N-羧基苯甲氧基-L-苯丙氨酸会干扰ErbB2同源二聚体的形成，从而阻断自磷酸化过程及其在乳腺癌中的下游信号传导：一种全面的计算方法

《Computers in Biology and Medicine》：N-Carbobenzoxy-L-Phenylalanine disrupts ErbB2 homodimer formation, blocking autophosphorylation and downstream signaling in breast Cancer: A comprehensive computational approach

圣草提取物中N-卡邦佐基-L-苯丙氨酸（C13）通过抑制ErbB2同源二聚化及下游信号通路，展现HER2阳性乳腺癌治疗潜力，结合GC-MS鉴定78种化合物，经分子对接、DFT及动力学模拟验证其高亲和力与低毒性特性。

　　本研究聚焦于HER2阳性乳腺癌治疗中的一个关键问题，即ErbB2蛋白的过度表达和同源二聚化现象。这种现象在乳腺癌的发生发展中扮演着重要角色，因为它会引发自身的磷酸化作用，并进一步激活下游的信号传导通路。然而，目前针对这一路径的有效药物干预仍然面临巨大挑战。因此，研究人员试图从一种天然植物——“圣罗勒”（Ocimum sanctum，简称OS）的叶子中提取化合物，以探索其在抑制ErbB2二聚化及其下游信号传导方面的潜力。

在实验过程中，研究团队对OS的乙醇提取物进行了气相色谱-质谱（GC-MS）分析，从中鉴定了78种不同的化合物。随后，他们通过一系列计算机模拟方法，如药代动力学预测、药物相似性分析、ADMET评估、目标蛋白基因表达分析、分子对接、密度泛函理论（DFT）分析以及分子动力学模拟（MDS）等，对这些化合物进行了全面评估。为了进一步验证模拟结果，还进行了主成分分析（PCA）、动态相关性图（DCCM）以及自由能景观（FEL）分析。其中，一种名为N-羧基苯氧基-L-苯丙氨酸（N-CBZ-L-Phenylalanine）的化合物，被标记为C13，在所有测试的化合物中表现出最优异的抑制活性。

在分子对接分析中，C13与ErbB2蛋白（PDB ID: 3WLW）形成了紧密的结合，其结合评分达到了?8.5 kcal/mol。三个关键的氨基酸残基（VAL-3、TYR281和HIS468）通过氢键与ErbB2蛋白结合，从而稳定了C13与ErbB2之间的复合物（3WLW-C13）。从DFT分析的结果来看，C13表现出最有利的热力学特性、HOMO-LUMO能量间隙以及静电特性。与参考药物——内分泌治疗药物D1（来曲唑）相比，C13在模拟结果中表现更优，2D和3D的FEL分析进一步证明了其在结构上的稳定性。

除了分子层面的分析，研究团队还关注了乳腺癌的流行病学特征。根据2020年的GLOBOCAN报告，乳腺癌在女性中是最常见的癌症之一，占所有癌症的19%，同时也是导致癌症相关死亡的主要原因，占所有癌症死亡的6.2%。在Bangladesh，作为一个发展中国家，乳腺癌的发病率较高，给公共卫生体系带来了沉重负担。最新的研究数据显示，2021年期间，女性乳腺癌的平均发病率达到了131.8例每10万人，其中拉丁裔女性的发病率为104.1例每10万人，而白人女性的发病率则为137.9例每10万人。这表明，不同人群的乳腺癌发生率存在显著差异，同时也凸显了寻找更具针对性的治疗方案的重要性。

乳腺癌的分类包括三种主要亚型：激素受体阳性/阴性、ErbB2阳性以及三阴性（缺乏三种标准分子标记的肿瘤）。其中，超过90%的乳腺癌患者在诊断时并未出现转移，因此治疗的目标是彻底清除肿瘤并防止复发。然而，HER2阳性乳腺癌的治疗面临诸多挑战，包括对HER2靶向治疗的耐药性、HER2受体突变、下游信号通路的激活、受体脱落、肿瘤异质性以及与其他信号通路的串扰等。此外，HER2靶向治疗药物如曲妥珠单抗（trastuzumab）和帕妥珠单抗（pertuzumab）可能会引发心脏功能障碍等副作用，而小分子酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）如拉帕替尼（lapatinib）和奈拉替尼（neratinib）则在临床实践中展现出显著的疗效。尽管这些药物在一定程度上改善了患者的预后，但其局限性依然存在，如部分患者对这些药物产生原发性或获得性耐药，需要开发更有效的替代治疗方案。

在此背景下，研究人员选择了来曲唑作为参考药物，因为它被广泛用于治疗绝经后女性的晚期乳腺癌。然而，大量患者对来曲唑产生耐药性，这促使研究团队寻找新的治疗策略，以提高药物的特异性、疗效和安全性。此外，现有的治疗方法往往伴随着不良反应、高昂的治疗成本以及在资源匮乏地区难以获得的问题，进一步强调了开发新型干预措施的必要性。因此，研究团队希望通过天然来源的化合物，特别是来自OS的成分，来寻找更具潜力的治疗药物。

OS是一种广为人知的药用植物，俗称“圣罗勒”或“罗勒叶”，在传统医学中被广泛使用。它不仅具有护肝、抗痉挛、镇痛、止吐等作用，还被用于治疗多种疾病，包括微生物、真菌、细菌和病毒感染、癌症、关节炎、慢性发热、不孕症和眼病等。此外，OS也被认为是一种有效的糖尿病治疗药物，因为它能够降低血糖水平。尽管对OS的研究兴趣日益增加，但其在抗癌方面的分子机制，尤其是在HER2阳性乳腺癌中的作用，尚未得到充分阐明。

为了解决这一问题，研究团队采用了一种综合的计算机模拟策略，整合了植物化学成分筛选、分子对接、药代动力学/毒性预测、DFT计算以及分子动力学模拟等多种方法。研究的主要目标是识别那些能够与ErbB2蛋白形成强结合并稳定受体的生物活性化合物，从而防止由二聚化引起的激活。通过这一方法，研究团队不仅能够评估不同化合物的活性，还能够预测其在体内的行为，为后续的实验研究提供理论依据。

研究结果显示，OS的乙醇提取物中含有78种不同的植物化学成分。这些成分随后被用于分子对接分析，以评估其与ErbB2蛋白的结合能力。在分子对接分析之后，研究团队进行了长达200纳秒的分子动力学模拟，以评估这些化合物在体内的动态稳定性以及与ErbB2蛋白的相互作用。在这些化合物中，C13表现出了最优异的结合亲和力，并且能够与ErbB2蛋白形成多个氢键，从而稳定其结构。这种稳定的结合不仅有助于抑制ErbB2蛋白的二聚化，还可能阻断其下游信号通路的激活，从而抑制肿瘤的生长和扩散。

此外，研究团队还对C13的药代动力学特性进行了评估，使用SwissADME软件进行预测，结果表明C13具有良好的胃肠吸收能力，且不违反Lipinski的五规则，这意味着其具有较高的药物开发潜力。同时，C13对CYP450酶的抑制作用较弱，且具有较低的毒性，这使其成为一种具有前景的口服药物候选者。为了进一步验证这些模拟结果，研究团队还进行了多项后处理分析，包括均方根偏差（RMSD）、均方根波动（RMSF）、回转半径（rGyr）和溶剂可及表面积（SASA）等指标，这些分析均证实了C13与ErbB2蛋白之间形成的稳定复合物（3WLW-C13）在结构上的稳定性。

从电子结构的角度来看，DFT分析提供了关于C13分子的电子特性信息，进一步支持了其在热力学上的优越性以及在生物系统中的兼容性。这些分析结果表明，C13不仅能够有效抑制ErbB2蛋白的二聚化，还可能在体内形成稳定的结合，从而发挥其抗癌作用。此外，研究团队还对ErbB2信号通路进行了深入探讨，通过基因共表达分析，发现了与ErbB2蛋白相互作用的多个基因，这些基因可能在HER2阳性乳腺癌的病理过程中起到辅助作用。这些分析结果进一步确认了ErbB2在多种癌症通路中的重要性，并强化了其作为有效治疗靶点的地位。

综上所述，本研究提出了一种新的ErbB2同源二聚化抑制剂C13，其具有良好的结合亲和力、结构稳定性、药代动力学特性和较低的毒性，显示出在HER2阳性乳腺癌治疗中的巨大潜力。这些发现不仅揭示了OS提取物中化合物的抗癌作用，还为C13作为HER2靶向治疗药物的进一步实验研究提供了理论支持。通过计算机模拟和实验分析相结合的方法，研究团队希望为乳腺癌的治疗提供新的思路，并推动C13在临床中的应用。

在进一步的研究中，研究团队还探讨了蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）和枢纽基因的识别。他们使用了Search Tool for the Retrieval of Interacting Genes/Proteins（STRING）数据库，以分析与乳腺癌相关的基因之间的相互作用。通过文献回顾，研究团队发现ErbB2、BRCA1、BRCA2、PGR和ESR1这五种基因与乳腺癌的发生和发展密切相关。为了识别这些基因中的枢纽基因，研究团队进行了网络分析，并将结果可视化。这些枢纽基因在乳腺癌的病理过程中可能发挥核心作用，因此对它们的深入研究有助于理解HER2阳性乳腺癌的分子机制。

在讨论部分，研究团队指出HER2阳性乳腺癌仍然是全球癌症治疗中的一个重大挑战，其主要原因在于该类型的乳腺癌具有高度侵袭性，且对传统治疗方法的响应有限。由于ErbB2蛋白的过度表达和同源二聚化，乳腺癌细胞能够激活下游的信号传导通路，从而促进肿瘤的无控制生长、细胞存活、侵袭、分化和迁移等过程。此外，研究团队还提到，之前的临床研究已经证明，拉帕替尼和曲妥珠单抗是HER2阳性乳腺癌治疗中的重要药物，但它们的局限性仍然存在，如部分患者对这些药物产生耐药性，或者出现心脏毒性等副作用。因此，寻找新的治疗策略显得尤为重要。

在本研究的局限性部分，研究团队指出该研究主要依赖于计算机模拟，因此需要进一步通过体外和体内实验来验证其结果。此外，虽然模拟时间达到了200纳秒，能够捕捉到蛋白质-配体之间的动态变化，但更长时间的模拟以及更广泛的配体对接分析可能会提供更详细的分子机制信息。最后，尽管C13的毒性预测较为乐观，但为了全面评估其安全性，还需要进行更深入的毒理基因组学和代谢分析。

在结论部分，研究团队总结了本研究的主要发现，即C13作为一种从OS中提取的化合物，具有抑制ErbB2同源二聚化的潜力，因此可能成为HER2阳性乳腺癌治疗的一种新药物。C13表现出最优异的结合亲和力、结构稳定性、良好的药代动力学特性和较低的毒性，显示出其在治疗中的优势。通过分子对接和200纳秒的分子动力学模拟，研究团队证实了C13能够与ErbB2蛋白形成稳定的结合，从而干扰其二聚化过程。这些结果不仅为HER2阳性乳腺癌的治疗提供了新的思路，还为C13的进一步实验研究奠定了基础。

在作者贡献声明部分，研究团队明确了每位作者在本研究中的具体贡献。Md. Mobinul Hoque负责撰写初稿、可视化、验证、方法学设计、形式分析、数据整理和概念设计。Tamanna E Jannati、Md. Araf Mahamud Shourav、Hafiz Muzzammel Rehman和Hafiz Muhammad Hammad则负责撰写、审阅和编辑、可视化、方法学设计、形式分析和数据整理。这些贡献表明，研究团队在本研究中发挥了多方面的合作，为研究的顺利进行提供了保障。

在伦理声明部分，研究团队指出本研究未涉及人类参与者或动物实验，因此不需要伦理审查。这一声明表明，研究的实施过程符合伦理规范，且没有对实验对象造成任何不必要的伤害或干扰。

在资金来源部分，研究团队指出本研究未获得任何特定机构的资助，这意味着研究的资金主要来源于团队自身或研究机构的内部支持。这种资金来源的透明性有助于读者理解研究的独立性和客观性。

在利益冲突声明部分，研究团队明确表示，所有作者均未发现任何可能影响本研究结果的财务或个人关系。这一声明进一步增强了研究的可信度，并表明研究的结论是基于客观数据和科学分析得出的。

在致谢部分，研究团队对他们的导师在本研究中的指导和帮助表示感谢。这种感谢不仅体现了对导师的尊重，还表明研究团队在完成本研究的过程中得到了充分的支持和帮助。

综上所述，本研究通过计算机模拟和实验分析相结合的方法，探索了OS提取物中的化合物在HER2阳性乳腺癌治疗中的潜力。研究结果表明，C13是一种具有前景的ErbB2同源二聚化抑制剂，其在结合亲和力、结构稳定性、药代动力学特性和毒性方面均表现出优异的性能。这些发现不仅为HER2阳性乳腺癌的治疗提供了新的思路，还为C13的进一步实验研究奠定了基础。通过本研究，研究人员希望推动天然来源的药物开发，并为乳腺癌患者提供更有效的治疗方案。