分子對接技術與共有藥效基團比對法——一種發(fā)現(xiàn)多靶點藥物的策略.docx

分子對接技術與共有藥效基團比對法一種發(fā)現(xiàn)多靶點藥物的策略前言:相信大家一定知道舉世聞名的瑞士軍刀,這種小小的工具因為其多功能性而深受喜愛.多年來,科學界也一直在致力于研究藥物界的“瑞士軍刀”，一種能影響多個靶點的藥物。這樣的研究是一項打破傳統(tǒng)的勇敢嘗試，本文作者使用了一種將分子對接技術與共有藥效基團比對法相結合的策略成功發(fā)現(xiàn)了一種能同時抑制LTA4H-h及hnps-PLA2兩種炎癥反應相關酶的化合物，為多靶點藥物的研究帶來了一線曙光?！驹O計多靶點藥物的意義】 現(xiàn)代醫(yī)學研究越來越表明，引起疾病的機制并非想象中的那么簡單。身體機能的正常運行依賴于一個復雜而精確的生物效應網(wǎng)絡，至今為止的大部分醫(yī)學理論均認為疾病是由效應網(wǎng)絡中某個節(jié)點出現(xiàn)問題而引起的，正是依據(jù)這一思想，目前大多數(shù)藥物研究都把精力耗費在了單一靶點藥物的研究上。但是，有越來越多的證據(jù)顯示，疾病往往是由于多個節(jié)點出現(xiàn)問題而產生的。如果藥物的開發(fā)始終禁錮在單一靶點的研究上，我們依然會在相當長的一段時間內對癌癥、抑郁癥等復雜疾病束手無策。另一方面，一些剛上市時具有良好效果的單一靶點藥物正面臨著耐藥性不斷增加的問題，這一點并不奇怪，因為針對單一靶點的長期用藥必然會激發(fā)機體對藥物效應產生代償機制。為了解決以上兩點問題，醫(yī)學界不得不采取多藥聯(lián)用的手段來達到最佳的治療效果，但是這又帶來了新的不安全因素藥物相互作用帶來的危險。臨床藥理學的研究顯示，多藥合用將大大增加ADR的發(fā)生率，但由于多靶點藥物的缺乏，病人只得承受這樣的風險，有時甚至明知兩藥合用會產生毒性，例如治療結核病時使用的異煙肼和利福平，在權衡利弊后也只能照用，醫(yī)務人員所能做的只是加強監(jiān)測，盡可能的降低風險。要解決上述這些問題，設計出多靶點藥物無疑是一個重要的思路。【傳統(tǒng)多靶點藥物設計方法的局限性】傳統(tǒng)的多靶點藥物設計方法主要有三種：偶然發(fā)現(xiàn)、活性單靶點化合物的結合以及利用高通量篩選進行“海選”。依靠這些發(fā)放，科學界的確開發(fā)出了一些有臨床應用價值的多靶點藥物，但是這三種方法均存在著不同的局限性。偶然發(fā)現(xiàn)早已不是藥物開發(fā)的主流方法，借此開發(fā)多靶點藥物是件值得慶幸的事，卻并不能對多靶點藥物的發(fā)展有所幫助。單靶點活性化合物結合法依據(jù)的是一條“1”+“1”=“2”的公式，即對一個靶點有效的化合物與對另一靶點有效的化合物相結合將創(chuàng)造出對兩個靶點都有效的化合物。但事實上，這一公式的正確性是值得懷疑的。許多此類實驗顯示，結合物往往只對一個靶點有效，而對另一個靶點只是勉強有效，實際的公式變?yōu)榱恕?”+“1”=“1.5”。另一方面，本文的研究表明，對兩個靶點活性均很低的化合物在影響多個靶點時也可以成為一個很好的活性化合物，這樣我們在進行結合實驗時也不能排除“0.5”+“0.5”=“2”的可能性。只是如此一來，即使我們只想尋找一個雙靶點化合物，并且假設每個靶點的活性化合物都只有100個，我們也得進行多達10000次的結合實驗以進行篩選，這樣耗時的研究在目前顯然是不可行的。至于高通量篩選，它之所以可行是由于有人發(fā)現(xiàn)具有多靶點抑制作用的化合物通常都是小分子化合物，并且活性往往取決于重原子的結合能，這樣需進行篩選的化合物也就可以限定在有限的范圍之內。即便如此，這樣的篩選依然有如沙里淘金，花費巨大卻效率低下，更何況這種方法僅能應用于多靶點抑制劑的篩選，因此用這項技術尋找多靶點藥物依舊是困難重重?！拘碌乃悸贰可鲜鰩追N設計方法之所以很難取得成功，是因為他們在尋找多靶點藥物的過程中忽視了一個重要的信息來源靶蛋白的結構信息。我們不難想象，藥物要與一個靶點起作用，其結構必定與靶蛋白的結構有所聯(lián)系。憑借目前的研究手段，通過靶蛋白的結構信息來推測藥物的基本結構已不是什么難事，我們也可以方便地推測出多個靶點活性化合物的必需結構，只要這些結構有一定的共性，那么，這些共性結構與靶蛋白的結合排列方式就可以作為一項重要的篩選標準，候選化合物與靶蛋白的結合排列方式只有與共性結構一致，才有可能具有多靶點作用，這樣一來，待研究的化合物便被限制在了一個很小的范圍內，這無疑將大大降低篩選所需的時間。基于這樣的思路，本文的作者設計了這樣一套多靶點抑制劑的研究策略，其基本步驟如下：（1） 通過各個靶蛋白的結構獲得各個靶蛋白的藥效基團模型（2） 若共有藥效集團存在，通過比對多個靶蛋白的藥效基團模型將其確定（3） 利用快速分子對接技術找出能與某一靶蛋白結合的分子，比較其與靶蛋白的結合排列是否和共有藥效基團一致，如是，則將這一化合物歸入候選庫（4） 利用更為嚴格的分子對接確認化合物與其它靶蛋白的結合性，再次比較其與靶蛋白的結合排列是否和共有藥效基團一致，如是，化合物則繼續(xù)保留待選（5） 進行實際藥理篩選實驗驗證化合物是否真有多靶點作用 本文的作者正是通過這一方法于茫茫化合物庫中找到了能同時抑制LTA4H-h及hnps-PLA2兩種與炎癥反應有關的酶，從而高效抑制炎癥反應的活性化合物。下面，我將作者的研究整理為一份簡要的實驗報告，以便對整個設計方法有更清晰的認識。分子對接技術與共有藥效基團比對法聯(lián)用尋找同時抑制LTA4H-h及hnps-PLA2的化合物【實驗背景】：人體的炎癥反應是由一個復雜的生物效應網(wǎng)絡，其中的一些關鍵酶調控著致炎物質的合成與釋放，是抗炎癥藥物研究的重要靶點。LTA4H-h、hnps-PLA2即是這樣兩個關鍵的酶，前者可以將白介素A4羥化為致炎物質白介素B4，而后者則能破壞細胞膜磷脂層而釋放致炎物質花生四烯酸。因此能同時抑制這兩種酶的化合物將很有希望成為高效的抗炎藥物。本實驗將采用一種全新的策略，將分子對接技術與共有藥效基團聯(lián)用，從而高效經(jīng)濟地找到這些活性化合物。【實驗裝置】數(shù)據(jù)庫：PDB數(shù)據(jù)庫（生物大分子三維結構數(shù)據(jù)庫）、MDL數(shù)據(jù)庫計算機軟件：Pocket v.2（用來從靶蛋白結構推測藥效基團） Sybyl 6.91 （繪制靶蛋白結構的繪圖軟件）Dock 4.0 （快速分子對接軟件，用來進行初步篩選，判斷與靶蛋白的結合性） Pscore (作者實驗室的自創(chuàng)程序，用來比較化合物與靶蛋白的結合排列是否與共有藥效基團一致) Autodock 3.05 (更精確的分子對接軟件，用來對初選出的化合物進行細篩)試劑與裝置：篩選出的化合物以及進行實際酶抑制實驗所需的一系列試劑、裝置【實驗步驟】1. 在PDB數(shù)據(jù)庫中查找出LTA4H-h及hnps-PLA2的三維結構，用Sybyl 6.91軟件進行繪制。2. 將兩酶的結構輸入軟件Pocket v.2，分別預測出兩酶的藥效基團，并確定共有藥效基團。3. 使用Dock 4.0軟件對MDL數(shù)據(jù)庫中的大量化合物進行快速分子對接，找出能與兩酶結合的化合物。4. 使用Pscore程序比較目標化合物與靶蛋白結合排列是否與共有藥效基團一致，淘汰絕大多數(shù)不一致的化合物5. 使用Autodock 3.05軟件對留下的化合物進行更精確的對接，驗證化合物是否與兩個酶均有很好的結合性6. 對留下的化合物重復步驟47. 訂購最終篩選出的幾個化合物，進行試劑的酶抑制活性實驗【實驗數(shù)據(jù)】1. 兩酶的藥效基團及其共有藥效基團模型（黃色球為金屬結合位點,紅色為氫鍵配對中心,青色為疏水中心）Hnps-PLA2藥效基團模型 LTA4H-h藥效基團模型 共有藥效基團結構2. 完成所有虛擬篩選后找到的9個化合物化合物結構123456789【實驗結果】有效化合物及其IC50值IC50(uM)LTA4H-h化合物氨基肽酶抑制環(huán)氧化物紓解酶抑制Hnps-PLA2417.3+-0.2231+-442.1+-1.9623.4+-2.3386+-543.7+-1.2712.5+-1.3217+-452.5+-9.0【進一步討論】本文作者將分子對接技術與共有藥效基團聯(lián)用，成功的制定出一種發(fā)現(xiàn)多靶點抑制劑的策略，但是這種策略依然有其局限性。首先，找出多個靶點的共有藥效基團是提高藥物篩選效率的關鍵。但是，我們并不能保證多個靶點一定會有共有藥效基團，這就使該策略在面臨這種局面時陷入僵局。其次，這一策略之所以得以實現(xiàn)，是因為研究表明多靶點抑制劑多位小分子物質，這就限定了篩選范圍。然而，目前尚無法說明多靶點激動劑有何特征，這樣研究者就無限定篩選范圍，該策略也就無法用來研究這些藥物了?！菊雇?閱讀完整篇論文后，我覺得共有藥效基團這一概念在其它藥物研究領域應該也能有很好的應用。例如，有相當多的藥物副作用從本質上來講都是藥物的多靶點作用引起的，我們如果能知道藥物作用的這些靶點，找到共有藥效基團，再與藥物比對靶蛋白的排列方式，究竟是藥物的哪個部分引起副作用是不是就能水落石出了。進一步，研究者就可以對這些結構加以改進，從而開發(fā)出副作用更小的藥物。多靶點共有藥效基團的概念可能還有助于闡明中藥的作用方式。中藥講究的是辨證施治，與多靶點藥物強調多靶點調控有異曲同工之妙，那么，中藥的作