丹参来源的生物活性化合物抑制SARS-CoV-2关键蛋白：一项分子对接与动力学模拟研究

《In Silico Research in Biomedicine》：Salvia miltiorrhiza derived bioactive compounds inhibit key proteins of SARS-CoV-2: A molecular docking and dynamic simulation study

本研究针对COVID-19治疗需求，通过分子对接和动力学模拟筛选丹参（Salvia miltiorrhiza）来源的天然化合物，发现Neotigogenin对SARS-CoV-2主要蛋白酶（Mpro）具有强结合亲和力（Ki=22.87 nM），ADMET特性优良，分子动力学模拟证实复合物稳定性，为开发新型抗病毒药物提供候选分子。

　　

新型冠状病毒病（COVID-19）的全球大流行对公共卫生和经济造成了前所未有的冲击，其病原体严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）具有高度传染性和变异性，使得传统药物研发面临巨大挑战。尽管疫苗和部分抗病毒药物已投入使用，但病毒变异和药物副作用等问题仍亟需解决。在此背景下，从传统草药中发掘安全有效的天然抑制剂成为研究热点。丹参（Salvia miltiorrhiza）作为一种具有千年应用历史的中草药，已被证明含有多种具有抗炎、抗氧化和抗病毒活性的化合物，但其对SARS-CoV-2的抑制作用尚未系统探索。

本研究发表于《In Silico Research in Biomedicine》，旨在通过计算生物学方法筛选丹参中的生物活性化合物，评估其对SARS-CoV-2关键蛋白的抑制潜力。研究人员主要采用了结构数据库检索、类药性筛选（Lipinski五规则）、分子对接（AutoDock 4.2和PyRx）、ADMET特性预测（pkCSM工具）以及分子动力学模拟（GROMACS）等技术方法。所有化合物结构来源于TCMSP数据库，靶点蛋白结构取自Protein Data Bank（PDB）。

材料与方法

研究首先从TCMSP数据库获取了202个丹参来源的生物活性化合物，通过Data Warrior软件评估其理化性质和类药性，筛选出63个符合Lipinski规则且无毒性风险的分子。随后利用PyRx软件进行虚拟筛选，针对SARS-CoV-2的6个关键蛋白：刺突蛋白（S protein）、RNA依赖的RNA聚合酶（RdRp）、NSP15内切核糖核酸酶、主要蛋白酶（M^pro）、解旋酶（Helicase）和木瓜样蛋白酶（PL^pro）。分子对接采用AutoDock 4.2，设置特异性结合位点网格，以结合自由能（ΔG）和抑制常数（K_i）为评价指标。ADMET分析通过pkCSM在线工具完成，分子动力学模拟则使用GROMACS 22.04软件，对复合物进行100 ns模拟，分析RMSD、RMSF、R_g和结合自由能（MM-PBSA）等参数。

结果与讨论

基于理化性质和Lipinski五规则的类药化合物筛选

从202个化合物中筛选出63个符合非突变性、非肿瘤性、非生殖毒性和非刺激性的分子，用于后续虚拟筛选。

结构基础虚拟筛选

虚拟筛选显示，丹参化合物对多种SARS-CoV-2蛋白具有潜在抑制作用。其中，Tigogenin、Salviacoccin和Salviol对刺突蛋白结合能最佳；Sugiol、Tigogenin和Neotigogenin对NSP15内切核糖核酸酶表现突出；NSC733507、1-Ketoisocryptotanshinone和Neotigogenin对M^pro亲和力最高；Luteolin、Tigogenin和Isotanshinone II对解旋酶效果显著；Cyanidol、Luteolin和Tigogenin对RdRp结合较强；1-Ketoisocryptotanshinone、Deoxyneocryptotanshinone和Isotanshinone II对PL^pro抑制潜力最大。

晶体结构构象再现准确性

通过重对接实验验证分子对接程序的准确性，除M^pro的RMSD为3.2 ?（略高于2 ?标准）外，其余蛋白RMSD均低于2 ?，表明对接结果可靠。M^pro的对接构象虽RMSD较高，但结合残基与晶体结构高度一致，支持其生物学相关性。

通过位点特异性分子对接鉴定SARS-CoV-2关键蛋白抑制剂

Neotigogenin对M^pro表现出最强结合活性（ΔG=-10.42 kcal/mol，K_i=22.87 nM），优于对照药物Remdesivir（ΔG=-10.09 kcal/mol，K_i=40.50 nM）。其他化合物如Tigogenin对刺突蛋白（ΔG=-8.39 kcal/mol）、Lithospermic acid对RdRp（ΔG=-7.94 kcal/mol）和Deoxyneocryptotanshinone对PL^pro（ΔG=-9.03 kcal/mol）也显示出显著抑制潜力。

M^pro与Neotigogenin的详细相互作用

Neotigogenin与M^pro活性中心残基形成氢键（如TYR54）和多种非键接触（涉及GLN189、ARG188、ASP187、GLU166、MET165和HIS41等），这些相互作用共同稳定了复合物结构。

M^pro与Remdesivir的详细相互作用

Remdesivir与M^pro通过氢键（ASN142）和疏水作用（PHE140、LEU141、CYS145等）结合，但其结合能略低于Neotigogenin。

M^pro与Tigogenin的详细相互作用

Tigogenin结合能为-9.91 kcal/mol，与M^pro的THR25、THR26、HIS41、CYS145、GLU166等残基相互作用。

ADMET分析

Neotigogenin表现出优良的药代动力学特性：肠道吸收率95.856%，血脑屏障通透性（logBB=0.17），无CYP2D6抑制或肾脏OCT2底物特性，无AMES毒性和肝毒性，综合特性优于PRD_002214和Remdesivir。

分子动力学模拟

100 ns分子动力学模拟显示，Neotigogenin-M^pro复合物RMSD稳定在0.25–0.5 nm，波动小于Tigogenin和Remdesivir复合物。RMSF分析表明结合位点残基波动极小，复合物结构紧凑（R_g值稳定在2.15–2.25 nm）。氢键分析显示Neotigogenin形成2个稳定氢键，而Tigogenin和Remdesivir分别形成3个和6个。盐桥分析提示Tigogenin具有更丰富的静电相互作用。

PCA和Gibbs能量景观

主成分分析（PCA）显示Neotigogenin复合物构象聚集紧密，自由能景观（FEL）计算表明其全局能量最小值为18.1 kJ/mol，与Tigogenin（18.2 kJ/mol）和Remdesivir（17.8 kJ/mol）相当，证实复合物稳定性。

结合自由能

MM-PBSA计算结合自由能显示，Tigogenin、Neotigogenin和Remdesivir与M^pro的ΔG_bind分别为-147.81、-119.91和-188.55 kJ/mol。尽管Tigogenin结合能更低，但Neotigogenin在动力学稳定性和安全性方面综合表现更优。

结论

本研究通过系统性的计算生物学方法，证实丹参来源的Neotigogenin对SARS-CoV-2 M^pro具有强效抑制活性，其结合亲和力优于临床药物Remdesivir。分子动力学模拟和ADMET分析进一步支持其作为候选药物的稳定性和安全性。此外，Tigogenin、Lithospermic acid等化合物也表现出多靶点抑制潜力，为开发基于天然产物的抗SARS-CoV-2疗法提供了重要理论依据。未来研究需通过体外和体内实验验证这些化合物的实际疗效，推动其向临床转化。