整合计算模拟、体内实验与深度学习方法发现埃及伊蚊防控新型候选分子

《Archives of Insect Biochemistry and Physiology》：Integrated In Silico, In Vivo, and Deep Learning Approaches in the Discovery of Novel Candidate Molecules for Aedes aegypti Control

　　

埃及伊蚊（Aedes aegypti）是传播登革热、寨卡、基孔肯雅热和黄热病等主要虫媒病毒的关键媒介。传统合成杀虫剂抗性增强及环境副作用促使研究人员亟需开发更具选择性、可持续性和高效的病媒控制策略。查耳酮（chalcones）此前已被本研究组鉴定为具杀幼虫潜力的化学类群，而通过激活神经肽Y样受体7（NPYLR7）抑制成虫吸血为成虫期整合防控提供新思路。本研究构建阶段特异性发现框架：通过整合计算模拟与体内实验评估查耳酮靶向保幼激素转运的杀幼虫潜力；应用基于深度学习的高通量虚拟筛选（HTVS）优先化具NPYLR7激动活性且化学合理的候选分子以抑制吸血；并利用DeSAO（“de novo drugs using Simulated Annealing Optimization”）算法生成新型NPYLR7导向分子骨架作为假设生成式从头设计方法。上述策略作为互补而非收敛的发现轴，分别应对幼虫与成虫生物学需求。研究人员对PubChem中1070个查耳酮于埃及伊蚊保幼激素结合蛋白（mJHBP）进行经典对接虚拟筛选，获得有利预测结合能；商业购得三种卤代查耳酮进行72 h杀幼虫实验，确定4′-氯-4-甲氧基查耳酮（2c）活性最高。并行地，机器学习驱动HTVS与DeSAO独立识别并优先化具预测NPYLR7激动活性的新型分子骨架，提供化学多样性架构供后续成虫吸血抑制评价。结果表明中等大小取代基卤代查耳酮可作杀幼虫候选，而HTVS与DeSAO为吸血控制提供互补候选。整合计算、机器学习与实验方法可在统一流程中同时支撑已验证杀幼虫发现与成虫候选优先化。

研究背景方面，埃及伊蚊（Aedes aegypti）传播登革热、寨卡、基孔肯亚热与黄热病，缺乏特效治疗使病媒控制成为核心手段；传统化学杀虫剂因抗性发展与环境毒性受限，亟需替代策略。幼虫期保幼激素（JH）经保幼激素结合蛋白（mJHBP，属气味结合蛋白家族）转运调控发育，干扰该通路致变态异常；成虫期通过神经肽Y样受体7（NPYLR7，G蛋白偶联受体）激动抑制宿主寻求与吸血行为，为两阶段特异性靶点。本研究由Rosalvo F. Oliveira Neto与Edilson B. Alencar Filho等研究人员开展，旨在以互补计算—实验轴分别处理幼虫与成虫脆弱性，而非追求双靶一体配体。

主要关键技术方法方面，研究人员采用三套独立流程：其一，基于AutoDock Vina对PubChem 1070个查耳酮在mJHBP（PDB 5V13）行经典分子对接，以JH III重对接RMSD<2 ?与DUD-E.decoy ROC-AUC验证；幼虫样本来自巴西Moscamed Biofactory本地株L2–L3，以WHO改良法行72 h体内杀幼虫测定。其二，针对NPYLR7用GPCR-I-Tasser同源模型，将ZINC超100万分子经LogP≤3、MW≤400 Da过滤，以Bande和Baday的双向LSTM（512隐元）加注意力机制RNN拟合Vina分数，输入融合Morgan指纹（1024位）、SMILES独热（3500维）与MACCS（167位）共4691特征，五折交叉验证。其三，DeSAO以Zeledon等29个喹唑啉-胍类NPYLR7激动剂为leader，6000个MCE-18优化片段为库，模拟退火（初温30，α=0.9，迭代4000）优化MW、cLogP、PSA窗口生成新骨架。

研究结果部分，3.1 经典虚拟筛选与对接：JH III重对接RMSD=0.524 ?、结合能?8.9 kcal/mol，ROC-AUC=0.960；卤代查耳酮1c（4′-氟-4-甲氧基）?11.5、2c（4′-氯-4-甲氧基）?10.8、3c（3-溴-4-甲氧基）?10.0 kcal/mol；2c与Tyr-129形成氢键模拟JH III环氧端锚定。3.2 体内杀幼虫：72 h暴露下2c在各浓度死亡率稳定于60%上下（100 ppm达61%），1c受溶解度影响LC₅₀估为34.06 ppm，3c无效；结论为对接能不直接预测体内效，2c因关键氢键与理化平衡最优。3.3 深度学习HTVS：RNN五折R² 0.740–0.808，扫描百万分子耗时数分钟（RTX 4070 Ti），筛得124个<?9.9 kcal/mol分子，最优命中与已知激动剂PubChem CID 46105714的Tanimoto相似度Morgan 0.224/RDK 0.332/MACCS 0.574，结构更紧凑含腈基替酰胺。3.4 DeSAO从头设计：自29 leader获22个满足MW 250–500、cLogP 0.5–3.5、PSA 70–180的候选，出现二氢茚（dihydro-indene）与磺酰胺（sulfamate）替胍新 motif，D1、D2为例。

讨论与结论翻译：本研究证明在阶段特异性层级框架中整合计算化学、机器学习与体内生物测定对埃及伊蚊防控的价值。查耳酮/mJHBP轴通过已验证杀幼虫实验建立完整计算—实验链路；NPYLR7导向深度学习与DeSAO提供具生物学依据的成虫干预候选优先化。经典对接锁定卤代查耳酮对mJHBP强预测亲和，4′-氯-4-甲氧基查耳酮（2c）体内一致致死且复现JH III识别关键互作，强化JH转运为易感幼虫靶点。成虫期深度学习将化学空间拓展至百万级并数分钟完成，RNN-LSTM注意力架构学习GPCR结合立体电子特征；DeSAO以启发式优化引入二氢茚与磺酰胺新架构。两轴实验成熟度不同：mJHBP/查耳酮具体内验证，NPYLR7候选待受体激活与吸血抑制功能实验确认。该多层级框架连接分子设计、对接与生物验证，为下一代机制明确、选择性高、兼容环境的控蚊剂开发提供路径。论文发表于《Archives of Insect Biochemistry and Physiology》。