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肝脏疾病，尤其是肝癌、急性肝衰等肝功能严重缺损的病症的治疗仍然是重大考验之一。目前最常用的治疗方法是肝切除术，但扩大性肝切除后易导致肝再生不足而引起肝衰。虽然促进肝脏再生可以有效避免肝衰，但临床上有效药物有限。因此，本研究针对已知肝脏再生靶点，通过构建支持向量机(SVM)预测模型和分子对接筛选模型从中药中筛选新的肝脏再生有效成分，并通过70%肝切除小鼠模型进行验证。全文主要分为以下五个部分：
1.绪论
本章围绕肝脏再生的国内外研究进展，对肝再生机制和靶点蛋白、肝再生动物模型、中药调控肝再生可行性，以及计算模型在药物发现中的应用等方面进行综述。本章内容将为本研究提供理论、数据和技术支撑。
2.数据的收集与整理
本章通过文献筛查，按照证据可靠、效果明确、对其他生理功能影响小的标准，确定15-羟基前列腺素脱氢酶(15-PGDH)作为肝再生靶点。并从UniProt数据库中检索与15-PGDH序列相似性高且已知抑制剂数量较多的同源家族蛋白，获得15-PGDH(P15428)、DHB1(P14061)、DHB3(P37058)、DHB2(P37059)、DHI1(P28845)及DHI2(P80365)共6个同源蛋白，并通过文本挖掘和BindingDatabase、ChemBL数据库检索收集到各蛋白已报道的抑制剂2701个，共5058对相互作用作为后续预测模型的建模数据。同时，从文献、古药方中收集了71个补益类中药，通过中药数据库(TCM)、中药系统药理学数据库及分析平台(TCMSP)和化学专业数据库三个中药数据库检索，获得结构明确的2134个化合物，作为候选中药化合物库。
3.基于SVM预测模型的肝再生中药活性成分筛选
本章通过构建SVM预测模型从中药中筛选15-PGDH的潜在抑制剂，以获得新的肝再生活性成分。针对15-PGDH已知抑制剂数据不足问题，为了保证预测准确性，构建了基于同源蛋白数据的SVM预测模型。首先，通过ProteinFeatureServer(ProFeat)软件计算了6个蛋白的1437个蛋白分子描述符，通过MoleculeOperationEnvironment(MOE)软件计算了4835个化合物的365个化合物分子描述符。然后，通过课题组前期构建的基于化合物-靶点相关空间的相互作用预测模型(CTCS-IPS)从6个同源蛋白和2701个抑制剂之间筛选获得502个可靠的阴性样本。基于预测得到的阴性样本和已知的阳性样本，通过随机森林算法筛选建模用特征描述符，选择基尼不纯度大于1.415的特征，获得43个化合物分子描述符，28个蛋白分子描述符，分别用于化合物和蛋白的表征，构建基于同源蛋白数据的SVM预测模型。经测试集测试，所构建的SVM初始预测模型，准确率达到97.1%。通过进一步参数优化后，模型的准确率达到98%，最优SVM预测模型的参数为：SVM类型为C-classification，核函数类型为radial，惩罚系数和核函数参数分别为1和0.0625。利用最优SVM预测模型对候选中药化合物库中的2134个化合物进行预测筛选，共筛选到113个可能对15-PGDH有抑制作用的化合物，涉及29个中药。
4.基于分子对接筛选模型的肝再生中药活性成分筛选
本章使用分子对接筛选模型对基于SVM预测模型筛选到的113个候选化合物作了进一步筛选。通过考察113个化合物与15-PGDH活性中心的结合，得到68个可以通过氢键等作用与蛋白稳定结合的化合物。进一步通过成药性分析，以及分子对接筛选标准，筛选能够进入蛋白活性口袋，且位置靠近NAD+分子和Tyr151残基，能够提供羟基等脱质子基团，与蛋白的结合亲和力较高的化合物，获得可能性最大的2个化合物，金雀异黄酮和乙形刺酮素B，且金雀异黄酮在进入蛋白空腔后更靠近Tyr151残基，更利于质子转移。随后通过虚拟评价金雀异黄酮和乙形刺酮素B对15-PGDH的抑制效果，发现金雀异黄酮可能具有更佳效果，因此将它作为候选抑制剂进行后续研究。
5.实验验证
本章主要对金雀异黄酮的肝再生促进作用及其机制进行实验验证。首先，考察金雀异黄酮对70%肝切除术后小鼠肝细胞增殖的促进作用。经金雀异黄酮处理后，小鼠的肝脏再生增殖趋势与阳性药物SW033291一致，在给药两天后，各试验组小鼠肝细胞的增殖量均达到峰值；给药三天后，阳性药物组和模型药物组小鼠的肝/体重比值显著高于空白对照组。当金雀异黄酮给药剂量为50mg/kg时，对肝脏再生的促进作用优于阳性对照药物SW033291。而且，金雀异黄酮能够在给药两天、三天后有效地促进足够量的肝细胞增殖，在给药五天后可以趋于终止阶段，可以在可控范围内对肝再生过程进行调控，防止过度肝再生可能会导致肝癌等病变的发生。此外，为了验证金雀异黄酮的作用机制，对其调控肝组织中PGE2的能力进行了考察，结果显示，金雀异黄酮处理后的小鼠肝脏中PGE2含量显著高于空白对照组。表明金雀异黄酮促进肝脏再生的机制可能是通过抑制15-PGDH，减少PGE2的降解，增加PGE2在肝脏内蓄积，从而促进肝细胞的增殖和肝组织的修复再生。因此，金雀异黄酮作为一种潜在的15-PGDH抑制剂，可以显著促进肝切除术后小鼠肝脏的再生修复。
综上所述，本研究通过构建基于同源蛋白数据的SVM预测模型和分子对接筛选模型，从中药中筛选到了15-PGDH的潜在抑制剂，并利用70%肝切除小鼠模型验证其有效性，结果显示，金雀异黄酮可通过抑制15-PGDH，增加PGE2在肝脏中的蓄积，可以显著促进小鼠肝细胞的增殖，促进肝脏的再生修复，且效果优于阳性药物SW033291。本研究为肝脏再生提供了一个新的活性化合物，同时，为扩大中药在临床肝脏疾病中的应用，促进中药的现代化开发提供了新的参考。
1.绪论
本章围绕肝脏再生的国内外研究进展，对肝再生机制和靶点蛋白、肝再生动物模型、中药调控肝再生可行性，以及计算模型在药物发现中的应用等方面进行综述。本章内容将为本研究提供理论、数据和技术支撑。
2.数据的收集与整理
本章通过文献筛查，按照证据可靠、效果明确、对其他生理功能影响小的标准，确定15-羟基前列腺素脱氢酶(15-PGDH)作为肝再生靶点。并从UniProt数据库中检索与15-PGDH序列相似性高且已知抑制剂数量较多的同源家族蛋白，获得15-PGDH(P15428)、DHB1(P14061)、DHB3(P37058)、DHB2(P37059)、DHI1(P28845)及DHI2(P80365)共6个同源蛋白，并通过文本挖掘和BindingDatabase、ChemBL数据库检索收集到各蛋白已报道的抑制剂2701个，共5058对相互作用作为后续预测模型的建模数据。同时，从文献、古药方中收集了71个补益类中药，通过中药数据库(TCM)、中药系统药理学数据库及分析平台(TCMSP)和化学专业数据库三个中药数据库检索，获得结构明确的2134个化合物，作为候选中药化合物库。
3.基于SVM预测模型的肝再生中药活性成分筛选
本章通过构建SVM预测模型从中药中筛选15-PGDH的潜在抑制剂，以获得新的肝再生活性成分。针对15-PGDH已知抑制剂数据不足问题，为了保证预测准确性，构建了基于同源蛋白数据的SVM预测模型。首先，通过ProteinFeatureServer(ProFeat)软件计算了6个蛋白的1437个蛋白分子描述符，通过MoleculeOperationEnvironment(MOE)软件计算了4835个化合物的365个化合物分子描述符。然后，通过课题组前期构建的基于化合物-靶点相关空间的相互作用预测模型(CTCS-IPS)从6个同源蛋白和2701个抑制剂之间筛选获得502个可靠的阴性样本。基于预测得到的阴性样本和已知的阳性样本，通过随机森林算法筛选建模用特征描述符，选择基尼不纯度大于1.415的特征，获得43个化合物分子描述符，28个蛋白分子描述符，分别用于化合物和蛋白的表征，构建基于同源蛋白数据的SVM预测模型。经测试集测试，所构建的SVM初始预测模型，准确率达到97.1%。通过进一步参数优化后，模型的准确率达到98%，最优SVM预测模型的参数为：SVM类型为C-classification，核函数类型为radial，惩罚系数和核函数参数分别为1和0.0625。利用最优SVM预测模型对候选中药化合物库中的2134个化合物进行预测筛选，共筛选到113个可能对15-PGDH有抑制作用的化合物，涉及29个中药。
4.基于分子对接筛选模型的肝再生中药活性成分筛选
本章使用分子对接筛选模型对基于SVM预测模型筛选到的113个候选化合物作了进一步筛选。通过考察113个化合物与15-PGDH活性中心的结合，得到68个可以通过氢键等作用与蛋白稳定结合的化合物。进一步通过成药性分析，以及分子对接筛选标准，筛选能够进入蛋白活性口袋，且位置靠近NAD+分子和Tyr151残基，能够提供羟基等脱质子基团，与蛋白的结合亲和力较高的化合物，获得可能性最大的2个化合物，金雀异黄酮和乙形刺酮素B，且金雀异黄酮在进入蛋白空腔后更靠近Tyr151残基，更利于质子转移。随后通过虚拟评价金雀异黄酮和乙形刺酮素B对15-PGDH的抑制效果，发现金雀异黄酮可能具有更佳效果，因此将它作为候选抑制剂进行后续研究。
5.实验验证
本章主要对金雀异黄酮的肝再生促进作用及其机制进行实验验证。首先，考察金雀异黄酮对70%肝切除术后小鼠肝细胞增殖的促进作用。经金雀异黄酮处理后，小鼠的肝脏再生增殖趋势与阳性药物SW033291一致，在给药两天后，各试验组小鼠肝细胞的增殖量均达到峰值；给药三天后，阳性药物组和模型药物组小鼠的肝/体重比值显著高于空白对照组。当金雀异黄酮给药剂量为50mg/kg时，对肝脏再生的促进作用优于阳性对照药物SW033291。而且，金雀异黄酮能够在给药两天、三天后有效地促进足够量的肝细胞增殖，在给药五天后可以趋于终止阶段，可以在可控范围内对肝再生过程进行调控，防止过度肝再生可能会导致肝癌等病变的发生。此外，为了验证金雀异黄酮的作用机制，对其调控肝组织中PGE2的能力进行了考察，结果显示，金雀异黄酮处理后的小鼠肝脏中PGE2含量显著高于空白对照组。表明金雀异黄酮促进肝脏再生的机制可能是通过抑制15-PGDH，减少PGE2的降解，增加PGE2在肝脏内蓄积，从而促进肝细胞的增殖和肝组织的修复再生。因此，金雀异黄酮作为一种潜在的15-PGDH抑制剂，可以显著促进肝切除术后小鼠肝脏的再生修复。
综上所述，本研究通过构建基于同源蛋白数据的SVM预测模型和分子对接筛选模型，从中药中筛选到了15-PGDH的潜在抑制剂，并利用70%肝切除小鼠模型验证其有效性，结果显示，金雀异黄酮可通过抑制15-PGDH，增加PGE2在肝脏中的蓄积，可以显著促进小鼠肝细胞的增殖，促进肝脏的再生修复，且效果优于阳性药物SW033291。本研究为肝脏再生提供了一个新的活性化合物，同时，为扩大中药在临床肝脏疾病中的应用，促进中药的现代化开发提供了新的参考。