交互式虚拟现实技术在药物发现中的新兴潜力

2022年6月2日，来自布里斯托大学计算化学中心的Adrian J. Mulholland等人在Expert Opinion on Drug Discovery杂志发表文章，介绍了交互式虚拟现实技术在药物设计和开发中的潜力、一些用于基于结构的药物设计的相关VR软件、以及一些应用案例。

使用虚拟现实 (Virtual reality, VR) 技术不仅可以将分子可视化并与之互动，还可以与动态的分子动力学模拟进行互动，这对于灵活对接和检查结合过程和构象变化非常有用。

使用可获得的VR硬件查看和操作分子结构和动力学的便利性，以及即时修改结构（如添加或删除原子）的能力--并让研究小组在同一虚拟环境中共同工作--使现代交互式VR成为药物设计和开发方法的一个宝贵工具。

作者使用”交互式VR”一词强调交互，例如，在进行结构修改或与物理上严格的分子动力学（MD）模拟进行交互，而不是使用VR控制器来旋转和平移分子以增强可视化。

1. 简介

人类的感知、直觉、创造力和专业知识是计算机辅助药物发现和设计（CADD）的核心。尽管最近在机器学习和人工智能方面取得了重大而迅速的进展，但在可预见的未来，这种情况可能仍然存在。

在心理学家和计算机科学家J.C.R.Licklider于1960年发表的文章Man-computer symbiosis (人机共生) 中，他假设人类和计算机将发展出一种共生关系，不同的力量将相互补充，例如，人类的空间推理和计算机的速度和准确性。虚拟现实（VR）提供了一种将人类的直觉与计算能力和资源结合在一起的方法，并且可以成为它们之间的有效接口。

许多涉及分子模型的CADD软件允许修改结构，并通过显示器等二维界面，使用鼠标等控制手段显示三维生物大分子的结构或模拟，这使得人类的三维智能难以得到充分利用。VR为复杂生物分子结构及其动力学的三维可视化提供了一个平台。通过使用人类的手和精细的运动控制来直接操纵物体，VR提供了互动的方式，如”动态 (on the fly) ”修改结构（如化学变化）或将模拟指向人类可见的解决方案。交互式VR使用起来很直观，使人类能够专注于药物发现过程中受益于人类知识和感知的领域，例如化学直觉、可视化手性、预测蛋白质和配体如何结合在一起、构象变化的影响，或化学结构的哪些改变可能提高亲和力或特异性。这在加快药物设计和开发方面具有重大潜力。

尽管VR已经存在多年，但最近对硬件和软件的改进使VR成为一项可以广泛用于科学领域的技术。进展包括低成本、高分辨率、快速刷新的屏幕（用于可视化VR，例如通过VR头盔中的镜头）、快速图形处理单元（GPU）、高级3D图形引擎和科学VR软件。

VR在药物发现中的前景已经被认识了很多年，现在已经开始实现了。与传统的分子可视化工具以及与生物分子模拟和分子建模交互的传统界面相比，VR 提供了几个潜在的优势。

首先，VR允许研究人员将药物分子及其大分子靶点以全三维的方式可视化，这允许对这些复杂的系统有更详细的感知和更深入的理解，因此可以在基于结构的设计和开发过程中为配体的设计和修改提供信息。其次，VR允许与分子互动，主要是通过VR控制器。控制器可以被认为是一种”虚拟的手"，允许用户像抓取有形的、现实世界的物体一样轻松地抓取分子的一部分。第三，最近开发的交互式VR允许用户与运行中的分子动力学（MD）模拟进行原子级的互动，允许他们操纵系统，"在动态中”修改其结构和相互作用（图1）。最后，一些VR软件允许多个用户共享同一个虚拟空间，以进行协作，例如用于教学（协作式VR）。

换句话说，现代的VR技术（硬件和软件）不仅仅是具有更好的图形的更新：通过MD模拟增加的分子运动，直接操纵这些模拟的能力，虚拟合作，以及从程序内创建和修改分子结构，将VR从一个可视化的方法变成其本身的一个研究工具。

图1. VR软件Narupa IMD中的蛋白质-配体系统的交互性

A) 在虚拟现实中的交互式分子动力学（IMD-VR）软件Narupa IMD中显示了一个蛋白质-药物系统（流感神经氨酸酶与神经氨酸酶抑制剂奥司他韦的复合物）。其中橙色的圆圈代表与控制器的交互点（像鼠标的光标）。

B) 所有原子的渲染从球和棍改为线条和不同的颜色方案。

C) 蛋白质在这里用”卡通”渲染器进行渲染，并使用彩虹颜色，其中红色代表蛋白质的N端，紫色代表C端。

D) 通过使用每个VR控制器抓取药物分子的单个原子，用户可以施加力将药物诱导出活性位点。

E) 由于用户在VR中的互动，药物现在已经开始与蛋白质解离。

F) VR用户在现实生活中的景象，显示器上显示的是用户在VR中看到的情况。

我们使用”交互式VR”这一短语指的是允许用户与分子系统的结构进行交互和改变的程序，也就是说，不是那些交互性仅限于使用控制器来旋转、缩放和翻译三维结构以提高可视化的程序。

在这篇综述中，我们讨论了当前的VR硬件和一些用于基于结构的药物设计的相关VR软件。我们举例说明目前交互式VR是如何被用于可视化和操作生物大分子的，解决在CADD方面的功能。这是一个快速发展的领域，我们强调了一些相关的最新应用。

2.互动式VR的工具：控制器、手套和手

当模拟物体呈现在身临其境的环境中时，人们自然希望伸出手去触摸它们。VR控制器为用户提供了一双虚拟的”手"。用户可以交互地、直观地抓取和操纵结构，就像它们是现实世界中的物理物体一样。这使得对结构的探索比在二维屏幕上的操作更为广泛，因为它得到了6个旋转和平移自由度以及VR所提供的深度感知的帮助。

图2. VR手套及其应用

(A) 捏合感应手套。追踪器被放置在手套的顶部，通过拇指和食指或拇指和中指之间的捏合运动发生交互。

(B) 两个用户在VR中与一个聚丙氨酸肽的实时MD模拟进行互动。捏的动作允许用户抓住一个原子，并在VR环境中互动地操纵蛋白质。

手部追踪是一种替代方法。Molecular Rift是一个VR软件的例子，它专注于使用手部追踪而不是VR控制器在三维空间中操纵生物大分子。他们的手势识别软件允许基本的结构操作，如通过一系列预先确定的手势来旋转和平移分子。

一个令人兴奋的方向是将触觉反馈（即触摸的方式）纳入虚拟世界。

最近的一项实验表明，交互式VR软件Narupa IMD（见下文）的用户可以使用这种伪触觉反馈来区分分子的特性。该研究涉及用户与交互式分子动力学（IMD）模拟的互动，在同一虚拟空间中模拟了三个巴克明斯特富勒烯（C60）分子，所有这些分子具有不同的键力常数。力常数影响分子在VR中的刚性程度：大的力常数意味着分子是僵硬和无弹性的，而小的力常数意味着分子更灵活。大多数参与者能够注意到分子在模拟中的行为方式的不同，并根据”弹性"（键力常数）对C60分子进行了正确排序。伪触觉反馈的感觉有可能被利用于药物设计。例如，IMD-VR用户可以根据从结合部位移除药物的”容易”或”困难”程度来估计药物从蛋白质中解离的障碍。

3.与药物发现有关的VR应用

尽管这篇评论集中于交互式VR，但如上所述，生物分子结构的非交互式VR显然在药物发现中也有用途。VR提供了深度感知，可改善分子在三维中的感知方式，而不是二维屏幕和立体表示。

由于屏幕直接在你的眼前，VR提供的优势是能够像移动你的头一样简单地查看分子，而且视野更大（与屏幕或使用立体眼镜相比），使该技术作为图形显示非常出色。

ProteinVR的开发者（在ProteinVR中观察蛋白质的例子见（图3.4））测试了在ProteinVR中观察蛋白质-配体复合物与二维分子观察器VMD相比的情况。所选择的复合物（T. brucei RNA editing ligase 1, known as REL1, and V2, a naphthalene-based inhibitor）有一个结合口袋，位于一个深而窄的腔内。所用复合物的结构是用自动对接程序AutoDock Vina生成的。用户发现，通过在VR中查看分子，它允许用户通过移动他们的头来直观地探索狭窄的结合袋腔。这是一个很好的演示，说明用户可以在VR中利用他们的空间意识来注意结构中的不规则性，否则在二维屏幕上可能会被忽略。

图3. 用于分子建模的VR软件的场景

1) Nanome软件的交互式分子动力学教程中的一个场景，用户正在检查一个轨迹的第一帧。

2) UnityMol软件显示了流感神经氨酸酶蛋白（PDB 3TI6）的卡通和超球表示。

3）软件Peppy中一个20个氨基酸长的多肽之间的氢键（呈现为白色发光的相互作用）。

4）SARS-CoV Mpro（PDB 2Q6G）在基于网络的VR软件ProteinVR中的彩虹式卡通表现。

作者使用交互式VR软件Nanome、UnityMol、Peppy和ProteinVR制作的图片。

分子从根本上说是动态的，蛋白质的动态对功能往往很重要，因此在设计药物时考虑分子的运动是很重要的，例如研究蛋白质和候选药物如何随着时间的推移而相互结合和作用。MD模拟在药物设计和开发中的应用越来越广泛。目前用于可视化分子动力学轨迹的流行程序包括VMD、Pymol和Chimera。然而，这些软件通常是将三维运动投射到二维屏幕上，所以信息会丢失。交互式VR软件，如Nanome和ChimeraX，可用于可视化MD轨迹（图3.1）。在这些VR软件中也有一些功能，如播放、暂停、倒带、快进、放慢和加快模拟的速度，这些功能在传统的分子观察仪中都有。

与标准的基于屏幕的图形用户界面一样，在VR中可视化分子特性和相互作用，如氢键和分子的静电势，是非常有用的。许多交互式VR程序，如Molecular Rift、Nanome和Peppy，包括一个切换键，用于打开和关闭氢键可视化。通过以三维方式查看这些相互作用，用户可以利用自己的深度感知来检查相互作用的基团之间的距离和角度。这对于建议哪里可以对药物或蛋白质进行修改以产生更多的氢键是很有价值的。

Molecular Rift和Peppy为这种类型的相互作用提供了惊人的可视化，将供体和受体原子之间的接触描绘成一个明亮的动态云（图3.3）。与二维分子可视化软件中经常用来表示氢键的平坦的虚线相比，这使得用户在氢键出现时一目了然，因为它在视觉上与生物大分子的其他部分不同。Nanome（1.22.1版）还提供了在VR中手动测量距离和角度的选项，通过点击测量工具和物理选择感兴趣的原子。然后，距离或角度的值将显示在所选原子的上方。

最近，交互式VR（特别是使用Nanome）被用来生成一个小分子的结构类似物，目的是创建一个SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）抑制剂。SARS-CoV-2的Mpro是对抗COVID-19的一个有希望的药物靶点，交互式VR被用于这个和其他COVID靶点的药物设计和改造目的，这体现了最近的进展。

近年来，诺华制药公司已经认识到交互式VR在早期药物研究中的潜力。使用Oculus和Nanome，诺华的科学家们正在利用交互式VR来研究对抗COVID-19的潜在药物的结构洞察力。美国生物技术公司Nimbus Therapeutics也部署了Nanome用于药物发现，并表示他们希望该技术能”每年节省数万美元"，并大大加快药物设计过程。2021年12月，生物技术公司Roivant Sciences的药物发现部门Roivant Discovery，部署了迄今为止最大的Nanome平台。通过采用这种交互式VR技术，美国各地的几十位科学家可以协同修改和处理分子数据，最终加快药物发现过程。

除了可视化静电相互作用外，查看分子的整体静电势也很重要，因为这可以帮助预测药物如何以及在何处与受体结合。

UnityMol（图3.2所示的界面示例）背后的开发者创建了一个VR平台，用于同时计算和可视化分子的静电特性，名为UnityMol-APBS。与使用二维浏览器的APBS相比，该方案的优势在于：用户(i)在检查分子时有更多的深度感知和视野，(ii)可以在虚拟界面中准备APBS输入文件，使用图形用户界面(GUI)将输入文件直接发送到APBS工具。通过简单地伸出手，选择感兴趣的原子，然后点击GUI中的一个按钮，用户可以在VR中无缝地使用APBS的接口进行计算。虚拟界面与APBS工具箱的结合大大减少了手动准备输入文件所需的时间，因为输入文件往往是冗长的，并依赖于用户事先对软件的语言和格式风格的了解。在这里，学习一个全新的软件程序的需要被取消了，取而代之的是几个简单的手势。

为了研究VR在探索静电表面电位方面的效用，UnityMol-APBS的开发者研究了一种特殊的酶（Torpedo californica acetylcholinesterase）和一个底物分子。在VR中，通过大视野和翻译、旋转和缩放分子大小的能力，从代表静电势梯度的动画静电场线群中可以立即清楚地看到活性部位的位置。

应该指出的是，交互式VR正被用作药物研究和开发的工具；这并不是说没有交互式VR元素就不能获得同样的结果。相反，制药公司和研究小组正在使用交互式VR来帮助药物开发过程，特别是在早期阶段，并看到了这种方法的价值。

4.即时修改

许多用于CADD的程序都集中在小型候选药物和蛋白质的构建和结构修改上。由于官能团的方向对药物结合至关重要，在平面屏幕上进行复杂的三维建模可能会导致一些错误。在三维空间中”即时”进行这些修改，可以使科学假设即时获得答案。

对内部结构（如旋转官能团）和化学结构（如突变官能团）进行即时修改的能力允许快速测试假设并激发创造性思维。Nanome允许在一个VR环境中构建和修改类似药物的分子。研究人员能够在RIP2激酶（PDB 5W5O）的活性部位从头开始构建一个小分子抑制剂，与晶体结构的RMSD为1.8 Å（对接程序认为2 Å左右是找到”正确”姿势的合理界限）。

在另一个测试案例中，举行了一个VR会议，四个Nanome用户（化学家）的任务是指出一个活性起始化合物的大环化位置。其目的是保留该化合物的活性，同时改善其理化性质。在几分钟内，用户已经习惯了这个软件，并在讨论如何改变他们得到的结构。该小组成功地创造了具有改进的物理化学性质的结构，同时保留了活性。

交互式VR工具Narupa Builder（图4）是交互式VR框架Narupa的一个应用，也可以创建和操作分子。图4显示了一个药物结构（奥司他韦羧酸盐，一种流感神经氨酸酶抑制剂）和一个用户在交互式VR环境中创建药物的步骤。虽然这种小型药物是逐个原子生成的，但Narupa Builder也有一个内置库，其中包含常见的分子片段，如氨基酸和芳香环，可以快速构建更大的分子。

图4. 使用Narupa Builder构建奥司他韦

1) 使用Narupa Builder构建目标药物（奥司他韦羧酸盐，俗称达菲，一种流感药物）的结构。

2) 构建6个成员环的第一个碳原子。绿色的轴线代表新原子与碳原子结合的可能位置。

3）药物的碳骨架，没有任何氢。

4）从一个碳原子变为一个氧原子加入到药物中。

5）创建羧酸盐官能团。

6）将两个碳原子之间的键序从单键改为双键。

7）最后，在所有可能的氢化部位添加氢。

8）得到结构。

5.虚拟现实中的交互式分子动力学(IMD-VR)

该领域最近最令人兴奋的发展之一是将交互式分子动力学模拟与虚拟现实相结合（IMD-VR），使研究人员能够真正伸入他们的MD模拟中，协调分子运动的途径。IMD与引导式MD（SMD）有一些相似之处，后者使用较长模拟时间内施加的小力来模拟原子力显微镜（AFM）实验或生物结构变化。

IMD-VR软件Narupa IMD允许用户在一个完全沉浸的VR空间中与MD模拟（利用OpenMM物理引擎）进行实时互动。用户可以提供移动原子的力，而OpenMM对牛顿运动方程进行数值积分，并提供原子的新位置。对于每一个时间步，这个过程都会重复，以提供一个IMD-VR用户有效操纵的轨迹。用户可以直接与VR中的分子互动，手动应用改变模拟的力。

小分子、片段和潜在药物的自动对接是一种流行的CADD方法，因为它能够快速预测小分子与目标受体分子的结合位置。这提供了对小分子的结构方向（结合位置）以及相应的结合亲和力的洞察力。对接柔性分子仍然是CADD的一个挑战，通常需要人工干预。Deeks等人研究了Narupa IMD在柔性、人类驱动的蛋白质-配体对接中的应用。实验方案包括测试专家和新手Narupa IMD用户是否能够交互引导配体（苯甲脒、奥司他韦和安普那韦）进出三种病毒酶（分别为胰蛋白酶、神经氨酸酶和HIV-1蛋白酶）的结合袋，并在5-10分钟的实时时间内重新创建它们各自的晶体学蛋白质-配体结合位置（在晶体结构的2.15 Å RMSD内）。然后从交互式MD中提取一个结合结构，并进行少量的MD，以测试用IMD-VR创建的结构是否稳定。通过利用人类的三维空间操作能力，在VR中只用了很短的时间（40分钟，包括学习如何操作VR设备的时间），非专业用户（其中大多数也不是药物对接的专家）就能够产生这三种病毒酶与FDA批准的药物的对接结构。

Narupa IMD可以保存用户生成的轨迹帧。例如，如果用户交互式地抓取与酶结合的药物并将其拉出到溶剂空间，用户可以使用OpenMM保存该轨迹的帧，就像其他标准MD引擎所允许的那样。在几分钟的实时时间内，用户可以模拟一个罕见的事件，如药物解除结合。捕捉这些罕见事件可能需要大量的计算时间和资源，以及在模拟之前对生物系统的专家知识。IMD-VR可以让用户以直观的方式对蛋白质崎岖不平的能量景观的相当大的范围进行采样，利用人类的空间和化学直觉来指导运动。IMD-VR允许在原子尺度上进行操作，以观察分子系统如何实时演化。

目前，Narupa IMD的一个重要限制是系统中能够被模拟并以适当的帧率渲染的原子数量（当然这取决于可用的硬件）。虽然对于一个静态结构来说，有可能实现几十万个原子的可视化（不使用MD引擎，只是观察结构，例如使用Narupa将LSD分子结合到膜埋藏的HT2B人类5-羟色胺受体上，见https://vimeo.com/420035802），但是由于处理能力的限制，在MD模拟传播的过程中动态渲染所有这些原子的位置目前是不可行的。显然，这取决于用于仿真的硬件。硬件的进步将改善帧率问题。

IMD-VR在药物设计和开发方面有很大的潜力。如上所述，观察分子如何响应扰动的能力可能有助于药物发现、了解配体结合亲和力和动力学。例如，药物与蛋白质的结合可能需要一个结构上的变化，如开环：这样的过程可以由用户使用IMD-VR直观地驱动，以产生结合途径。能够简单地伸出手来，利用人类的空间和化学直觉，即时创建药物结合的姿势和路径，将有助于药物开发。同样具有变革意义的是，研究人员小组在分子设计和建模问题上进行虚拟合作的潜力。

6.结论

交互式VR软件不会取代其他CADD方法；本综述中所描述的许多功能在非VR生物分子操作软件中已经有了，并且在很长一段时间内都很有用。相反，交互式VR为生物分子的建模和操作提供了另一种方式，可以与其他CADD方法结合使用。例如，使用VR来可视化自动对接产生的对接结构可能是有用的，采用深度感知和沉浸感来检查结果并加深对结构的理解。此外，VR的互动性允许以直观的方式探索结构，使用简单的手势轻松抓取和操纵系统。

我们鼓励读者自己尝试一下这些VR程序。现代交互式VR程序的易用性、它们所允许的三维分子空间的沉浸感以及”触摸”分子的能力在这里无法充分描述；有必要体验一下。尽管有大量的传闻证明VR工具比类似的非VR可视化和操作程序有所改进，但仍迫切需要设计良好、测试严格的用户研究和人机交互实验来量化这种改进。

7.专家意见

虽然人类在产生结果的速度和效率方面无法击败计算机，但人类的感知仍然是药物设计和发现的重要组成部分。

互动式VR是一个快速发展的领域。本评论中提到的用于分子建模的VR程序是在过去6年内发表的，其中大部分是在过去3年内发表的。VR软件和硬件将继续快速发展。在接下来的十年中，VR 很可能会成为药物科学家、结构生物学家以及药物和计算化学家的主要工具。

参考资料

Walters RK, Gale EM, Barnoud J, Glowacki DR, Mulholland AJ. The emerging potential of interactive virtual reality in drug discovery. Expert Opin Drug Discov. 2022 Jun 2:1-14. doi: 10.1080/17460441.2022.2079632.

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