中藥新藥研發(fā)的重要靶點(diǎn)

中藥新藥研發(fā)的重要靶點(diǎn)

隨著生命科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新藥物的合成和發(fā)現(xiàn)速度加快。如何迅速有效地發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的作用靶點(diǎn),闡明其作用機(jī)理,使之成為新藥上市,是長期以來困擾醫(yī)藥工作者的一大難題。鑒于此,反向分子對(duì)接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文就反向分子對(duì)接技術(shù)的發(fā)展、特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望等方面進(jìn)行了綜述,并探討其在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)中的作用。一、計(jì)算機(jī)仿真等通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)藥物發(fā)現(xiàn)途徑21世紀(jì)是生命科學(xué)的時(shí)代,如何行之有效地開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新藥成為當(dāng)代醫(yī)藥研發(fā)的熱點(diǎn)。為了加快藥物的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程,藥物化學(xué)專家通過全新藥物合成的方法制備了大量候選化合物,而天然產(chǎn)物也以其來源廣、成分多樣、毒副作用小等優(yōu)點(diǎn),成為藥物的又一發(fā)現(xiàn)途徑。然而新藥的發(fā)現(xiàn)是個(gè)極具挑戰(zhàn)的過程,常常需要耗費(fèi)大量的人力和物力資源。隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)與計(jì)算化學(xué)的發(fā)展,基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的藥物發(fā)現(xiàn)過程逐漸為人們所重視。與傳統(tǒng)藥物篩選過程相比,計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)從理論出發(fā),避免傳統(tǒng)藥物篩選過程中的盲目性并能進(jìn)行直觀的設(shè)計(jì),它的出現(xiàn)極大地節(jié)省了資本,加快了新藥開發(fā)的進(jìn)程。2001年反向分子對(duì)接(inversedocking)概念的提出,無疑為藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)掀起了一場新的革命。繼INVDOCK軟件后,TarFisDock、PharmMapper等免費(fèi)在線服務(wù)器為人們所熟知并逐漸得到認(rèn)可。其方便快捷的預(yù)測功能為藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供了至關(guān)重要的作用,是藥物研究與開發(fā)及中藥現(xiàn)代化進(jìn)程中不可或缺的重要工具。二、合成物聯(lián)合探針反向分子對(duì)接基于FisherE的“鎖-鑰匙模型學(xué)說”而提出(圖1)。它以小分子化合物(天然產(chǎn)物、先導(dǎo)化合物及化學(xué)合成物)為探針,在已知結(jié)構(gòu)的靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)搜尋可能與之結(jié)合的生物大分子,通過空間和能量匹配相互識(shí)別形成分子復(fù)合物,進(jìn)而預(yù)測藥物潛在的作用靶點(diǎn)。根據(jù)配-受體之間的匹配程度,反向分子對(duì)接可分為藥效團(tuán)模型法(pharmacophore)、配體相似法(ligandsimilarity)和結(jié)合位點(diǎn)相似法(sitesimilarity)等。三、na和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的促生劑基因組測序的完成與結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展,是許多生物大分子(DNA、RNA和蛋白質(zhì))結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫得以促生的主要原因。通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的生物大分子信息進(jìn)行整理與分類并結(jié)合分子生物學(xué)驗(yàn)證,構(gòu)建疾病相關(guān)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,是反向分子對(duì)接技術(shù)得以迅速推廣的關(guān)鍵所在。相關(guān)數(shù)據(jù)庫見表1。四、配體的分子動(dòng)力學(xué)模擬來源于靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的生物大分子,經(jīng)修飾后與特定的小分子化合物進(jìn)行匹配,根據(jù)受體與配體分子的性質(zhì)和形狀的互補(bǔ)性,調(diào)整分子構(gòu)象,計(jì)算對(duì)接時(shí)各個(gè)取向的受體-配體相互作用能量,進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算,求得復(fù)合物的全局最優(yōu)化結(jié)合構(gòu)象,即得到最佳的對(duì)接靶點(diǎn)(hittargets)。具體的反向分子對(duì)接流程如圖2所示。五、反向分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)服務(wù)器或軟件是反向分子對(duì)接得以順利開展和進(jìn)行的橋梁。INVDOCK是新加坡國立大學(xué)于2001年開發(fā)的首款反向分子對(duì)接程序,該軟件采用結(jié)合位點(diǎn)相似法,通過與TTD、DART和ADME-AP三大藥物潛在靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫相連,成功對(duì)四氫他莫昔芬和維生素E的作用靶點(diǎn)、毒副作用及代謝特征進(jìn)行了預(yù)測。INVDOCK的成功值得充分肯定,然而其繁瑣的操作和復(fù)雜的程序卻令許多非專業(yè)人員望而卻步。為了解決這一難題,中科院上海藥物研究所蔣華良課題組開發(fā)了藥物靶點(diǎn)預(yù)測的免費(fèi)公共平臺(tái)-TarFisDock。該服務(wù)器基于DOCK的分子碎片生長原理,通過搜索PDTD數(shù)據(jù)庫,可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)預(yù)測到小分子化合物的作用靶點(diǎn)。隨后蔣華良與沈旭等合作,采用該程序發(fā)現(xiàn)了一種抗幽門螺旋桿菌天然產(chǎn)物的作用靶點(diǎn)-PDF蛋白。TarFisDock以其特有的方便快捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于藥物靶點(diǎn)預(yù)測中[7~9]。PharmMapper是繼TarFisDock之后蔣華良課題組推出的另一款免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。該程序采用藥效團(tuán)匹配法,通過對(duì)TargetBank、DrugBank、BindingDB和PDTD四大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行快速檢索而獲得藥物靶點(diǎn)信息。該服務(wù)器內(nèi)含7302個(gè)藥效團(tuán)模型,涵蓋了110種臨床適應(yīng)癥。與TarFisDock相比PharmMapper具有運(yùn)算速度更快,靶點(diǎn)信息更全面等優(yōu)點(diǎn)。2011年英國麗茲大學(xué)JacksonRM課題組開發(fā)了ReverseScreen3D。該服務(wù)器基于PDB數(shù)據(jù)庫,通過自行構(gòu)建藥物靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,采用LigMatch匹配法,尋找能與特定小分子化合物匹配的生物大分子。截止到2011年06月,該服務(wù)器內(nèi)涵9536個(gè)生物大分子結(jié)合位點(diǎn)信息,其應(yīng)用有待驗(yàn)證。idTarget由國立臺(tái)灣大學(xué)生物信息學(xué)課題組開發(fā)的另一款內(nèi)含7864個(gè)靶點(diǎn)的免費(fèi)在線服務(wù)器。它采用改良的Autodock評(píng)分功能,首先在受體分子內(nèi)部形成規(guī)則網(wǎng)格,采用分子或碎片作為探針,將其逐個(gè)置于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上,應(yīng)用力場分析方法,計(jì)算探針原子與靶點(diǎn)的相互作用能,進(jìn)而確定結(jié)合位點(diǎn)。該程序允許小分子化合物的構(gòu)象發(fā)生變化,以結(jié)合自由能作為評(píng)價(jià)對(duì)接結(jié)果的依據(jù)。idTarget已經(jīng)成功應(yīng)用于蛋白激酶抑制劑和他汀類藥物靶點(diǎn)的預(yù)測。面對(duì)著紛雜的反向分子對(duì)接程序,適宜的選擇對(duì)于實(shí)驗(yàn)的順利開展與進(jìn)行顯得至關(guān)重要。鄭榮等采用Autodock和TarFisDock預(yù)測了四種茶多酚(EGCG、EGC、ECG和EC)抗腫瘤作用的相關(guān)靶點(diǎn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種程序預(yù)測結(jié)果具有顯著的差異。付偉課題組以八種小分子化合物為藥物探針,對(duì)比GOLD、FlexX、DOCK、TarSearch-X和TarSearch-M的反向靶點(diǎn)預(yù)測能力。結(jié)果顯示TarSearch-X的預(yù)測結(jié)果最為精準(zhǔn),GOLD次之,而且TarSearch-X和GOLD亦可用于藥物毒副作用的預(yù)測。對(duì)接原理的不同可能是造成上述差異的主要原因。在生物信息學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天,將會(huì)涌現(xiàn)出更多快而精準(zhǔn)的反向分子對(duì)接軟件,其功能將備受矚目,有待驗(yàn)證。相關(guān)程序見表2。六、采用反向分子對(duì)接技術(shù)反向分子對(duì)接技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了藥物的研發(fā)思路,加快了藥物開發(fā)的進(jìn)程,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)。董子剛課題組采用TarFisDock搜索姜辣素治療腫瘤的靶點(diǎn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)白三烯A4水解酶與姜辣素具有較高的親和力,提示其可能是姜辣素發(fā)揮抗腫瘤作用的關(guān)鍵靶點(diǎn),該預(yù)測已得到分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。反向分子對(duì)接技術(shù)與蛋白質(zhì)組學(xué)及生物信息學(xué)相結(jié)合,闡明天然產(chǎn)物的多靶點(diǎn)特性已成為當(dāng)今中藥現(xiàn)代化研究的新方法。果德安課題組結(jié)合雙向凝膠電泳,借助TarFisDock首次闡明了靈芝酸D通過直接與14-3-3蛋白結(jié)合而發(fā)揮抗腫瘤作用。隨后該組采用類似的方法,闡明了丹酚酸B發(fā)揮心血管保護(hù)作用的機(jī)理與直接和表皮生長因子受體(EGFR)結(jié)合有關(guān)。魯碧楠等(2010年)亦采用反向分子對(duì)接技術(shù)發(fā)現(xiàn)了小檗堿引起細(xì)胞凋亡的機(jī)理與P53蛋白有關(guān)。除了藥物靶點(diǎn)預(yù)測功能外,反向分子對(duì)接在評(píng)價(jià)藥物毒副作用機(jī)制的研究中亦發(fā)揮著巨大的作用。藥物的不良反應(yīng)是新藥篩選的難題,也是導(dǎo)致藥品撤市的主要原因,因此快速精準(zhǔn)的毒性預(yù)測有利于降低藥物研發(fā)的資本,加快新藥開發(fā)進(jìn)程。紀(jì)志梁等于2006年采用INVDOCK算法對(duì)11種已上市的抗艾滋病藥物的毒副作用進(jìn)行了預(yù)測,其結(jié)果與FDA藥物不良反應(yīng)數(shù)據(jù)庫的報(bào)道驚人地相似。曹志偉課題組(2011年)也采用類似的方法成功地預(yù)測了三聚氰胺的毒性。反向分子對(duì)接技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。OliveroVerbel等通過TarFisDock發(fā)現(xiàn)二噁英引起人體病理性改變的原因與其直接與金屬基質(zhì)蛋白、環(huán)氧角鯊烯環(huán)化酶和髓過氧物酶等結(jié)合有關(guān)。七、反向分子對(duì)接的應(yīng)用前景與展望反向分子對(duì)接技術(shù)的出現(xiàn),徹底地改變了新藥研發(fā)的思路,為后續(xù)生物學(xué)驗(yàn)證的順利進(jìn)行指明了方向,同時(shí)在某種程度上極大地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟蛔?。該方法將成功地?yīng)用于藥物作用靶點(diǎn)預(yù)測、老藥新用、毒副作用預(yù)測及新藥研發(fā)中。對(duì)于擁有五千年悠久歷史的傳統(tǒng)中草藥而言,進(jìn)軍國際市場一直是中醫(yī)藥學(xué)者孜孜不倦的追求。反向分子對(duì)接的出現(xiàn)和發(fā)展無疑為中藥現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)提供新的手段。然而面對(duì)著天然產(chǎn)物單一成分多靶點(diǎn),組方復(fù)雜多變的特性,反向分子對(duì)接技術(shù)仍然顯示出了很大的不足。僅憑經(jīng)驗(yàn)用藥的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返,如何更為科學(xué)有效地闡明其作用機(jī)制、加快中