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基于计算机辅助药物设计的石荠苧抗流感药效物质多靶向作用研究



全 文 :6China Pharmaceuticals
2014年 3月 5日 第 23卷第 5期
Vol. 23,No. 5,March 5,2014
*国家自然科学基金,项目编号:81203977;浙江省自然科学基金,项目编号:LQ12H28007。
计算机辅助药物设计(CADD)应用量子力学、分子动力学、构
效关系等基础理论数据,研究药物对酶、受体等作用的药效模型,
从而达到药物设计的目的,是实现合理药物设计的基本手段和工
具。目前,该技术已渗透并介入到药物发现、设计、开发等各个阶
段,通过对药物先导化合物结构的优化及新的作用蛋白靶点的模
型构建,简化了药物研究的前期过程,从而比以往的高通量筛选
技术,显现出了独特的优越性 [ 1 ]。随着近年来生物信息学技术和
化学信息技术的不断革新,新的作用蛋白靶点不断被研究、发现
和构效解析,为 CADD 的研究提供了广阔的发展空间,同时也为
中药及其复方药效物质基础的研究提供了强大的工具,为中药及
其复方药效物质基础和分子机制的研究带来新的机遇。石荠
Mosla scabra为唇形科草本植物,具有清热解毒、理气化湿的功效,
《浙江民间常用草药》记载其主治夏日感冒、腹痛泄泻、跌打损伤
等 [2 ]。本课题组在前期研究中发现,石荠 (MDE)具抗炎、抗流感
病毒作用 [3 - 4 ]。本试验中,在 MDE药效机制及化学成分分析 [5 - 6 ]的
基础上,采用分子力学和柔性分子对接相结合的方法,以 5 -羟
基 - 6,7 -二甲氧基黄酮及其衍生物为候选药物,研究其与流感
血凝素蛋白(HA)、流感神经氨酸酶(NA)、炎症靶点环氧合酶 2
(COX - 2)和炎症靶点磷酸二酯酶 4(PDE4)受体的相互作用,在
此基础上阐明 MDE 抗流感病毒的作用机制,为从植物天然产物
中筛选流感药物先导化合物指明方向,也为有针对性地修饰现有
的流感药物提供理论依据。
B Analyt Technol Biomed Life Sci,2004,812 (1 - 2 ) : 71 - 84.
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(收稿日期:2013 - 12 - 18 )
檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨
·药物研究·
Drug Research
基于计算机辅助药物设计的石荠 抗流感药效物质多靶向作用研究*
邓丽丽 1,臧家娜 1,余陈欢 2,俞 冰 1
(1. 浙江中医药大学,浙江 杭州 310053; 2. 浙江省医学科学院,浙江 杭州 310013)
摘要:目的 探讨石荠 抗流感药效物质的多靶向作用机制。方法 以石荠 中化学成分 5 -羟基 - 6,7 -二甲氧基黄酮及其衍生物
(MF1,MF2,MF3 )为候选药物,采用计算机辅助药物设计方法研究其与流感血凝素蛋白(HA)、流感神经氨酸酶(NA)、炎症靶点环氧合
酶 - 2(COX - 2)和炎症靶点磷酸二酯酶 4(PDE4)受体的对接程度。结果 在各候选药物与相关蛋白的对接中,木犀草素与 HA活性位
点的匹配度最高;鼠李柠檬素与NA和 PDE4 活性位点的匹配度最高;槲皮素与COX - 2 活性位点的匹配度最高;其中MF1,MF2,MF3
也均表现出不同程度的匹配。结论 石荠 中化学成分与流感病毒蛋白靶点和炎症相关蛋白靶点具有一定的结合和抑制效应,从而具
多靶向抗流感病毒作用。
关键词:计算机辅助;石荠;流感病毒蛋白;炎症蛋白
中图分类号:R285;R282. 71 文献标识码:A 文章编号:1006 - 4931 (2014 )05 - 0006 - 04
Multi - Targeting Action of Anti - Influenza Effective Substance in
Mosla Scabra Based on Computer - Aided Drug Design
Deng Lili1,Zang Jiana1,Yu Chenhuan2,Yu Bing1
( 1. Zhejiang Chinese Medicine University,Hangzhou,Zhejiang,China 310053;
2. Zhejiang Academy of Medical Sciences,Hangzhou,Zhejiang,China 310013 )
Abstract: Objective To investigate the multi - targeting action mechanism of the anti - influenza effective substance in Mosla scabra.
Methods With 5 - hydroxy - dimethoxy - flavones in Mosla scabra and its derivatives (MF1,MF2,MF3 ) as the candidate drug,the
computer - aided drug design method was adopted to study their match degrees with the influenza hemagglutinin proteins (HA),influen-
za neuraminidase (NA),COX - 2 and inflammation target point phosphodiesterase 4 ( PDE4 ) receptor. Results In the match of various
candidate drugs with the related proteins,luteolin has the highest matching degree with the HA active sites; rhamnocitrin has the highest
matching degree with the NA and PDE4 active sites; quercetin has the highest matching degree with COX - 2 active sites; among them,
MF1,MF2 and MF3 all showed the different degrees of matching. Conclusion The chemical constituents of Mosla scabra with the target
points of influenza viral protein and the inflammatory related protein target points have certain combining and inhibiting effect,thus
possess the multi - targeting anti - influenza action.
Key words: computer aided; Mosla scabra; influenza viral proteins; inflammatory proteins
7China Pharmaceuticals
2014年 3月 5日 第 23卷第 5期
Vol. 23,No. 5,March 5,2014
1 试验工具与方法
1. 1 试验工具
本研究的蛋白靶点均从 Protein Data Bank (PDB)数据库中获
取。5 -羟基 - 6,7 -二甲氧基黄酮及其衍生物均由 Chem Bio 3D
Ultra 12. 0 (美国剑桥公司)构建。采用 Sybyl - X1. 1 软件(美国
Tripos 公司)中的 Surflex - dock 模块和 DS 2. 5 软件(美国 Accel-
rys 公司)中的 Pharmacophore Generation 模块进行。采用 iGEM-
DOCK软件(台湾国立 Chiao Tung 大学)进行分子力学分析。所有
计算均在 Windows XP操作系统上完成。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 石荠 黄酮类成分数据库的建立
结合中国科学院上海有机化学研究所化学专业数据库的子
数据库“中药与有效成分数据库”以及 PubMed 数据库的子数据
库“Pub Chem compound”,通过 Chem Bio 3D Ultra 12. 0 软件,将其
在 MMFF94 力场下进行结构优化,并保存为 SDF格式。候选药物
化学结构见图 1。
1. 2. 2 针对各靶点的分子对接
HA:HA 的晶体结构引自 PDB 数据库,分辨率为 2. 50 
(PDB ID:2HTY)。保留晶体结构内活性腔附近 Ca2 +和 2 个结合水
分子,删除其他杂原子,然后用 Biopolymer 模块修正蛋白质晶体
结构的化学键、添加氢原子(pH = 7)和末端氨基酸残基的修饰。
因为抑制剂和血凝素蛋白的作用是发生在水溶液中,故采用半径
为 8 的 TIP3P水模型,将血凝素蛋白结构置于其中。
NA:NA的晶体结构引自 PDB数据库,分辨率为 2. 49 (PDB
ID:309K)。保留结晶水,对照 NA -乙酰葡萄酰胺(NAG)复合物晶
体结构 ( PDB ID:1F8B)补齐缺失残基,并加入氢原子及其他遗漏
原子,能量优化后构型作为对接起始结构。将蛋白进行预处理,删
除水分子,去掉除 NAG 以外的所有配体残基;以NAG 为中心生
成格点,并在受体 8 范围内进行对接。
COX - 2:COX - 2 的晶体结构引自 PDB 数据库,分辨率为
2. 90 (PDB ID:4COX)。因 COX - 2 为同源二聚体,在参考其活
性口袋 [ 7 ]的基础上,选取其 A链 (即二聚体中的第 1 个单位 ),去
除配体,加氢,作为分子对接的“受体”。计算过程中仅考虑配体分
子 8  范围内的氨基酸残基与配体的相互作用。首先固定受体
COX - 2的几何构型,优化配体分子,然后对配体分子 8 范围内
的氨基酸不作任何限制,将配体和受体进行分子对接。
PDE4:PDE4的晶体结构引自 PDB数据库,为 PDE - 4B2B与
抑制剂 NPV的复合物,分辨率为 1. 95 (PDB ID:2QYL)。将蛋白
进行预处理,删除水分子,去掉除 NPV 以外的所有配体残基;以
NPV为中心生成格点,并在受体 8 范围内进行对接。
1. 2. 3 分子对接结果分析
通过 iGEMDOCK 模块测得 MDE 黄酮类化合物与各蛋白受
1. 花椒油素 2. 5 -羟基 - 6,7 -二甲氧基黄酮(MF1) 3. 5 -羟基 - 7,8 -二甲氧基黄酮 (MF2 ) 4. 5 -羟基 - 7 -甲氧基黄酮 (MF3 ) 5. 黄芩素
6. 汉黄芩素 7. 金合欢素 8. 山柰酚 9. 木犀草素 10. 桑色素 11. 千层纸素 12. 芹菜素 13. 槲皮素 14. 鼠李柠檬素
图 1 候选药物化学结构
·药物研究·
Drug Research
8China Pharmaceuticals
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1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
花椒油素
MF1
MF2
MF3
黄芩素
汉黄芩素
金合欢素
山柰酚
木犀草素
桑色素
千层纸素
芹菜素
槲皮素
鼠李柠檬素
范德华作用能
- 43. 86
- 46. 76
- 49. 02
- 54. 70
- 38. 41
- 49. 16
- 56. 87
- 53. 27
- 43. 26
- 47. 57
- 47. 77
- 52. 46
- 42. 89
- 53. 24
静电作用能
0
0
0
0
0. 464 6
0
0
0
0
0
0. 464 6
0. 464 6
0. 464 6
0. 464 6
氢键能
- 20. 03
- 24. 53
- 19. 41
- 10. 08
- 27. 59
- 15. 14
- 11. 33
- 15. 07
- 26. 98
- 24. 77
- 19. 69
- 11. 63
- 27. 51
- 15. 24
匹配度
- 63. 89
2. 030 × 104
- 59. 66
3 599
- 64. 44
- 64. 30
2. 533 × 104
1. 129 × 104
- 70. 24
1 590
1 340
1. 091 × 104
- 69. 93
8 779
范德华作用能
- 54. 81
- 56. 77
- 63. 71
- 75. 28
- 63. 53
- 75. 33
- 74. 04
- 56. 53
- 68. 00
- 56. 03
- 71. 01
- 55. 49
- 55. 30
- 64. 18
静电作用能
0
0
0
0
- 9. 651
0
0
0
0
0
- 2. 398
- 2. 398
- 2. 398
- 9. 651
氢键能
- 27. 47
- 32. 91
- 30. 30
- 9. 321
- 29. 74
- 17. 51
- 13. 37
- 36. 51
- 22. 51
- 39. 30
- 20. 54
- 33. 67
- 45. 83
- 30. 79
匹配度
- 82. 29
- 89. 68
- 94. 02
- 84. 60
- 102. 9
- 92. 84
- 87. 41
- 93. 03
- 90. 51
- 95. 33
- 93. 95
- 91. 55
- 103. 5
- 104. 6
编号 化合物名称
HA NA
表 1 候选药物与 HA及 NA的分子对接结果
体关键氨基酸残基间的范德华作用能、静电作用能、氢键能等数
据,以软件综合评分(匹配度)为指标进行对接效果评价。其他设
置均采用默认值。采用 DS 2. 5 软件对候选药物与作用蛋白受体
活性位点进行结构分析。
2 结果
2. 1 以 HA为靶点的分子对接结果
采用 iGEMDOCK 软件对候选药物与 HA活性位点进行分子
对接,结果按打分高低排序,经统计分析,匹配度打分小于 - 5(门
槛值)的候选药物共有 6 个(表 1),打分高低排序靠前的 5 个化
学成分分子分别为木犀草素 >槲皮素 >黄芩素 >汉黄芩素 >花
椒油素,其中以木犀草素与 HA 活性位点的匹配度最高,证明
MDE中所含的黄酮类化合物为天然 HA抑制剂。这与 Liu等 [ 8 ]报
道的结果一致。同时,由表 1可知,各药物作用能和总能量等数据基
本相似,以木犀草素为例,其范德华作用能为 - 43. 26 kcal /mol,
氢键能为 - 26. 98 kcal /mol,表明木犀草素等优势候选药物与血
凝素蛋白之间的主要作用是范德华力。
2. 2 以 NA为靶点的分子对接结果
采用 iGEMDOCK软件对候选药物与 NA 活性位点进行分子
对接,结果按打分高低排序,经统计分析,各候选药物的匹配度分
值均小于 - 5(表 1)。打分高低排序靠前的 5 个化学成分分子分
别为鼠李柠檬素 >槲皮素 >黄芩素 >桑色素 > MF2,其中以鼠李
柠檬素与 NA 活性位点的匹配度最高,证明 MDE 中所含的黄酮
类化合物为天然 NA 抑制剂。这与王海娣等 [ 9 ]报道的结果一致。
同时,由表 1 可知,各药物作用能和总能量等数据基本相似,以
鼠李柠檬素为例,其范德华作用能为 - 64. 18 kcal / mol,氢键能
为 - 30. 79 kcal /mol,表明鼠李柠檬素等优势候选药物与 NA 之
间的主要作用是范德华力。
2. 3 以 COX - 2为靶点的分子对接结果
采用 iGEMDOCK 软件对候选药物与 COX - 2 活性位点进行
分子对接,结果按打分高低排序,经统计分析,各候选药物的匹配
度打分均远小于 - 5(表 2)。打分高低排序靠前的 5 个化学成分
分子分别为槲皮素 > MF2 >木犀草素 >桑色素 >金合欢素,其中
以槲皮素与 COX - 2 活性位点的匹配度最高,证明 MDE 中所含
的黄酮类化合物均为天然 COX - 2 抑制剂。同时,由表 2 可知,各
药物作用能和总能量等数据基本相似,以槲皮素为例,其范德华
作用能为 - 53. 25 kcal /mol,氢键能为 - 25. 10 kcal /mol,表明槲
皮素等候选药物与 COX - 2 之间的主要作用是范德华力。
2. 4 以 PDE4为靶点的分子对接结果
采用 iGEMDOCK 软件对候选药物与 PDE4 活性位点进行分
子对接,结果按打分高低排序。由于 PDE4 的活性口袋并非封闭
性结合腔,对接分子与结合腔残基的碰撞情况较少,故整体的对
接打分区分度不大,但对接结果较好的分子仍应视为可能具有
PDE4 抑制活性的化合物。经统计分析,各候选药物的匹配度打分
均远远小于 - 5(表 2)。打分高低排序靠前的 5 个化学成分分子
分别为鼠李柠檬素 >黄芩素 >槲皮素 >山柰酚 >金合欢素,其中
以鼠李柠檬素与 PDE4 活性位点的匹配度最高,证明 MDE 中所
含的黄酮类化合物均为天然 PDE4 抑制剂。同时,由表 2 可知,各
药物作用能和总能量等数据基本相似,以鼠李柠檬素为例,其范德
华作用能为 - 90. 29 kcal /mol,静电作用能为 - 17. 96 kcal /mol,氢
键能为 - 11. 98 kcal / mol,表明鼠李柠檬素等优势候选药物与
PDE4 之间的主要作用是范德华力。
2. 5 石荠 黄酮类成分抗流感作用的综合评价
以 HA,NA,COX - 2 和 PDE4 分子对接打分排序前 20%的分
子作为可能具有 HA,NA,COX - 2 和 PDE4 生物抑制活性的分
子,分析 MDE中 MF1 及其衍生物的多靶导向作用。由表 1 及表 2
可知,共有 7 个化合物(黄芩素、鼠李柠檬素、槲皮素、木犀草素、
金合欢素、桑色素和 MF2)可同时抑制 2 个及以上靶标蛋白,其中
槲皮素对 4 个靶标均呈较强的抑制作用,提示这些化合物可作为
潜在的抗病毒、抗炎先导化合物。而 MF1,MF2 和 MF3 也均表现
出不同程度的抗流感病毒和抗炎作用,证明这三者是 MDE 发挥
抗流感病毒和抗炎作用的药效物质。
3 讨论
CADD 是近年来发展起来的研究与开发新药的一种崭新技
术,以量子化学、分子力学和分子动力学等为理论依据,借助计算
机数值计算和逻辑判断、数据库、图形学、人工智能等处理技术,
进行合理的药物设计。CADD 的出现大大加快了研制新药的速
度,节省了新药开发工作的人力、物力和财力,因为它从理论的角
度出发,可避免以前研究中一定程度的盲目性,能进行直观地设
计,指导有目的地开发新药 [ 10 ]。以美国 Structure Bioinformatics
Inc. ( SBI )提供的数据为例,平均每个新靶点需筛选 10 万个化合
·药物研究·
Drug Research
9China Pharmaceuticals
2014年 3月 5日 第 23卷第 5期
Vol. 23,No. 5,March 5,2014
COX - 2 PDE4
编号 化合物名称
表 2 候选药物与 COX - 2 及 PDE4 的分子对接结果
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
花椒油素
MF1
MF2
MF3
黄芩素
汉黄芩素
金合欢素
山柰酚
木犀草素
桑色素
千层纸素
芹菜素
槲皮素
鼠李柠檬素
范德华作用能
- 43. 25
- 53. 55
- 63. 30
- 58. 63
- 49. 63
- 53. 72
- 55. 68
- 54. 86
- 53. 90
- 56. 75
- 53. 32
- 52. 02
- 53. 25
- 54. 68
静电作用能
0
0
0
0
0. 370 3
0
0
0
0
0
0
0
0
0. 370 3
氢键能
- 15. 49
- 20. 41
- 14. 36
- 8. 454
- 17. 39
- 18. 24
- 21. 26
- 23. 09
- 16. 78
- 23. 43
- 16. 39
- 12. 89
- 25. 10
- 17. 62
匹配度
- 58. 74
- 73. 95
- 77. 67
- 67. 08
- 66. 65
- 71. 96
- 75. 45
- 77. 64
- 70. 68
- 77. 29
- 69. 71
- 64. 91
- 78. 04
- 71. 94
范德华作用能
- 62. 44
- 79. 42
- 79. 88
- 75. 81
- 85. 98
- 78. 18
- 87. 92
- 71. 49
- 85. 58
- 76. 27
- 87. 82
- 85. 79
- 81. 67
- 90. 29
静电作用能
0
0
0
0
- 11. 98
0
0
0
0
0
0
0
0
- 11. 98
氢键能
- 14. 45
- 22. 44
- 20. 68
- 22. 87
- 14. 74
- 18. 49
- 19. 81
- 32. 85
- 24. 41
- 30. 51
- 14. 98
- 19. 66
- 29. 91
- 17. 96
匹配度
- 76. 88
- 101. 9
- 100. 6
- 98. 68
- 112. 7
- 96. 67
- 107. 7
- 104. 3
- 110. 0
- 106. 8
- 102. 8
- 105. 5
- 111. 6
- 120. 2
物,其命中率为 0. 1% ~ 0. 01%,而以 CADD进行新药设计,其命
中率可提高到 5% ~ 20% ,可减少 99. 9% 的费用。目前应用
CADD 成功设计出的新型药物已有大量报道,如由 Merck Sharp
and Dohme 公司开发的用于治疗青光眼的碳酸酐酶抑制剂多佐
拉米(Dorzolamid)、由 Roche 公司开发的 HIV 蛋白酶抑制剂类抗
艾滋病药物沙奎那韦(saquinavir)等,而设计成功已进入临床研
究阶段的药物更多。世界上许多规模较大的制药公司,近 20 年
来纷纷投入巨资建立计算机理论和应用研究部门,以带动新药
开发。
中草药治疗流行性感冒有数千年的历史,不少方药具有独特
的疗效,并通过多靶点、多途径发挥作用 [ 11 - 12 ]。这种多靶向作用
一方面表现在多成分的多靶向作用,另一方面也可能存在单个分
子的多靶向作用,而正是由于这种多靶向“霹弹”作用的原理,弥
补了中药复方针对单靶药效不强的缺陷,表现出整体治疗、治调
并举的特色。如何用现代语言阐释这种整体治疗的原理与特
色,到目前为止还是中医药研究领域的难点之一。中草药在防
治流感病毒方面具有独特的优势和广阔的应用前景 [ 13 ],但中药
及其复方常含有数百种化学成分,其真正的药效物质基础目前还
知之甚少,其防治疾病的分子机制也尚未明确。因此,有必要对中
药及其复方药效物质基础和分子机制进行深入研究,并作出科学
诠释。
本试验中通过 CADD技术,综合应用分子对接、药效团模型
及虚拟筛选方法,以抗流感病毒和抗炎作用为研究对象,对多靶
点治疗的药效学作出阐释。选取目前已明确的流感病毒蛋白靶标
(HA 和 NA)及炎症靶标(COX - 2 和 PDE4),对化学成分分子库
进行虚拟筛选,并在此基础上进行综合分析。由表 1 及表 2 可知,
MDE中化学成分对流感病毒蛋白靶点和炎症相关蛋白靶点均具
有一定的结合和抑制效应。MDE不仅存在多成分多靶点效应,而
其中一些单分子本身也具有多靶点导向作用,即 1 个分子能同时
对 2 个或 2个以上的靶点产生作用,证明了中药及其复方多靶点
治疗效应的物质基础。
由于流感及其续发病症发病机理涉及的信号转导通路和靶
点繁复庞杂,相关机制也正在深入研究之中。作为一项探索性研
究,本试验只选择了与流感及其续发病症病毒性肺炎明确相关的
炎症机制中的几个关键靶点进行研究,靶标选择数量上略显不
足。在后续工作中,靶标数目的增加,无疑将增强 MDE 多靶点导
向效应的说服力度。
作者简介:邓丽丽(1987 -),女,广西玉林人,在读硕士研究
生,研究方向为中药资源开发与应用,(电子信箱)denglili485@
163. com;俞冰(1965 -),女,副教授,硕士研究生,研究方向为中药
资源开发与应用,本文通讯作者,(电子信箱)yhz0796@ sina. com。
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(收稿日期:2013 - 09 - 03 )
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Drug Research