基于分子对接的计算机虚拟筛选技术在新药发现中的应用进展*

刘玉甜，赵诗雨，吕邵娃

（黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

计算机虚拟筛选技术作为一个计算机辅助药物设计和高通量筛选的重要方法[1],是在生物结构的基础上发现新的配体的过程，该过程极大的缩小了人工方法进行配体活性筛选的研究范围[2]。近些年来，作为一种与高通量筛选互补的便捷工具,顺利的加入到了新型药物研究与发现的工作流程中[3]。通过富集活性化合物,提高药物筛选的可行性,因此，成为新型药物发现的重要方法。先进行小分子与生物蛋白活性筛选的结合,可以有效地促进新药的发现[4]。最终形成了药物研究的新模式。虚拟筛选技术是基于计算机的方法在生物结构的基础上发现新的配体的过程，是创新药物研究的新技术和新方法[5]。理论上讲，虚拟筛选是一种通过计算机进行数据库筛选的过程。最终形成了药研物究的新模式。在未来，虚拟筛选技术将成为一个用于探索相关生物化学空间的重要的手段。计算机虚拟筛选具有高效、快速、低成本等很多优点。本文就基于分子对接的计算机虚拟筛选技术在新药发现中的应用现状、未来前景发展及发展局限性问题作一简单介绍。

1 新药研究中计算机虚拟筛选的常用数据库

药物筛选是否成功的一个关键性因素在于从化合物数据库中筛选出的化合物的质量和数量。虚拟筛选是计算机辅助药物设计方法的延伸和推广,在新药发现的过程中，如果先进行虚拟筛选即从大量分子数据库中筛选出少量的目标化合物，再针对性进行药物理论检测。与传统的新药发现过程相比，先进行虚拟筛选可大幅度的提升科学研究的步伐，减少科研过程中搜索小分子化合物的范围，进而减少研究时间。目前，随着计算机辅助设计和化合物推广的需要，出现了许多专门用于筛选化合物的数据库[6]。近些年来，不同种类的小分子化合物数据库被用于虚拟筛选新型药物的结构，从中取得了生物活性极高级别的且结构新颖的活性先导化合物[3]。表1为常用数据库。

表1 常用的计算机虚拟筛选数据库Tab.1 Common computer virtual filtering databases

2 研究流程与步骤

一般来说，蛋白质晶体结构在对接之前加入氢原子，优化氢键，消除原子间冲突，并执行不属于X射线的晶体结构细化过程的其他操作。另外，配体必须准备好创建三维几何，并产生可访问的互相关联虚拟筛选前的电离状态。对于已经提出一个新型的治疗多种疾病的治疗方法并通过分析、预测及检验验证其可靠性的实验，其整个虚拟筛选的流程大致如下：首先选择合适的数据库，随后对大量分子进行虚拟筛选，以找到最有希望的分子配体[7]，然后对小分子配体进行分子对接，通过分析小分子配体与生物蛋白受体对接得分大小及结合效率检测出最佳配体复合物的稳定性。再针对稳定性进行分子动力学模拟或体外实验的药物理论检测。从而提出筛选有效抑制受体蛋白的化合物来对抗疾病（见图1）。

图1 基于分子对接的虚拟筛选简要流程图Fig.1 A brief flowchart of virtual screening based on molecular docking

3 基于分子对接的计算机虚拟筛选技术

目前，基于分子对接的计算机虚拟筛选技术作为新型药物研究领域的一项重要辅助方法，在研究药物与机体标靶的作用机制和新型药品研发过程中发挥着极其显著的作用。通过分子对接软件来研究小分子配体与受体生物大分子相互作用强弱，预测配体复合物的结合和亲和力大小，进而寻找到最佳配体的结构[8]。大多数对接工具的对接性能的好坏取决于目标化合物，以及在上下文中预测在哪一个精确的位置，这对于寻找最合适的靶点是可能的。通过比较两者之间的差异对接和筛选的准确性，具体的筛选工具的选择还是取决于需要调查的配体及活性部位的物理和化学性质。以图2为例，右侧小分子与左侧蛋白之间通过7个相关氨基酸及3个氢键连接，形成配体化合物。从已知其化学结构的蛋白受体和配体出发，按照几何互补、能量互补等原则，计算出配体小分子与受体生物大分子相连接的方式的作用力及亲和力大小，并对结果进行打分[9]，通过打分结果找到小分子配体与生物靶标大分子结合的最优构象，预测2个分子之间最佳的结合模式[10]，最后将最佳配体进行实体药物筛选。检测生物活性，最终筛选出具有活性的先导化合物。

图2 受体蛋白与小分子活性位点的作用方式Fig.2 Interaction mode between receptor protein and small molecule active site

一般的，常用的分子对接软件有：Autodock：免费的分子对接模拟软件，主要应用于配体-蛋白的对接[11]。DOCK：适用于柔性配体和柔性蛋白之间的对接。是现今应用最为广泛的分子对接软件之一，GOLD：基于遗传算法的对接程序,对接时配体完全柔性，蛋白部分柔性，准确性和可靠性极高。Glide：适用于配体和蛋白的柔性对接的程序。此外还有ICM、FlexX、eHiTS、AutodockVina等其他分子对接软件，具体应用选择时应根据配体-蛋白的理化性质的不同来具体选择相应的分子对接软件[12]。许多研究发现。一个关键的研究方法是在1980年代早期首创的小分子与蛋白质结合位点的对接，至今仍在高度活跃在各研究领域中。对选定的数据库中的大量的小分子配体进行搜索，搜索得到少量适合的小分子后，在计算机上模拟最贴近现实的配体与受体的结合情况,用分子对接软件进行分子对接筛选，将得到的配体小分子与蛋白受体进行分子对接，观察配体与受体之间构象的差别，根据不同的对接方法和不同的打分函数筛选出来的几个配体分子,选择在其一定范围内的小分子，再做进一步的生物活性研究。为更好的确定小分子与蛋白受体的结合情况，通过使用分子动力学模拟方法研究体系的药物动力学，最后选择一定数量的小分子用于体外实验研究，从中筛选出几个具有潜在的抑制蛋白受体的活性小分子。

3.1 国内基于分子对接的虚拟筛选技术的研究近况

目前，基于分子对接的计算机虚拟筛选技术在新药研究领域中应用十分广泛。在现代方法的计算系统中，使用虚拟技术筛选药物，应用薛定谔软件包软件研究结肠癌蛋白，将原花青素类化合物（配体）与 CDK2、CDK4 和凋亡蛋白（Bcl2、Bcl-XL）进行对接。蛋白分子诱导配体分子电荷的极化（QPLD）对接显示Arg105、Glu95和asp99的必需氨基酸与靶凋亡蛋白BCL-2的5个氢键相互作用。采用分子对接方法对复合体进行评价发现，原花青素络合物与受体蛋白CDK2和CDK4能自由结合。以CDK2作为药物治疗肿瘤的目标来探索选定的多酚类化合物的抗癌活性[13]。这些结果与体外和体内分析结果一致。这也是首次报道原花青素对结肠癌的抗癌活性的研究。为探究其他抗癌症的新型药物提供了重要的研究思路。

中国药科大学生命科学与技术学院冯迪、刘湲等人通过计算机虚拟筛选技术,利用Discovery Studio 2.5和GOLD 3.0平台,从一个含有上千个的天然产物分子的化合物库里进行虚拟筛选，最终得到6个可能具有金属β-内酰胺酶NDM-1（B1类）抑制活性的化合物结构[2]。并且成功对NDM-1型MBLs抑制剂进行了活性筛选。经过体外试验验证这些分子对靶标蛋白的抑制活性,最终确定了3个对NDM-1靶标蛋白具有较好活性的抑制剂。在此研究过程中，计算机虚拟筛选技术作为发现新的先导化合物、寻找开发新型药物的强有力手段,无疑在NDM-1抑制剂的寻找中发挥了十分重要的作用。在计算机上模拟出最贴近现实的配体与受体的结合情况的环境,根据不同的对接方法和不同的打分函数软件筛选出来的配体分子,对其进一步再做生物体外活性研究,提高了寻找NDM-1抑制剂的效率,大大缩小了人工进行配体活性筛选研究范围。节约了大量的人力物力成本。

天津医科大学李煜等人成功筛选出潜在的CDC25B抑制剂通过用基于分子对接的计算机辅助药物设计的方法[14]。运用Hypogen方法研究CDC25B抑制剂。并运用cost分析、测试集预测和Fisher检验用来验证该模型的可靠性。之后运用hypo-1-CDC25B对来自ZINC数据库中的所有小分子进行筛选，得到符合药用规则的26个化合物，通过对这26个化合物进行分子对接得到6个对接得分高的化合物。结果显示：通过分子对接研究，精选发现6个化合物具有较好的亲和力。这一结果将有助于发现治疗癌症的强有力的先导化合物以供随后的实验研究。

东北师范大学黄艳新教授基于计算机虚拟筛选的方法，提出一个新型的分层次的治疗多种疾病包括癌症的一种潜在的治疗方法-HDACI计算机虚拟筛选流程[15]。创新性的得出了一个含有3部分的虚拟筛选手段，主要利用 SYBYL-X2.0、GOLD5.2和GROMAC 3大虚拟筛选软件，同时还配合使用VMD和Pymol软件，成功的筛选出组蛋白去乙酰化酶抑制剂，并对组蛋白去乙酰化酶抑制剂进行了体外活性验证。极大地提高了新型药物筛选的进程。

3.2 国外基于分子对接的虚拟筛选技术研究近况

国外学者在对于计算机虚拟技术在药物发现的应用方面也做了一些有益的探究工作。在研究治疗慢粒白血病（CML）过程中对其活性部位进行对接分析来比较ABL酪氨酸激酶受体与抑制剂作用。在研究工作中，实施了药物-蛋白质相互作用的虚拟筛选，从具有潜在抑制活性的药物数据库中选择特定的抑制神经退行性疾病的潜在成分，最后选择最适合特定神经退行性疾病的生物碱，并使用分子能量计算生物碱的效率。最终成功的启动抗神经退行性疾病的新药的开发。该过程运用的虚拟筛选是一种从大数据集中识别出小分子的技术，这些小分子最有可能与目标蛋白结合[16]。通过对由12个不同的天然产物数据集组成的ZINC天然产物数据库中化合物的收集，建立了天然化合物的数据库，同时采用分子对接对ABL和SRC蛋白与配体的最佳构象进行了分子动力学模拟[17]，通过分析药物与受体对接得分和结合效率，详细研究了天然筛选抑制剂与两种蛋白的对接得分和结合亲和力。检测了最佳配体复合物的稳定性并通过执行10ns分子动力学模拟对所得化合物的ADMET性质对其进行分析，以检查其药物性质。从而提出筛选有效的化合物来抑制多种类似ABL和SRC这样的受体蛋白来对抗CML疾病[18]。该过程对于研究治疗CML和在神经退行性疾病的新药中发挥了极大的影响[19]。

基于分子对接技术的计算机虚拟筛选同样在传统中药中发挥着极大地作用。在徐青青等人研究六味地黄丸复方中的α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选过程中采用基于分子对接的虚拟筛选可预测推断出抑制α-葡萄糖苷酶活性的有效成分,为深入研究六味地黄复方治疗II型糖尿病的机理研究提供了科学数据[20]。于雅楠、陈锡欣等人通过研究豆科喹喏里西啶类生物碱来抑制血管新生的活性成分使用基于分子对接技术的虚拟筛选来研究喹喏里西啶类生物碱发挥抗肿瘤的作用靶标[21]。

4 计算机虚拟筛选技术在药物发现中的局限及解决的对策

通过多年的研究及使用,基于分子对接的计算机虚拟筛选技术作为一种实用化的工具，已经被广泛应用。但该技术一直在努力达到其最初所承诺的那样完备。（1）对于药物的发现仍然是由经验筛选主导[22]。新化合物的作用靶点难于确定，收率较低，进一步限制了药理学机制的研究。（2）基于分子对接的虚拟筛选方法在药物发现的领域的应用并不广泛,许多受体的结构还没有被测定,同样限制了虚拟筛选的应用[23]。（3）计算机模拟得到的数据是否与真实状态下的实验数据一致，高的对接分数是否可以成功的进行分子动力学模拟[24]。（4）怎样能够更加真实地模拟出生物体系中受体蛋白分子的柔性、溶剂化效应[25],如何提高对接程序的打分效率以减少假阳性等仍是今后虚拟筛选技术切实应用到药物发现中的关键问题。现在已经开发了许多软件工具以便于虚拟筛选更好的利用。同时，取样和评分功能的改进（配体-受体能量学的计算）对设计发现新的配体的试验具有十分重要的作用。分子间相互作用的基本原理使该领域的研究有明确的前进方向。对于配体和受体的探索是改善构象状态以及使用更复杂的溶剂化模型的评分函数并且更好地平衡静电和非极性项。对此，一个较好的策略是使用更高级别通常是更慢的方法来重新评估虚拟的初始命中筛选，使用筛选计算作为快速的第一过滤器。通过这些可以达到更高的命中率和更好的几何预测，这是对于计算机虚拟筛选技术在药物发现中得以应用的的重要目标。

5 小结与展望

目前，基于分子对接的计算机虚拟筛选技术作为辅助新型药物发现的一项重要方法，通过利用虚拟筛选技术寻找新型药物的作用靶点，在揭示药物与机体标靶的作用机制以及在新型药品研发的过程中发挥着极大地作用。同时，基于计算虚拟药物筛选平台，通过对对接软件的自动操控和计算结果的自动收集，有效减少了筛选及排查时间，大幅提高了筛选效率。在不久的将来，随着更多对预测的评估，试验方法将继续改善，计算机虚拟筛选技术已经足够成熟，基于分子对接的计算机虚拟筛选技术的研究领域不断扩大。越来越多的研究者可以直接的从中受益。