关于 Dr.X

Dr. X 是由晶泰科技博士团发起的专业知识分享栏目，旨在向生物医药行业传递和分享全球 AI 药物研发的前沿技术与研发动态，促进广大药物研发从业者对 AI 药物研发的认知，推动 AI 等前沿技术在药物研发领域的应用。

药物发现是追求多目标多参数最优化的过程，在众多的成药性质中，结合亲和力（Binding affinity）与生物学效力（Potency）是首要的指标。近年，随着虚拟药物发现模式的普及，对化合物的成药性预测及优化变得更加智能与高效。但发生在计算机端的工作似乎很神秘，时常听到大家提出这样的疑问：

  • 先导化合物是通过何种计算方式得到优化的？

  • 通过计算获得新型药物实体的方法和依据是什么？

  • 历经周折设计的药物分子溶解性差怎么办，能不能预判和改进？

今天 Dr. X 跟大家聊一聊药物结构优化的核心技术——自由能模拟。

自由能模拟的含义

自由能模拟（Free energy simulation）是药物分子发现、结构优化及制备工艺等研发环节优化的强有力工具，属于高精度计算化学科学在药物研发中的应用实践。化合物与靶点结合能力的测算、结合过渡中间体结构的推测和结合动力学分析等是广泛的应用场景。

自由能计算旨在阐释分子间相互识别并发生结合的物理学基础，对体系内分子间的结合能力做出预判，即结合自由能预测。在实际药物研究中，结合自由能差是更具有应用意义的数值，通过对配体-靶点在结合前后或不同结合方式等不同状态下的自由能改变量 ΔG 的测算 ，预测两者间的结合能力。

自由能微扰（Free energy perturbation, FEP）技术是一种基于统计学原理的、严格的自由能预测模型，通过界定起始和终末的物理状态，并通过中间过渡态设置和模拟来完成对系统始末状态之间的自由能预测。经典的计算方法包括绝对结合自由能（Absolute binding free energy, ABFE）计算和相对结合自由能（Relative binding free energy, RBFE）计算，前者常用于配体与受体结合前后状态的估算，后者常见于靶点与不同配体结合状态下的估算。

计算 ABFE 是对体系内构成组分所包含的所有原子进行自由能计算，具有精准度高的特性。此外还有一些独特的优势，比如 ABFE 计算可用于狭窄的结合窗口、高选择性化合物的筛选，用于规避脱靶效应；或用于化合物与不同靶点结合能力的比较，这在如抗肿瘤药物开发或其他可能发展出药物耐受的疾病疗法开发中非常重要。利用 ABFE 计算，可以对候选化合物与靶点的多种潜在突变体进行结合亲和力比较，是有效规避因出现突变株而失去药物响应的巧妙方法【1】。

但考虑到体系内原子数量大、复杂度高，计算 ABFE 对计算资源的消耗量较大且耗费时间。相对结合自由能（Relative binding free energy, RBFE）的计算是另一种方法，与 ABFE 中直接计算每个配体与靶标结合的自由能差（ΔGA、ΔGB）不同， RBFE 的思路是通过设计热力学循环，计算两个相似配体 A 和 B 之间对同一靶标的结合自由能之差 ΔΔGB-A ，从而推断出结合亲和力更优的化合物。计算相对自由能差 ΔΔGB-A 具有多种优势，比如：

• 无需获知当前状态的结合自由能数值，具有很好的迁移性；

• 计算得到的数值可直接与实验测得的相对自由能差数值进行比较，可获知现有计算体系的精确度情况；

相对自由能计算方法

自由能计算的改进及拓展应用场景

自由能计算一直存在计算成本高、等待时间长、应用场景狭窄的局限，计算采用的力场不精确和采样不充分导致的计算误差是自由能计算面临的最大的挑战。高精度力场要求对系统内所有组分，包括蛋白质、溶剂、配体分子甚至辅助因子（Co-factors）等建立参数，因此基于量子力学计算建立起全原子的力场参数才能保证自由能模拟的精准度。晶泰科技 Dr. X 科学家团队 在自由能计算方法开发和应用中具有独特的见解，开发的专利性 XFEP 技术精准高效，可实现在 1 周内仅使用 50-100 GPUs 就可完成对多达 5000 化合物的计算[2]。 通过增强采样和开发项目定制化力场，克服了前述的多种不足。与人工智能技术结合，使得基于自由能计算的应用不仅满足从结构近似的化合物入手探索新结构的需求，还实现了对结构完全无关联的化合物系列的结合能力、选择性评价，且应用场景覆盖了从苗头化合物发现到临床前候选化合物的确定，甚至涵盖药物固体形态中晶型稳定性和溶解度等关键成药问题研究内容[3,4]。

官能团替换与 SAR 分析

结构-活性关联关系（Structure-activity relationship, SAR）贯穿苗头化合物发现及优化阶段，官能团替换是药效团分析、预测的基础。进行官能团替换的原因在于结构的微小变化可导致生物活性巨大变化甚至完全缺失（活性断崖，activity cliff/AC），其原因是多重的，可归类为分子电荷、化学异构性、疏水性或极性作用的变化等类别，这些特性都可通过分子力场进行刻画并完成结合自由能的预测。RBFE 最基础的应用就在于计算官能团、杂环替代后对靶点-配体结合自由能的影响，为构建药效团模型提供依据。在发现的初始阶段，构效关系分析特别是 AC 的出现，对某化合物与靶点是否能结合、能否发挥生物学效力给出指导和判断；在先导化合物优化阶段，官能团替换与修饰的作用在于构效关系的精细调整，使化合物逐步接近优化目标。

骨架跃迁

纵览过去 8 年 FDA 药物评定与研究机构的数据，获批上市药物中超过 70% 都具备新型分子实体（Molecular entity）【5】，应用骨架跃迁是获得新型分子实体、拓宽专利性保护的一种有效方法。保持生物学效力不变的同时，对化合物骨架做出改变就是骨架跃迁，通过官能团替换、开/闭环、环或连接链的紧缩/扩张甚至新键的形成等复杂过程，达到获得新型骨架的目的。骨架跃迁不仅见于化合物分子，同样适用于生物大分子，如对蛋白质中的脯氨酸进行突变以改善蛋白质的构型和热动力学性质，是很常见的应用实例。

构建热力学循环模拟开环。Δ G1, ΔG2, ΔG3和ΔG4是施加了约束、破坏共价键、释放约束并完成整个化学过程所发生的自由能变化，并有ΔGtotal = ΔG1 + ΔG2 + ΔG3 + ΔG4；

红色曲别针示意被施加约束的二面角位置。图片来自晶泰科学家发表文献【6】

如果将骨架跃迁的过程看作从一个化合物（参考分子）连续经过一系列中间过渡态，连续转变为另一个化合物（新分子实体）的过程，就可以将这个过程用一个连续变量 λ 的函数表示（λ=0表示初始参考化合物， λ=1 为骨架跃迁后的目标化合物）,每对一个 λ 取值即为一次微扰（Perturbation），这个就是自由能微扰（Free energy perturbation）技术，用于分子动态模拟。晶泰科技开发的 XFEP 通过创新性的算法设计，合理设置微扰的分布（λwindow）及微扰模拟的时间长度，显著提高了结合自由能计算的精准度。

FEP 在骨架跃迁过程中的应用，图片来自晶泰科学家发表文献【6】

受体构象及分子对接

FEP 模拟可用于对结合模式（Pose）进行打分，把合理性更高的结合构象区分出来的作用。前面说过，自由能计算是对包含溶剂的整个体系进行计算，在常规基于结构的化合物设计中，常将溶剂忽略且认为受体是刚性的。而事实上，基于这种假设的分子对接模型是不稳健且缺乏准确性的，特别是当进行 first-in-class 药物设计时，因为缺乏参考分子（molecule template）与受体结合的复合物三维结构信息，此时忽略溶剂与刚性结合理论带来的问题更加显著。诱导契合（Induced-fit）的配体-受体对接模型结合 FEP 技术，对药效团对接、刚性受体对接、蛋白结构预测及均质化溶剂分子等模拟，可显著提升结合模式预测的准确率，蛋白靶点与一些列化合物进行交叉对接（cross-docking）模拟测试中，超过 90% 预测结果可实现 RMSD 小于 2.5 Å ，已在 Merck 的项目中得到验证【7】。

蛋白质互作预测

FEP 技术不仅可用于化合物与蛋白靶点结合能力的测算，同样可对蛋白-蛋白相互作用及突变对两者结合能力的影响做出预判。计算蛋白质突变前后自由能差别的方法与官能团替换的思路相同，通过微扰突变位点氨基酸残基的侧链，使之从野生型逐步转变成突变型，并模拟过程中的结合自由能变化，从而做出对结合能力的预判。除研究蛋白-蛋白相互作用变化之外，这种方法也可以用来研究由突变引起的耐药性变化，配体对同家族蛋白之间的选择性变化等问题。

Dr. X 团队科学家应用自行开发的 XFEP 平台测试了单位点突变对链霉菌胰蛋白酶（Streptomyces griseus proteinases B，SGPB）与卵类粘蛋白第三结构域（turkey ovomucoid third domain，OMTKY3) 二者结合能力改变的测算，目的用来测试 XFEP 的精准度，因为这一组蛋白间的结合模式被应用于多项 FEP 计算精准度测试中。通过与实验测得结果的比较，显示 XFEP 在蛋白复合物相互作用及突变体结合能力预测具有极高的精确度。

不同单位点突变导致 SGPB-OMTKY3 蛋白间相互作用的结合自由能差的计算与实验测量值比较（单位kcal/mol）

药物溶解度

在新型药物探索的过程中，研发人员在关注药物发现及性质优化时，往往容易忽略对药物化合物的固体形态特别是溶解度的研究。恰恰溶解度研究是非常重要的，只有化合物具备理想的溶解度，才能保证其生物利用度，从而确保发挥预期的药理和药效机制，更是确保候选化合物顺利完成 IND 申报并进入临床试验阶段的有利保证。FEP 技术结合晶型预测的计算方法，可预测候选化合物的热力学最稳定晶型并预测其在水溶液中的平衡溶解度，对工艺开发及推进药物获准上市具有重要的意义。

结语

自由能微扰（FEP）计算可高精度的预测药物与靶标的亲和力，已越来越受到药物研发企业的关注，但计算量庞大、等待时间长、使用复杂度高等弱点限制了该技术的广泛实用。晶泰科技 Dr. X 科学家团队设计了可规模化的、高效的、流程化的 FEP 计算平台—— XFEP 。通过规模化的调度计算资源和高效的计算算法， XFEP 可以在不牺牲计算精度的前提下，显著提升计算效率；XFEP 搭建了包括官能团替换、绝对自由能计算，增强采样、共价结合、骨架跃迁和蛋白突变等多个流程模块，精细化地拓展了自由能微扰技术的应用场景，满足不同项目的实际应用需求。

参考文献

【1】Li Z. et. al. J. Med. Chem. 2019, 62, 4, 2099–2111

【2】Lin Z. et. al. J. Chem. Inf. Model. 2021, 61, 2720−2732

【3】Sekharan S. et. al. RSC Adv., 2021, 11, 17408-17412

【4】Sun G. et. al. Cryst. Growth Des. 2021, 21, 4, 1972–1983

【5】Mullard, A. et. al. Nat. Rev. Drug Discovery 2020, 19, 79−84

【6】Zou et al., J. Chem. Theory Comput. 2021, 17, 6, 3710–3726

【7】Miller E. et. al. J. Chem. Theory Comput. 2021, 17, 4, 2630–2639

关于晶泰科技

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