一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法技术

本发明专利技术公开了一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法，属于计算机辅助药物设计领域。所述方法采用可以利用时间序列信息计算物质之间的因果关系得分的CCM算法发现复方中药代谢过程中各物质间的局部和全局因果关系，通过滑动窗口技术结合加权的皮尔逊相关性构建动态物质

【技术实现步骤摘要】
一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法


[0001]本专利技术涉及一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法，属于计算机辅助药物设计领域。

技术介绍

[0002]中药作为我国的传统医药，在癌症、心脑血管疾病等疾病的治疗上发挥着独特的优势。中药有多成分、多靶点协同作用机制的特点，药物组合治疗相较于单一疗法具有更多优势，对于中药而言这种优势通常归因于草药的多种活性成分的相互作用。过去关于药对治疗疾病的关键起效物质的研究报道却较少，相关性的研究工作主要集中在以静态的数据来挖掘中药成分之间或与体内成分之间的相关性。但疾病的治疗过程涉及到中药成分和体内物质这一动态且复杂的代谢过程，各物质之间的相互作用关系是随时间不断发生演变的。因此研究过程中需要考虑各物质之间动态的相互作用关系，从而能够更全面的挖掘中药代谢过程中物质与物之间的动态相关性，为新药研发提供新的视角与方法。
[0003]目前，网络药理学、药效学、药代动力学、以及代谢组学等越来越多的被应用于中药活性成分相关性的研究。比如Cheng(《Network
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based prediction of drug combinations》.Nature communications,2019.10(1):1
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11)提出了一种基于网络的方法，通过药物靶点和疾病蛋白质之间相关性的量化来确定药物
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药物的相关性，并由此来识别有效的药物组合。Wang(《Network
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based modeling of herb combinations in traditional Chinese medicine》.Briefings in bioinformatics,2021.22(5):bbab106)在此基础上提出了一种网络药理学的框架来量化草药对的相互作用大小。Wicha S G(《A general pharmacodynamic interaction model identifies perpetrators and victims in drug interactions》.Nature communications,2017.8(1):1
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11)提出了一个通用药效学相互作用的模型，定向的量化了药物相互作用大小。Butterweck V(《Potential of pharmacokinetic profiling for detecting herbal interactions with drugs》.Clinical pharmacokinetics,2008.47(6):383
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397)利用药代动力学方法预测Herb
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Drug的相互作用并指出了代谢过程中药物相互作用的临床意义。但上述方法均只是基于静态数据去挖掘代谢过程中物质之间的作用关系，未涉及动态关系。
[0004]Wang X J(《Chinmedomics:Newer Theory and Application》.Chinese Herbal Medicines,2016.8(4):299
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307；《An integrated chinmedomics strategy for discovery of effective constituents from traditional herbal medicine》.Scientific reports,2016.6(1):1
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12；《Chinmedomics:A Powerful Approach Integrating Metabolomics with Serum Pharmacochemistry to Evaluate the Efficacy of Traditional Chinese Medicine》,Engineering,2019.5(1):60
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68；《Chinmedomics,a new strategy for evaluating the therapeutic efficacy of herbal medicines》,Pharmacology&therapeutics,2020.216:107680)提出“方证代谢组学(Chinmedomics)”的概念，结合中药物成分及代谢产物与内源性物质动态变化的规律。进一
步整合了中药代谢组学和血清药理学方法，对静态代谢数据进行了皮尔逊相关性分析，进而对药效物质基础及作用机制进行了阐释，该方法虽然涉及到物质动态变化规律，但仅仅对其进行了定性的研究，不能获得代谢全过程中所有物质的动态相关性结果，如果仅仅依据其确定代谢过程中的核心物质以及核心物质群，则会导致结果较为片面。

技术实现思路

[0005]为了更全面的挖掘复方中药代谢过程中物质之间的动态相关性，本专利技术采用可以利用时间序列信息计算物质之间的因果关系得分的Convergent Cross Mapping(CCM)算法发现复方中药代谢过程中各物质间的局部和全局因果关系，通过滑动窗口技术结合加权的皮尔逊相关性构建动态物质
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物质相关网络，利用Global spectral clustering in dynamic networks(PisCES)算法检测代谢过程中的刚性物质簇，进一步利用复杂网络的动态拓扑属性分析物质的重要性从而确定在代谢过程中的核心物质以及核心物质群，本申请方法通过全面的挖掘中药代谢过程中物质与物之间的动态相关性，为新药研发提供新的视角与方法。
[0006]一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法，所述方法包括：
[0007]步骤1，采集中药代谢的时间序列数据；
[0008]步骤2，针对所采集的中药代谢的时间序列数据，采用CCM算法获取中药代谢过程中各物质间的局部和全局因果关系；
[0009]步骤3，根据获取到的各物质间的局部和全局因果关系，通过滑动窗口技术结合加权的皮尔逊相关性构建动态物质
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物质相关网络；
[0010]步骤4，利用PisCES算法检测代谢过程中的刚性物质簇；所述刚性物质簇指代谢过程中始终保持紧密关系的物质；
[0011]步骤5，根据构建的动态物质
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物质相关网络的动态拓扑属性分析中药代谢过程中各物质的重要性从而确定在代谢过程中的核心物质以及核心物质群。
[0012]可选的，所述步骤1中采集的中药代谢的时间序列数据为中药代谢过程中产生的各物质的相对含量，对于任意两种物质u和v，其时间序列数据记为两条长度为T的时间序列和其中各参数表示长度为T的时间段内每时刻对应物质的相对含量。
[0013]可选的，所述步骤2包括：
[0014]步骤2.1，分别为和建立阴影流形，对物质u的时间序列数据进行E维滞后嵌入后得到τ表示时间滞后；这些向量构成的集合记作阴影流形同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中药代谢过程中核心物质以及核心物质群确定方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，采集中药代谢的时间序列数据；步骤2，针对所采集的中药代谢的时间序列数据，采用CCM算法获取中药代谢过程中各物质间的局部和全局因果关系；步骤3，根据获取到的各物质间的局部和全局因果关系，通过滑动窗口技术结合加权的皮尔逊相关性构建动态物质
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物质相关网络；步骤4，利用PisCES算法检测代谢过程中的刚性物质簇；所述刚性物质簇指代谢过程中始终保持紧密关系的物质；步骤5，根据构建的动态物质
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物质相关网络的动态拓扑属性分析中药代谢过程中各物质的重要性从而确定在代谢过程中的核心物质以及核心物质群。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中采集的中药代谢的时间序列数据为中药代谢过程中产生的各物质的相对含量，对于任意两种物质u和v，其时间序列数据记为两条长度为T的时间序列和其中各参数表示长度为T的时间段内每时刻对应物质的相对含量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1，分别为和建立阴影流形，对物质u的时间序列数据进行E维滞后嵌入后得到τ表示时间滞后；这些向量构成的集合记作阴影流形作阴影流形同样的方式得到；步骤2.2，通过计算欧氏距离找到时间t的E+1个最近邻居，t1,...,t
i
,...,t
E+1
分别表示x
u
(t)的时间下标，距离由近及远；步骤2.3，计算第i个最近邻居的权重w
i
，其中d
i
＝exp{
‑
dis[x
u
(t),x
u
(t
i
)]/dis[x
u
(t),x
u
(t1)]}；步骤2.4，利用找到的E+1个最近邻居对应的时间下标，通过该E+1个时间下标对应值计算估计值记作步骤2.5，计算和之间的皮尔逊相关系数ρ
uv
：用c
uv
表示由原因u对结果v的影响，即由物质u指向物质v的单向因果得分：即获得中药代谢过程中各物质间的局部因果关系；
步骤2.6，以各物质作为节点，因果关系得分c
uv
作为由节点u指向v的有向边的权重，构建加权有向的因果网络；对因果网络进行拓扑分析，以因果网络中节点的出度入度分别代表物质在代谢系统中作为原因和结果的影响力强度；节点的度中心性c
u
＝c
u:
+c
:u
作为物质的重要性指标，即获得中药代谢过程中各物质间的全局因果关系。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：利用滑动窗口技术将长度为T时间序列分割成H个长度W的时间窗；步骤3.2：在每个时间窗内分别用加权的皮尔逊相关系数计算物质
‑
物质间相关性ρ
u,v
；步骤3.3：以物质作为节点，步骤3.2中的物质
‑
物质间相...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彦蕊，高家璇，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：