基于药效团的HMI-CFPB计算设计：源于Spathodea campanulata的骨架跃迁acteoside类似物靶向血脑屏障穿透与多阶段恶性疟原虫抑制

《Aspects of Molecular Medicine》：Pharmacophore-based in silico design of HMI-CFPB, a scaffold-hopped acteoside analogue from Spathodea campanulata, targeting blood-brain barrier penetration and multistage Plasmodium falciparum inhibition

　　

天然产物因其结构多样性和生物学相关性，持续为抗疟药物发现提供有价值的骨架。由于寄生虫感染红细胞的快速隔离以及灾难性血脑屏障（BBB）破坏，脑型疟疾作为由恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）引起的最致命神经血管并发症，在全球范围内死亡率高得惊人。研究人员采用基于药效团（pharmacophore）的计算策略设计HMI-CFPB，即源于Spathodea campanulata的acteoside骨架跃迁（scaffold hopping）类似物，旨在增强BBB穿透和多阶段抗疟原虫潜力。采用计算机辅助骨架跃迁以药理学优化的骨架替换庞大糖苷核心。生成的类似物HMI-CFPB通过计算ADMET（ADMET，吸收、分布、代谢、排泄和毒性）过滤、针对关键多阶段靶点的分子对接（molecular docking）模拟以及全面100 ns分子动力学模拟（MDs）进行严格评估，以确定结合稳定性；所述靶点包括无性血液阶段相关的恶性疟原虫cGMP依赖性蛋白激酶（PfPKG）、恶性疟原虫磷脂酰肌醇4-激酶（PfPI4K），以及传播阶段相关的AKT丝氨酸/苏氨酸激酶1（AKT1）。计算优化带来显著的药代动力学和治疗学增强。结构骨架替换成功降低极性表面积，使拓扑极性表面积（TPSA）≤140 ?²，实现最佳脂溶性（LogP ≤5），并在BBB内皮模型中显示稳健的被动跨细胞扩散。HMI-CFPB对相应靶点显示优异结合亲和力（PfPKG结合分数为?8.7 kcal/mol，PfPI4K为?8.3 kcal/mol，AKT1为?10.5 kcal/mol），显著优于原生抑制剂。MD模拟证实这些发现，显示最小均方根偏差（RMSD）波动以及100 ns内稳定氢键网络。骨架跃迁方法成功生成化学优化类似物，具有改善的药效学和药代动力学特征，适合中枢神经系统可及性和多阶段抗疟干预。这些发现突出HMI-CFPB作为有前景的先导候选物，可用于进一步体外和体内验证，以开发针对耐药P. falciparum感染的下一代抗疟疗法。

研究背景：疟疾仍是全球负担沉重的传染病之一，恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）可导致脑型疟疾、代谢性酸中毒、重度贫血和多器官衰竭。现有抗疟药多主要针对无性血液阶段，肝内储库和传播性配子体阶段未被充分覆盖；抗药性扩散使治疗面临威胁。脑型疟疾的关键难题包括感染红细胞在脑微血管内隔离、血脑屏障（BBB，脑毛细血管与脑组织间的选择性屏障）功能障碍和神经炎症，因而药物除抑制寄生虫增殖外还需具备BBB穿透能力。天然产物acteoside具有抗氧化、抗炎、神经保护和抗寄生虫等活性，但其分子量大、极性高、氢键多、膜渗透性差和口服生物利用度低，限制其用于脑型疟疾。已有研究缺乏针对BBB穿透和多阶段抗疟活性对acteoside进行理性骨架优化的候选物，因此研究人员开展基于药效团（pharmacophore，分子识别所需空间化学特征集合）和骨架跃迁（scaffold hopping，保留关键药效特征而替换核心骨架的结构改造策略）的计算设计，以获得HMI-CFPB并评估其成药性、BBB渗透和多靶点结合潜力。研究结论提示HMI-CFPB可作为进一步实验验证的天然产物启发先导候选物，但证据仍属计算预测。

关键技术方法：研究人员以acteoside为母体骨架，构建药效团模型并实施计算机辅助骨架跃迁，生成HMI-CFPB三维结构并进行几何优化和密度泛函理论（DFT，基于电子密度描述分子电子性质的方法）分析；使用ADMET和BBB渗透预测、SwissTargetPrediction靶点预测、GeneCards/DisGeNET/MalaCards/OMIM疾病靶点检索、VENNY交集分析、STRING蛋白–蛋白相互作用（PPI）网络、Cytoscape配体–靶点–通路（L–T–P）网络及ShinyGO基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集；采用PyRx分子对接、100 ns MDs及MM/PBSA结合自由能计算评估稳定性。本研究未涉及样本队列来源。

研究结果：
3.1 药物似药性过滤与生物活性候选物选择：通过ADME/T Lab平台按分子量≤500 Da、氢键供体≤5、氢键受体≤10、LogP≤5、TPSA≤140 ?²、无PAINS及Lipinski规则筛选，HMI-CFPB无关键违例，预测具有可接受溶解度、脂溶性、口服生物利用度和BBB渗透性。
3.2 VENNY中共同交集靶点：通过SwissTargetPrediction预测靶点并与恶性疟原虫相关基因取交集，VENNY分析得到18个共同靶点（1.4%）。
3.3 恶性疟原虫与HMI-CFPB相关18个交集靶点：从GeneCards、OMIM、DisGeNET和MalaCards检索恶性疟原虫相关基因共1150个，与HMI-CFPB相关靶点交集为18个（1.4%）。
3.4 18个共同靶点的PPI网络分析：STRING构建网络含18个节点、50条边，平均节点度5.56，平均局部聚类系数0.798，富集P值小于6.55×10^?8；前10枢纽基因为AKT1、EGFR、HIF1A、GSK3B、MMP9、ABCB1、MTOR、CD274、ADRB2和MMP1，其中AKT1、EGFR、HIF1A、GSK3B和MMP9的DC、BC和CC较高。
3.5 配体–靶点–通路（L–T–P）网络分析：Cytoscape构建的L–T–P网络含18个靶点、HMI-CFPB和20条KEGG通路及50条边；基于DC、BC和CC，HMI-CFPB显示抗疟潜力相关网络地位。
3.6 18个共同靶点的GO与KEGG通路富集分析：ShinyGO显示KEGG富集于疟疾、Toll样受体信号、细胞因子–细胞因子受体互作、JAK–STAT信号、抗原加工提呈和造血细胞谱系；生物学过程涉及炎症、免疫、防御、细胞因子和应激反应；细胞组分涉及质膜外侧、胞外基质、囊泡腔、分泌颗粒腔、胞外区和胞外囊泡/外泌体；分子功能涉及过氧化物酶、抗氧化、细胞因子受体/结合/活性和免疫受体活性。
3.7 HMI-CFPD与靶点的分子对接：原文在此及后文使用HMI-CFPD，本文按原文保留。PyRx对接显示HMI-CFPD对PfPKG、PfPI4K和AKT1结合分数分别为?8.7、?8.3和?10.5 kcal/mol；共晶配体WLK、GSP和IQO分别为?9.1、?7.5和?14.9 kcal/mol；二维相互作用经BIOVIA Discovery Studio分析，提示对三靶点具有预测结合。
3.8 分子动力学稳定性复合物：100 ns MDs显示三种复合物均达到结构稳定。3.8.1 PfPKG_HMI-CFPD复合物：RMSD平均0.336±0.030 nm，Rg为3.288±0.018 nm，氢键平均1.06±0.42，配体RMSD为0.530±0.058 nm，SASA为416.36±5.35 nm²；ASN186、GLU182、GLN690和MET187等疏水作用占位较高，ASN190卤键占位55%；MM/PBSA总结合自由能为?41 kcal/mol。3.8.2 PfPI4K_HMI-CFPD复合物：RMSD平均0.956±0.096 nm，约40 ns后稳定，Rg降至2.602±0.065 nm，氢键平均1.35±0.86，配体RMSD为0.528±0.093 nm，SASA为286.47±12.46 nm²；ILE455、ILE329、PRO379等疏水作用及VAL380、GLY442等氢键作用显著；MM/PBSA总结合自由能为?38 kcal/mol。3.8.3 AKT1_HMI-CFPD复合物：RMSD平均0.342±0.037 nm，Rg为2.295±0.011 nm，氢键平均1.79±0.73，配体RMSD为0.355±0.041 nm，SASA为222.16±4.45 nm²；TRP83、LYS271、VAL273等疏水作用及ASN57、VAL274等氢键作用占位高；MM/PBSA总结合自由能为?35 kcal/mol。三种复合物中AKT1_HMI-CFPD最紧凑、相互作用网络最紧密、配体迁移最低且总体稳定性最高。
3.9 ADME和毒性预测：ADMETlab预测HMI-CFPB的Caco-2渗透为?4.81 log cm/s，人肠道吸收评分0.003，P-gp抑制概率0.061，BBB渗透0.985，血浆蛋白结合92.89%；CYP1A2、CYP2C19、CYP2C9和CYP3A4抑制概率较低，CYP2D6抑制概率0.823较高；人清除率12.561，半衰期评分0.286；hERG阻断概率0.903，药物性肝损伤概率0.618，Ames致突变0.011，肿瘤原性0，致癌性0.09。结果提示药代特征总体有利，但存在CYP2D6、hERG和肝损伤风险需实验验证。

讨论部分总结：原文讨论指出，世界疟疾报告估计2024年有2.82亿疟疾病例和61万死亡，部分青蒿素耐药扩散强化了新化学骨架计算发现的必要性。acteoside虽具多类活性，但高分子量、强极性、差口服生物利用度和有限BBB穿透限制其应用；HMI-CFPB通过药效团引导骨架跃迁降低极性，预测分子量478.17 Da、TPSA 71.47 ?²、LogP 3.98和BBB渗透0.985，并保留关键药效特征。18个交集靶点及AKT1、EGFR、HIF1A、GSK3B、MMP9等枢纽基因支持网络分析；PfPKG、PfPI4K和AKT1分别代表寄生虫无性血液阶段、传播阶段及宿主信号相关靶点。讨论同时强调，对接和MD结果仅为预测，缺乏酶抑制、细胞活性、靶点占据、BBB渗透和体内毒性实验证据，PfPKG、PfPI4K和AKT1应视为待验证的假定靶点。结论翻译：本研究成功采用基于药效团的骨架跃迁策略设计HMI-CFPB，即一种源于S. campanulata、受acteoside启发的类似物，作为具有预测BBB可及性的潜在抗疟候选物。整合药效团建模、理化和ADMET谱、DFT分析、分子对接、分子动力学和结合能评价的计算流程提供证据表明，HMI-CFPB具有与药物开发相容的结构和电子特征，并与选定P. falciparum靶点具有潜在有利相互作用。因此，本研究为推进HMI-CFPB作为新型天然产物启发先导候选物、具有潜在多阶段抗疟原虫活性提供合理计算基础。然而，这些发现仍属预测性，不应解释为BBB穿透或抗疟疗效的确认。