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大放异彩! 当虚拟筛选"撞上"老药新用？

临床医学

2023-11-30

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随着医学的发展，针对各种疾病靶点展开的药物筛选已成为药物研发的根本策略。目前，基于计算机的虚拟筛选技术因其高效、价格低等优势已经在新药研发领域崭露头角，今天就随小 M 一起来看下吧

传统的高通量筛选需要在实验室内对大量化合物进行生物活性筛选，实验及设备操作繁琐，成本较高。相较之下，虚拟筛选则是通过计算机模拟和预测的方法，在大量化合物数据库中筛选出具有潜在生物活性的化合物，能够大大加速药物研发过程，减少实验成本和研发周期，虚拟筛选涉及计算机辅助药物设计 (Computer-Aided Drug Design,CADD) 技术，包括分子对接、药物性质预测、药物相互作用预测等。

图 1. 各种计算方法在药物设计上的应用^[1]。

虚拟筛选既有基于蛋白结构的筛选方法 (也称为对接)，也有基于数据库中小分子化学结构相似性的配体筛选方法。由于基于配体的虚拟筛选极大依赖于现有的特定活性化合物信息，所以在实际应用上存在很大的局限性；而随着 AlphaFold 时代的到来，越来越多的蛋白结构已被精准的预测到，基于对接的虚拟筛选的方法已逐渐突破禁锢，在新药研发领域大放异彩！

图 2. 虚拟筛选方法的示意图^[2]。

新药研发是一个耗时且成本高昂的研发过程。与新药研发相比，药物再利用 (也称为老药新用) 具有很多优势。首先，基于已知活性化合物的药物研发，可以降低药物研发失败风险；另外，MCE 活性化合物库的化合物大都具有明确活性报道或处于临床试验阶段，以此进行筛选可以缩短研发周期，降低研发成本。

图 3. MCE 一站式药筛平台。

近年来，越来越多的老药新用的案例已经进入临床研究之中。例如， 米诺地尔最初作为一种治疗高血压的药物进入临床，后被研究发现其具有很好的刺激毛发生长的疗效，现已广泛用于脱发的治疗之中。此外，作为一种曾经广为人知的解热镇痛药，阿司匹林在 2015 年 9 月也被 USPSTF (美国预防医学工作组) 确认具有预防心血管疾病和结直肠癌的作用。已批准上市药物由于具有良好的生物活性、药代动力学特性和安全性，特别适合老药新用的研究。

一般而言，药物再利用策略需要经过三个步骤：(1) 确定具有疾病治疗作用的候选分子；(2) 对候选药物临床前模型进行机制探究；(3) 临床试验的疗效评估。通过计算方法和实验方法初步确定具有疗效的候选分子已经成为药物再利用研究中的重要一步。基于结构的分子对接技术已被广泛用于预测配体 (药物) 和治疗靶点 (通常是蛋白质) 之间的结合亲和力中 (图 4)。

图 4. 药物再利用的方法^[3]。

前面给大家介绍了虚拟筛选技术及老药新用策略的应用及优势，那么如何对虚拟筛选得到的候选化合物进行验证呢？下面跟着小 M 一起看看吧！

1.分子动力学模拟

分子动力学 (Molecular Dynamics，MD) 模拟是一种基于牛顿力学、综合了物理，数学和化学等多种学科的计算机模拟方法，用于研究分子体系的运动和相互作用、预测分子体系的行为和结构性质。通过计算机分子模拟，研究人员能够在分子水平上理解生物大分子的运动与生物功能、蛋白-小分子之间相互作用机理。目前，MD已广泛用于生物医药、物理、化学和材料科学领域，是对理论计算和实验的有力补充。

图 5. 化合物与蛋白在结合 100 ns 的模拟图^[4]。

2. 亲和质谱筛选

“精准” 靶向药物分子设计策略是以疾病相关的药物靶标－配体精确相互作用为理论基础，通过药物活性成分与疾病相关的特定生物靶点相互作用，发现对靶蛋白具有亲和力、特异性强的小分子配体。亲和质谱技术（Affinity Selection Mass Spectrometry）作为一种间接筛选小分子配体的方法，已经成功应用于许多受体、酶等靶蛋白的配体筛选，并且得到了广泛应用。

图 6. 亲和质谱筛选流程。

3. SPR 检测

表面等离子共振 (Surface Plasmon Resonance，简称 SPR) 是借助传统光学现象，利用光在不同介质中产生消逝波后与等离子波产生共振，进而可以构建生物分子相互作用的生物传感分析技术，用以检测生物传感芯片上配位体与分析物之间的相互作用情况。简单来说，SPR 就是根据金属表面偶联的配体是否与分析物结合而产生不同的共振角，通过监测共振角度的变化，可以推断出生物分子相互作用的亲和性、亲合常数、结合动力学等信息。

SPR 技术在药物筛选、蛋白质-蛋白质相互作用研究、抗体-抗原结合等领域具有广泛应用和重要价值。

图 7. SPR 技术原理与结果示意图。

案例一

南京大学鼓楼医院 Zhang Wenlong 团队发现 MCE 活性化合物库中的 Wedelolactone 具有潜在的 GPD1 激动活性，实现药物再利用[5]。

发表期刊：Journal of Hematology & Oncology (IF= 28.5)

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图 8. 靶向 GPD1 的虚拟筛选及验证^[5]。

在这项研究中，作者通过进行虚拟筛选，从 MCE 活性化合物库中获得了 GPD1 变构激活剂 Wedelolactone，并在体外和体内证明了其抑制膀胱肿瘤生长的能力：GPD1 酶活性分析系统确定化合物对 GPD1 酶活性的激活作用（图 G-H），选择酶活实验中活性最强的 Wedelolactone，利用 MST 法证明其与 GPD1 具有较好的结合亲和力（K_d=505 nM）(图 F)。使用 10 µM 的 Wedelolactone 处理 5637 和 T24 细胞，发现 Wedelolactone 可以显著增加细胞内的 G3P 和 NAD+，Wedelolactone 激活了膀胱癌细胞中内源性 GPD1 的催化活性。

案例二

香港中文大学 Wang Yifei 团队利用 MCE 活性化合物库顺利找到能够作用于 MCM6 靶点抑制剂[6]。

发表期刊：Theranostics（IF=12.4）

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图 9. 靶向 MCM6 的抑制剂 Purpureaside C 的虚拟筛选^[6]。

在该研究中，作者首先通过 RNA 测序 (RNA-seq) 和基因芯片筛选 YAP 的下游靶点，并通过 ChIP PCR 和荧光素酶报告基因检测，进一步验证发现 MCM6 是 GC 中潜在的 YAP 下游靶点。由于目前没有已知可用的 MCM6 抑制剂，作者对 MCE 活性化合物库进行了虚拟筛选，确定了 Purpureaside C 这一新的 MCM6 抑制剂，并对其进行了活性验证，证实了二者之间的相互作用。

案例三

湖南省人民医院联合复旦大学儿童医院联合研究找出 MCE 活性化合物库中的 PALB2-BRCA2 PPI 抑制剂 Pentagalloylglucose[7]。

发表期刊：Cancer Letters（IF= 9.756）

图 10. 通过高通量虚拟筛选和基于 NanoBiT 的报告筛选鉴定 PGG 作为 PALB2-BRCA 2 抑制剂^[7]。

在本研究中，作者对 HTS Compound Library 和 MCE Bioactive Compound Library Plus 两个数据库约 200 万个小分子进行了基于结构的虚拟筛选和基于nanobit的筛选，通过SPR实验验证，确定了 Pentagalloylglucose (PGG) 这一化合物，可以破坏 PALB2-BRCA2 的蛋白-蛋白相互作用：PGG 可以结合在 BRCA2 肽与 PALB2 的结合口袋中，减少 BRCA2 向 DNA 损伤位点的募集，抑制 RAD51 病灶的形成，抑制同源重组修复。

此外，PGG 还能抑制包括乳腺癌和髓母细胞瘤细胞在内的多种癌细胞系的增殖和存活，并抑制肿瘤异种移植物的体内生长，在癌症治疗中具有潜在的价值，可以提高肿瘤对 PARP 抑制剂和放疗敏感性。

百度浏览来源 : MedChemExpress