計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

劉 軻，陳 曦，蔡如意，應(yīng)沂岑，郭雪媛，趙清璇，初 明 （北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京100191）

0 引言

藥物上市是一個(gè)耗資巨大并且漫長(zhǎng)的過(guò)程。在過(guò)去的十年中，開(kāi)發(fā)和推向市場(chǎng)的藥物成本增加了近150%。但是進(jìn)入臨床試驗(yàn)的藥物有90%最終未能獲得FDA批準(zhǔn)，其主要原因是合理藥物設(shè)計(jì)（rational drug design）中所遇到的各種問(wèn)題［1］。隨著生物信息學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)（computer aided drug design，CADD）取得了巨大的進(jìn)展。目前，CADD可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)分子進(jìn)行快速篩選，不僅降低了藥物研發(fā)的成本，而且大大縮短了藥物上市的時(shí)間，在藥物研發(fā)過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。正因?yàn)槿绱?，如何提高CADD的準(zhǔn)確性和靈敏性也成為研究的熱點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算機(jī)藥物篩選原理的不同，人們提出了基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)（structure?based drug design，SBDD）、基于片段的藥物設(shè)計(jì)（fragment?based drug discovery， FBDD）和基于配體的藥物設(shè)計(jì)（ligand?based drug design， LBDD）。 本文對(duì)這3種CADD的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 基于配體的藥物設(shè)計(jì)

在合理藥物設(shè)計(jì)中，在藥物靶點(diǎn)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不明確的情況下，LBDD是目前最合理的藥物設(shè)計(jì)方法。LBDD是通過(guò)分析已知的與受體結(jié)合的配體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)，又稱(chēng)為間接藥物設(shè)計(jì)，包括藥效團(tuán)模型、定量結(jié)構(gòu)?活性關(guān)系模型 （quantitative struc?ture?activity relationship， QSAR）［2］。 藥效團(tuán)是藥效特征元素的集合，保持化合物活性所需的結(jié)構(gòu)特征，可以反映這些化合物在三維結(jié)構(gòu)上的一些共同原子、基因或化學(xué)功能結(jié)構(gòu)及空間取向，這些往往決定著配體的活性，以此分析已知的與受體結(jié)合的配體的共同藥效特征來(lái)篩選藥物［3］。QSAR是通過(guò)以配體和靶點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)分子內(nèi)能變化和分子間相互作用的能量變化，將已知的一系列藥理的理化性質(zhì)和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合出定量關(guān)系，再進(jìn)行優(yōu)化改造，因此QSAR不僅可以模擬結(jié)合受體的配體的結(jié)構(gòu)特征，還可以預(yù)測(cè)藥物的活性，自從Corwin Hansch建立了QSAR的方法以來(lái)［4］，QSAR經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，已經(jīng)演化為可分析包含成千上萬(wàn)種不同分子結(jié)構(gòu)的超大型數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。人們采用LB?DD的方法成功篩選獲得了大量的臨床藥物，如諾氟沙星、氯沙坦［5］、佐米曲普坦［6］等。 LBDD 為合理藥物設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

然而，LBDD只分析了配體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，忽略了受體結(jié)構(gòu)對(duì)藥物和靶點(diǎn)相互作用的影響，因此經(jīng)常出現(xiàn)假陽(yáng)性［2］。在相互作用的過(guò)程中，受體和配體的空間構(gòu)像需要不斷變化以促進(jìn)相互之間的結(jié)合［7－8］。蛋白質(zhì)并不是靜止不動(dòng)的，其功能受其內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的控制，了解其動(dòng)態(tài)特性也是非常重要的［9］。雖然目前已經(jīng)建立了多種模型，但是沒(méi)有一種可以適用于所有的配體結(jié)構(gòu)，因此，LBDD仍存在很多未解決的問(wèn)題，在未來(lái)的發(fā)展中面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

2 基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)

在藥物設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，如何改善設(shè)計(jì)方案是長(zhǎng)期以來(lái)困擾著研究人員的問(wèn)題。例如在1991年至2000年這十年時(shí)間里，因?yàn)槲詹涣蓟虼x過(guò)度而未通過(guò)審查的候選藥物就高達(dá)90%［10］，所以如何保障藥物的效力與安全成為了研究者最大的挑戰(zhàn)。研究人員急需尋找一種具有更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間與更高的效力、功效和口服生物利用度的藥物設(shè)計(jì)方式，也因此基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)得到了眾多的關(guān)注與青睞。

自從蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)被成功解析以來(lái)，人們開(kāi)始不斷構(gòu)建蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息。隨著結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，SBDD方法也取得了巨大進(jìn)展。SBDD可用于任何能夠測(cè)定結(jié)構(gòu)的藥靶蛋白質(zhì)，但必須分離得到足夠數(shù)量和純度的藥靶蛋白質(zhì)，以便進(jìn)行結(jié)晶，并用X線(xiàn)衍射法測(cè)定結(jié)構(gòu)，將蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息與計(jì)算方法相結(jié)合，使我們可以在原子水平上分析配體與受體的相互作用模式。而且基于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，計(jì)算機(jī)能夠更快地篩選出合適的候選藥物，根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)加以考慮，并得到一系列漸進(jìn)的導(dǎo)向設(shè)計(jì)物，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些化合物的預(yù)期性質(zhì)。SBDD不僅創(chuàng)新性地推動(dòng)了藥物設(shè)計(jì)過(guò)程，更重要的是這樣設(shè)計(jì)出的藥物更加安全有效，比如最近的黃連素多靶點(diǎn)藥物的發(fā)現(xiàn)［11］，而且目前已經(jīng)篩選獲得30多種臨床候選藥物，其中3種已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)［12］。

但是SBDD也面臨著許多技術(shù)上的問(wèn)題。其一就是公共數(shù)據(jù)庫(kù)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的準(zhǔn)確性，這是保證SBDD結(jié)果準(zhǔn)確的首要條件。盡管在結(jié)構(gòu)研究中，研究者擁有高端的晶體學(xué)硬件、數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，仍然可能出現(xiàn)誤報(bào)和不一致的數(shù)據(jù)［12－13］。 其二是SBDD方法依賴(lài)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，而解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法是主要通過(guò)X射線(xiàn)晶體學(xué)、NMR光譜學(xué)（nuclear magnetic resonance， NMR）、核磁共振及冷凍電鏡。這些實(shí)驗(yàn)受成本與時(shí)間的限制，并且有一定的實(shí)驗(yàn)難度，只有蛋白質(zhì)可以結(jié)晶時(shí)，X射線(xiàn)晶體法才可以分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，大部分蛋白是難以結(jié)晶的，占目前批準(zhǔn)藥物的60%［14］。核磁共振也只適用于小分子蛋白［15］。因此，SBDD面臨著重重挑戰(zhàn)。

3 基于片段的藥物設(shè)計(jì)

FBDD正逐漸成為一種熱門(mén)的藥物設(shè)計(jì)新方法，主要是利用檢測(cè)與靶點(diǎn)結(jié)合的小分子片段來(lái)進(jìn)行藥物的篩選，最早于1981年被 Jencks［16］所提出。FB?DD將藥物視為由兩種及以上的片段組成，通過(guò)篩選得出針對(duì)靶點(diǎn)并能與靶點(diǎn)弱結(jié)合的低分子量小分子化合物一般結(jié)合為mM級(jí)，再確定片段與藥靶結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息，考察結(jié)合區(qū)域與如何相互作用，最后根據(jù)片段與藥靶相互作用的結(jié)構(gòu)信息來(lái)指導(dǎo)對(duì)片段進(jìn)行優(yōu)化或衍生，或?qū)⒉煌芜B接加工成較大的配體。方法設(shè)計(jì)出的配體對(duì)于靶點(diǎn)擁有更高的親和性、結(jié)合率以及更好的優(yōu)化能力［17］。近年來(lái)，F(xiàn)BDD發(fā)展迅速并逐漸被人們接受。FBDD通過(guò)分析靶點(diǎn)的空間特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)藥物的活性和選擇性也更高［18］。近年來(lái)，很多FBDD藥物已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，甚至已經(jīng) 上 市， 如 GKAs［19］、 HJC0123［20］、 HJC0416［21］、STAT3 小 分 子 抑 制 劑［22］、 Zelboraf（vemurafenib，PLX4032）［23］等。

FBDD在藥物設(shè)計(jì)上也存在著很多問(wèn)題。首先是FBDD篩選出的藥物多數(shù)是小片段，即使是最佳互補(bǔ)的片段，其與靶蛋白的相互作用面積也比較小，親和力也比較低。其次，通過(guò)連接或增長(zhǎng)片段來(lái)設(shè)計(jì)藥物十分復(fù)雜，依賴(lài)于藥物化學(xué)方法的進(jìn)步。雖然FB?DD對(duì)藥物的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，但是通過(guò)FBDD方法設(shè)計(jì)的藥物還需要不斷完善。