《Bioinformatics and Biology Insights》：De Novo Molecular Design and Bioactivity Prediction of Novel Hexahydroquinolines as Plasmodium falciparum Calcium-Dependent Protein Kinase 4 (CDPK4) Inhibitors
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恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）钙依赖蛋白激酶4（PfCDPK4）是疟疾传播阻断干预的已验证靶点，其抑制可破坏雄性配子体出丝（exflagellation）。六氢喹啉（HHQs）已成为有前景的配子杀灭剂。本研究旨在设计新型HHQs作为潜
恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）钙依赖蛋白激酶4（PfCDPK4）是疟疾传播阻断干预的已验证靶点，其抑制可破坏雄性配子体出丝（exflagellation）。六氢喹啉（HHQs）已成为有前景的配子杀灭剂。本研究旨在设计新型HHQs作为潜在PfCDPK4抑制剂，具备良好结合亲和力、有利药代动力学与结构稳定性。研究人员利用AlvaBuilder中遗传算法驱动的从头分子设计生成20,000个新型HHQ类似物库，并通过机器学习生物活性预测、PAINS去除、药效团建模、ADMET筛选及基于结构的虚拟筛选系统过滤。排名靠前化合物经生物等排优化后，采用300 ns分子动力学模拟与密度泛函理论（DFT）计算评估。以已知抑制剂Bumped Kinase Inhibitor-1（BKI-1）与共结晶配体DXR为对照的比较性计算机验证表明，四个HHQ类似物在ATP结合口袋内与关键残基表现出可比结合亲和力与稳定相互作用。有利的ADMET谱、动态稳定性与支持性电子性质进一步强化了抑制潜力。这些发现为HHQ骨架作为潜在PfCDPK4抑制剂提供了具有生物学意义的计算机证据，并展示了集成生物信息学方法在疟疾传播阻断药物发现中的效用。需进一步实验验证以确认所鉴定六氢喹啉化合物的抑制活性。
研究背景与动机
疟疾由疟原虫引起，现有抗疟药多针对血液期，传播阻断仍依赖配子体靶向。恶性疟原虫钙依赖蛋白激酶4（PfCDPK4）因在雄配子体出丝中的必需性且无人类同源物，成为传播阻断理想靶点；其ATP结合口袋因丝氨酸门控残基暴露扩大疏水区，赋予选择性。已知BKI、吩噻嗪等抑制剂因口服生物利用度不足未进入后期临床，而六氢喹啉（HHQ）骨架在筛选中展现配子杀灭与传播阻断潜力。研究人员因此开展集成AI与结构药物设计（SBDD）的HHQ类PfCDPK4抑制剂发现研究，论文发表于《Bioinformatics and Biology Insights》。
主要技术方法
研究人员以MMV数据库18,925个Pf抑制剂SMILES为训练集，PubChem获取HHQ母核，用AlvaBuilder遗传算法生成20,000类似物（QED≥0.7、SAscore≤5、MW≤450、TPSA 95–140 ?2）；Chemprop（D-MPNN）二分类模型筛活；RDKit做PAINS、HobPre预测人源口服生物利用度（HOB>50%）；Schr?dinger Maestro以4QOX为靶标，Aher-Roy药效团（2 HBA/1 HBD/1 HYPHOB）初筛，Glide XP对接验证（共结晶DXR重对接RMSD 0.201 ?）；ADMETlab 2.0评估药代毒理；Maestro生物等排替换；Prime MM-GBSA算结合自由能；GROMACS 2024跑300 ns分子动力学（CHARMM36/TIP3P）；Gaussian 09 B3LYP/6-311++G(d,p)做DFT。
研究结果
化学空间可视化：t-SNE显示20,000 HHQ与MMV、ChEMBL明显分离；Bemis-Murcko分析8,499个独特骨架100%不在训练集，3-苯基HHQ占2.11%最高频，证实结构新颖与类药。
机器学习模型：Chemprop在MalariaFlow 2,000条平衡数据（7:1.5:1.5切分，50 epoch）训练，训练/验证AUC 0.97/0.84，外部验证正确识别10个已知PfCDPK4抑制剂与伯氨喹、排除阿司匹林/对乙酰氨基酚；19,995个生成分子中标17,808活。
PAINS与口服生物利用度过滤：17,808活体中7,283含PAINS亚结构，余10,525非PAINS；HobPre HOB>50%筛得9,160个。
药效团建模：Phase用Aher-Roy四特征模型筛9,160得67个匹配，7个Phase fitness超BKI-1（1.525），最高1.658。
基于结构虚拟筛选（SBVS）：Glide XP对接67个，得分-9.746至-2.958 kcal/mol，10个优于BKI-1（-8.013），无超越DXR（-11.874）。
ADMET预测：对10个优者用ADMETlab 2.0按15项截断，仅4个（HHQ 01/02/03/04）全过；hERG概率0.003–0.061远低于BKI-1（0.949），LogS、LogP、LogD、Caco-2、MDCK均达标。
生物等排替换：Maestro对4个母核替换得HHQ 1a/2a/3a，对接-9.30/-8.752/-8.792 kcal/mol，优于母核与BKI-1；MM-GBSA结合能HHQ 3a -52.51、HHQ 1a -49.41 kcal/mol，均优于BKI-1（-39.81），略弱于DXR（-61.95）。2D相互作用显示HHQ 01与ASP148、GLU197成氢键，HHQ 1a保留ASP148并新交LYS78，HHQ 2a/3a交TYR150，与DXR/BKI-1关键残基一致。
分子动力学模拟：300 ns中4体系背骨RMSD<3.2 ?，HHQ 01波动1.8–2.2 ?最稳；RMSF显示结合残基低波动；SASA结合态300–325 nm2高于apo（225–245）；Rg 25.6–26.6 ?较apo略增不塌缩；氢键HHQ 01后期维持3–4条最持久。
密度泛函理论：B3LYP算得ΔEgap HHQ 01 3.5527 eV、HHQ 1a 2.1672 eV，生物等排降隙增反应；HHQ 1a软度0.9228 eV-1、电亲势7.3691 eV最高；FMO与MEP指明HHQ母核供电子、杂环受体，氧红区利氢键。
讨论与结论翻译
讨论指出，尽管计算证据积极，本研究缺酶活、细胞与体内实验；单一质子化/互变异构态可能漏交互。但结果将欠开发HHQ骨架立为传播阻断抗疟基础，未来需合成与体外体内评价。
结论：本研究用AlvaBuilder遗传算法生成20,000 HHQ类似物，经ML活性预测、药效团、SBVS、ADMET、生物等排集成流水，得4个领先（HHQ 01、HHQ 1a、HHQ 2a、HHQ 3a）对接-9.30至-8.752 kcal/mol胜BKI-1、近DXR；300 ns MD证稳；DFT ΔEgap 2.1672–3.5527 eV与高电亲势支持强交互；ADMET示HHQ 2a/3a的F(30%) 0.028/0.007优于BKI-1（0.039）与BKI-1294（0.021），hERG近零低心脏毒。化合物仍为计算先导，需实验确证。工作为全球消除疟疾提供计算基础。
