- 科技報導
文章專區
2020-12-15針對COVID-19藥物設計的新工具
468 期
Author 作者
作者／劉姿婷。
嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒2（SARS-CoV-2）引起的2019冠狀病毒疾病（COVID-19）大流行，儼然成為全球最迫待解決的議題。在有效疫苗仍未可取得之際，抗病毒藥物為另一項有潛力的治療方針。近來，英國布里斯托大學（University of Bristol）化學系學者研發了互動式分子動態虛擬實境（interactive molecular dynamic in virtual reality, iMD-VR），並將此工具應用於抗SARS-CoV-2的藥物開發，研究成果發表於《化學訊息與建模》期刊（Journal of Chemical Information and Modeling）。
主蛋白酶為抗
新冠病毒藥物標靶
冠狀病毒的主蛋白酶（main protease, Mpro）可在不同的11個位點，負責將病毒RNA轉譯出的非結構蛋白（nonstructural protein）——複製酶PP1ab及複製酶PP1a，切割為有功能的多肽（polypeptide），在病毒的複製與生命週期上扮演著樞紐的角色。
此外，SARS-CoV-2的Mpro與2003年爆發的SARS冠狀病毒（SARSCoV）Mpro在結構序列上有96％相同，且先前研究指出，在SARSCoV 的Mpro結構中，有13個氫鍵（hydrogen bond）外加一個位於Ser144與負氧離子洞（oxyanion hole）結構中P1-Gln間的氫鍵，對受體的結合相當重要。今（2020）年4月，《自然》（Nature）與《科學》（Science）兩大期刊均有研究解出SARS-CoV-2的Mpro的晶體結構，並利用以結構為基礎的虛擬與高通量篩選（structure-based virtual and high-throughput screening）尋找有潛力的Mpro抑制劑，因此，Mpro成為最受關注的抗冠狀病毒藥物標靶，許多研究團隊也聚焦於Mpro抑制劑的開發。
尋找可結合的受體與配體
傳統高通量篩選技術，可從龐大的化合物資料庫中快速篩選出先導化合物（lead compound），此方法的確縮短了藥物開發所耗費的時程。
然而，礙於組合化學資料庫中囊括的化合物立體多樣性有限，電腦虛擬篩選（in silico virtual screening）遂隨之興起。這是一種利用電腦進行「以結構為基礎的藥物設計」，即利用結構分析器的計算，從3D化學資料庫或虛擬化合物資料庫中尋找可作為藥物的先導化合物。其中，以受體（receptor）的活性位置為基礎，搜尋資料庫中可與受體結合的化合物作為配體（ligand）的方法，稱為對位虛擬篩選（docking virtual screening）。
傳統對位法假定受體與配體的結合模式為「鎖與鑰匙（lock-andkey）」，即配體（鑰匙）具有能與受體的活性位置空間（鑰匙孔）完全精確互補的結構，此模式將受體與配體視為兩個固定不變的結構。不過，多數情況下，在生物體內的環境中，受體與配體會隨著時間的推進產生結構變化，換句話說，把受體與配體視為固定結構的對位法，無法有效篩選出能與受體結合的配體結構。後來學者將受體與配體的結合模式修正為「手與手套（hand-and-glove）」，即需將結構可變性納入考量的結合模式。
互動式分子動態虛擬實境分子動態（molecular dynamics,MD）能利用電腦預測蛋白質的結構與移動，以及在分子系統中隨著時間變化的行為，成為以結構為基礎的藥物設計新利器。布里斯托大學化學系學者開發互動式分子動態虛擬實境（interactive molecular dynamic in virtual reality,iMD-VR），使操作者直接身處於虛擬實境平台，運用人類本身的化學知識及對空間的感知能力，直接觀察與操作即時模擬（real-time simulation）的蛋白質原子層次的結構變化。該研究利用目前一項已知的廣效型、非共價鍵的冠狀病毒Mpro小分子抑制劑X77進行對位（dock）。
另一方面，研究也建立兩種模式測試較大分子的對位，一種為分子骨架限制性（backbone restrained）模式，另一種為完全彈性（fully flexible）模式，意即所有的原子鍵結均為彈性的，可供虛擬實境使用者自行旋轉操作，讓使用者將由11-mer構成的寡肽（oligopeptide）對位至SARS-CoV的Mpro H41A突變型（組胺酸41置換為丙胺酸的突變）。研究結果指出，在小分子抑制劑對位測試中，可運用在無配體結合態（apo form）或配體結合態的Mpro的對位，且經過五次對位出結構，均方根差值（root-meansquare deviation, RMSD）不大，意即利用互動式分子動態虛擬實境，使用者可建構出穩定狀態的Mpro配體結構。在較大分子的寡肽對位結果中，可呈現冠狀病毒Mpro結構中，對受質結合具重要性的14個氫鍵，但該研究結果建議，新手使用者使用分子骨架限制性模式，若為專家使用者則可使用完全彈性模式進行對位。
軟體便利、雲端共享
此虛擬實境名為Narupra，取得管道廣泛且相容於一般虛擬實境硬體設備，使用者可透過雲端硬碟共享結果。研究團隊表示希望Narupra可作為世界各國的使用者進行線上交流與研究合作的平台。
新聞來源
1. Deeks HM et al., Interactive Molecular Dynamics in Virtual Reality Is an Effective Tool for Flexible Substrate and Inhibitor Docking to the SARS-CoV-2 Main Protease, J Chem Inf Model, 2020.
2. Jin Z et al., Structure of Mpro from SARSCoV-2 and discovery of its inhibitors, Nature,2020.
3. Zhang L et al., Hilgenfeld R. Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved α-ketoamide inhibitors, Science, 2020.