治療NSCLC的EGFR靶向性藥物設(shè)計(jì)與篩選

馬寨璞，石長燦，張春泉，晉君

（河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定 071002）

治療NSCLC的EGFR靶向性藥物設(shè)計(jì)與篩選

馬寨璞，石長燦，張春泉，晉君

（河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定 071002）

計(jì)算了現(xiàn)有的治療非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）常見藥物的相關(guān)參數(shù)，總結(jié)了以表皮生長因子受體（EGFR）酪氨酸激酶為靶標(biāo)的藥物分子的藥效團(tuán)特征.在Gefitinib的基礎(chǔ)上進(jìn)行了藥物分子的組合化學(xué)設(shè)計(jì)，通過虛擬篩選得到了分子對(duì)接得分較高的結(jié)構(gòu)分子，并對(duì)其進(jìn)行了預(yù)測和模擬.結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)篩選出的2種分子在藥代動(dòng)力學(xué)和毒性方面優(yōu)于Gefitinib，在分子動(dòng)力學(xué)過程上和Gefitinib一樣穩(wěn)定.

NSCLC；EGFR；藥物設(shè)計(jì)與篩選

當(dāng)今，癌癥成為導(dǎo)致人類死亡的主要因素，平均每年死于惡性腫瘤者達(dá)690萬人，新發(fā)病870萬例［1］.非小細(xì)胞肺癌（non－small cell lung cancer，NSCLC）是一種惡性腫瘤疾病，臨床研究表明［2］：表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸激酶介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與腫瘤發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān).目前，針對(duì)EGFR的靶向性藥物，其靶點(diǎn)常選擇細(xì)胞外區(qū)的受體結(jié)合區(qū)和細(xì)胞內(nèi)區(qū)的酪氨酸激酶活性區(qū).針對(duì)酪氨酸激酶活性區(qū)的常見藥物包括Erlotinib（埃羅替尼）［3］，Gefitinib（吉非替尼）［4］，Lapatinib（拉帕替尼）［5］，西妥昔［6］，酪氨酸磷酸化抑制劑AG1478［7］等.

Erlotinib是由美國FDA批準(zhǔn)的用于治療NSCLC晚期的藥物，臨床結(jié)果表明其治療緩解率為25.0%，疾病控制率為66.7%［3］.Gefitinib是AstraZeneca公司研發(fā)的一種口服EGFR－TK抑制劑，Ⅰ期臨床表明，在NLCLC靶向治療中，Gefitinib治療效果較好［8］.Lapatinib是可逆性EGFR和HER－2雙酪氨酸激酶抑制劑，臨床研究表明其抑制腫瘤生長效果明顯，不良反應(yīng)較輕［5］.西妥昔是不可逆EGFR酪氨酸激酶抑制劑，主要作用靶點(diǎn)是EGFR和HER－2，具有明顯的抗腫瘤能力［9］.AG1478也是靶向EGFR和HER－2雙酪氨酸激酶抑制劑，能夠有效抑制NSCLC細(xì)胞系的生長［10］.這些藥物的毒副作用主要表現(xiàn)為腹瀉、惡心、嘔吐、乏力、肝臟毒性和皮膚干燥等.

Gefitinib是小分子化合物，能夠?qū)GFR酪氨酸激酶產(chǎn)生抑制作用［11］，治療腫瘤時(shí)，其藥物毒副反應(yīng)與Erlotinib等藥物相似.本文以Gefitinib結(jié)構(gòu)中的藥效團(tuán)為基礎(chǔ)，參考其他類似靶向性藥物分子結(jié)構(gòu)，借助組合化學(xué)［12］方法，利用Chembiooffice軟件設(shè)計(jì)了24種分子結(jié)構(gòu)，并利用Discovery studio 2.5軟件對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和優(yōu)化，通過計(jì)算、比較各分子的對(duì)接情況、藥代動(dòng)力特征、藥物毒性預(yù)測等相關(guān)參數(shù)，篩選出了更加合理的結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有藥物中存在的毒副作用，為新藥的研發(fā)和生產(chǎn)提供了量化依據(jù).

1 典型EGFR酪氨酸激酶抑制劑分析

為了全面了解以EGFR酪氨酸激酶抑制劑為治療途經(jīng)的主要現(xiàn)有藥物的特性，計(jì)算了Erlotinib，Gefitinb，Lapatinib，EKE－569，AG1478 5種藥物的各種參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果如表1.

表1 5種藥物動(dòng)力學(xué)、毒性預(yù)測、分子對(duì)接參數(shù)Tab.1 Parameters of pharmacokinetic characteristics，toxicity prediction and molecular docking

藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)定量地描述了藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝和排除等性質(zhì)，從表1計(jì)算結(jié)果分析可知，該類藥物腸道吸收級(jí)別為0～2，具有極高的腸道吸收性.除Gefitinib和AG1478外，其他3種血腦屏障級(jí)別為3～4，具有較低的血腦屏障透過性.該類藥物水溶性級(jí)別為1～2，都具有較低的水溶性.在肝臟毒性方面，肝毒性指標(biāo)多數(shù)大于0.5，當(dāng)劑量過大時(shí)會(huì)對(duì)肝臟造成毒害.細(xì)胞色素P4502D6酶抑制水平指標(biāo)顯示，除Lapatinib外，其他藥物都具有中等水平的細(xì)胞色素P450系氧化代謝酶抑制性.該類藥物血漿蛋白結(jié)合級(jí)別為1～2，具有中等能力的血漿蛋白結(jié)合能力.

藥物的毒性主要包括致突變作用、致敏作用、皮膚和眼刺激、致癌等.計(jì)算結(jié)果顯示Erlotinib有致突變性，其他藥物沒有致突變性.在致癌性能方面，除西妥昔具有很低的致癌性外，其他4種藥物指標(biāo)均為0，沒有致癌性.大鼠口服半致死濃度較低.Erlotinib具有致敏性，其他藥物該項(xiàng)指標(biāo)為0，沒有致敏性.除Lapatinib外，其他藥物都有發(fā)育潛在毒性.

分子對(duì)接評(píng)價(jià)得分計(jì)算表明：Lapatinib的分子對(duì)接打分最高，Gefitinib的打分處于中等水平，藥物分子與EGFR靶標(biāo)之間形成氫鍵數(shù)目小于3個(gè).

2 新藥設(shè)計(jì)與篩選

上述以EGFR酪氨酸激酶為靶標(biāo)的5種靶向性治療藥物均屬于4－芳胺基喹唑啉類衍生物，F(xiàn)ry［13］等實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，喹唑啉環(huán)是該類藥物的必需藥效團(tuán)（圖1），該藥效團(tuán)取代基包括圖中的R1，R2，X和Y.在藥物發(fā)揮作用時(shí)，4－芳胺取代基與EGFR－TK活性口袋中的疏水氨基酸殘基相互作用［14］，其他取代基對(duì)于穩(wěn)定藥物分子結(jié)構(gòu)，順利地實(shí)現(xiàn)藥物與靶點(diǎn)的幾何匹配與能量匹配起著重要的作用.

圖1 4－苯胺喹唑啉類抑制劑藥效團(tuán)Fig.1 Pharmacophore of inhibitors

基于以上數(shù)據(jù)分析，利用組合化學(xué)原理，在保持Gefitinib的藥效團(tuán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其R1，R2，X和Y取代基進(jìn)行重新組合，共組合了24種結(jié)構(gòu)，形成新的靶向性分子，經(jīng)過逐一計(jì)算，根據(jù)分子對(duì)接打分、相對(duì)分子質(zhì)量、分子總能量等結(jié)果，選出其中6種分子，它們具有比Gefitinib更好的幾何匹配和能量匹配構(gòu)象（圖2）.

圖2 6種篩選分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure of 6 screened drugs

為了篩選出其中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，對(duì)這6種分子進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，結(jié)果如表2所示.分子對(duì)接結(jié)果表明：4號(hào)分子對(duì)接打分136.02，是最高得分，其次是2號(hào)分子.藥代動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明：1號(hào)和6號(hào)分子具有較高的血腦屏障滲透能力，6種分子都具有較高的腸道吸收性，但其水溶性水平均為2，水溶性水平不高.6種分子中，2號(hào)和4號(hào)肝毒水平最低，其他分子肝臟毒性較小，5號(hào)分子的血漿蛋白結(jié)合能力明顯偏弱，2號(hào)和4號(hào)分子具有較低水平的細(xì)胞色素P450系氧化代謝酶抑制性.

從毒性預(yù)測結(jié)果來看，這6種結(jié)構(gòu)的致突變性為0，致敏性為0，皮膚刺激水平也為0，在致癌性方面，2，3，4，5號(hào)結(jié)構(gòu)該指標(biāo)為0.2號(hào)結(jié)構(gòu)大鼠口服半致死量最高，其毒性最小.綜合以上數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為2，4號(hào)結(jié)構(gòu)在分子對(duì)接，肝毒水平、皮膚刺激水平，致敏性，致癌性，毒性指標(biāo)等均優(yōu)于Gefitinib，選定2，4號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步研究.

表2 6種分子動(dòng)力學(xué)、毒性預(yù)測、分子對(duì)接參數(shù)Tab.2 Pharmacokinetic characteristics，toxicity prediction，molecular docking parameters

3 2種選定結(jié)構(gòu)的分子動(dòng)力學(xué)模擬

為了更加深入明確上述2種選定藥物的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程，以及系統(tǒng)中蛋白或小分子的各種信息隨著時(shí)間變化的具體情況.以Gefitinib為參比對(duì)象，統(tǒng)一進(jìn)行初步處理，然后加上水環(huán)境、氯離子及鈉離子之后統(tǒng)一施加CHARMm力場，用Steepest Descent算法和Conjugate Gradient算法進(jìn)行能量優(yōu)化，對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)算，并在等溫等壓條件下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬.分析了分子與靶標(biāo)對(duì)接時(shí)，分子間氫鍵的形成情況（圖3），系統(tǒng)溫度和總能量隨時(shí)間變化情況（圖4）和分子動(dòng)力學(xué)模擬最終計(jì)算結(jié)果（表3）.

通過分析可知，2號(hào)和4號(hào)分子與靶標(biāo)之間形成的氫鍵數(shù)量都小于3個(gè)，Gefitinib的系統(tǒng)初始勢能最低，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，2號(hào)分子和Gefitinib達(dá)到的總能基本相同，2號(hào)和4號(hào)分子系統(tǒng)溫度相對(duì)與Gefitinib低1 K.由于2號(hào)和4號(hào)分子的相對(duì)分子質(zhì)量大于Gefitinib的相對(duì)分子質(zhì)量，所以它們范德華能大于Gefitinib.3種分子結(jié)構(gòu)的勢能、動(dòng)能大小基本相同，4號(hào)分子的靜電能為－2 652 739.44 k J／mol，高于其他2種分子.通過對(duì)系統(tǒng)溫度、總能量隨時(shí)間變化情況的分析可知，在系統(tǒng)經(jīng)歷最初的波動(dòng)后，各指標(biāo)保持恒定，說明這2種分子的動(dòng)力學(xué)過程穩(wěn)定.

圖3 分子與EGFR靶點(diǎn)結(jié)合時(shí)形成分子間氫鍵Fig.3 Drugs combined with EGFR target and the intermolecular hydrogen bond formation

圖4 3種分子最終溫度與能量隨時(shí)間的變化趨勢Fig.4 Curves of final temperature and energy change with time for three drugs

表3 Gefitinib、2號(hào)和4號(hào)分子動(dòng)力學(xué)模擬最終結(jié)果比較Tab.3 Final simulation results of molecular dynamics of Gefitinib，the 2nd and the 4th drug

4 結(jié)論

對(duì)現(xiàn)有靶向性抗癌藥物的毒副作用進(jìn)行了分析，在保持藥效團(tuán)治療功能的基礎(chǔ)上，組合設(shè)計(jì)了24種分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)虛擬篩選，共得到6種評(píng)分較高的分子，經(jīng)深入計(jì)算篩選，2號(hào)和4號(hào)分子總評(píng)最高，計(jì)算結(jié)果表明，2種新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在分子對(duì)接效果、藥代動(dòng)力學(xué)指標(biāo)、毒性預(yù)測指標(biāo)等方面都有優(yōu)秀的藥物指標(biāo)，有很好的發(fā)展前景.

［1］賈苗輝，楊更亮，楊春柳，等.6－F硫色烯并［4，3－c］吡唑啉的體內(nèi)抗腫瘤活性［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，60（5）：507－510.

［2］侯廷軍，朱麗荔，陳麗蓉，等.EGFR和4－苯胺喹唑啉類抑制劑之間相互作用模式的研究［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2002，60（6）：1023－1028.

［3］羅俊華，李娟.厄洛替尼治療老年晚期NSCLC的臨床觀察［J］.腫瘤防治研究.2009，36（3）：244－246.

［4］鄭華，王敬萍，孟棄逸，等.吉非替尼（Iressa）在晚期肺腺癌的靶向治療療效觀察［J］.中國腫瘤雜志，2007，10（3）：229－233.

［5］GILMER T M，CABLE L，ALLIGOOD K，et al.Impact of common epidermal growth factor receptor and HER2 variants on receptor activity and inhibition by lapatinib［J］.Cancer Res，2008，68（2）：571－579.

［6］石書芹，劉志敏，劉巍，等.靜脈注射輸注西妥昔單抗不良反應(yīng)的觀察及護(hù)理［J］.臨床合理用藥，2009，2（15）：122－123.

［7］LEVITZKI A，GAZIT A.Tyrosine kinase Inhibition：an approach to drug development［J］.Science，1995，267（5205）：1782－1788.

［8］SCHILLLER J H，HARRIINGTON D，BELANI C P，et al.Comparison of four chemotherapy regimens for advanced non－small－cell－lung cancer［J］.N Engl J Med，2002，346（2）：92－98.

［9］BONNER J A，H ARARI P M，GIRALT J，et al.Radiotherapy plus cetuximab for squamous－cell carcinoma of the head and neck［J］.N Engl J Med，2006，354（6）：567－578.

［10］MARJOU A D，THIERY J P，RADVANYI E.Involvement of epidermal growth factor receptor in chemically induced mouse bladder tumor progression［J］.Carcinogenesis，2000，21（12）：2211－2218.

［11］BREH MER D，GREFF Z，GODL K，et al.Cellular targets of gefitinib［J］.Cancer Res，2005，65（2）：379－382.

［12］章硯東.喹唑啉類化合物庫的固相合成，生物活性篩選及釤式劑在有機(jī)合成中的應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)藥學(xué)院，2007.

［13］DILLON R L，WRITE D E，MULLER W J，et al.The phosphatidylinositol 3－kinase signaling network：implications for human breast cancer［J］.Oncogene，2007，26（9）：1338－1345.

［14］朱麗荔，侯廷軍，陳麗蓉，等.表皮生長因子受體和抑制劑之間分子對(duì)接研究［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2002，60（1）：43－48.

Design and Screening of EGFR Targeted Drug in Treating NSCLC

MA Zhai－pu，SHI Chang－can，ZHANG Chun－quan，JIN Jun
（College of Life Sciences，Hebei University，Baoding 071002，China）

The related parameters of the common drug that treated the non－small cell lung cancer（NSCLC）were calculated，and the pharmacophore features of the drug molecule which target was epidermal growth factor receptor（EGFR）was concluded.On the basis of Gefitinib structure，the new drugs were designed by combinatorial chemistry principles.The drug molecules with high libdockscore score were obtained through the virtual screening，and then the drug molecules were predicted and simulated.The research showed that：two kinds of drugs were better than Gefitinib in pharmacokinetics and toxicity，and the molecular dynamic process was as stable as Gefitinib.

NSCLC；EGFR；drug design and screening

R 914.2

A

1000－1565（2011）03－0288－06

2010－10－20

河北省教育廳資助項(xiàng)目（Z2006415）

馬寨璞（1970－），男，河北安國人，河北大學(xué)教授，主要從事系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)研究.E－mail：zhaipuma＠hbu.edu.cn

梁俊紅）