀类药物（最广泛和最有效的抗高胆固醇血症的药物）的多种治疗优势来自他们的多效性作用，而非他们的降脂作用[^[2]]。

• • 1. 纤维酸衍生物

纤维酸衍生物或贝特类药物为过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）的激动剂[^[3]]。自从19世纪60年代末以来一直在使用，通常作为他汀类药物使用后的二线药物[^[4]]来治疗高甘油三酯血症（空腹血清甘油三酯水平高于400mg/dl）和IIB型模式的混合型高脂血症，而高甘油三酯血症是公认的冠心病的一大危险因素。

• • 1. 胆汁酸螯合剂

胆汁酸在肝脏中由胆固醇合成并分泌到胆汁，流入肠腔中用于脂质的消化和吸收。随后这些胆汁酸的90%在小肠通过肝肠循环的过程被吸收。胆汁酸螯合剂是一种阴离子交换树脂，在小肠腔内能够非特异性地结合胆汁酸，增加其在粪便中的排泄。胆汁酸循环的打破增加了肝脏利用胆固醇合成胆汁酸，从而降低了循环中胆固醇的浓度。

老的胆汁酸螯合剂（考来烯胺，考来替泊）引起的胃肠功能紊乱（便秘、恶心、消化不良、腹胀、腹泻等），因此患者的依从性很差。

• • 1. 烟酸及其衍生物

烟酸是一个复合维生素，能够降低VLDL胆固醇和LDL胆固醇和脂蛋白中含有的载脂蛋白B的水平；增加HDL胆固醇中含有载脂蛋白A-I的水平；同时它还有一系列独立于脂质的有益影响[^[5]]如血管抗炎活性[^[6]]。在半个多世纪的临床使用中，烟酸是较老的调血脂药能够降低心血管疾病的发病率和总死亡率。即使有着依从性差以及皮肤潮红等不良反应，烟酸无论是单药治疗还是与与胆汁酸螯合剂和他汀类药物联合使用它都有显著的疗效。

• • 1. HMG－CoA还原酶抑制剂

抑制胆固醇的生物合成已被确立为降低血清胆固醇的最有效的方法之一。几种酶已经被选为降胆固醇的药物设计的靶标。其中，抑制这种HMG-CoA还原酶是一种降低血清甘油三酯和低密度脂蛋白水平有效的手段。

HMG-CoA还原酶抑制剂（通常为他汀类药物）是降低低密度脂蛋白胆固醇的一线药物治疗。他们可以采取单药或与其他降脂药联合使用来实现进一步降低低密度脂蛋白或提高其他脂蛋白组分如HDL和甘油三酯的水平[^[7]]。

他汀类药物的安全性和耐受性一般都很好，尽管如此，病人在用药时还是应该监测其副作用。肌痛和肌病[^[8]]，周围神经病变，心肌收缩力受损和自身免疫性疾病是其最常见的不良反应事件[^[9]]，在罕见的情况下会导致药物性肝炎。

• • 1. ACAT抑制剂

酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶(ACAT)是胆固醇酯化反应的主要酶，在不同的组织中起着重要的作用。在肝脏，ACAT参与胆固醇酯的储存以及低密度脂蛋白的装配和分泌。不同于他汀类药物降低血浆胆固醇的作用效果，ACAT抑制剂能够减少动脉粥样硬化斑块的脂质核的大小，从而对斑块破裂的损伤起到稳定作用[^[10]]。

• • 1. MTTP抑制剂

微粒体甘油三酯转运蛋白（MTTP或MTP），是在肝细胞和肠上皮细胞内质网发现一种异源二聚体转运蛋白，它能限制肝脏中包含脂蛋白的载脂蛋白B（ApoB）的生成，载脂蛋白B（ApoB）参了与动脉粥样硬化的发生。

• • 1. PCSK9抑制剂

PCSK9通过促进LDL受体（LDLR）降解导致高胆固醇血症。它的缺失导致低密度脂蛋白胆固醇降低，降低心血管发生的风险。

• • 1. ApoB表达抑制剂

载脂蛋白B（ApoB）是在肝脏中产生的所有致动脉粥样硬化脂蛋白的重要组成成分，包括低密度脂蛋白胆固醇及其前体、中间密度脂蛋白（IDL）胆固醇和极低密度脂蛋白（VLDL）胆固醇，使其成为降低低密度脂蛋白胆固醇的一个有吸引力的靶标[^[11]]。

• • 1. 甲状腺激素受体激动剂

几个大型的观察性研究已经表明了甲状腺功能减退症和动脉粥样硬化及其他心血管疾病风险增加之间的联系。

• 1. 靶向高密度脂蛋白治疗策略

高密度脂蛋白被称为“好”的胆固醇，将多余的脂质从动脉壁的外周细胞运送到肝脏，随在胆汁和粪便被排泄，这个过程称为胆固醇逆转运（RCT）。HDL也发挥有益的抗炎、抗氧化和血管舒张和血管保护作用，所有这些都有助于减少心血管疾病的风险。

• • 1. 靶向于载脂蛋白A-I疗法

高密度脂蛋白类似物是增加高密度脂蛋白胆固醇的一种新的治疗策略。其中，最重要的结构蛋白是载脂蛋白A-I（apoA-I）和apoA-II。

• • 1. 胆固醇酯转移蛋白抑制剂

胆固醇酯转移蛋白（CETP）是肝脏分泌的一种糖蛋白，调节血浆脂蛋白胆固醇和甘油三酯之间的交换。CETP通过增加胆固醇酯含量增加动脉粥样硬化相关的VLDL和LDL的生成[^[12]]。因此，CETP抑制剂可作为动脉粥样硬化的一种治疗策略。

• 1. 抗炎治疗策略

炎症在AS疾病的各个阶段（斑块的形成、发展和破裂）都发挥作用。根据炎症性疾病理论，动脉粥样硬化过程起始于动脉内膜中的低密度脂蛋白积累，刺激血管壁局部炎症的发生，修饰的L-LDL被巨噬细胞上的受体摄取，成为脂肪密集型巨噬或泡沫细胞，定位于血管壁。如果炎症反应持续，动脉壁将继续增厚经历重构，继续刺激酶、细胞因子、趋化因子和生长因子的释放。进一步导致血管壁的损伤和局部坏死，从而形成一种晚期病变的组织。直到动脉的扩张不再能足以补偿阻塞，或者纤维帽破裂，导致斑块破裂[^[13]]。

• 1. 天然植物和草药

大蒜被认为具有降血糖、降胆固醇和降血脂作用。它能引起胆固醇从动脉壁动员并减少肝脏胆固醇的产生，抑制脂肪酸的合成。据报道，其他草药预防或减轻动脉粥样硬化包括大豆、红麴、印度穆库尔没药、芦荟、辣椒（红辣椒），鹰嘴豆（孟加拉）、余甘子、滇橄榄，车前草（车前子），甘草，红茶，绿茶、甘草等。

• 1. 基因治疗
  2. 联合治疗

与单一药物治疗相比，使用两种或更多的药物组合可能更有效地降低胆固醇并产生更少的副作用，改善患者依从性。

1. 生物信息学的研究进展以及方法的简述

生物信息学是一种基于分子生物学与多学科领域交叉的一门新兴学科。举一个基因方面的例子就是：生物信息学把人类对基因的认识，自从前仅仅对单个基因的了解，上升到在整个基因组水平上，继而去考察其结构信息，考察他们之间在位置、结构以及功能之间的相互关系。生物信息学的研究方法是以数据活着说是数据库为核心组件的，首当其冲的是建立一个合适的、尽可能全面的数据库，然后对生物信息学的数据进行检索、处理，通过计算生物学的技术手段利用处理好的数据去完成一些人力难以完成的工作，比如高通量的筛选。

1. 计算机分子对接原理与方法

分子对接主要研究分子（如配体和受体，药物分子与靶点蛋白）之间的相互作用，并预测其结合模式以及分子之间的亲和力的一种计算机模拟方法。近年来已经成为辅助药物研究的一种技术手段。

分子对接根据“锁－钥原理”模拟小分子配体和大分子受体的相互作用，包括静电作用、氢键作用、疏水作用、范德华力作用等。通过计算机的大数据的计算，预测两者的亲和力，从而进行虚拟的药物筛选。

分子对接的种类有一下三种：

• 1. 刚性对接：指配体和受体在对接过程中不发生构象的变化，主要是蛋白质与蛋白质和蛋白质与核算之类的大分子。
  2. 半柔性对接：指配体构象在对接过程中允许发生一定范围内的变化，适合与大分子与小分子的对接，其中大分子是刚性的。
  3. 柔性对接：指研究体系（配体和受体）的构象可以发生自由变化，一般可用于考察分子间的识别情况，这种方式的对接消耗的计算机资源最大。

1. 计算机模拟分子对接对于动脉粥样硬化机制探索以及药物评价的意义

动脉粥样硬化现如今已成为人群高发性疾病，并成为其他心血管代谢性疾病的主要诱因之一。然而，由于其机制尚未清晰，多种不同的假说都涉及到这一病症，临床常用的也多为降血脂类针对高血脂疾病的药物，导致的某些药物依从性差和毒副作用日趋明显。探索动脉粥样硬化的完整机制以及如何改善现有治疗药物也愈加迫切。

利用发展迅猛的计算机技术，把药物分子作为配体与动脉粥样硬化相关的蛋白分子受体进行虚拟的对接，通过对药物与作用蛋白的结合能力的评价，快速、经济地对药物筛选。筛选和评价结果对动脉粥样硬化的蛋白质互作关系和机制探索会有所借鉴的意义。

1. 参考文献（见末页）

学生签名： 年 月 日

指导教师意见：

指导教师签名： 年 月 日

所在教研室审查意见：

负责人签名： 年 月 日