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本文聚焦虚拟现实（VR）在药物设计领域的应用。阐述其在基于结构的药物设计（SBDD）中的优势，如改善分子结构可视化与交互性；介绍 VR 硬件、软件及应用案例；探讨行业对其看法与挑战。VR 有望革新药物设计，但目前应用受限，未来需与 AI 融合发展。
一、引言
在药物研发领域，基于结构的药物设计（SBDD）至关重要。药物小分子与蛋白质靶点的相互作用如同复杂的 4D 形状匹配谜题，SBDD 借助生物分子的 3D 结构数据来设计精准作用于靶点的药物，推动靶向疗法的发展。
可视化对于理解生物分子结构意义重大。早期，研究人员依赖物理模型和早期计算机图形技术，后来先进的计算化学工具虽有所进步，但传统 2D 屏幕在展示 4D 分子结构时仍有局限。
虚拟现实（VR）可在 3D 空间中直观呈现复杂数据，在多个行业得到应用。在制药领域，VR 能提升计算机辅助药物设计（CADD）的效率、增强数据驱动性与交互性，诸多软件如 ChimeraX、Nanome 等已在药物设计中发挥作用，在新冠研究、蛋白质 - 配体对接等方面成果显著。本文基于对 19 位制药行业专家的反馈，探讨 VR 在药物设计中的作用、挑战及与 AI 的关联。
二、基于 VR 的结构药物设计
（一）VR 用于分子模拟的硬件与软件
VR 在结构药物设计中的成功依赖硬件性能。新一代 VR 设备，像 Valve Index、HTC Vive 等，包含头戴式显示器（HMD）和两个具有 6 自由度（6 - DoF）追踪功能的手持控制器，能精准追踪旋转和平移运动。部分设备还具备强大的手部追踪能力，研究人员可像操作真实物体一样操控模拟分子模型。
VR 营造的空间存在感和具身体验，使研究人员在蛋白质 - 配体对接和实时分子动力学模拟等任务中，能直接与 3D 对象互动。此外，VR 支持多人协作，不同地点的研究人员可共同在虚拟空间中操作分子模型，增强 3D 空间感知。多数 VR HMD 还可通过 “视频穿透” 功能扩展为增强现实（AR）。
（二）定义 “交互性”
研究人员与 VR 中分子结构的交互可分为检查（Examine）、探索（Explore）和操作（Manipulate）三个任务，对应不同层次的 “交互性”。
在检查层面，研究人员能利用控制器或手部追踪移动、旋转、缩放可视化模型，调整视角观察分子。探索层面，可切换分子的表示形式，如球棍模型、带状模型或静电表面视图，还能观看分子动力学模拟的时间序列，深入研究感兴趣的特征。操作层面则能主动修改结构或实时控制模拟，如调整药物分子结构优化结合性能，或通过交互式分子动力学虚拟现实（iMD - VR）操控单个原子和分子的运动。iMD - VR 在分子科学研究中应用广泛，相比键盘 / 鼠标，在复杂 3D 操作任务上速度提升 2 - 10 倍。目前有多种 VR 软件可用于药物设计，各有特点和优势。
（三）VR 应用案例
在药物设计中，VR 可用于可视化分子特性，如氢键和静电势。UnityMol、Molecular Rift 等软件能展示氢键，帮助研究人员发现增强结合的修饰位点；UnityMol - APBS 可集成自适应泊松 - 玻尔兹曼求解器软件，直观呈现分子静电势，简化计算流程。
以Torpedo californica乙酰胆碱酯酶和T. brucei RNA 编辑连接酶 1 复合物的研究为例，VR 凭借大视野和动画静电场线，让活性位点更易识别，帮助研究人员探索底物结合模式，发现潜在问题。
在新冠疫情期间，VR 助力研究人员快速理解与 SARS - CoV - 2 感染相关的生物分子结构。专家利用 iMD - VR 构建小分子抑制剂和寡肽底物与 SARS - CoV - 2 主要蛋白酶（Mpro）的复合物结构，验证实验结果，为研发新疗法提供支持。EXSCALATE4CoV 联盟借助 VR 研究病毒分子动力学和化学相互作用，设计 Mpro抑制剂。
在其他药物设计场景中，Nanome 用户成功构建 RIP2 激酶活性位点的小分子抑制剂，与晶体结构相似度高；研究人员还能利用 VR 讨论药物的化学修饰位点。此外，在未知合适靶结构时，VR 可辅助药物靶点及其功能状态的整合建模。在蛋白质 - 配体对接方面，iMD - VR 能帮助专家和新手实现精准对接，提升对接效率和准确性。
三、行业视角：协作与 AI 融合
制药行业专家对 VR 在药物设计中的应用持谨慎乐观态度。VR 在可视化、协作和交互方面有优势，但成本高、可用性差、与现有工作流程融合困难等问题阻碍其广泛应用。目前，VR 在制药行业的应用程度较低，多为特定项目或试点使用，未成为日常关键工具。
VR 在促进跨学科团队协作方面作用突出，能让分布在不同地区的团队成员在同一虚拟环境中互动，帮助团队成员更好理解结构假设和相互作用，实时解决问题。然而，部分专家认为 VR 目前只是辅助工具，甚至有人将其视为 “噱头”。
AI 与 VR 具有互补性。AI 可增强 VR 的实时数据分析、预测和交互反馈能力，使 VR 更智能；同时，AI 生成的复杂数据集也需要 VR 这样的先进可视化技术辅助理解。但目前 AI 在药物研发领域获得的资金和关注更多，VR 与 AI 的融合面临技术开发复杂、用户培训困难、硬件软件要求高等挑战。
为推动 VR 在制药行业的广泛应用，需优化 VR 工具与现有工作流程的整合，简化操作，减轻设备负担，确保数据安全。AI 增强的 VR 工具和协作功能有望让 VR 成为药物研发的主流工具。
四、未来展望与结论
VR 在药物研发领域潜力巨大，有望带来范式转变。它能让研究人员更直观地理解和操作分子结构，辅助决策，激发创新。但目前 VR 在制药行业的地位仍不及 AI 和传统可视化平台。
未来，VR 硬件的改进、软件易用性的提升以及与 AI 分析的深度融合，将是释放其潜力的关键。同时，VR 与 AR 的界限可能逐渐模糊，两者的应用场景也需进一步探索。由于现有制药研究工作流程的定制性强，VR 和 AR 融入其中存在困难，希望本文能推动相关研究，使 VR 在药物设计中发挥更大作用，并且 VR 在未来药物研发人员的培训方面也具有重要价值。
