丙酮酸激酶变构激活剂的探索：基于分子对接、DFT与动力学模拟的镰状细胞病治疗新策略

本研究针对镰状细胞病(SCD)因PK(丙酮酸激酶)活性降低导致的ATP不足和2,3-DPG积累问题，通过虚拟筛选Enamine和Asinex化合物库，结合分子对接、DFT(密度泛函理论)、MD(分子动力学)模拟及ADMET预测，发现Z169572442和Z432281300两种化合物具有优于参考药物Mitapivat的结合亲和力与稳定性，为开发新型PK变构激活剂提供了重要候选分子。

　　

镰状细胞病(SCD)是一种因血红蛋白β亚基基因突变引发的遗传性血液疾病，患者红细胞在缺氧条件下扭曲成镰刀状，导致血管阻塞和多器官损伤。尽管已有羟基脲等药物缓解症状，但2024年血红蛋白调节剂Voxelotor因严重副作用退市，凸显治疗手段的局限性。研究表明，激活糖酵解关键酶丙酮酸激酶(PK)可提升红细胞ATP水平、降低2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)浓度，从而抑制血红蛋白S(HbS)聚合，这为SCD治疗提供了新思路。

为寻找高效PK变构激活剂，比拉尼理工学院与印度理工学院坎普尔分校的研究团队采用计算生物学方法，对Enamine和Asinex化合物库进行系统性筛选。研究首先通过分子对接从14万化合物中锁定10个候选分子，再结合密度泛函理论(DFT)分析电子结构特性，并利用分子动力学(MD)模拟评估复合物稳定性，最终通过ADMET预测评估成药性。相关成果发表于《Computers in Biology and Medicine》。

关键实验技术
研究采用Schr?dinger 2022-2套件的Glide模块进行分子对接，以PDB ID:8XFD(分辨率2.1?)为靶点；通过DFT计算前沿分子轨道(FMOs)验证电子特性；使用GROMACS进行100ns MD模拟分析RMSD/RMSF；借助pkCSM平台预测ADMET(吸收、分布、代谢、排泄、毒性)参数。

研究结果

1. 靶点选择与准备
   选择与Mitapivat结合的PK晶体结构(8XFD)，验证对接协议RMSD为1.15?，确保方法可靠性。

2. 分子对接与MM-GBSA计算
   初筛获得Z169572442(-11.47kcal/mol)和Z432281300(-10.82kcal/mol)，其结合自由能显著优于Mitapivat(-9.24kcal/mol)。MM-GBSA显示二者与PK的ARG489、ASN416形成稳定氢键。

3. DFT验证
   FMOs分析表明两化合物最高占据分子轨道(HOMO)与最低未占轨道(LUMO)能隙分别为3.72eV和3.85eV，提示良好电子转移能力，与变构调控机制相符。

4. MD模拟
   100ns模拟显示PK-配体复合物RMSD波动<2?，关键结合残基RMSF<1.5?，蛋白-配体接触图谱保持稳定。

5. ADMET预测
   两化合物透膜性(Caco-2渗透性>8×10^-6
   cm/s)和代谢稳定性(CYP450抑制弱)良好，但水溶性(LogS<-4)需制剂优化。

结论与意义
该研究通过多尺度计算策略，首次报道Z169572442和Z432281300作为PK变构激活剂的潜力。其不仅能稳定结合PK变构位点，还可通过调节FMOs能级影响酶构象，且ADMET特性满足先导化合物要求。相较于临床阶段药物Mitapivat，新化合物展现出更强的结合亲和力和更优的动力学稳定性，为开发SCD治疗药物提供了结构优化基础。未来实验验证将聚焦于化合物对红细胞2,3-DPG/ATP水平的调控效应，推动从计算发现到临床转化的进程。