我校藥學(xué)院羅海彬教授研究團(tuán)隊(duì)自主發(fā)展了加速的自由能微擾-絕對(duì)結(jié)合自由能計(jì)算新方法（GA-FEP），取得藥物設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的新突破，實(shí)現(xiàn)自由能微擾（FEP）/藥物設(shè)計(jì)方法的國(guó)產(chǎn)化和自主可控。在抗擊新冠肺炎研究中，該GA-FEP方法首次一周內(nèi)完成對(duì)老藥數(shù)據(jù)庫(kù)的高精度篩選，從而預(yù)測(cè)出25個(gè)對(duì)新冠肺炎主蛋白酶Mpro有較高親合力的藥物，進(jìn)一步的體外活性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)了15個(gè)Mpro抑制劑（Ki 為 0.04至3.3 μM），表現(xiàn)出較高的活性化合物命中率。特別值得一提的是，抑制活性最優(yōu)的藥物雙嘧達(dá)莫對(duì)新冠肺炎獲得較好的臨床治療效果，從而進(jìn)一步驗(yàn)證GA-FEP方法的可靠性。該GA-FEP方法既可以明顯提高藥物/靶標(biāo)親合力的預(yù)測(cè)精度（理論親合力與實(shí)驗(yàn)親合力差值絕大多數(shù)小于2 kcal/mol），還可以提高預(yù)測(cè)速度（傳統(tǒng)FEP方法每個(gè)化合物的預(yù)測(cè)時(shí)間為30-60天，本方法縮短為1天以內(nèi)，效率提高30-60倍），從而提高創(chuàng)新藥物篩選的成功率并降低研發(fā)時(shí)間。除了高精度篩選外，該GA-FEP方法還可以應(yīng)用于其他新藥設(shè)計(jì)工作中，如骨架躍遷和全新藥物設(shè)計(jì)等，以提高先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化效率。
上述研究結(jié)果，于2020年10月13日以Article形式發(fā)表在PNAS，題為"Identify potent SARS-CoV-2 main protease inhibitors via accelerated free energy perturbation-based virtual screening of existing drugs"。中山大學(xué)藥學(xué)院李哲博士、中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院李昕博士生和中山大學(xué)藥學(xué)院黃儀有博士為本文的并列第一作者。本文通訊作者為中山大學(xué)藥學(xué)院羅海彬教授、中國(guó)海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院王鑫教授、肯塔基大學(xué)藥學(xué)院湛昌國(guó)教授和中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院崔雋教授。中科院上海藥物所、蘭州大學(xué)、廣州醫(yī)科大學(xué)等單位也參與本課題的研究。
本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金等經(jīng)費(fèi)的支持，同時(shí)也得到了騰訊云，廣州、深圳、天津、北京等超級(jí)計(jì)算中心的大力支持。
研究背景：
當(dāng)前人類健康領(lǐng)域面臨若干的重大挑戰(zhàn)，包括重大疾病（如惡性腫瘤、糖尿病、心血管疾病等）及突發(fā)的惡性傳染病（如新冠肺炎、SARS、埃博拉等）。因此，亟需加快新藥研發(fā)速度，以應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，尤其是大規(guī)模突發(fā)疫情來襲之時(shí)，盡快獲得應(yīng)急藥物以控制疫情的發(fā)展。如何精準(zhǔn)預(yù)測(cè)藥物與靶標(biāo)的親合力（結(jié)合自由能）以獲得高親合力的小分子藥物，一直是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“圣杯”，若能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)藥物/靶標(biāo)親合力，將能加速先導(dǎo)化合物藥物的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化效率，從而明顯縮短新藥創(chuàng)制周期及降低研發(fā)成本。
自由能微擾（FEP）是一種基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論嚴(yán)格推導(dǎo)而來的方法，具有較高的理論精度，在藥物/靶標(biāo)親合力預(yù)測(cè)方面具有很好的應(yīng)用前景。然而，該類方法對(duì)計(jì)算資源消耗極大（傳統(tǒng)CPU服務(wù)器使用該方法預(yù)測(cè)一個(gè)藥物與靶標(biāo)親合力需要1-2個(gè)月），且缺乏公認(rèn)的最佳流程，尚未得到廣泛的應(yīng)用。近年，藥物設(shè)計(jì)頂級(jí)軟件薛定諤發(fā)展的自由能微擾/相對(duì)自由能預(yù)測(cè)方法受到制藥和科研工作者的極大關(guān)注（JACS 2015, 137, 2695），然而該方法主要被應(yīng)用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)相似配體間的相對(duì)結(jié)合自由能（一般兩配體結(jié)構(gòu)差異小于10個(gè)重原子），無法預(yù)測(cè)不同骨架的化合物與靶標(biāo)的親合力，且許可費(fèi)用昂貴，限制了該方法的應(yīng)用范圍。
本次進(jìn)展：
1.發(fā)展了自由能微擾新方法GA-FEP，取得藥物設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的新突破，實(shí)現(xiàn)自主可控
藥學(xué)院羅海彬/李哲研究團(tuán)隊(duì)一直致力于將現(xiàn)代物理學(xué)手段應(yīng)用于新藥研發(fā)，以提升藥物/靶標(biāo)親合力的預(yù)測(cè)精度及速度。為了發(fā)展基于FEP的新方法，并推動(dòng)該方法真正應(yīng)用于新藥設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于FEP的絕對(duì)結(jié)合自由能計(jì)算方法（GA-FEP）。前期工作中，他們通過研究FEP計(jì)算得到的概率分布特征，研發(fā)了第一代用于預(yù)測(cè)藥物/靶標(biāo)親合力（絕對(duì)結(jié)合自由能）GA-FEP方法，并成功將該方法應(yīng)用于PDE10抑制劑先導(dǎo)化合物的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化（從苗頭化合物到先導(dǎo)化合物，抑制活性得到了2000多倍的提升，J. Med. Chem. 2019, 62, 2099–2111）。
為了大幅度提高GA-FEP的預(yù)測(cè)速度，以提高藥物設(shè)計(jì)效率，項(xiàng)目組推導(dǎo)了能準(zhǔn)確描述FEP熱力學(xué)循環(huán)中添加束縛步驟 概率分布的公式，并將其命名為RED函數(shù)。RED函數(shù)極大加速了GA-FEP方法的預(yù)測(cè)速度。如圖1（a）所示，計(jì)算約束能量過程中，采樣得到的 （黃點(diǎn)）可以很好地被RED函數(shù)擬合（紅線）。通常來講，約束能量需要12個(gè)λ窗口才能夠準(zhǔn)確計(jì)算。而經(jīng)RED函數(shù)分析，擬合，并計(jì)算能量后，相比于通常的12個(gè)λ窗口，新方法使用一步微擾（2個(gè)λ窗口）即可準(zhǔn)確計(jì)算約束能量。使用3個(gè)靶標(biāo)及28個(gè)配體進(jìn)行測(cè)試，工作中發(fā)現(xiàn)一步微擾（2λ窗口）以及12λ窗口得出的結(jié)果基本一致，具有極好的相關(guān)性（如下圖所示），對(duì)于所有體系，兩種方式計(jì)算得到的誤差小于0.5 kcal/mol。這些工作和發(fā)現(xiàn)極大加速了FEP-ABFE的預(yù)測(cè)速度，并使得GA-FEP方法首次能應(yīng)用于新藥的虛擬篩選研究中。
圖1. RED函數(shù)明顯加快預(yù)測(cè)速度
2.實(shí)現(xiàn)GA-FEP方法在突發(fā)疫情應(yīng)急藥物響應(yīng)方面的典型應(yīng)用
新冠病毒肺炎大流行已成為全球性危機(jī)，但目前尚缺少針對(duì)新冠肺炎的有效治療方法。通過老藥新用，有望快速發(fā)現(xiàn)較為安全的新冠肺炎治療藥物。團(tuán)隊(duì)采用了如圖2所示的研究策略，從已知藥物化合物庫(kù)（含2500種藥物）中尋找針對(duì)新冠肺炎的治療藥物。以新冠病毒SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）為靶點(diǎn)，首先經(jīng)過分子對(duì)接得到100個(gè)分子，而后一周內(nèi)完成了該100個(gè)化合物與Mpro的GA-FEP預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)出25個(gè)老藥分子，體外生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證15個(gè)藥物對(duì)Mpro具有較高的抑制活性（Ki均小于4 μM），活性藥物的成功率高達(dá)60%。特別值得一提的是，這16個(gè)藥物與靶標(biāo)的理論親合力與實(shí)驗(yàn)親合力差值絕大多數(shù)均小于2 kcal/mol，而藥物設(shè)計(jì)中常用的MM-PBSA和GBSA兩種方法得到的差值均大于10 kcal/mol，充分說明GA-FEP方法在藥物/靶標(biāo)親合力的預(yù)測(cè)精度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。總的來說，GA-FEP方法不但可以提高藥物/靶標(biāo)親合力的預(yù)測(cè)精度，還可以明顯提高預(yù)測(cè)速度（傳統(tǒng)FEP方法每個(gè)化合物的預(yù)測(cè)需要30-60天，本方法縮短為1天以內(nèi)，效率提高30-60倍），從而提高創(chuàng)新藥物篩選的成功率并降低研發(fā)時(shí)間。
圖2. 本研究采用基于GA-FEP的高精度篩選策略
有意思的是，坎地沙坦酯的代謝產(chǎn)物坎地沙坦也對(duì)Mpro具有較好的抑制活性。Disulfiram和Atazanavir在其他報(bào)道中也被確證為Mpro抑制劑，其余14個(gè)均由本文首次發(fā)現(xiàn)為Mpro抑制劑。16個(gè)藥物中，抑制活性最高的化合物為由本方法首次發(fā)現(xiàn)的雙嘧達(dá)莫（Dipyridamole，圖3），Ki為40 nM，進(jìn)一步病毒細(xì)胞實(shí)驗(yàn)獲得該化合物的EC50 為100 nM。特別值得一提的是，在后續(xù)兩輪多中心臨床實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了該化合物具有較好的治療效果：在超過100例的臨床試驗(yàn)中，普通型新冠患者三周出院率為100%，重型患者三周出院率為87.5%。部分臨床結(jié)果已發(fā)表在藥學(xué)權(quán)威期刊Acta Pharm. Sin. B（2020, 10, 1205-1215），并入選今年7月份該刊的封面故事。
圖3. 通過自由能微擾GA-FEP方法高精度篩選獲得2個(gè)活性最優(yōu)的Mpro抑制劑
