計算機輔助藥物設(shè)計在天然產(chǎn)物多靶點藥物研發(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年全球第一個多靶點藥物索拉非尼上市以來，多靶點藥物的研發(fā)就開始進入到了高速發(fā)展階段，由于多靶點藥物對癌癥、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，且相對單靶點藥物而言，有著同時調(diào)節(jié)多靶點、調(diào)節(jié)疾病網(wǎng)絡(luò)多個環(huán)節(jié)、毒副作用低的優(yōu)勢，近年來更是成為藥物研發(fā)的主要方向；多靶點藥物有著不良反應(yīng)未知、藥物作用于多個靶點的濃度不同等問題的存在，早期多靶點藥物研發(fā)主要以化學(xué)合成或者通過對已有物質(zhì)的篩選而獲得，而天然產(chǎn)物因結(jié)構(gòu)多樣性、多靶點活性較高、毒副作用低等優(yōu)勢，已成為多靶點藥物的研究熱點，也是多靶點藥物獲得的一個重要途徑。以多靶點藥物開發(fā)常用的計算機輔助藥物設(shè)計方法中兩個常用方式--虛擬篩選和藥效團設(shè)計為途徑，對典型的多靶點藥物--“單成分-多靶點”藥物進行分析說明，系統(tǒng)的梳理其發(fā)現(xiàn)與設(shè)計方法，并進行有效總結(jié)，以期能為天然產(chǎn)物多靶點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)計理論的基礎(chǔ)上，利用計算機分子對接軟件對目標靶點與候選藥物之間的相互作用進行模擬，計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接和藥效團篩選以及和片段搜索等為主。

分子對接可通過正向?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)合能夠達到化學(xué)與空間互補的最佳匹配狀態(tài)。冠心病多靶點藥物的開發(fā)相對常見藥用靶點可以降低毒副作用和整體調(diào)節(jié)疾病網(wǎng)絡(luò)各個環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，利用原有藥物的多種化合物建立小型數(shù)據(jù)庫，以分子對接的方式將冠心病相關(guān)的5個靶點和數(shù)據(jù)庫中的化合物進行匹配，通過篩選獲得的化合物組合可作用于5個靶點，且存在2-2個以上化合物組的化合物達4種，表明其可以作用于2-2個以上靶點，此天然產(chǎn)物對冠心病具有潛在的多靶點調(diào)節(jié)藥效。

藥效團篩選是一種基于小分子化合物的高效藥物篩選手段；通過分析一個或多個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特征；相比分子對接，藥效團篩選的計算量更小、計算速度更快。常用的抗消炎藥物的作用靶點有環(huán)氧化酶及磷酸二酯酶，其雙靶點的抗炎藥效更加廣泛，已被批準上市的羅氟司特就是此類雙靶標抑制劑藥物。黃樂艷等針對環(huán)氧化酶和磷酸二酯酶兩個靶點抑制劑建立了藥效團模型，在已構(gòu)建的抗炎中藥活性化合物數(shù)據(jù)庫中分別以兩個個藥效團為提問結(jié)構(gòu)進行搜索，并將搜索結(jié)果進行交集，獲得了能同時作用于兩個靶點的中藥候選化合物。

片段搜索要提前建立分子片段庫，利用分子片段作為提問結(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靶點條件的分子片段，經(jīng)搜索而進一步優(yōu)化組合的候選片段形成的先導(dǎo)多靶點藥物有著分子質(zhì)量更大，效果更加明顯、達到并作用于靶點結(jié)合位的速度更快的優(yōu)勢，但因結(jié)合點位的不同，也為其安全性、有效性和高親和力的平衡帶來一定難度，在“單成分-多靶點”藥物的設(shè)計與優(yōu)化過程中也普遍存在著同樣的問題，想讓其取得有效的平衡并讓具有溫和活性的多靶點藥物發(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。哮喘作為常見的呼吸道炎癥疾病，其常見的抗哮喘藥物的作用靶點有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；通過抗哮喘藥物研究，運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的多個活性分子的72種中藥活性成分，其成分可以分別作用于八個靶點。同時研究針對寒哮和熱哮兩個不同病癥通過組方設(shè)計還分別獲得了多靶點效應(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)勢也各不相同：分子對接有著特異性高的特點，并且能對配體分子與受體分子之間的結(jié)合關(guān)系進行直觀的呈現(xiàn)；但若對虛擬篩選的效率有更高的要求，還是要以藥效團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現(xiàn)優(yōu)勢互補，令篩選的效率和準確率得到更進一步的提高。Thomas M Ehrman以分子對接為主要方法，藥效團篩選輔助，兩者結(jié)合篩選了作用于四個抗炎靶點的中藥，利用PDB數(shù)據(jù)庫中靶點“受體－配體”復(fù)合物晶體所構(gòu)建的藥效團模篩選出來源于中藥的化合物，基于上述方法并結(jié)合打分函數(shù)評價及分子對接的方式，得到了的十二種化合物都可以同時作用于三個靶點，由此結(jié)果可以證明在天然產(chǎn)物中獲取多靶點藥物的前景是非常好的。

2 藥效團設(shè)計

藥效團是基于藥效特征元素為基礎(chǔ)建立的模型，藥效團元素有效數(shù)量一般保持3-5個才能構(gòu)成一個有效的藥效團；在設(shè)計時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)，通過藥效團鏈接法或整合法來實現(xiàn)。藥效團鏈接法是通過虛擬篩選或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直接或間接的鏈接分別作用于兩個或者多個靶點的藥效團或藥效片段，形成新的能作用于多個靶點的藥物分子，此方法在藥物多靶點特性的獲取上要優(yōu)于藥效團整合法，但過多的藥效基團鏈接就會增加藥物分子的質(zhì)量，成藥性就會降低；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)計思路與藥效團鏈接法的論述一致，從中我們看到了在中藥中獲得多靶點藥物的良好前景，在此基礎(chǔ)上還需要利用計算機輔助藥物設(shè)計方法從多靶點層面評價藥物的多效應(yīng)，才能更有針對性的進行多靶點藥物的研發(fā)。

藥效團整合法是通過對多靶點活性藥物中藥效特征或分子片段的相同部分進行保留，并選擇性的剔除其不同的部分來獲得新的多靶點藥物分子，伴隨著對初始活性藥物的結(jié)構(gòu)特征的高要求，形成的多靶點藥物相對分子質(zhì)量較小，成藥性較高，相對而言，此方法在設(shè)計多靶點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模型A和5-羥色胺受體拮抗劑藥效團模型B，通過對兩種藥效特征異同點定性地比較，發(fā)現(xiàn)二者的藥效團模型具有很大的相似性，可以指導(dǎo)設(shè)計作用于雙靶點的藥物。同時，在已建立的α1A腎上腺素受體拮抗劑藥效團模型C和hERG鉀離子通道阻斷劑的藥效團模型D的指導(dǎo)下，在藥物設(shè)計階段規(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的安全可靠的藥物設(shè)計思路。

3 討論與展望

本文概述了計算機輔助藥物設(shè)計的兩個主要方法，并對已經(jīng)在進行的部分天然多靶點藥物的研究案例進行了解析，經(jīng)總結(jié)：計算機輔助藥物設(shè)計在天然產(chǎn)物多靶點藥物的研究上既有著速度快、效率高的優(yōu)勢，也存在著因化合物的藥代動力學(xué)差異導(dǎo)致的篩選結(jié)果與藥理實驗矛盾的問題，應(yīng)用中需要有機結(jié)合多靶點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)等多靶點藥物研究實驗的新技術(shù)來提升藥物研發(fā)的成功率。

從另一方面看，計算機輔助藥物設(shè)計在天然產(chǎn)物的多靶點藥物研究中還有更大的發(fā)揮空間；天然產(chǎn)物中有一個重要組成部分就是中藥，目前天然產(chǎn)物多靶點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)而來的，中藥歷經(jīng)千年沉淀積累下來的用藥經(jīng)驗及臨床數(shù)據(jù)對新型多靶點藥物的研發(fā)有著有效的推動作用；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)，多靶點藥物的研發(fā)可以此為基礎(chǔ)，通過計算機輔助藥物設(shè)計方法進一步發(fā)展研究，發(fā)揮更大的優(yōu)勢。