eLife | NICEdrug.ch : 可进行药物代谢分析的药设平台

编译：蒋立坤 审稿：蒋长志

今天给大家介绍的文章来自瑞士洛桑联邦理工学院计算系统生物技术实验室，于2021年8月发表于elife期刊上。该论文开发了一个药物设计平台（数据库），收录了25万个具有生物活性的小分子，并研究了它们的代谢产物、代谢过程和毒性。该论文提出基于代谢物与活性位点相似性指纹的评分方法NICEDrug来评价抗癌药物5-氟尿嘧啶的抑制作用和毒性，并提出减轻副作用的途径。该论文还发现了shikimate 3-phosphate可用于治疗liver-stage疟疾。此外，NICEDrug提供了1300多种针对COVID-19的候选药物，并阐述了此类分子的抑制机制。

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研究背景

在药物筛选和发现过程中，计算化学方法展示了强大的优势。现有两种计算策略：一种是机遇机器学习的数据驱动的方法，一种是基于生化知识、规则的方法。对于机器学习的方法在药物作用机制和副作用问题上很难获得高质量的数据集，而且神经网络缺乏可解释性和可重复性。基于生化知识和机制的方法可以合理的识别所需小分子，且不需要大量的数据，通常使用结构相似性对酶或药物进行筛选。对于酶的催化反应，分子的活性位点及周围原子扮演着重要作用。活性位点中心信息可识别：（1）包括代谢前体、prodrugs和代谢降解产物在内的代谢过程；（2）小分子的共有活性；（3）竞争抑制酶。对于计算化学的两种方法都没解释药物在细胞中的生物化学反应及代谢过程。

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主要贡献

本研究，NICEdrug.ch 数据的构建使用了相较于传统基于规则筛选更先进的方法：

（1）根据小分子结构增加了细节信息和靶向酶信息；

（2）解析了细胞中生物化学的药物代谢。

NICEdrug.ch利用一种类似于BridgIT的方法，基于候选药物和底物酶的共同反应位点和邻近原子(即NICEdrug评分)的相似性评估候它们之间的反应活性。

NICEdrug.ch 利用Biochemical Network Integrated Computational Explorer (BNICE.ch) 和ATLS识别了细胞代谢种可能修改和降解药物的代谢过程。最终本研究分析了大约25万个小分子的功能、活性和物理化学性质，解析了每个化合物的作用机制、代谢命运、毒性和药物再利用的可能性。

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主要内容

数据库构造与应用

Step1：从KEGG、ChEMBL、Drugbank中收集70000个小分子；通过去除重复和利用Lipinski规则过滤无成药性的分子最终得到48544个小分子。

Step2：评价48544个分子的活性，利用BNICE.ch 搜索每个分子上的反应位点，所有分子至少都有一个反应位点；得到总共超过500万个反应位点（183K非重复的）。

Step3：根据反应位点匹配酶，这些酶都在人类代谢网络中；然后利用BNICE.ch的逆转录生物合成分析预测48544个分子的潜在生化反应体系。

Step4: 发现了与输入药物相关的197246种独特的化合物和相关的630449个反应。197246个分子可作为药物或prodrugs，最终数据库整合了大约25万个活性小分子。

图1 构建NICEdrug的pipeline

该数据库可以生成小分子的活性报告“Reactivity report”，包括反应位点、作用酶、Prodrugs和代谢物等等；重定位报告“Repurposing report”找出所有与输入药物具有相同反应位点并在细胞中抑制相同酶的小分子；药效报告“Druggability report”得到对输入酶有竞争抑制作用的小分子。

NICEdrug性能验证

（a）药效（Druggability）的预测：利用70k的 drug-enzyme数据验证，最终NICEdrug预测准确性为0.73，与一些药物发现的工具进行了比较发现NICEdrug优于所有这些工具的预测能力和检测范围。

（b）活性报告（Reactivity report）：NICEdrug准备预测了29个小分子55个代谢产物中的53个，优于XenoNet、GLORY、SyGMa和BioTransformer等工具。

（c）毒性报告（Toxicity report）：NICEdrug对PubChem中的1777个药物分子进行了评估，准确度为0.94，优于其它工具。

（d）药效评估（Drugability report）：与网络推荐方法比较预测DTI数据，最终NICEdrug的AUC为0.85，超过基于网络的工具（0.61）。

图2 NICEdrug应用

为了鉴定drug-drug 和 drug-mtabolite之间相同的活性和作用酶，作者开发了一种叫做NICEdrug score的评分办法，主要根据活性位点与相关的反应物，并以分子指纹的方式存储。一个分子的反应位点指纹及其附近区域被称为反应位点中心指纹。最终，本研究在NICEdrug的48544个候选药物和197246个相关的分子中鉴定得到2000万个反应位点中心指纹。目前NICEdrug整合了包括人、疟原虫、大肠杆菌的代谢信息。

NICEdrug揭示了5-FU药物的抑制机制和减轻该药毒性的途径

使用NICEdrug对5-fluorouracil的反应活性和生化过程中的下游产物或中间体研究，探讨其作用模式和代谢过程。5-FU作为一种抗代谢药物干扰DNA合成，这意味着它的各种中间体。如5-fluorodeoxyuridine monophosphate与细胞中的自然底物足够相似，它可以作为细胞中酶的竞争抑制剂。因此，作者研究了5-FU在生化反应中的4个反应步骤中的中间体，分析鉴定得到407种化合物（细胞代谢过程中的代谢物），它们具有抑制某些酶的生化潜力。然后计算此407种化合物与5-FU中间体的NICEdrug评分（综合反应位点与上下游邻居）。分析得到：5-FU的两个中间产物5-Fluorouridine 和 UDP-L-arabinofuranose与尿苷非常相似，其评分分别为0.95和1，证明5-FU的降解代谢产生了类似于尿苷的下游分子，导致两种酶的抑制。这种效应已经被证明是一种潜在的降解5-FU药物毒性的方法。此外，还发现了未被报道的5-FU衍生物2-aminoadenosine and 2-chloroadenosine是脱氧腺苷和核苷酸酶的竞争抑制剂。作者假设对患者使用5-FU时，共同给予腺苷或脱氧腺苷和尿苷，以减少其毒性作用，并希望减轻5-FU癌症治疗的副作用(图3)。

图3 利用活性位点和邻域相似性寻找与5-FU代谢物相似的人类代谢酶。在5-FU代谢附近的8个副代谢物，展示了最相似的人类天然代谢物、被抑制的酶和反应的天然产物

NICEdrug识别抗癌药物5-FU的代谢产物毒性

作者收集了LTKB和超级毒性数据库中的毒性分子，然后利用BridgIT中的反应位点中心指纹和NICEdrug评分来分析输入分子与已知毒性分子的相似性。通过对5-FU代谢通路中所有中间体计算了其毒性报告，发现匹配到三个有毒中间体。

图4 将5-FU相关代谢物与已知的有毒分子进行比较，分析其常见的毒性结构，来解释其代谢毒性

利用NICEdrug的评分计算方法寻找到超过500种候选药物用于治疗肝阶段-疟原虫

在178种疟原虫必须的酶中，有32种酶在人类细胞中是非必须的。通过对32种疟原虫特有的酶催化分子进行分析，得到68个代谢物和157个独特的代谢物-酶反应对。然后在数据库中48544种药物计算与32种疟原虫特有酶之间的药效，进行药物重定位。寻找到516个潜在药物，其中digoxigenin, estradiol-17beta 和estriol已经用于治疗疟疾。之后还对候选药物进行了毒性分析，最终确定shikimate 3-phosphate作为最优的候选药物。

图5 NICEdrug推荐shikimate 3-phosphate作为首选的候选药物用来治疗，可以尽量减少对宿主人类细胞的副作用。（A）针对疟疾的理想治疗模式：药物有效地抑制疟疾寄生虫生存所需的酶，而不影响宿主人类细胞的必须酶以防止副作用。（B）Shikimate 3-phosphate抑制了疟原虫代谢中的酶shikimate metabolism

NICEdrug鉴定得到超过1300种小分子用于治疗COVID-19

阻断病毒复制和传播是治疗COVID-19等病毒感染的一种有效策略。最新研究已经确定了SARS-CoV-2蛋白与人类332种蛋白的有相互作用。本研究利用NICEdrug寻找宿主蛋白的抑制剂，这种针对宿主酶的抑制剂可以阻止与病毒蛋白的相互作用。计算NICEdrug的25万个小分子与宿主蛋白的药效，最终确定22种人类酶可作为靶点，得到1301种潜在药物。这其中部分药物已经被证实了在治疗病毒感染（MERS-Cov等）疾病中有效。还有一部分药物：Drugs like remdesivir, EIDD-2801, favipiravir, and inhibitors of angiotensin converting enzyme 2(ACE2)已经被用于治疗COVID-19.

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总结

本研究系统地阐明已知药物和潜在药物的代谢过程和所有酶靶点(竞争性抑制)，以帮助发现新的治疗化合物，本研究使用了一个经过验证的反应预测工具BNICEch和类似BridgIT活性位点的邻近原子分析方法，并首次在人类代谢背景下进行了药物生物化学和毒性的大规模计算分析。该分析涉及超过25万个小分子，以及生物和物理化学药物特性的筛选和计算，收录在一个开源药物数据库NICEdrug中。NICEdrug可以生成详细的药物代谢报告，并且可以被研究人员、临床医生和行业合作伙伴方便地访问和使用。数据库中的25万个小分子中发现了2000万个潜在的反应位点，并且在人体代谢中存在着3000多种酶可以被25万个小分子所抑制。

参考资料

MohammadiPeyhani H, Chiappino-Pepe A, Haddadi K, et al. NICEdrug. ch, a workflow for rational drug design and systems-level analysis of drug metabolism[J]. Elife, 2021, 10: e65543.

https://elifesciences.org/articles/65543