基于计算方法的二甲双胍类似物靶向头颈部癌信号分子（mTOR、PI3K/AKT、Wnt/β?catenin、AMPK及糖酵解通路）抑制效果研究

《Scientific Reports》：Investigation of metformin analogues in targeting signaling molecules of head and neck cancer pathways by computational approaches

　　

头颈部癌（Head and Neck Cancer, HNC）侵袭性强且有效靶向疗法有限，构成重大全球健康挑战。PI3K/AKT/mTOR、Wnt/β?catenin、AMPK（腺苷酸活化蛋白激酶）及糖酵解等关键生物通路在HNC进展中发挥重要作用。尽管化疗等常规疗法仍广泛使用，但其局限性促使研究人员寻求创新干预手段。本研究旨在评估FDA批准药物二甲双胍作为抗癌剂的效力，并通过综合计算机（in?silico）方法——包括分子对接（Molecular Docking）、100 ns分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟及MM/PBSA（Molecular Mechanics/Generalized Born Surface Area）结合自由能计算——筛选并评价二甲双胍类似物对上述生物分子的抑制作用。PubChem化合物CID 222300［(6E)?6?亚氨基?1?甲基?1,6?二氢?1,3,5?三嗪?2,4?二胺］与mTOR蛋白（PDB: 4JSV）表现出最高对接打分及高结合亲和力。对该mTOR–配体复合物进行100 ns MD模拟以评估稳定性与构象动态，结果显示：回转半径（Radius of Gyration, Rg）持续下降，均方根波动（Root Mean Square Fluctuation, RMSF）较低，均方根偏差（Root Mean Square Deviation, RMSD）稳定，表明整体结构紧缩且稳定。氢键分析揭示配体在轨迹中维持间断但规律的极性相互作用，有助于复合物稳定。上述发现提示CID 222300是可与mTOR稳定、特异性结合的潜在先导化合物，有望发展为靶向HNC的新颖治疗药物。

论文解读：《Scientific Reports》发表——二甲双胍类似物通过计算机模拟方法靶向头颈部癌PI3K/AKT/mTOR等信号分子的研究

一、研究背景与立项依据

头颈部鳞状细胞癌（Head and Neck Squamous Cell Carcinoma, HNSCC）约占头颈部癌（Head and Neck Cancer, HNC）的90%，全球发病率较高，即使经过多学科治疗，局部复发、远处转移常见，5年总生存率仅约50%–60%。HNC的发生发展涉及多条关键信号通路异常激活，主要包括PI3K/AKT/mTOR（磷脂酰肌醇3?激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）、Wnt/β?连环蛋白（β?catenin）、AMPK（Adenosine Monophosphate?Activated Protein Kinase，腺苷酸活化蛋白激酶）及糖酵解通路等。现有化疗和靶向治疗手段存在耐药性与毒性限制，亟需开发新型有效疗法。二甲双胍（Metformin）为FDA批准的双胍类口服降糖药，已有流行病学及部分临床前研究表明其可通过激活AMPK及抑制mTOR等机制发挥抗肿瘤作用，但其对HNC的直接靶向抑制效果及相关类似物的虚拟筛选研究尚不充分。为此，研究人员采用全计算（in?silico）策略系统评估二甲双胍类似物与HNC相关信号分子中关键蛋白的相互作用，以发现可稳定结合mTOR等靶点的先导化合物。

二、主要关键技术方法概述

研究人员从PubChem获取二甲双胍及89个结构相似类似物，去重后获得59个唯一类似物并转换为PDBQT格式作为配体库。从RCSB PDB数据库下载11个与HNC相关的靶点蛋白（包括PD?L1 PDB 4Z18、PI3Kα PDB 4JPS、mTOR PDB 4JSV与4JT6、AKT1 PDB 3MVH、AMPK PDB 4CFE、TP53 PDB 6MXY、GSK?3β PDB 1Q5K、β?catenin PDB 4DJS、p53 PDB 2OCJ及己糖激酶?2 HK?2 PDB 2NZT），去除水分子、异源原子及多余链只保留链A后用于对接。采用PyRx进行分子对接（Autodock Vina引擎），以结合能≤?6.0 kcal/mol为初筛标准。通过SwissADME进行ADME（吸收、分布、代谢、排泄）性质及Lipinski五规则评价，通过ProTox?3.0预测急性毒性等级与肝毒性、致癌性等。对最优复合物用GROMACS 2024.4进行100 ns全原子分子动力学（MD）模拟（Amber ff99SB?ILDN力场，SPC/E水模型，先后进行能量最小化、NVT与NPT平衡），分析RMSD、RMSF、回转半径（R_g）及氢键占有率。最后采用MMPBSA.py计算MM/PBSA结合自由能分解各能量项。

三、研究结果

分子对接（Molecular Docking）

59个二甲双胍类似物分别与11个靶点蛋白对接，仅4个蛋白给出较满意结合能，其中mTOR（PDB 4JSV）与PubChem CID 222300结合能最低（?6.7 kcal/mol）。其余符合条件配体亦列出对应靶点。盲对接结果经2D相互作用图与表面图验证显示配体与mTOR活性口袋形成氢键、范德华及π相互作用。

虚拟筛选潜在先导分子（Virtual Screening of Potential Lead Molecule(s)）

以结合亲和力≤?6.0 kcal/mol为标准筛选出6个候选配体及其对应靶点蛋白（主要为mTOR PDB 4JSV）。ADME分析显示入选配体多符合Lipinski规则、具良好胃肠道吸收预测及可接受分子量、氢键供受体数。ProTox?3.0毒性预测显示CID 222300等为低毒级（Toxicity Class 4–5），无显著肝毒性或致癌性预警，适合进一步研究。

分子动力学模拟分析（Molecular Dynamics Simulation Analysis）

选取4JSV–CID 222300复合物进行100 ns MD模拟：

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  RMSD曲线显示前20 ns内系统由初始对接构象调整，22 ns后趋于稳定（波动于～5.8–6.2 nm），偶发瞬时峰属环区柔性重排，无持续漂移，表明复合物整体结构完整。
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  RMSF分析表明大多数残基波动在0.2–0.5 nm，仅端肽及溶剂暴露环区出现高峰（个别～2.8 nm），为核心结构稳定背景下的功能性柔性区域。
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  回转半径（R_g）从～3.55 nm缓降至～3.47 nm并平台化，说明配体结合诱导蛋白?配体复合物逐步紧缩、热力学有利构象形成，未见解折叠。

MM/PBSA分析（MM/PBSA Analysis）

氢键占有率统计显示Asp¹⁷¹²与配体氢键占有率最高（～16.37%），Gln¹⁷¹⁵、Asp¹⁵⁰⁶、Met¹⁵³⁵等亦参与持续性极性接触。气相相互作用能（ΔG_GAS）为?115.44 kcal/mol，去溶剂化惩罚（ΔG_SOLV）为+105.52 kcal/mol，总结合自由能（ΔG_TOTAL）为?9.92 kcal/mol，证实净结合在热力学上有利，配体可稳定占据mTOR ATP结合口袋。

四、讨论与结论翻译总结

讨论部分指出，本研究通过分子对接、ADME/T毒性过滤、100 ns MD模拟及MM/PBSA计算系统评价二甲双胍类似物对HNC相关信号蛋白特别是mTOR（PDB 4JSV）的抑制潜力。(6E)?6?Imino?1?methyl?1,6?dihydro?1,3,5?triazine?2,4?diamine（CID 222300）与mTOR结合能?6.7 kcal/mol，虽非极强力但与其他已发表ATP竞争性mTOR抑制剂相当；MD模拟证实复合物RMSD稳定、R_g递减紧缩、RMSF核心区低波动、氢键间歇性但规律存在，MM/PBSA给出负的总结合自由能（?9.92 kcal/mol）。结果表明CID 222300可稳定结合mTOR催化域而不引起有害构象畸变，具备作为mTOR通路抑制先导化合物的潜力，值得后续体外实验验证。

结论（原文浓缩翻译）：

本研究对59个二甲双胍类似物进行虚拟筛选以寻找可抑制HNC相关通路（PD?L1、PI3K/AKT/mTOR、AMPK、Wnt/β?catenin、p53及糖酵解）的化合物。mTOR（PDB 4JSV）与PubChem CID 222300［(6E)?6?亚氨基?1?甲基?1,6?二氢?1,3,5?三嗪?2,4?二胺］产生最低对接结合能（?6.7 kcal/mol）。该配体通过ADME及毒性评估，且100 ns MD模拟显示mTOR–配体复合物RMSD平稳、RMSF核心残基低波动、回转半径逐渐减小、氢键分析揭示Asp¹⁷¹²等主要极性接触，MM/PBSA总结合自由能为?9.92 kcal/mol。综上，CID 222300可稳定、特异地与mTOR结合口袋相互作用，使mTOR蛋白趋于紧缩热力学稳定构象，有望作为抑制mTOR驱动信号轴（调控HNC细胞存活、增殖与代谢重编程）的先导分子，建议开展体外实验加以确证。