从虚拟到现实，Uni-FEP助力HNE靶点先导化合物优化 | 靶点“探月”计划
先导化合物优化
先导化合物优化是药物研发早期非常重要的环节。药物化学家在采取诸如高通量筛选、基于结构的药物设计等手段得到先导化合物后，往往还需要围绕先导化合物的化学结构展开改造，进一步优化其对靶标的活性，改善目标分子的药物代谢动力学性质或降低分子的毒副作用，以得到最终能够进入临床的候选药物。然而，先导化合物的优化过程中仍然会涉及大量的化学合成和生物活性测试，这些工作在消耗大量人力或物力资源的同时，还会降低药物开发的效率。随着计算机辅助药物设计的兴起，分子模拟在一定程度克服了上述不足，其中，自由能微扰作为一类能够较为准确预测化合物与靶标之间结合自由能的方法，其在药物研发领域展现出了光明的应用前景。
人嗜中性弹性蛋白酶概述
人嗜中性弹性蛋白酶（Human Neutrophil Elastase, HNE），是存在于中性粒细胞噬天青颗粒中一类重要的蛋白水解酶，其属于糜蛋白酶家族，与其他常见的蛋白水解酶，例如蛋白酶3（Proteinase 3, P3），组织蛋白酶G（Cathepsin, G）存在有较大程度的同源性[1]。HNE在人体内发挥的主要生理功能为对抗并清除侵入人体内部的外来病原体，此外，HNE还在很多炎症反应疾病中扮演了重要的角色。已有研究表明，HNE的异常分泌与慢性梗阻性肺病、急性肺损伤、囊性纤维化、支气管扩张、肺动脉高压等心肺疾病的发生密切相关。人体内存在HNE相应的负向调控蛋白，诸如丝氨酸蛋白酶抑制剂、α2球蛋白以及分泌型白细胞蛋白酶抑制剂等。此类负向调控蛋白对维持HNE的正常功能至关重要，负向调控蛋白与HNE等蛋白水解酶的平衡被打破，便发生如上所述的各类疾病[2]。因此，开发有效的HNE抑制剂，抑制过度分泌的HNE，有望成为治疗以上疾病的新策略。目前，围绕该靶点仅有一个药物上市，有多个药物处于不同阶段的临床研究当中。
图1 已上市或处于临床不同阶段研究的HNE抑制剂
Hermite™ Uni-FEP复现
HNE先导化合物的优化过程
· 体系构建
本文选取了拜尔公司披露BAY 85-8501先导化合物开发及优化过程的论文[3,4]，对其中比较具有代表性的抑制剂分子18、20、22、25、27、29（BAY 85-8501）进行了FEP模拟。所选晶体结构PDB为5A0A。蛋白处理、配体处理、配体对齐、微扰图构建等操作均使用Hermite™内置的相应模块完成。如图所示，小分子均以良好的对齐置于蛋白的结合空腔内，微扰图的构建也充分考虑到了分子之间结构的相似性。
图2 化合物对齐后置于HNE蛋白的结合位点
图3 用于计算所生成的化合物微扰图
· 计算参数
图4 计算所提交的参数
· 计算结果
表1为测试分子的结合自由能的实测值和实验预测值之间的对比，可以看到所有化合物的自由能实测值和预测值的差距均在2 kcal/mol以内，预测结合能与实测结合能的相关性分析表明两者的相关系数R²为0.84（图5），表明整个计算较为可靠。对比预测值与实验值的排序，可以发现所有化合物的计算△G（Uni-FEP）排序与实验△G（EXP）的整体趋势吻合，这说明Uni-FEP通过计算药靶结合自由能，可对一系列化合物进行较为准确的亲和力预测排序。
表1 Hermite™ Uni-FEP计算△G与实验结果△G
图5 Hermite™ Uni-FEP计算结果图
总结
本文基于Hermite™ Uni-FEP平台，以人体嗜中性弹性蛋白酶为例，对拜尔公司所开发的临床候选分子BAY 85-8501及其先导化合物优化过程中的部分关键过渡分子进行了小分子和蛋白之间结合能的FEP模拟。模拟结果显示，对于给定的目标分子，Hermite™ Uni-FEP给出的结合自由能与实验实测值之间存在较好的相关性，这是FEP方法能够用于先导化合物优化的重要支撑。
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致谢
感谢中国药科大学理学院的苏凯俊同学，在HNE体系中对FEP计算做出的重要贡献。
参考文献
[1] Korkmaz, B.; Horwitz, M. S.; Jenne, D. E.; Gauthier, F. Neutrophil elastase, proteinase 3, and cathepsin G as therapeutic targets in human diseases. Pharmacol. Rev. 2010, 62 (4), 726-59.
[2] Polverino, E.; Rosales-Mayor, E.; Dale, G. E.; Dembowsky, K.; Torres, A. The Role of Neutrophil Elastase Inhibitors in Lung Diseases. Chest 2017, 152 (2), 249-262.
[3] von Nussbaum, F.; Li, V. M. J.; Allerheiligen, S.; Anlauf, S.; Bärfacker, L.; Bechem, M.; Delbeck, M.; Fitzgerald, M. F.; Gerisch, M.; Gielen-Haertwig, H.; Haning, H.; Karthaus, D.; Lang, D.; Lustig, K.; Meibom, D.; Mittendorf, J.; Rosentreter, U.; Schäfer, M.; Schäfer, S.; Schamberger, J.; Telan, L. A.; Tersteegen, A. Cover Picture: Freezing the Bioactive Conformation to Boost Potency: The Identification of BAY 85-8501, a Selective and Potent Inhibitor of Human Neutrophil Elastase for Pulmonary Diseases. ChemMedChem 2015, 10 (7), 1117-1117.
[4] von Nussbaum, F.; Li, V. M.; Meibom, D.; Anlauf, S.; Bechem, M.; Delbeck, M.; Gerisch, M.; Harrenga, A.; Karthaus, D.; Lang, D.; Lustig, K.; Mittendorf, J.; Schafer, M.; Schafer, S.; Schamberger, J. Potent and Selective Human Neutrophil Elastase Inhibitors with Novel Equatorial Ring Topology: in vivo Efficacy of the Polar Pyrimidopyridazine BAY-8040 in a Pulmonary Arterial Hypertension Rat Model. ChemMedChem 2016, 11 (2), 199-206.
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关于Hermite™ Uni-FEP
Hermite™是深势科技打造的根植于云计算的临床前计算机辅助药物设计（Computer aided drug design, CADD）平台，致力于为药物研发工作者提供在CADD中数据、算法、算力三位一体的一站式解决方案。Uni-FEP是Hermite™最新推出的药物结合自由能计算模块，将自由能微扰理论、分子动力学、增强采样算法与高性能计算相结合，能够以化学精度高效评估蛋白质与配体的结合亲和力，实现工业规模的先导化合物优化。
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