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QSAR应用基本要求和常用软件全分析

来源:本站 2018-05-17


定量结构活性关系(QSAR)作为风险评估中的重要组成部分,在化学品、农药、食品、化妆品和消费品的法规监管、实验预测、科学研究、产品研发等领域都得到了应用。然而,由于QSAR是一项多学科集合的技术,涵盖了毒理学、物理化学、统计学以及计算机编程等学科知识和技术,因此QSAR模型的构建和使用对专业知识要求比较高,这对新接触QSAR的人来说往往会存在一定难度。为了推广QSAR技术的应用,各国监管机构和咨询公司开始开发一些界面友好的免费/商业的QSAR软件供使用者们使用。这些软件在建立和使用过程中,都基于大量的数据库和专家系统,满足监管要求的同时帮助用户更轻松便捷的使用QSAR。本文将针对QSAR常用软件进行介绍和分析。

1) QSAR toolbox

OECDECHA联合开发,软件集成了大量的数据库、机理分类和预测模型。软件由物质结构信息、物质机理性质、物质活性数据、分类、预测、报告六大模块构成了一套逻辑工作流程。用户在物质结构信息模块输入目标物质后,可在机理性质和活性数据两个模块里分别查询目标物质的数据库分类、机理分类、代谢产物和现有活性数据。如果用户想对目标物质的某一性质进行预测,用户需要在分类模块里建立预测矩阵,通常根据预测性质的机理或目标物质的结构来寻找相似物来建立矩阵,这对物质性质的机理认识要求很高,可以说是整个预测中最具技术含量的步骤。当矩阵建立好后,则进入预测模块,根据预测性质的特点来选择适当的预测方法进行预测,如AMES这类无阈值的性质,通常使用read-across方法进行预测,鱼急性毒性这类有阈值的性质,通常使用趋势分析或者QSAR模型进行预测。当结果预测好后,用户可在报告模块生成预测报告,新版本可以生成.xlsx格式的报告,以矩阵的形式导出预测结果,也可以生成.pdf格式的报告,按照OECD的要求进行报告制作。软件的优点是功能强大,可用于数据查询、相似物查找、化合物分类、read-across预测、QSAR预测、QSAR模型构建。此外,软件还支持IUCLID导入/导出,QPRF报告生成等专供ECHA官方要求的报告格式。当然,强大的功能也为软件带来了不可避免的缺点,即操作复杂,对用户要求高。

软件包括65个性质,13个代谢机理,47个数据库,783QSAR模型,可预测理化性质(21个)、健康毒理(13个)、生态毒理(3个)、环境行为(5个),详见下图。


2) Toxtree

Toxtree是一个由EU JRC开发的JAVA小程序。软件主要以决策树的形式,根据结构警示对物质进行分类和预测,常用于遗传毒性、皮肤致敏性和水生生态毒性的预测分析。软件最大的特点是界面友好,操作简单。首先用户在物质输入框中输入目标物质的SMILES码,然后在方法里选择预测性质对应的决策树,点击预测按钮即可得到预测结果。用户可在方法中查看决策树的文献来源、预测方法以及性质机理,十分便捷。

软件可预测健康毒理(11个)、生态毒理(2个)、代谢(1个)共14个性质,详见下图。

3) Danish QSAR Database


由丹麦技术大学(DTU)2004年开发。这款网页版软件是一个以搜索和分类形式呈现的集成预测软件,软件包含了600,000多个物质信息,200多个免费和商业QSAR模型。用户首先从数据库中搜索符合筛选条件的物质,可按物质基本信息搜索(如CAS号、特定分子碎片)、现有分类搜索(如REACH pre-registration listPubChem)、物质性质搜索(如分子量、AMES呈阳性等等),也可以多条件搜索(如“和”、逻辑关系)。当筛选好物质和相应的性质之后,网页将自动计算用户选择的性质,用户可以点击下载箭头下载.rtf格式的预测报告。

软件目前可用于预测理化性质(8个)、健康毒理(6个)、生态毒理(2个)、环境行为(4个)、代谢(3个),详见下图。


4) VEGA

IRFMN开发。IRFMN开发了系列软件,可用于评估物质危害性,包括VEGA, ToxRead, ToxWeight, ToxDelta JANUS五个子软件,其中VEGA最为常用。VEGA软件的操作模式与QSAR Toolbox类似,都是按模块进行预测,但操作简单许多。用户首先在输入模块导入SMI文件或SDF文件,然后在选择模块和导出模块分别选择要预测的性质和预测报告的格式,点击预测后软件将自动将预测报告下载到用户的电脑中。报告内容按照VEGA特定的格式进行制作,包含模型描述符、应用域、可靠性等,报告内容直观,清晰易读。软件包含多种预测模型,如AMES性质包含CAESAR, SarPy/IRFMN, ISS, KNN/Read-Across四种模型,供用户比较分析,此外软件还提供所有预测模型的模型说明供用户查阅。

软件可预测理化(1个)、毒理(5个)、生态毒理(3个)、环境行为(5个)等十几个性质,详见下图。


5) T.E.S.T.

US EPA开发。 软件无论从界面还是操作方法都非常简单,但简单的软件有着许多让人惊喜的细节。用户在输入物质结构时,除了在画布中直接绘画,导入MDL文件、SMILES码和数据库等传统方法外,用户还可以输入分子量或分子式(如C6H6),软件自动列出所有符合条件的物质。对于画布中的物质软件还可以反向查询该物质的CAS号!此外,软件的预测方法也比较特别,使用了多种算法,包括分级聚类法、FDA法、单一模型法、基团贡献法、最近邻法、同一法、随机森林法、作用模式法,其中分级聚类法更是将多其他算法模型的结果进行加权平均,来提高预测结果的可靠性。

软件可预测理化性质(9个)、健康毒理(3个)、生态毒理(4个),详见下图。


6) EPI Suite

US EPA开发,是目前应用最为广泛的一个软件,由一系列软件集合而成,包括 KOWWIN, AOPWIN™等18个子软件。在各个子软件的帮助说明中,可以查询到训练集和验证机的数据包、模型公式、模型拟合度、模型应用域以及活性的机理解释。软件支持CAS号、SMILES码和物质名称输入,可选择批量预测也可以对单独的性质进行预测。对于模型中使用的描述符,如Kow,熔沸点等值,用户可手动输入实验值进行预测,如果没有输入,软件将自动进行相关描述符的预测,然后使用预测值作为描述符进行进一步的预测。

软件可预测理化性质(6个)、健康毒理(1个)、生态毒理(1个)、环境行为(10个),详见下图。






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