計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)在天然產(chǎn)物多靶點(diǎn)藥物研發(fā)中的應(yīng)用淺談

尚佳鋅

（大連理工大學(xué)盤錦校區(qū)，遼寧 盤錦 124221）

0 引言

自2005年全球第一個(gè)多靶點(diǎn)藥物索拉非尼上市以來(lái)，多靶點(diǎn)藥物的研發(fā)就開始進(jìn)入到了高速發(fā)展階段，由于多靶點(diǎn)藥物對(duì)癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖尿病、高血壓及艾滋病等復(fù)雜性疾病有較好的治療效果，且相對(duì)單靶點(diǎn)藥物而言，有著同時(shí)調(diào)節(jié)多靶點(diǎn)、調(diào)節(jié)疾病網(wǎng)絡(luò)多個(gè)環(huán)節(jié)、毒副作用低的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)更是成為藥物研發(fā)的主要方向；多靶點(diǎn)藥物有著不良反應(yīng)未知、藥物作用于多個(gè)靶點(diǎn)的濃度不同等問(wèn)題的存在，早期多靶點(diǎn)藥物研發(fā)主要以化學(xué)合成或者通過(guò)對(duì)已有物質(zhì)的篩選而獲得，而天然產(chǎn)物因結(jié)構(gòu)多樣性、多靶點(diǎn)活性較高、毒副作用低等優(yōu)勢(shì)，已成為多靶點(diǎn)藥物的研究熱點(diǎn)，也是多靶點(diǎn)藥物獲得的一個(gè)重要途徑。以多靶點(diǎn)藥物開發(fā)常用的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法中兩個(gè)常用方式--虛擬篩選和藥效團(tuán)設(shè)計(jì)為途徑，對(duì)典型的多靶點(diǎn)藥物--“單成分-多靶點(diǎn)”藥物進(jìn)行分析說(shuō)明，系統(tǒng)的梳理其發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行有效總結(jié)，以期能為天然產(chǎn)物多靶點(diǎn)藥物的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論支持，并在技術(shù)的應(yīng)用上起到一定的指導(dǎo)作用。

1 虛擬篩選

虛擬篩選是在藥物設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)分子對(duì)接軟件對(duì)目標(biāo)靶點(diǎn)與候選藥物之間的相互作用進(jìn)行模擬，計(jì)算兩者之間的親和力大小，目的在于研發(fā)早期能快速、精準(zhǔn)的挖掘天然產(chǎn)物中的先導(dǎo)化合物，為先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)提高效率；其篩選方法主要以分子對(duì)接和藥效團(tuán)篩選以及和片段搜索等為主。

分子對(duì)接可通過(guò)正向?qū)雍头聪驅(qū)觾煞N形式，分析并尋找配體分子放置于受體分子活性點(diǎn)位之后其取向與構(gòu)象的合理性，并讓兩者的結(jié)合能夠達(dá)到化學(xué)與空間互補(bǔ)的最佳匹配狀態(tài)。冠心病多靶點(diǎn)藥物的開發(fā)相對(duì)常見(jiàn)藥用靶點(diǎn)可以降低毒副作用和整體調(diào)節(jié)疾病網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，利用原有藥物的多種化合物建立小型數(shù)據(jù)庫(kù)，以分子對(duì)接的方式將冠心病相關(guān)的5個(gè)靶點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的化合物進(jìn)行匹配，通過(guò)篩選獲得的化合物組合可作用于5個(gè)靶點(diǎn)，且存在2-2個(gè)以上化合物組的化合物達(dá)4種，表明其可以作用于2-2個(gè)以上靶點(diǎn)，此天然產(chǎn)物對(duì)冠心病具有潛在的多靶點(diǎn)調(diào)節(jié)藥效。

藥效團(tuán)篩選是一種基于小分子化合物的高效藥物篩選手段；通過(guò)分析一個(gè)或多個(gè)活性小分子化合物的藥效特征，推納概括出使得分子具有活性的重要藥效基因團(tuán)特征；相比分子對(duì)接，藥效團(tuán)篩選的計(jì)算量更小、計(jì)算速度更快。常用的抗消炎藥物的作用靶點(diǎn)有環(huán)氧化酶及磷酸二酯酶，其雙靶點(diǎn)的抗炎藥效更加廣泛，已被批準(zhǔn)上市的羅氟司特就是此類雙靶標(biāo)抑制劑藥物。黃樂(lè)艷等針對(duì)環(huán)氧化酶和磷酸二酯酶兩個(gè)靶點(diǎn)抑制劑建立了藥效團(tuán)模型，在已構(gòu)建的抗炎中藥活性化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中分別以兩個(gè)個(gè)藥效團(tuán)為提問(wèn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行搜索，并將搜索結(jié)果進(jìn)行交集，獲得了能同時(shí)作用于兩個(gè)靶點(diǎn)的中藥候選化合物。

片段搜索要提前建立分子片段庫(kù)，利用分子片段作為提問(wèn)結(jié)構(gòu)，搜索出能滿足具有一定活性并可以選擇性作用于多個(gè)靶點(diǎn)條件的分子片段，經(jīng)搜索而進(jìn)一步優(yōu)化組合的候選片段形成的先導(dǎo)多靶點(diǎn)藥物有著分子質(zhì)量更大，效果更加明顯、達(dá)到并作用于靶點(diǎn)結(jié)合位的速度更快的優(yōu)勢(shì)，但因結(jié)合點(diǎn)位的不同，也為其安全性、有效性和高親和力的平衡帶來(lái)一定難度，在“單成分-多靶點(diǎn)”藥物的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中也普遍存在著同樣的問(wèn)題，想讓其取得有效的平衡并讓具有溫和活性的多靶點(diǎn)藥物發(fā)揮類似或更佳的效果，需要不斷探索并發(fā)現(xiàn)更多的協(xié)同靶點(diǎn)。哮喘作為常見(jiàn)的呼吸道炎癥疾病，其常見(jiàn)的抗哮喘藥物的作用靶點(diǎn)有β2腎上腺素受體、組胺H1受體和鈣激活的鉀離子通道蛋白α1受體等；通過(guò)抗哮喘藥物研究，運(yùn)用已知藥物提取的結(jié)構(gòu)和功能片段，使用片段及相似性搜索技術(shù)從39種常用藥中獲得了包括能做用于多靶點(diǎn)的多個(gè)活性分子的72種中藥活性成分，其成分可以分別作用于八個(gè)靶點(diǎn)。同時(shí)研究針對(duì)寒哮和熱哮兩個(gè)不同病癥通過(guò)組方設(shè)計(jì)還分別獲得了多靶點(diǎn)效應(yīng)方劑。

根據(jù)虛擬篩選方法的不同，結(jié)果存在差異性，優(yōu)勢(shì)也各不相同：分子對(duì)接有著特異性高的特點(diǎn)，并且能對(duì)配體分子與受體分子之間的結(jié)合關(guān)系進(jìn)行直觀的呈現(xiàn)；但若對(duì)虛擬篩選的效率有更高的要求，還是要以藥效團(tuán)篩選和片段搜索方法為主；除了這三種虛擬篩選方式以外，研究中還開發(fā)了相似性搜索、QSAR等篩選方法，每一種虛擬篩選方法針對(duì)不同的研究都能有效發(fā)揮其作用，而不同方法的組合使用可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，令篩選的效率和準(zhǔn)確率得到更進(jìn)一步的提高。Thomas M Ehrman以分子對(duì)接為主要方法，藥效團(tuán)篩選輔助，兩者結(jié)合篩選了作用于四個(gè)抗炎靶點(diǎn)的中藥，利用PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中靶點(diǎn)“受體－配體”復(fù)合物晶體所構(gòu)建的藥效團(tuán)模篩選出來(lái)源于中藥的化合物，基于上述方法并結(jié)合打分函數(shù)評(píng)價(jià)及分子對(duì)接的方式，得到了的十二種化合物都可以同時(shí)作用于三個(gè)靶點(diǎn)，由此結(jié)果可以證明在天然產(chǎn)物中獲取多靶點(diǎn)藥物的前景是非常好的。

2 藥效團(tuán)設(shè)計(jì)

藥效團(tuán)是基于藥效特征元素為基礎(chǔ)建立的模型，藥效團(tuán)元素有效數(shù)量一般保持3-5個(gè)才能構(gòu)成一個(gè)有效的藥效團(tuán)；在設(shè)計(jì)時(shí)要保留有效的藥效特征并去除引起不良反應(yīng)的藥效特征和無(wú)效特征，需要以活性化合物的藥效特征或片段為基礎(chǔ)，通過(guò)藥效團(tuán)鏈接法或整合法來(lái)實(shí)現(xiàn)。藥效團(tuán)鏈接法是通過(guò)虛擬篩選或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直接或間接的鏈接分別作用于兩個(gè)或者多個(gè)靶點(diǎn)的藥效團(tuán)或藥效片段，形成新的能作用于多個(gè)靶點(diǎn)的藥物分子，此方法在藥物多靶點(diǎn)特性的獲取上要優(yōu)于藥效團(tuán)整合法，但過(guò)多的藥效基團(tuán)鏈接就會(huì)增加藥物分子的質(zhì)量，成藥性就會(huì)降低；據(jù)資料表示王鵬龍等研究的抗惡性增殖和抑制血管增生的具有多效應(yīng)、低毒素的新型抗癌制劑的設(shè)計(jì)思路與藥效團(tuán)鏈接法的論述一致，從中我們看到了在中藥中獲得多靶點(diǎn)藥物的良好前景，在此基礎(chǔ)上還需要利用計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法從多靶點(diǎn)層面評(píng)價(jià)藥物的多效應(yīng)，才能更有針對(duì)性的進(jìn)行多靶點(diǎn)藥物的研發(fā)。

藥效團(tuán)整合法是通過(guò)對(duì)多靶點(diǎn)活性藥物中藥效特征或分子片段的相同部分進(jìn)行保留，并選擇性的剔除其不同的部分來(lái)獲得新的多靶點(diǎn)藥物分子，伴隨著對(duì)初始活性藥物的結(jié)構(gòu)特征的高要求，形成的多靶點(diǎn)藥物相對(duì)分子質(zhì)量較小，成藥性較高，相對(duì)而言，此方法在設(shè)計(jì)多靶點(diǎn)藥物研究的思路上更為理想。郭彥伸等分別建立了多巴胺D2受體拮抗劑的藥效團(tuán)模型A和5-羥色胺受體拮抗劑藥效團(tuán)模型B，通過(guò)對(duì)兩種藥效特征異同點(diǎn)定性地比較，發(fā)現(xiàn)二者的藥效團(tuán)模型具有很大的相似性，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)作用于雙靶點(diǎn)的藥物。同時(shí)，在已建立的α1A腎上腺素受體拮抗劑藥效團(tuán)模型C和hERG鉀離子通道阻斷劑的藥效團(tuán)模型D的指導(dǎo)下，在藥物設(shè)計(jì)階段規(guī)避了誘發(fā)心臟疾病的毒副作用，最后提出了作用于雙靶點(diǎn)的安全可靠的藥物設(shè)計(jì)思路。

3 討論與展望

本文概述了計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要方法，并對(duì)已經(jīng)在進(jìn)行的部分天然多靶點(diǎn)藥物的研究案例進(jìn)行了解析，經(jīng)總結(jié)：計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)在天然產(chǎn)物多靶點(diǎn)藥物的研究上既有著速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)，也存在著因化合物的藥代動(dòng)力學(xué)差異導(dǎo)致的篩選結(jié)果與藥理實(shí)驗(yàn)矛盾的問(wèn)題，應(yīng)用中需要有機(jī)結(jié)合多靶點(diǎn)miRNA反義核苷酸技術(shù)、表面等離子共振、多為液相色譜、質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等多靶點(diǎn)藥物研究實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)來(lái)提升藥物研發(fā)的成功率。

從另一方面看，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)在天然產(chǎn)物的多靶點(diǎn)藥物研究中還有更大的發(fā)揮空間；天然產(chǎn)物中有一個(gè)重要組成部分就是中藥，目前天然產(chǎn)物多靶點(diǎn)藥物研究中許多先導(dǎo)化合物都是從中藥的研究發(fā)現(xiàn)而來(lái)的，中藥歷經(jīng)千年沉淀積累下來(lái)的用藥經(jīng)驗(yàn)及臨床數(shù)據(jù)對(duì)新型多靶點(diǎn)藥物的研發(fā)有著有效的推動(dòng)作用；另外，日益成熟的中藥化學(xué)成分提取與鑒定技術(shù)體系，為多靶點(diǎn)藥物的研究提供了大量中藥活性化合物的結(jié)構(gòu)，多靶點(diǎn)藥物的研發(fā)可以此為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步發(fā)展研究，發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。