科學報導 藥物開發與設計 計算生物學

分子建模之應用:開發第三代 NSAID 藥物

過去,從尋找生物標的到新藥開發至少需要耗費十年以上的時間,但如今有了計算化學的加入,透過電腦模擬輔助藥物開發已成功協助許多藥物的上市。在這篇研究中,巴西馬卡帕公立大學(Federal University of Amapá)的研究團隊結合電腦模擬技術,企圖開發有潛力的抗發炎藥物 [1]。

[背景知識簡介]

發炎反應的病理機轉中有諸多細胞的參與:血小板會釋出補體蛋白,誘導肥大細胞降解釋放組織胺和血清素,使血管舒張和血管通透性上升,進而活化嗜中性顆粒白血球吞噬病原體和吸引巨噬細胞,最終使促發炎細胞激素以及促發炎調節物質例如前列腺素(prostaglandin)和白三烯素(leukotriene)的含量上升。其中,前列腺素的生物合成途徑,是將細胞膜上的磷脂質經由磷脂酶 A2(phospholipase A2)轉為花生四烯酸(arachidonic acid, AA)之後,再經過環氧化酶(cyclooxygenase)作用後所合成(圖一)。另外,研究發現前列腺素可以區分為 COX-1 和 COX-2 兩種類型。COX-1 是一種平時就具活性的結構性酵素,存在於人體諸多組織中,例如血管、胃和腎臟,負責掌控體內前列腺素的合成以維持細胞正常機能;COX-2 則是受到發炎因子活化產生的同質體(isoform),負責調節導致疼痛和發炎的前列腺素釋放。研究發現若能透過抑制 COX-2 作用便能降低因發炎而產生的前線列素,進而阻止發炎反應對人體的傷害。

圖一、發炎相關因子的生合成路徑。圖片來源:https://doi.org/10.3390/molecules25184183

市面上常見的 Iboprofen、Indomethacin 和 Naproxen 等藥物皆屬於非類固醇消炎止痛藥(non-steroidal anti-inflammatory drugs, NSAIDs)。這類藥物是透過同時抑制 COX-1 和 COX-2 來達成抗發炎的效果,雖然可用於減輕疼痛和炎症,但由於抑制 COX-1 會干擾前列腺素平時保護胃腸黏膜的作用,因此這類藥物易引發腸胃不適、食慾不振和胃潰瘍。後來藥廠研發出對 COX-2 有專一選擇性並以 -coxib 命名的 Rofecoxib、Celecoxib、Etoricoxib 等二代 NSAIDs,解決了腸胃道副作用的問題,不過後續研究也發現二代 NSAIDs 藥物可能會引發血管栓塞,導致心肌梗塞、中風等併發症 [2]。如今,人們對於 COX-2 的三級結構以及其結合位已有足夠的了解,因此在這篇研究中,研究團隊嘗試利用分子建模(molecular modeling)技術,建立定量構效關係(QSAR)模型(註一),篩選出有機會成為第三代 NSAIDs 的潛力化合物。

[研究內容與發現]

首先,團隊以二代 COX-2 抑制劑 Rofecoxib 為模板,從 BindingDB 資料庫選出 32 種化合物,接著利用 PharmaGist 軟體取得化合物的物化性質和 QSAR 分析,並且透過 Statistica 軟體分析各化合物的物化性質、結構相似性與抑制作用的強弱,最終得出 8 種候選化合物(圖二)。除了化合物4 之外,其餘化合物都有甲磺醯基(methylsulfone group)以及吡咯(pyrrole)基團。甲磺醯基的存在增加了這些化合物與 rofecoxib 的結構相似度,並且與其他 coxib 類藥物產生區別;pyrrole 基團賦予這些化合物脂溶性的特性,讓他們能更容易地進入 COX-2 活化通道。團隊將候選化合物導入 ZincPharma 資料庫,取得藥效基團(pharmacophore)結構(圖三)。

圖二、八種候選化合物的化學結構式。圖片來源:https://doi.org/10.3390/molecules25184183

圖三、藥效基團(pharmacophore)的結構分析。圖片來源:https://doi.org/10.3390/molecules25184183

接下來,團隊依據藥效基團結構從 ZincPharma 資料庫的 2000 種化合物中篩選出三種最有潛力的化合物:Z-814, Z-627 和 Z-964(圖四),進行藥物動力學分析。數據顯示這三種化合物都不會影響中樞神經系統 (central nervous system, CNS),而且都有極高的腸道吸收率。另外,後續的分子對接(molecular docking)結果顯示這三種化合物皆與 COX-2 有較高的選擇性,與其結合位皆有相似的交互作用,而且在與結合位產生鍵結時不會有太多構象改變(conformational change,註二)的情形。研究團隊後續也透過 PASS 軟體預測化合物的活性,發現三種化合物的活性機率(probability “to be active”,Pa)皆大於非活性機率(probability “to be inactive”,Pi),而且 Z-627 相較於另外兩種化合物和對照組,其抗發炎的活性機率數值最高。團隊在探究化合物的結構活性關係(structure-activity relationship)時推測 Z-627 的極佳抑制效果或許與 isoindoline 上的胺基以及甲磺醯基所能產生的氫鍵交互作用有關。

圖四、Rofecoxib 與 Z-814(A), Z-964(B) 和 Z-627(C)的化學結構。圖片來源:https://doi.org/10.3390/molecules25184183

在這篇研究中,研究團隊根據化合物的結構與物化性質首先找出藥效基團,再以該藥效基團為基準從資料庫中找出有潛力作為三代 COX-2 抑制劑的化合物,並且進一步分析三種潛力化合物的藥物動力學、活性以及結構活性關係。與傳統做法相比,利用分子建模進行虛擬篩選合併活性預測的方式的確可以有效節省藥物開發上的時間和成本,不過最後挑選出的這些化合物實際上能否產生預期效果仍需要透過後續的生物實驗進行驗證。

註一、定量構效關係(quantitative structure-activity relationship, QSAR):透過連結化合物的物理、化學、生物、毒理性質,建立多參數模型,並以此預測作用活性的研究方法。

註二、構象改變(conformational change):在分子生物學裡,一個蛋白質可能為了執行新的功能而改變去形狀;每一種可能的形狀被稱為構象,而在其之間的轉變即稱為構象改變。

參考文獻:

[1] Araújo, P., Ramos, R. S., da Cruz, J. N., Silva, S. G., Ferreira, E., de Lima, L. R., Macêdo, W., Espejo-Román, J. M., Campos, J. M., & Santos, C. (2020). Identification of Potential COX-2 Inhibitors for the Treatment of Inflammatory Diseases Using Molecular Modeling Approaches. Molecules (Basel, Switzerland), 25(18), 4183. https://doi.org/10.3390/molecules25184183
[2] Bindu, S., Mazumder, S., & Bandyopadhyay, U. (2020). Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) and organ damage: A current perspective. Biochemical pharmacology, 180, 114147. https://doi.org/10.1016/j.bcp.2020.114147

撰文|張芷榕
審稿|林書岑

About the author

張 芷榕

張 芷榕

目前就讀於陽明交通大學藥學系。
大學期間曾前往日本藥科大學&九州大學交換,
並且透過健喬信元獎學金計畫完成一年的神經藥理學專題。
期待能在Investigator TW認識更多對生醫對研究有興趣的人,和大家一起切磋學習。

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