基于结合热力学与动力学的药物设计方法的发展与应用

发布时间：2019-03-29 20:47

【摘要】：药物-靶标结合亲和力(Binding Affinity)可以用热力学参数(如结合常数KA、解离常数KD或结合自由能AGbinding)表示,是表征药物与靶标结合强度和药物-靶标复合物稳定性的重要参数；药物-靶标结合动力学参数(如结合速率常数kon和解离速率常数koff或结合活化自由能△Gon≡和解离活化自由能△off≠)既决定药物-靶标结合的热力学参数(KA=kon/koff),又与药物的药效、毒性等性质密切相关。传统的药物设计采用的是药物-靶标结合亲和力驱动的策略,认为结合亲和力是药理学的主要分子基础—结合亲和力越强,药效就越好。然而,最近的研究表明,与药效和药物安全性直接相关的是药物-靶标结合动力学,而非结合亲和力。因此,药物-靶标结合动力学逐渐得到重视,药物研发策略也逐渐开始既考虑药物结合亲和力,又重视药物结合动力学。然而,迄今为止可高效、准确预测结合动力学参数的计算方法仍然匮乏；此外,尽管结合热力学计算方法已历经多年的发展,但仍存在一些局限性和瓶颈问题,如结合亲和力(结合自由能)的计算精确性低；现有分子对接方法不能适用于一些特殊的靶标体系；分子模拟中的蛋白质柔性处理不够理想、分子构象空间采样不充分问题等等。立足于解决上述药物设计方法中存在的关键科学问题,本博十论文围绕药物-靶标结合热力学和结合动力学的计算,发展了一系列药物设计新方法,并与药物设计实践相结合,开展了系统性的研究工作。首先,本文第1章综述了药物-靶标相互作用和结合的原理、结合热力学和结合动力学计算方法的发展现状及存在的问题,为本文奠定了研究基础。第2章至第6章主要以发展或改进结合热力学相关的药物设计方法为主。第2章基于Ising模型与晶格理论,针对药物-离子通道相互作用特性,通过较为严格的数学推导,获得了定量描述药物与离子通道相互作用及其量-效关系的统计热力学模型,并将其应用于激动剂ztz240与钾离子通道KCNQ2作用机制的研究,准确地描述了ztz240-KCNQ2的量-效曲线,阐述了ztz240-KCNQ2的微观作用机制,预测了ztz240激活野生型／突变体杂合型KCNQ2离子通道的双S型量-效曲线,预测结果得到定点突变和电生理实验的确证。本文第3章改进了小分子构象采样方法Cyndi对构象能量的计算准确性,以此设计了计算速度快、构象采样准确率高和构象采样数目适宜的基于多经验准则(MECBM)的小分子构象采样方法,并将MECBM与其他药物设计方法联用,以表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor)的耐药型突变体EGFR-T790M/L858R为靶标,结合生物活性筛选实验与化合物结构修饰与优化研究,获得一系列高活性抑制EGFR-T790M/L858R的蝶啶酮类抑制剂,酶和细胞活性均高达低nM水平。本文第4章和第5章分别针对特殊的靶标体系(DNA和金属蛋白酶),发展了配体-DNA打分函数和配体-金属蛋白酶打分函数,借助非支配排序的多目标遗传算法NSGA Ⅱ,分别设计和发展了基于多目标优化模型的配体-DNA分子对接方法iDNASBinder和配体-金属蛋白酶分子对接方法iMpsDock。研究结果表明,DNASBinder可有效预测和表征配体分子与DNA碱基序列间的选择性结合机制,成功发现了转录因子AP-1(Activator Protein1)靶基囚序列的选择性结合剂藜芦胺等,被证实是靶向DNA药物设计的有力工具；iMpSDock可合理定量配位键的热力学性质,准确模拟和预测金属离子-配体间的多种配位键成键形式,成功建立了喹啉-4-甲酸酯类抑制剂与法尼基转移酶FTase(Farnesyltransferase)的构-效关系,为这类化合物的结构修饰与活性优化提供了线索,是靶向金属蛋白酶药物设计的有力工具。本文第6章通过重组和调整药物-靶标结合自由能计算方法MM-GBSA(Molecular Mechanical-Generalized Born Surface Area)中能量项的方法,设计了可针对特定靶标体系矫正和优化的结合自由能计算方法,并在此基础上设计了考虑蛋白质柔性和显性水分子的分子对接多目标优化模型,发展了分子对接方法iFitDock。研究结果表明,iFitDock预测药物分子和蛋白质柔性残基的活性结合构象的准确性高,并可合理表征关键水分子在药物-蛋白质间的介导作用。本文通过以2-氯-4-甲基-N-(2-奈基)-噻唑-5-酰胺为探针分子,采用iFitDock发现了人源二氢乳清酸脱氢酶(Human Dihydroorotate Dehydrogenase, hDHODH)的新结合位点,预测结果通过X-射线实验确证,进一步说明iFitDock是药物-靶标识别模拟中的有效新工具。本文第7章基于蛋白质折叠能量全景图(Energy Landscape)理论和化学反应过渡态理论,采用药物-靶标识别模拟方法iFitDock,引入药物-靶标结合构象空间离散化技术,发展了药物-靶标结合自由能全景图(Binding Free Energy Landscape)构建方法和药物-靶标结合热力学与动力学参数计算方法,并分别以抗阿尔兹海默病药物石杉碱甲(-(-)Huperizine A, HupA)和爱忆欣(Aricept(?), E2020)与加利福尼亚电鳐乙酰胆碱酯酶(Torpedo California Acetylcholinesterase,TcAChE)为体系,展开计算研究,通过与实验结果比较发现,HupA-TcAChE体系的结合自由能、结合活化自由能和解离活化自由能的计算预测值与实验值的偏差均小于1kcal/mol, E2020-TcAChE体系的相应计算结果与实验值的偏差均小于2kcal/mol,计算结果与实验结果相符合,说明本方法具有一定的准确性和可靠性,为基于药物一靶标结合动力学的药物设计策略了提供有力新方法。最后,本文第8章总结了全文的研究工作,并展望了今后的研究工作。综上所述,本文围绕药物一靶标结合热力学的计算,发展了一系列药物设计理论模型与药物设计新方法,包括定量描述激动剂激活离子通道量-效关系的统计热力学模型、配体-DNA分子对接方法iDNASBinder和配体-金属蛋白酶分子对接方法iMpSDock、考虑蛋白质柔性及显性水分子的分子对接方法iFitDock,完善或改进了基于结合热力学的药物设计方法；更为重要的是,本文发展了高效、准确性较高的药物-靶标结合动力学计算方法,为基于药物-靶标结合动力学的药物设计提供了有力工具。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R91

【参考文献】