盧江

摘 要 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是一門新興的邊緣學(xué)科，它的出現(xiàn)大大加速了新藥研制和開發(fā)的進(jìn)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(xiàng)成功設(shè)計(jì)案例，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)技術(shù)為藥物設(shè)計(jì)提供了最為直觀的模型，在很大程度上帶動(dòng)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(jìn)展進(jìn)行了回顧，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 藥物研發(fā) 分子對接

中圖分類號(hào)：R914. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)

1.1 CADD的定義

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)（Computer Aided Drug Design， CADD）是利用計(jì)算化學(xué)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(jì)新型結(jié)構(gòu)先導(dǎo)化合物的藥物設(shè)計(jì)方法。 其中受體是指細(xì)胞內(nèi)或者細(xì)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(jìn)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(dòng)劑和拮抗劑。從 20 世紀(jì) 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(jì) 90 年代以后，隨著生物信息學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)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(qiáng)大工具。

1.2 CADD的原理

隨著理論計(jì)算技術(shù)、X 射線晶體學(xué)、核磁共振等結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(shí)驗(yàn)方法測得，也能以理論計(jì)算方法得到，并可以通過計(jì)算機(jī)模擬。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)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(diǎn)分布等信息。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)包括三種方式，即：基于小分子的藥物設(shè)計(jì)方法，基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計(jì)方法和計(jì)算組合方法。

2常用的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法

2.1直接藥物設(shè)計(jì)

直接藥物設(shè)計(jì)的原理是基于靶點(diǎn)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(dòng)力學(xué)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(diǎn)的三維要求設(shè)計(jì)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(jì)

間接藥物設(shè)計(jì)的原理是基于藥效基團(tuán)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(tuán)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(jìn)行構(gòu)象研究。首先搜索各個(gè)化合物的較低能量構(gòu)象，然后按照一定的規(guī)則進(jìn)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(jì)算程序

3.1休克爾分子軌道法

休克爾分子軌道法（ H€點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)用統(tǒng)計(jì)，數(shù)學(xué)等方式對分子間相互作用和理化性質(zhì)進(jìn)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(gè)重要步驟，其依據(jù)主要為整個(gè)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(jì)中的第二個(gè)和第三個(gè)步驟的重要數(shù)據(jù)指標(biāo)，它可以充分的表現(xiàn)出分子的物理化學(xué)性質(zhì)，對于和受體作用點(diǎn)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(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）的研究。實(shí)際上也是分子圖形學(xué)與QSAR相結(jié)合進(jìn)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(jìn)行藥物設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助藥物模擬設(shè)計(jì)中屬于基于受體的直接藥物設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)模擬方法完成的，當(dāng)掌握了靶標(biāo)和靶標(biāo)有關(guān)的化合物基本信息時(shí)，就可以使用高通道虛擬篩選方法來輔助設(shè)計(jì)。

4計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的應(yīng)用

4.1在藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與確證中的應(yīng)用

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

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(xué)家合成大量的化合物以及藥理學(xué)家運(yùn)用各種模型進(jìn)行大量篩選。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的應(yīng)用，主要包括基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)、基于配體的藥物設(shè)計(jì)、高通量虛擬篩選等技術(shù)。endprint

基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)是根據(jù)藥物靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)， 研究受體和小分子之間的相互作用， 設(shè)計(jì)與活性口袋互補(bǔ)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(jì)是從已有的活性小分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過建立藥效團(tuán)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?；谂潴w的藥物設(shè)計(jì)方法主要有藥效團(tuán)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(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)或已建立的藥效團(tuán)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(jìn)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(shí)例

使用計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的方法已經(jīng)成功設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助共價(jià)抑制劑設(shè)計(jì)

5.1計(jì)算藥物設(shè)計(jì)

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

5.2量子力學(xué)方法

計(jì)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(xué)家能夠以適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間來設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算方法預(yù)測共價(jià)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(jià)反應(yīng)中是必不可少的。該方法可以容易地?cái)U(kuò)展到預(yù)測激酶半胱氨酸和共價(jià)抑制劑之間的反應(yīng)。量子力學(xué)（QM）方法已被證明可用于預(yù)測共價(jià)配體的反應(yīng)性。盡管QM計(jì)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(jià)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(jì)算方法是QSAR。然而，傳統(tǒng)的QSAR模型是針對非共價(jià)抑制劑開發(fā)的，因此不考慮共價(jià)鍵對結(jié)合能的貢獻(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，Shokhen及其同事開發(fā)了兩個(gè)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(dāng)中間體保持陰離子時(shí)，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(yàn)計(jì)算，作為驗(yàn)證，研究人員對凝血酶和組織蛋白酶D進(jìn)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(jià)藥物的第一步。

5.4分子對接之共價(jià)鍵建模

基于對接的藥物設(shè)計(jì)已經(jīng)成為許多學(xué)術(shù)和工業(yè)藥物化學(xué)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(gè)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(jìn)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(gè)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(jià)藥物開發(fā)和投入很少，大多數(shù)藥物發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目都集中在非共價(jià)配體的開發(fā)上。導(dǎo)致了針對非共價(jià)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(jià)活性物質(zhì)的方法不發(fā)達(dá)，并且不如鑒定非共價(jià)配體的那樣準(zhǔn)確。對共價(jià)藥物的興趣越來越多，使得共價(jià)對接方法的發(fā)展激增，以加強(qiáng)藥物的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。幾個(gè)最流行的對接程序已被修改以適應(yīng)共價(jià)對接，并且出現(xiàn)了幾個(gè)專注于共價(jià)對接的新的對接程序。共價(jià)對接程序如DOCK、 DOCKTITE、CovDock、AutoDock、FlexX、FITTED、GOLD和CovalentDock。

6結(jié)語與展望

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)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(jì)），為藥物發(fā)現(xiàn)提供了重要的依據(jù)和支撐；這種設(shè)計(jì)方式完全是在計(jì)算機(jī)上通過軟件進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)依賴于大量的實(shí)驗(yàn)篩選、并行的化學(xué)合成的方式；計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的引入對整個(gè)研發(fā)過程都有一定的“輔助”作用，甚至成為推動(dòng)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(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)以其特有的高效便捷等特點(diǎn)，為藥物設(shè)計(jì)提供新的思路和創(chuàng)新途徑；為藥物靶點(diǎn)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(xué)驗(yàn)證提供了理論指導(dǎo)。通過藥物設(shè)計(jì)軟件可以從理論深度解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、得到實(shí)驗(yàn)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(jì)有效；增強(qiáng)對科學(xué)研究的深度，從而提高科研和論述水平；通過模擬計(jì)算、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，避免實(shí)驗(yàn)的盲目性，從而節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入，并縮短研究周期?？傊?，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)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(qiáng)作用提供方案，也可直接設(shè)計(jì)全新的先導(dǎo)化合物，具有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 許軍，李偉.藥物化學(xué)選論[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

[2] 唐赟，蔣華良.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)正在走向成功[J].生命科學(xué)，1996（04）.

[3] 吳敵.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].黑龍江科技信息，2014（32）.

[4] 陳瑋，黃象男.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)研究[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（01）.

[5] 劉景陶，劉映雪.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的原理及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016.endprint