国内首个可交互式计算的VR药物设计软件发布

近日，Oxford University Press网站报道了华东师范大学计算机学院何高奇副教授和华东理工大学药学院/华东师范大学人工智能新药创智中心李洪林教授课题组题为“VRPharmer: Bringing Virtual Reality into Pharmacophore-based Virtual Screening with Interactive Exploration and Realistic Visualization”的最新成果。该成果发表于国际著名学术期刊Bioinformatics，首次发布了在虚拟现实（VR）环境中，完成药效团的生成、编辑，以及基于药效团的药物虚拟筛选等全流程交互可视计算软件VRPharmer。

这一创新研究历时5年，联合了华东师范大学计算机科学与技术学院和人工智能新药创智中心、华东理工大学计算机科学与工程系、药学院、上海市新药设计重点实验室、北京大学等多家科研单位合作完成。该项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

构建真实感三维虚拟空间，元宇宙里探索药物设计

在计算机辅助药物设计（CADD）中，由于药效团筛选快速、准确地发现先导化合物，得到业界和研究者的广泛应用，也是人工智能药物设计中最为核心的环节1。利用传统的输入设备对化合物分子进行交互操作时，面临精度不足和相互遮挡等限制，容易导致错过结合位点或配体假阳性等问题，无法精确感知深度信息和相对距离。而通过先进的元宇宙的VR交互技术，构建真实感三维虚拟空间（图1），可以帮助用户零距离、沉浸式感受药效团药物设计的过程。

图1：多尺度分子显示。一级结构（左）；二级结构（中）；表面结构（右）

支持多模操作和数据分析，高效完成科学计算

VR价值不仅限于体验，更在于交互计算功能。基于研究团队前期发展的反向药效团匹配和靶标预测平台PharmMapper2和图形化药效团筛选软件ePharmer3，系统设计了四个关键环节及相应的控制菜单：Load（本地或远程加载分子文件）；Visualization（查看分子结构）；Render（渲染分子模型）；Screening（分子虚拟筛选）。Screening模块筛选出一批具有潜在生物活性的小分子并确定每个分子与靶标蛋白的结合姿态。在科学计算过程中，系统设计了两个独特的交互式筛选模式：评分模式和最优化模式。

（1）评分模式计算蛋白质和小分子的匹配得分，引导用户利用VR手柄改变小分子空间姿态，逐步探索最佳分子结合位点。该交互式计算过程支持药物研发工作者深入理解特定的药物靶点，还有利于发现可迁移的药物结合模式，完成实时的活性预测和评价从。如图2所示。

（2）最优化模式则面向快速的小分子数据库筛选。该模式提供了交互式的分析面板，便于用户查看每一个分子与蛋白质的结合姿态和相应得分。VRPharmer采用自主研发的绘制算法，解决了分子二级结构和表面结构的3D模型显示精度差、相应速度慢的问题。如图3所示。

图2：评分模式下虚拟筛选界面

图3：最优化模式下虚拟筛选界面

在科学计算方面，系统的一个特色是支持用户生成和编辑药效团模型，以进行迭代虚拟筛选。通过这样交互式的三维药效团构建，用户可以自定义各类药效团特征，并通过迭代评分验证药效团的效果，更好地进行药物设计。

有组织地科研，让成果从实验室到课堂

科研范式和组织模式的变革已是大势所趋。团队一直在探索药物设计有组织科研道路，VRPharmer就是团队多年跨学科合作的成果结晶。为了让科研成果更好服务社会，VRPharmer已经走进实验中学、科研院所、展览会和科普课堂等教学中心。该系统目前已经安装在华东理工大学药学教学实验中心，参加了第22届工博会展览，并以沉浸式感受体验科学探究的过程与方法，成为华东师范大学科普工作站的高中生选修课题之一。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btac615

参考文献:

1. Deep learning enables rapid identification of potent DDR1 kinase inhibitors. Nature Biotechnology, 2019, 37, 1038–1040.

2. PharmMapper 2017 update: a web server for potential drug target identification with a comprehensive target pharmacophore database. Nucleic Acids Research, 2017, 45, W356–W360.

3. ePharmer: An Integrated and Graphical Software for Pharmacophore-based Virtual Screening. Journal of Computational Chemistry. 2021, 42(30): 2181-2195.

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