虛擬篩選的常見(jiàn)驗(yàn)證方法及其在新藥研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，針對(duì)各種疾病靶點(diǎn)展開(kāi)的藥物篩選已成為藥物研發(fā)的根本策略。目前，基于計(jì)算機(jī)的虛擬篩選技術(shù)因其高效、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在新藥研發(fā)領(lǐng)域嶄露頭角，今天就隨小 M 一起來(lái)看下吧~



傳統(tǒng)的高通量篩選需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)大量化合物進(jìn)行生物活性篩選，實(shí)驗(yàn)及設(shè)備操作繁瑣，成本較高。相較之下，虛擬篩選則是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測(cè)的方法，在大量化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出具有潛在生物活性的化合物，能夠大大加速藥物研發(fā)過(guò)程，減少實(shí)驗(yàn)成本和研發(fā)周期，虛擬篩選涉及計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì) (Computer-Aided Drug Design,CADD) 技術(shù)，包括分子對(duì)接、藥物性質(zhì)預(yù)測(cè)、藥物相互作用預(yù)測(cè)等。

 

虛擬篩選既有基于蛋白結(jié)構(gòu)的篩選方法 (也稱為對(duì)接)，也有基于數(shù)據(jù)庫(kù)中小分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相似性的配體篩選方法。由于基于配體的虛擬篩選極大依賴于現(xiàn)有的特定活性化合物信息，所以在實(shí)際應(yīng)用上存在很大的局限性；而隨著 AlphaFold 時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的蛋白結(jié)構(gòu)已被精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)到，基于對(duì)接的虛擬篩選的方法已逐漸突破禁錮，在新藥研發(fā)領(lǐng)域大放異彩！ 

 

新藥研發(fā)是一個(gè)耗時(shí)且成本高昂的研發(fā)過(guò)程。與新藥研發(fā)相比，藥物再利用 (也稱為老藥新用) 具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，基于已知活性化合物的藥物研發(fā)，可以降低藥物研發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)；另外，MCE 活性化合物庫(kù)的化合物大都具有明確活性報(bào)道或處于臨床試驗(yàn)階段， 以此進(jìn)行篩選可以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

 

近年來(lái)，越來(lái)越多的老藥新用的案例已經(jīng)進(jìn)入臨床研究之中。例如， 米諾地爾最初作為一種治療高血壓的藥物進(jìn)入臨床，后被研究發(fā)現(xiàn)其具有很好的刺激毛發(fā)生長(zhǎng)的療效，現(xiàn)已廣泛用于脫發(fā)的治療之中。此外，作為一種曾經(jīng)廣為人知的解熱鎮(zhèn)痛藥，阿司匹林在 2015 年 9 月也被 USPSTF (美國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)工作組) 確認(rèn)具有預(yù)防心血管疾病和結(jié)直腸癌的作用。已批準(zhǔn)上市藥物由于具有良好的生物活性、藥代動(dòng)力學(xué)特性和安全性，特別適合老藥新用的研究。

一般而言，藥物再利用策略需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：(1) 確定具有疾病治療作用的候選分子；(2) 對(duì)候選藥物臨床前模型進(jìn)行機(jī)制探究；(3) 臨床試驗(yàn)的療效評(píng)估。通過(guò)計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)方法初步確定具有療效的候選分子已經(jīng)成為藥物再利用研究中的重要一步�；�于結(jié)構(gòu)的分子對(duì)接技術(shù)已被廣泛用于預(yù)測(cè)配體 (藥物) 和治療靶點(diǎn) (通常是蛋白質(zhì)) 之間的結(jié)合親和力中 (圖 4)。

 

 

前面給大家介紹了虛擬篩選技術(shù)及老藥新用策略的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)，那么如何對(duì)虛擬篩選得到的候選化合物進(jìn)行驗(yàn)證呢？下面跟著小 M 一起看看吧！

1.分子動(dòng)力學(xué)模擬 
分子動(dòng)力學(xué) (Molecular Dynamics，MD) 模擬是一種基于牛頓力學(xué)、綜合了物理，數(shù)學(xué)和化學(xué)等多種學(xué)科的計(jì)算機(jī)模擬方法，用于研究分子體系的運(yùn)動(dòng)和相互作用、預(yù)測(cè)分子體系的行為和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。通過(guò)計(jì)算機(jī)分子模擬，研究人員能夠在分子水平上理解生物大分子的運(yùn)動(dòng)與生物功能、蛋白-小分子之間相互作用機(jī)理。目前，MD已廣泛用于生物醫(yī)藥、物理、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，是對(duì)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。

 

2. 親和質(zhì)譜篩選 
“精準(zhǔn)” 靶向藥物分子設(shè)計(jì)策略是以疾病相關(guān)的藥物靶標(biāo)－配體精確相互作用為理論基礎(chǔ)，通過(guò)藥物活性成分與疾病相關(guān)的特定生物靶點(diǎn)相互作用， 發(fā)現(xiàn)對(duì)靶蛋白具有親和力、特異性強(qiáng)的小分子配體。親和質(zhì)譜技術(shù)（Affinity Selection Mass Spectrometry）作為一種間接篩選小分子配體的方法， 已經(jīng)成功應(yīng)用于許多受體、酶等靶蛋白的配體篩選，并且得到了廣泛應(yīng)用。

 

圖 6. 親和質(zhì)譜篩選流程。

3. SPR 檢測(cè) 
表面等離子共振 (Surface Plasmon Resonance，簡(jiǎn)稱 SPR) 是借助傳統(tǒng)光學(xué)現(xiàn)象，利用光在不同介質(zhì)中產(chǎn)生消逝波后與等離子波產(chǎn)生共振，進(jìn)而可以構(gòu)建生物分子相互作用的生物傳感分析技術(shù)，用以檢測(cè)生物傳感芯片上配位體與分析物之間的相互作用情況。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SPR 就是根據(jù)金屬表面偶聯(lián)的配體是否與分析物結(jié)合而產(chǎn)生不同的共振角，通過(guò)監(jiān)測(cè)共振角度的變化，可以推斷出生物分子相互作用的親和性、親合常數(shù)、結(jié)合動(dòng)力學(xué)等信息。

SPR 技術(shù)在藥物篩選、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用研究、抗體-抗原結(jié)合等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用和重要價(jià)值。

圖 7. SPR 技術(shù)原理與結(jié)果示意圖。

 
案例一
南京大學(xué)鼓樓醫(yī)院 Zhang Wenlong 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) MCE 活性化合物庫(kù)中的 Wedelolactone 具有潛在的 GPD1 激動(dòng)活性，實(shí)現(xiàn)藥物再利用[5]。

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

  在這項(xiàng)研究中，作者通過(guò)進(jìn)行虛擬篩選，從 MCE 活性化合物庫(kù)中獲得了 GPD1 變構(gòu)激活劑 Wedelolactone，并在體外和體內(nèi)證明了其抑制膀胱腫瘤生長(zhǎng)的能力：GPD1 酶活性分析系統(tǒng)確定化合物對(duì) GPD1 酶活性的激活作用（圖 G-H），選擇酶活實(shí)驗(yàn)中活性最強(qiáng)的 Wedelolactone，利用 MST 法證明其與 GPD1 具有較好的結(jié)合親和力（K_d=505 nM）(圖 F)。使用 10 µM 的 Wedelolactone 處理 5637 和 T24 細(xì)胞，發(fā)現(xiàn) Wedelolactone 可以顯著增加細(xì)胞內(nèi)的 G3P 和 NAD+，Wedelolactone 激活了膀胱癌細(xì)胞中內(nèi)源性 GPD1 的催化活性。


案例二
香港中文大學(xué) Wang Yifei 團(tuán)隊(duì)利用 MCE 活性化合物庫(kù)順利找到能夠作用于 MCM6 靶點(diǎn)抑制劑[6]。

發(fā)表期刊：Theranostics（IF=12.4）

在該研究中，作者首先通過(guò) RNA 測(cè)序 (RNA-seq) 和基因芯片篩選 YAP 的下游靶點(diǎn)，并通過(guò) ChIP PCR 和熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn) MCM6 是 GC 中潛在的 YAP 下游靶點(diǎn)。由于目前沒(méi)有已知可用的 MCM6 抑制劑，作者對(duì) MCE 活性化合物庫(kù)進(jìn)行了虛擬篩選，確定了 Purpureaside C  這一新的 MCM6 抑制劑，并對(duì)其進(jìn)行了活性驗(yàn)證，證實(shí)了二者之間的相互作用。

 

案例三
湖南省人民醫(yī)院聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)兒童醫(yī)院聯(lián)合研究找出 MCE 活性化合物庫(kù)中的 PALB2-BRCA2 PPI 抑制劑 Pentagalloylglucose[7]。
發(fā)表期刊：Cancer Letters（IF= 9.756）

在本研究中，作者對(duì) HTS Compound Library 和 MCE Bioactive Compound Library Plus 兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)約 200 萬(wàn)個(gè)小分子進(jìn)行了基于結(jié)構(gòu)的虛擬篩選和基于nanobit的篩選，通過(guò)SPR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了 Pentagalloylglucose (PGG) 這一化合物，可以破壞 PALB2-BRCA2 的蛋白-蛋白相互作用：PGG 可以結(jié)合在 BRCA2 肽與 PALB2 的結(jié)合口袋中，減少 BRCA2 向 DNA 損傷位點(diǎn)的募集，抑制 RAD51 病灶的形成，抑制同源重組修復(fù)。
此外，PGG 還能抑制包括乳腺癌和髓母細(xì)胞瘤細(xì)胞在內(nèi)的多種癌細(xì)胞系的增殖和存活，并抑制腫瘤異種移植物的體內(nèi)生長(zhǎng)，在癌癥治療中具有潛在的價(jià)值，可以提高腫瘤對(duì) PARP 抑制劑和放療敏感性。

MCE 擁有專業(yè)的虛擬篩選團(tuán)隊(duì)、高性能的計(jì)算機(jī)服務(wù)器、高度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)隱私管理，可提供專業(yè)的分子對(duì)接、虛擬篩選及后續(xù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的一站式藥篩服務(wù)服務(wù)。更有 40 余種高通量化合物庫(kù)，涵蓋 600 萬(wàn)有現(xiàn)貨、可重復(fù)供應(yīng)、結(jié)構(gòu)多樣、具有類藥性的化合物，任您挑選。虛擬篩選技術(shù)在挖掘已知活性化合物新用途上優(yōu)勢(shì)多多，下一個(gè)發(fā)現(xiàn)新藥的人就是你！

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Bioactive Compound Library 這類化合物一般比較容易透過(guò)細(xì)胞膜，作用于細(xì)胞內(nèi)特定的靶蛋白，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，進(jìn)而引起細(xì)胞表型的一些變化。Bioactive Compound Library 包含 17212 種具有明確報(bào)道的、活性已知、靶點(diǎn)明確的小分子化合物，包括天然產(chǎn)物，新型化合物，已上市化合物及處于臨床期化合物等，可以用于信號(hào)通路研究，新藥研發(fā)，老藥新用等不同的篩選目的。

Drug Repurposing Compound Library 新藥研發(fā)是一個(gè)耗時(shí)且成本高昂的研發(fā)過(guò)程，此庫(kù)包括 4313 種批準(zhǔn)上市藥物及臨床Ⅰ期以后化合物，這些化合物已經(jīng)完成了廣泛的臨床前和臨床研究，具有良好的生物活性、安全性和生物利用度，特別適合藥物新適應(yīng)癥的研究。

FDA-Approved Drug Library  與新藥研發(fā)相比，藥物再定位 (也稱為老藥新用) 具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，降低了藥物研發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)；其次，可以縮短研發(fā)周期；最后，降低研發(fā)成本。批準(zhǔn)上市藥物由于具有良好的生物活性、藥代動(dòng)力學(xué)特性和安全性，特別適合老藥新用的研究。此庫(kù)包含 2772 個(gè)批準(zhǔn)上市的化合物，這些化合物已經(jīng)完成了廣泛的臨床前和臨床研究，具有良好的生物活性、安全性和生物利用度。MCE FDA 上市庫(kù)是一種很好的藥物再利用工具，可以顯著加快藥物開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

EMA-Approved Drug Library 此庫(kù)包含 647 種具有藥理多樣性EMA批準(zhǔn)上市藥物。該化合物庫(kù)中所有藥物均已完成廣泛的臨床前和臨床研究，具有良好的生物活性、安全性和生物利用度，是進(jìn)行藥物重定位的一個(gè)有用工具，可以大大加快藥物開(kāi)發(fā)速度。

MCE的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)。


參考文獻(xiàn)：
[1] Cox PB, et al. Contemporary Computational Applications and Tools in Drug Discovery. ACS Med Chem Lett. 2022 Jun 1;13(7):1016-1029. 
[2] Polgár T, et al. Integration of virtual and high throughput screening in lead discovery settings. Comb Chem High Throughput Screen. 2011 Dec;14(10):889-97.
[3] Pushpakom S, et al. Drug repurposing: progress, challenges and recommendations. Nat Rev Drug Discov. 2019 Jan;18(1):41-58.
[4] Liu S, et al. In silico-determined compound from the root of Pueraria lobate alleviates synaptic plasticity injury induced by Alzheimer's disease via the p38MAPK-CREB signaling pathway. Food Funct. 2021 Feb 15;12(3):1039-1050.
[5] Zhang W, et al. Allosteric activation of the metabolic enzyme GPD1 inhibits bladder cancer growth via the lysoPC-PAFR-TRPV2 axis. J Hematol Oncol. 2022 Jul 14;15(1):93.
[6] Wang Y, et al.MCM6 is a critical transcriptional target of YAP to promote gastric tumorigenesis and serves as a therapeutic target. Theranostics. 2022 Sep 6;12(15):6509-6526.
[7] Zeng J, et al. Pentagalloylglucose disrupts the PALB2-BRCA2 interaction and potentiates tumor sensitivity to PARP inhibitor and radiotherapy. Cancer Lett. 2022 Oct 10;546:215851.