DDT | 藥物設計中分子柔性的描述

現代藥物的發現需要柔性描述

最近的研究表明，盡管一些化合物不符合類藥性五規則（Ro5），稱為類藥五規則化學空間之外（bRo5），但它們仍然在藥物發現過程中取得了成功。鑒于這些化合物能調控具有難結合位點的蛋白靶點，這引起了藥物化學家的極大興趣。過去一些文章報道了相關的研究，其中分子量（MW）、氫鍵供體（HBD）、氫鍵受體（HBA）、拓撲極性表面積（TPSA）、油水分配系數（cLogP或cLogD）、可旋轉鍵（NRot）等是這些研究中廣泛應用的參數。最近，Schultz指出，針對新的化學空間，應該避免過度簡化一些篩選規則，例如，TPSA不是一個很好的過濾描述符，因為它高估了極性。在先前的論文中，還討論了需要更新分子特性，來考慮大分子和柔性候選藥物的特殊特征,評估bRo5化學空間中的極性、分子內氫鍵（IHHBs）和親脂性描述符。到目前為止，分子的柔性在早期藥物發現中的作用還沒有明確討論。Veber和合作者首次揭示了柔性對吸收、分配、代謝和排泄（ADME）性質的作用，他們認為分子柔性、極性表面積和氫鍵數是生物利用度的關鍵決定因素，Varma等人也得到了類似的結果。

柔性描述符在大多數制藥指標中得以應用。然而，需要注意，對于構象依賴的物理化學性質，柔性分子將表現出不同的值。例如，兩個構象的親脂性可能有顯著差異。分子變色龍的鑒定，CsA（即柔性化合物會根據周圍環境改變自身性質）進一步支持這一假設。親脂性和極性的實驗值，預期代表最相關構象者所取的平均性質值。當使用親脂性和極性的實驗值時，因此，當使用親脂性和極性的實驗值時，也隱含地應用了作為口服候選過濾的柔性。其次，柔性會導致分子特性的變異，不僅會影響藥物的藥代動力學（PK），而且還會影響藥物和候選藥物的藥效學（PD）。

最常見的柔性描述符：可旋轉鍵數目NRot

分子柔性主要與分子中單鍵的存在有關，通常是sp3雜化的C-C鍵。原子在單個鍵周圍的“自由”旋轉允許分子采用不同的構象，當單鍵的數目增加時，柔性也增加。雖然藥物發現的柔性的概念和相關性已經確立，但由于缺乏直接的實驗手段，因此將其轉化為定量描述符是困難的。因而，阻止了對描述符的性能進行任何持續的評估。核磁共振（NMR）可以在溶液中提供實驗構象，但這只是一種間接的柔性度量。獲得柔性指數的一種常用方法是從分子的2D結構開始并計數NRot。Veber把一個可旋轉的鍵定義為一個非末端重原子（即非氫原子）上的任何單鍵，并且不在環中，酰胺C-N鍵由于其高旋轉能壘而被排除在計數之外。NRot是一個離散值，可以很容易地由大多數分子模擬軟件包計算，自2002年以來，它被用于許多研究，以強調藥物發現柔性的相關性。

NRot存在的問題

盡管NRot被廣泛使用，但在某些情況下可能會有問題。首先，NRot忽略了環部分的柔性。例如，正十二烷（圖1a）具有NRot=9，而其環類似物（圖1b）NRot=0。大家可能認為環部分常常假設一種預先形成的構象，因此，它們對分子的總柔性沒有貢獻。DOTA的復合物被用來討論這一點。DOTA（圖1c，e）是一種大環配體用于磁共振成像（MRI）中注入鑭系釓（III）離子。自由DOTA的晶體結構（圖1c）顯示了類似于鑭系化合物中的大環構象（圖1d）。這一證據可能表明，當復合物形成時，大環并沒有改變其構象。然而，對一系列鑭系DOTA配合物（LnDOTA）進行的大量核磁共振和模擬研究表明，DOTA大環存在構象變化（圖1f）?？偟膩碚f，這些實驗結果證實，環部分對分子的整體柔性是有貢獻的。

NRot的另一個缺點是它的離散性。圖2顯示了東莨菪堿、丙戊酸、膽固醇和ZINC100907004。盡管它們的化學結構有很大的差異，這四種化合物具有相同的NRot值。例如，丙戊酸是脂肪族的，而膽固醇有多環；東莨菪堿含有托烷部分，ZINC100907004有兩個脂肪族環。其次，NRot既不能區分立體異構體，也不能區分區域異構體（即，一類具有相同官能團但連接在不同位置的組成異構體），而立體和區域異構體的柔性可能是不同的?。圖2顯示了兩個非對映異構體，化合物1和5，兩種異構體的NRot＝10，但一系列實驗測定表明，1形成IMHB，這降低了柔性。因此，1顯示出與5顯著不同的溶解度和滲透性特性。圖2還顯示了兩個區域異構體（化合物11和12）。輝瑞公司的研究人員實驗表明，12可以形成IMHB，因此，具有比11低的柔性。

柔性指數Φ

Kier在1989提出的柔性指數Φ。Φ是一個拓撲指數（使用分子圖計算），它定義了基于結構屬性的分子柔度，從而減輕歸因于無限柔性分子的值, 根據它的定義Φ是一個連續值。一個完全柔性的分子被假定為一個由sp3雜化的C原子(Csp3)組成的無止原子鏈。緩解這種情況的結構特征是：（i）更少的原子；（ii）環的存在；（iii）分支的存在；（iv）共價半徑小于Csp3的原子的存在。

圖1.比較NRot和Φ提及的化合物結構

圖片來源：Drug Discov Today

Φ能否取代NRot在早期藥物發現中的作用？

在圖1b中，Φ=6.42，而NRot=0。這個Φ值低于對應的線性分子（Φ=11.00，圖1a）。換句話說，Φ可以獲取環狀化合物可以是柔性的，盡管小于它們相應的線性類似物。如前所述，Φ可以假定連續值。在圖2a-d中，對于NRot=5的四種化合物，Φ的范圍從3.54到8.15。丙戊酸和膽固醇顯示出相似的Φ值。膽固醇的柔性來自于側鏈，其包含五個sp3原子。這個例子闡明了NRot如何捕捉到分子中與環狀部分相連鏈的柔韌性，而Φ可能是整個分子柔韌性的較好描述符。對于東莨菪堿（圖2a），Φ小于NRot，這是因為結構的基序對分子柔性（例如，Csp2原子）不利。此外，由于Φ是一個連續變量，它在定量結構-屬性關系（QSPR）建模中的應用應該是首選的。最后，圖2e -h顯示，由于其2D性質，Φ（類似于NRot）也不能區分立體和區域異構體的柔性。

3D描述符nConf20

鑒于3D描述符的復雜性，不適合作為早期藥物發現的度量。然而，現代計算機體系結構的自動化和不斷增強的處理能力有助于獲得建模工具進行計算。因此，本文討論了3D柔性描述符在早期藥物發現中的潛力。一般來說，構象的數目越多，化合物柔性就越大。Wikor和Cooper提出了一個基于3D構象的柔性指數nConf20。在這種方法中，SMILES被用來生成所研究分子的50個隨機分子構象。使用MMFF94力場對每個構象最小化。每個構象及其相對于找到的最低能量構象的能量都被保留下來。nConf20是能量相對于最低能量構象<20 kcal/mol的構象數（不包括最低能量構象）?。該方法作為Python腳本免費提供，并成功地用于預測有機分子的結晶傾向。

圖2. 討論柔性指標所涉及的化合物結構

圖片來源：Drug Discov Today

值得注意的是，對于圖2中的立體異構體1和5，nConf20分別為30和32。所揭示的這種柔性差異可能是兩種異構體的不同親脂性和滲透性的原因。nConf20還可區分區域異構體的柔性（圖 2 中化合物 11 和 12）。由于nConf20是最近才引入的，因此很難對其價值進行評估。并且，還沒有定義一種對所有化合物都有效的通用構象取樣策略。特別是，眾所周知的大環之類的化合物需要特定的計算工具，因此，至少對于大環和復雜結構而言，使用MMFF94作為計算能量的方法和20 kcal/mol作為能量閾值還是被質疑的。加上缺乏能夠驗證計算策略的實驗值，目前不鼓勵在早期藥物發現中使用 3D 柔性描述符。

bRo5化學空間的柔性判斷

如前所述，分子柔性影響在bRo5化學空間中至關重要。環肽（CPs）是一類bRo5類化合物，具有可調控的結合多種靶分子的能力，為新型藥物的開發提供了良好的骨架。

圖3. Φ和NRot的比較

圖片來源：Drug Discov Today

目前，已經報道了幾種不同大小和柔性的CPs化合物。這里建議用Φ而不是NRot來比較不同大小CPs的柔性。圖3a、b中展示了兩種含丙氨酸的環肽（六肽和十肽）及其柔性指數。值得注意的是，兩個分子的NRot都為0，而Φ分別為9.72和18。為了推廣這一概念，圖3d顯示了NRot的趨勢， NRot不能評估循環結構比線性結構更不靈活。Φ（圖3e）的趨勢在某種程度上反映了一種直觀的觀察，即環結構（灰色圓圈）比線性結構（白色圓圈）柔性更低，但在某一點之后，柔性幾乎以同樣的方式增加。除了環化，NRot不能監測環肽柔性的變化，如圖3c中的N-甲基化環六肽所示，其NRot=0，與圖3a中的非甲基化類似物相同；相反，由于N-甲基化，Φ的增加已被證實。然而，這個結果是有疑問的，因為主鏈酰胺的N-甲基化不會導致更靈活的分子。大環是第二類重要的bRo5化合物，難以用NRot處理。例如，阿奇霉素和他克莫司（圖3f，g）具有相同的NRot，但Φ不同（分別為15.7和17.6）。正如其他文獻所指出的，與阿奇霉素相比，對現有晶體結構的分析支持他克莫司具有更大的柔性，這可能與大環的大小有關。

總的來說，NRot限制可能會影響回顧性研究。圖3h顯示了NRot和Φ之間的關系如何隨數據集而變化。首先，作者從Schultz的論文中提取出673種符合Ro5的藥物（綠點）。對于這些化合物，NRot和Φ之間的關系是線性的，并且非常顯著（R2=0.87）。隨后，作者收集了來自同一篇論文中75種bRo5化合物（紅點）。在這種情況下，NRot和Φ之間的關系很差（R2=0.22）。這一發現與所研究的bRo5數據集中存在的許多大環結構一致。最后，作者使用了Edmondson和同事最近發表的38個蛋白水解靶向嵌合體（PROTACs）的數據集（淺藍色點）。監測柔性對于PROTACs尤其重要，因為最近的研究表明，在鏈接區中引入剛性片段是有益。對于PROTACs，NRot和Φ之間的關系是顯著的（R2=0.70）。這與PROTACs通常是非大環且強柔性的結構的證據是一致的。

以Φ表示分子柔性可能是一個很有前途的工具，可以用來生成候選藥物的排名指標。例如，來自DeGoey等人的論文，?作者收集了兩組bRo5化合物：第一組包括69種口服化合物，第二組67種非口服藥物。對于這兩個數據集，分別計算了Φ值。圖3i顯示了所調查的bRo5藥物給藥途徑與Φ的箱體圖?？诜幬锏摩捣秶黠@小于非口服藥物。雖然很少有胃腸外藥物顯示出低Φ值，但有理由假設bRo5化合物靶向占據Φ<11.9，將提高可達到合理口服吸收水平的幾率。

總結

柔性影響口服生物利用度，在早期藥物發現過程中，通常由NRot進行量化。不符合Ro5的大分子和柔性分子（bRo5）作為候選藥物變得越來越有吸引力。然而，標準分子描述符從Ro5轉移到bRo5化合物并不是自動的。使用時不僅要注意親脂性和極性，還要注意柔性指標。?在選擇合適分子的描述符時，可以參考一下幾點：

參考文獻：

Caron, G. et al. Flexibility in early drug discovery: focus on the beyond-Rule-of-5 chemical space, Drug Discov Today (2020), https://doi.org/10.1016/j.drudis.2020.01.012