计算机辅助药物设计在天然产物多靶点药物研发中的应用浅谈

尚佳锌

（大连理工大学盘锦校区，辽宁 盘锦 124221）

0 引言

自2005年全球第一个多靶点药物索拉非尼上市以来，多靶点药物的研发就开始进入到了高速发展阶段，由于多靶点药物对癌症、神经系统疾病、糖尿病、高血压及艾滋病等复杂性疾病有较好的治疗效果，且相对单靶点药物而言，有着同时调节多靶点、调节疾病网络多个环节、毒副作用低的优势，近年来更是成为药物研发的主要方向；多靶点药物有着不良反应未知、药物作用于多个靶点的浓度不同等问题的存在，早期多靶点药物研发主要以化学合成或者通过对已有物质的筛选而获得，而天然产物因结构多样性、多靶点活性较高、毒副作用低等优势，已成为多靶点药物的研究热点，也是多靶点药物获得的一个重要途径。以多靶点药物开发常用的计算机辅助药物设计方法中两个常用方式--虚拟筛选和药效团设计为途径，对典型的多靶点药物--“单成分-多靶点”药物进行分析说明，系统的梳理其发现与设计方法，并进行有效总结，以期能为天然产物多靶点药物的研究提供一定的科学依据和理论支持，并在技术的应用上起到一定的指导作用。

1 虚拟筛选

虚拟筛选是在药物设计理论的基础上，利用计算机分子对接软件对目标靶点与候选药物之间的相互作用进行模拟，计算两者之间的亲和力大小，目的在于研发早期能快速、精准的挖掘天然产物中的先导化合物，为先导化合物的发现提高效率；其筛选方法主要以分子对接和药效团筛选以及和片段搜索等为主。

分子对接可通过正向对接和反向对接两种形式，分析并寻找配体分子放置于受体分子活性点位之后其取向与构象的合理性，并让两者的结合能够达到化学与空间互补的最佳匹配状态。冠心病多靶点药物的开发相对常见药用靶点可以降低毒副作用和整体调节疾病网络各个环节的优势，利用原有药物的多种化合物建立小型数据库，以分子对接的方式将冠心病相关的5个靶点和数据库中的化合物进行匹配，通过筛选获得的化合物组合可作用于5个靶点，且存在2-2个以上化合物组的化合物达4种，表明其可以作用于2-2个以上靶点，此天然产物对冠心病具有潜在的多靶点调节药效。

药效团筛选是一种基于小分子化合物的高效药物筛选手段；通过分析一个或多个活性小分子化合物的药效特征，推纳概括出使得分子具有活性的重要药效基因团特征；相比分子对接，药效团筛选的计算量更小、计算速度更快。常用的抗消炎药物的作用靶点有环氧化酶及磷酸二酯酶，其双靶点的抗炎药效更加广泛，已被批准上市的罗氟司特就是此类双靶标抑制剂药物。黄乐艳等针对环氧化酶和磷酸二酯酶两个靶点抑制剂建立了药效团模型，在已构建的抗炎中药活性化合物数据库中分别以两个个药效团为提问结构进行搜索，并将搜索结果进行交集，获得了能同时作用于两个靶点的中药候选化合物。

片段搜索要提前建立分子片段库，利用分子片段作为提问结构，搜索出能满足具有一定活性并可以选择性作用于多个靶点条件的分子片段，经搜索而进一步优化组合的候选片段形成的先导多靶点药物有着分子质量更大，效果更加明显、达到并作用于靶点结合位的速度更快的优势，但因结合点位的不同，也为其安全性、有效性和高亲和力的平衡带来一定难度，在“单成分-多靶点”药物的设计与优化过程中也普遍存在着同样的问题，想让其取得有效的平衡并让具有温和活性的多靶点药物发挥类似或更佳的效果，需要不断探索并发现更多的协同靶点。哮喘作为常见的呼吸道炎症疾病，其常见的抗哮喘药物的作用靶点有β2肾上腺素受体、组胺H1受体和钙激活的钾离子通道蛋白α1受体等；通过抗哮喘药物研究，运用已知药物提取的结构和功能片段，使用片段及相似性搜索技术从39种常用药中获得了包括能做用于多靶点的多个活性分子的72种中药活性成分，其成分可以分别作用于八个靶点。同时研究针对寒哮和热哮两个不同病症通过组方设计还分别获得了多靶点效应方剂。

根据虚拟筛选方法的不同，结果存在差异性，优势也各不相同：分子对接有着特异性高的特点，并且能对配体分子与受体分子之间的结合关系进行直观的呈现；但若对虚拟筛选的效率有更高的要求，还是要以药效团筛选和片段搜索方法为主；除了这三种虚拟筛选方式以外，研究中还开发了相似性搜索、QSAR等筛选方法，每一种虚拟筛选方法针对不同的研究都能有效发挥其作用，而不同方法的组合使用可以实现优势互补，令筛选的效率和准确率得到更进一步的提高。Thomas M Ehrman以分子对接为主要方法，药效团筛选辅助，两者结合筛选了作用于四个抗炎靶点的中药，利用PDB数据库中靶点“受体－配体”复合物晶体所构建的药效团模筛选出来源于中药的化合物，基于上述方法并结合打分函数评价及分子对接的方式，得到了的十二种化合物都可以同时作用于三个靶点，由此结果可以证明在天然产物中获取多靶点药物的前景是非常好的。

2 药效团设计

药效团是基于药效特征元素为基础建立的模型，药效团元素有效数量一般保持3-5个才能构成一个有效的药效团；在设计时要保留有效的药效特征并去除引起不良反应的药效特征和无效特征，需要以活性化合物的药效特征或片段为基础，通过药效团链接法或整合法来实现。药效团链接法是通过虚拟筛选或者结构优化，直接或间接的链接分别作用于两个或者多个靶点的药效团或药效片段，形成新的能作用于多个靶点的药物分子，此方法在药物多靶点特性的获取上要优于药效团整合法，但过多的药效基团链接就会增加药物分子的质量，成药性就会降低；据资料表示王鹏龙等研究的抗恶性增殖和抑制血管增生的具有多效应、低毒素的新型抗癌制剂的设计思路与药效团链接法的论述一致，从中我们看到了在中药中获得多靶点药物的良好前景，在此基础上还需要利用计算机辅助药物设计方法从多靶点层面评价药物的多效应，才能更有针对性的进行多靶点药物的研发。

药效团整合法是通过对多靶点活性药物中药效特征或分子片段的相同部分进行保留，并选择性的剔除其不同的部分来获得新的多靶点药物分子，伴随着对初始活性药物的结构特征的高要求，形成的多靶点药物相对分子质量较小，成药性较高，相对而言，此方法在设计多靶点药物研究的思路上更为理想。郭彦伸等分别建立了多巴胺D2受体拮抗剂的药效团模型A和5-羟色胺受体拮抗剂药效团模型B，通过对两种药效特征异同点定性地比较，发现二者的药效团模型具有很大的相似性，可以指导设计作用于双靶点的药物。同时，在已建立的α1A肾上腺素受体拮抗剂药效团模型C和hERG钾离子通道阻断剂的药效团模型D的指导下，在药物设计阶段规避了诱发心脏疾病的毒副作用，最后提出了作用于双靶点的安全可靠的药物设计思路。

3 讨论与展望

本文概述了计算机辅助药物设计的两个主要方法，并对已经在进行的部分天然多靶点药物的研究案例进行了解析，经总结：计算机辅助药物设计在天然产物多靶点药物的研究上既有着速度快、效率高的优势，也存在着因化合物的药代动力学差异导致的筛选结果与药理实验矛盾的问题，应用中需要有机结合多靶点miRNA反义核苷酸技术、表面等离子共振、多为液相色谱、质谱联用技术等多靶点药物研究实验的新技术来提升药物研发的成功率。

从另一方面看，计算机辅助药物设计在天然产物的多靶点药物研究中还有更大的发挥空间；天然产物中有一个重要组成部分就是中药，目前天然产物多靶点药物研究中许多先导化合物都是从中药的研究发现而来的，中药历经千年沉淀积累下来的用药经验及临床数据对新型多靶点药物的研发有着有效的推动作用；另外，日益成熟的中药化学成分提取与鉴定技术体系，为多靶点药物的研究提供了大量中药活性化合物的结构，多靶点药物的研发可以此为基础，通过计算机辅助药物设计方法进一步发展研究，发挥更大的优势。