計算機輔助設(shè)計在藥物研發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

盧江

摘 要 計算機輔助藥物設(shè)計是一門新興的邊緣學科，它的出現(xiàn)大大加速了新藥研制和開發(fā)的進程。經(jīng)過近 40 年的發(fā)展，這門新興技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，并已有多項成功設(shè)計案例，計算機輔助藥物設(shè)計技術(shù)為藥物設(shè)計提供了最為直觀的模型，在很大程度上帶動了新藥的開發(fā)。該文在介紹了 CADD 原理、方法及策略的基礎(chǔ)上，對 CADD 在新藥研發(fā)中的應(yīng)用進展進行了回顧，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞 計算機輔助設(shè)計 藥物研發(fā) 分子對接

中圖分類號：R914. 2 文獻標識碼：A

1計算機輔助藥物設(shè)計

1.1 CADD的定義

計算機輔助藥物設(shè)計（Computer Aided Drug Design， CADD）是利用計算化學基本原理，通過模擬藥物與受體生物大分子的相互作用或通過分析已知藥物結(jié)構(gòu)與活性內(nèi)在關(guān)系，合理設(shè)計新型結(jié)構(gòu)先導(dǎo)化合物的藥物設(shè)計方法。 其中受體是指細胞內(nèi)或者細胞膜上具備特殊功能的生物大分子，通過結(jié)合外源藥物或者內(nèi)源激素而產(chǎn)生的特殊功能，間接導(dǎo)致的固有生理變化；配體是指能夠和受體進行結(jié)合的活性物質(zhì)。配體與受體結(jié)合的相互作用表現(xiàn)為激動劑和拮抗劑。從 20 世紀 60 年代構(gòu)效關(guān)系方法提出以后，經(jīng)過 40 多年的探索和努力，尤其是 20 世紀 90 年代以后，隨著生物信息學、化學生物學、分子生物學和計算機技術(shù)等學科的迅速崛起和發(fā)展 CADD 技術(shù)日益成為現(xiàn)代藥物研究不可缺少的強大工具。

1.2 CADD的原理

隨著理論計算技術(shù)、X 射線晶體學、核磁共振等結(jié)構(gòu)生物學測定技術(shù)的逐漸成熟，已經(jīng)可以獲得研究對象的三維結(jié)構(gòu)信息。藥物、生物大分子以及藥物-生物大分子復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)能以實驗方法測得，也能以理論計算方法得到，并可以通過計算機模擬。計算機輔助藥物設(shè)計用分子模擬軟件分析受體大分子結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如靜電場、疏水場、氫鍵作用位點分布等信息。計算機輔助藥物設(shè)計包括三種方式，即：基于小分子的藥物設(shè)計方法，基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計方法和計算組合方法。

2常用的計算機輔助藥物設(shè)計方法

2.1直接藥物設(shè)計

直接藥物設(shè)計的原理是基于靶點結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)搜尋，主要有四種常見的方法：模板定位法、原子生長法、分子碎片法、動力學算法。如果受體或受體和配體相結(jié)合所形成的復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)知道，就可根據(jù)受點的三維要求設(shè)計新藥的結(jié)構(gòu)。如果受體蛋白僅知其組成的氨基酸順序而不知其空間排列，則可根據(jù)同源蛋白模擬其在級結(jié)構(gòu)。

2.2間接藥物設(shè)計

間接藥物設(shè)計的原理是基于藥效基團模型的三維結(jié)構(gòu)搜尋，常見的方法有：活性類似物法、藥效基團模型法、分子形狀分析等。由于大部分受體的結(jié)構(gòu)尚未闡明，只好在一系列配體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過活性同類物方法進行構(gòu)象研究。首先搜索各個化合物的較低能量構(gòu)象，然后按照一定的規(guī)則進行構(gòu)象重疊，以求得在這一系列化合物中可以重疊的構(gòu)象。

3與CADD有關(guān)的方法和計算程序

3.1休克爾分子軌道法

休克爾分子軌道法（ H€點kel molecular orbital method）是用簡化的近似分子軌道模型處理共軛分子中的 電子的方法，1931年由E.休克爾（E. H€點kel）提出，簡稱HMO。這是一種最簡單的分子軌道理論，主要用于平面共軛分子體系。

3.2定量構(gòu)效關(guān)系

定量構(gòu)效關(guān)系是指運用統(tǒng)計，數(shù)學等方式對分子間相互作用和理化性質(zhì)進行分析的定量研究方法，它包括：二維定量構(gòu)效關(guān)系，三維定量構(gòu)效關(guān)系和多維定量構(gòu)效關(guān)系，而定量構(gòu)效關(guān)系包括活性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中活性參數(shù)是為了反應(yīng)分子的理化性質(zhì)，研究者選擇活性參數(shù)是定量構(gòu)效關(guān)系中的一個重要步驟，其依據(jù)主要為整個研究體系的差異性，比較常見的有：半數(shù)有效濃度，半數(shù)致死量，最小抑菌濃度等等。而結(jié)構(gòu)參數(shù)的使用是在藥物設(shè)計中的第二個和第三個步驟的重要數(shù)據(jù)指標，它可以充分的表現(xiàn)出分子的物理化學性質(zhì)，對于和受體作用點相互配合的分子意義十分巨大。三維定量構(gòu)效關(guān)系即3D-QSAR是根據(jù)化合物和生物大分子的三維結(jié)構(gòu)進行定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）的研究。實際上也是分子圖形學與QSAR相結(jié)合進行藥物的構(gòu)效關(guān)系研究的一種方法。是研究藥物與受體間的相互作用、推測受體的圖象及進行藥物設(shè)計的有力工具。

3.3分子對接法

分子對接法是分子模擬的重要方法之一，在計算機輔助藥物模擬設(shè)計中屬于基于受體的直接藥物設(shè)計方法。其基本原理是從已知分子和配體的結(jié)合作用出發(fā)，通過相關(guān)軟件中的計算測量方法來完成配體與受體結(jié)合的模擬過程，從而預(yù)測設(shè)計出復(fù)合化合物的結(jié)構(gòu)。分子對接主要分為三類，即：剛體對接，半柔性對接和柔性對接。

3.4高通道虛擬篩選

高通道虛擬篩選主要是利用計算機模擬方法完成的，當掌握了靶標和靶標有關(guān)的化合物基本信息時，就可以使用高通道虛擬篩選方法來輔助設(shè)計。

4計算機輔助藥物設(shè)計的應(yīng)用

4.1在藥物靶點的發(fā)現(xiàn)與確證中的應(yīng)用

計算機輔助藥物設(shè)計的應(yīng)用可以加快靶點發(fā)現(xiàn)的速度，提高靶點發(fā)現(xiàn)的準確度，從而推進新藥研發(fā)。主要包括生物信息學的應(yīng)用和反向分子對接技術(shù)的應(yīng)用。生物信息學通過計算機對基因組學 、蛋白質(zhì)組學等數(shù)據(jù)資源進行采集 、存儲 、分析 、處理，并開發(fā)出來一些實用的生物信息學軟 件。反向分子對接是將同一個活性分子分別對接到多個蛋白的活性位點，以確定該分子潛在藥物靶點的技術(shù)。該技術(shù)能夠高效 、大規(guī)模進行靶點的確定和驗證，預(yù)測與毒性相關(guān)的靶點。

4.2在先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中的應(yīng)用

先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化是創(chuàng)新藥物研究成敗的關(guān)鍵。長期以來，先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)依賴藥物化學家合成大量的化合物以及藥理學家運用各種模型進行大量篩選。計算機輔助藥物設(shè)計的應(yīng)用，主要包括基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計、基于配體的藥物設(shè)計、高通量虛擬篩選等技術(shù)。endprint

基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計是根據(jù)藥物靶點結(jié)構(gòu)， 研究受體和小分子之間的相互作用， 設(shè)計與活性口袋互補的新分子或?qū)ふ倚滦拖葘?dǎo)化合物的技術(shù)?；谂潴w的藥物設(shè)計是從已有的活性小分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過建立藥效團模型或定量構(gòu)效關(guān)系， 預(yù)測新化合物活性或指導(dǎo)原有化合物結(jié)構(gòu)改良。基于配體的藥物設(shè)計方法主要有藥效團模型構(gòu)建和定量構(gòu)效關(guān)系分析。高通量虛擬篩選針對靶點的三維結(jié)構(gòu)或已建立的藥效團模型 、QSAR模型，從化合物數(shù)據(jù)庫中，將符合條件的小分子挑選出來，進行生物活性測試，是先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的重要手段。

5應(yīng)用實例

使用計算機輔助藥物設(shè)計的方法已經(jīng)成功設(shè)計出許多高效的化合物。例如新一代抗偏頭痛藥物3llc90、抗艾滋病病毒藥物MK一639（L一735524）、抗流行性感冒藥物4一肌基一Neu5Ac2en、非幽體抗炎藥物 LY3 1 1 7 2 7等。

計算機輔助共價抑制劑設(shè)計

5.1計算藥物設(shè)計

盡管計算工具廣泛用于非共價藥物設(shè)計，但共價藥物的計算方法很少。已經(jīng)為非共價藥物推出了數(shù)以千計的定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）模型和對接研究，而對于共價藥物卻沒有報道，很少的程序或方法可用于藥物化學界。應(yīng)該澄清的是，計算方法是補充和受益于其他結(jié)構(gòu)技術(shù)，如晶體學。

5.2量子力學方法

計算藥物的反應(yīng)性和酶-藥物復(fù)合物的穩(wěn)定性將使醫(yī)藥化學家能夠以適當?shù)耐Ａ魰r間來設(shè)計和微調(diào)藥物。2007年，Oballa及其同事使用密度泛函理論（DFT）來評估含腈片段對CatK抑制劑設(shè)計的反應(yīng)性。他們得出結(jié)論，基于DFT的方法可以用作預(yù)測腈對半胱氨酸的反應(yīng)性。這些方法顯示出計算方法預(yù)測共價反應(yīng)性并開始被利用的潛力。

研究表明DFT應(yīng)用于預(yù)測化合物的反應(yīng)性，尚未被廣泛研究和應(yīng)用于酶反應(yīng)的性質(zhì)。親電反應(yīng)性和蛋白質(zhì)殘基親核親和力的整體性質(zhì)在預(yù)測自然界共價反應(yīng)中是必不可少的。該方法可以容易地擴展到預(yù)測激酶半胱氨酸和共價抑制劑之間的反應(yīng)。量子力學（QM）方法已被證明可用于預(yù)測共價配體的反應(yīng)性。盡管QM計算量隨著系統(tǒng)中原子數(shù)量的增加而下降，但提取參數(shù)或產(chǎn)生預(yù)測模型可以為共價化合物庫的篩選提供有用的信息。

5.3基于配體的方法

藥物發(fā)現(xiàn)中常見的計算方法是QSAR。然而，傳統(tǒng)的QSAR模型是針對非共價抑制劑開發(fā)的，因此不考慮共價鍵對結(jié)合能的貢獻。為了解決這個問題，Shokhen及其同事開發(fā)了兩個描述符（W1和W2），測量了親核殘基和羰基之間形成鍵的能量。當中間體保持陰離子時，W1測量結(jié)合能，W2 測量與質(zhì)子化結(jié)合的能量。這些描述符來源于模型系統(tǒng)的半經(jīng)驗計算，作為驗證，研究人員對凝血酶和組織蛋白酶D進行了回顧性研究，發(fā)現(xiàn)W1和W2對于最佳預(yù)測是至關(guān)重要的，盡管這是使用QSAR與共價藥物的第一步。

5.4分子對接之共價鍵建模

基于對接的藥物設(shè)計已經(jīng)成為許多學術(shù)和工業(yè)藥物化學組合的常見做法。分子對接程序預(yù)測配體的結(jié)合模式和相對親和力，并依賴于兩個基本步驟：

（1）取樣配體-蛋白質(zhì)復(fù)合物的構(gòu)象空間；

（2）使用評分函數(shù)對取樣的構(gòu)象進行排序以預(yù)測可能的結(jié)合模式，或者在虛擬篩選的情況下，將活性與非活性化合物區(qū)分開。每個對接程序都使用自己的方法來確定最有希望的候選藥物。

過去，共價藥物開發(fā)和投入很少，大多數(shù)藥物發(fā)現(xiàn)項目都集中在非共價配體的開發(fā)上。導(dǎo)致了針對非共價化合物的虛擬高通量篩選（vHTS）和對接方法非常少。相比之下，有效鑒定共價活性物質(zhì)的方法不發(fā)達，并且不如鑒定非共價配體的那樣準確。對共價藥物的興趣越來越多，使得共價對接方法的發(fā)展激增，以加強藥物的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計。幾個最流行的對接程序已被修改以適應(yīng)共價對接，并且出現(xiàn)了幾個專注于共價對接的新的對接程序。共價對接程序如DOCK、 DOCKTITE、CovDock、AutoDock、FlexX、FITTED、GOLD和CovalentDock。

6結(jié)語與展望

計算機輔助藥物設(shè)計作為分析工具（“數(shù)據(jù)挖掘”）和新想法的來源（“理性”分子設(shè)計），為藥物發(fā)現(xiàn)提供了重要的依據(jù)和支撐；這種設(shè)計方式完全是在計算機上通過軟件進行模擬計算，成為藥物發(fā)現(xiàn)的新途徑；完全打破傳統(tǒng)的藥物發(fā)現(xiàn)和設(shè)計依賴于大量的實驗篩選、并行的化學合成的方式；計算機輔助藥物設(shè)計的引入對整個研發(fā)過程都有一定的“輔助”作用，甚至成為推動藥物研發(fā)或者決定藥物研發(fā)成敗的關(guān)鍵因素和主要途徑。計算機輔助藥物設(shè)計以其特有的高效便捷等特點，為藥物設(shè)計提供新的思路和創(chuàng)新途徑；為藥物靶點的發(fā)現(xiàn)提供技術(shù)保障；也為先導(dǎo)化合物的優(yōu)化和生物學驗證提供了理論指導(dǎo)。通過藥物設(shè)計軟件可以從理論深度解釋實驗結(jié)果、驗證實驗數(shù)據(jù)的可靠性、得到實驗無法得到的微觀數(shù)據(jù)，并根據(jù)研究結(jié)論做出最佳決策，使藥物發(fā)現(xiàn)更經(jīng)濟有效；增強對科學研究的深度，從而提高科研和論述水平；通過模擬計算、指導(dǎo)實驗，避免實驗的盲目性，從而節(jié)省實驗經(jīng)費的投入，并縮短研究周期。總之，計算機輔助藥物設(shè)計既可模擬藥物與生物大分子間的相互作用，為已知藥物的結(jié)構(gòu)改造以增強作用提供方案，也可直接設(shè)計全新的先導(dǎo)化合物，具有很好的發(fā)展前景。

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