从结合口袋到脂质双分子层：多尺度基于结构的活性VEGFR2激酶抑制剂筛选与膜渗透机制解析

《Materials Advances》：From binding pockets to bilayers: multiscale structure-based screening of active VEGFR2 kinase inhibitors with membrane permeation insightsOpen Access

　　

研究人员采用计算机模拟方法和自由能计算，对吡啶-3-甲酰胺母核及其结构类似物进行了集成量子化学筛选，旨在鉴定具有良好膜转运特性、可用于实验验证的血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）抑制剂候选物。利用概念密度泛函理论（CDFT）描述符，在对接和动力学优化之前对大型化学库进行严格缩减，最终将motesanib及其类似物10160537、22249450和59996974鉴定为计算预测的优势候选物。与motesanib（?36.29 kcal mol^?1）相比，22249450和59996974表现出更优的结合能量学，其ΔG值分别为?45.75和?42.01 kcal mol^?1。对称适配微扰理论（SAPT）显示，motesanib和10160537主要通过氢键相互作用稳定，而22249450和59996974在激酶活性位点内以π-烷基和色散驱动的接触为主导。在POPC:胆固醇双分子层中的伞形采样进一步证明，22249450和59996974的有效渗透性增强，而motesanib因吡啶环和取代苯环的高度翻转，在膜疏水核心遭遇显著能垒。综上，这些结果表明，根据当前计算分析，化合物22249450和59996974是有前景的VEGFR2抑制剂，能够同时优化结合与渗透特性。

血管生成在胚胎发育、组织生长与修复以及成体组织稳态维持中至关重要，但失调的血管生成也推动肿瘤生长、转移、慢性炎症和眼部疾病。血管内皮生长因子（VEGF）通过VEGFR1、VEGFR2和VEGFR3三种高亲和力受体酪氨酸激酶转导信号，其中VEGFR2是促血管生成信号的主要介导者，激酶活性显著强于VEGFR1和VEGFR3。已有舒尼替尼、索拉非尼、阿帕替尼、乐伐替尼和替沃扎尼等口服VEGFR2靶向抑制剂进入临床，但长期使用常伴随甲状腺功能障碍、骨髓抑制等明显不良反应。因此，临床迫切需要具有更高选择性和更宽治疗窗的下一代VEGFR2抑制剂。吡啶-3-甲酰胺是天然产物和生物活性分子中常见的杂环骨架，其衍生物具有广泛的药理活性。该研究发表于《Materials Advances》，以motesanib为先导化合物，采用多尺度计算工作流，从大规模化学库中系统筛选结构类似物，以期发现兼具优良结合亲和力和膜渗透性的VEGFR2抑制剂。

研究人员从ZINC、PubChem、DrugBank和ChEMBL数据库检索吡啶-3-甲酰胺结构，获得749个初始分子；经过基于Tanimoto指纹的二维相似性搜索、Lipinski五规则、50%立体/50%静电结构叠合以及极性表面积（PSA）<90 ?²过滤后，得到50个与motesanib构象接近的分子；在M062X-D3/6-311G(d,p)水平优化并频率验证后，最终筛选出19个结构类似物。研究人员进一步对VEGFR2激酶结构域晶体结构（PDB ID: 3EFL）进行GOLD分子对接，并对多个DFG-in/DFG-out激酶构象开展多构象对接，随后进行200 ns全原子分子动力学（MD）模拟、MM/GBSA自由能计算、SAPT能量分解，以及在POPC:胆固醇（2:1）双分子层中的伞形采样渗透模拟。研究结论表明，motesanib类似物10160537、22249450和59996974在结合热力学、构象稳定性和膜渗透性方面均优于motesanib，是值得进行实验验证的候选化合物。这一发现为基于吡啶-3-甲酰胺骨架设计新型VEGFR2抑制剂提供了明确的计算依据。

关键技术方法方面，研究人员采用概念密度泛函理论（CDFT）描述符对来自ZINC、PubChem、DrugBank和ChEMBL数据库的749个吡啶-3-甲酰胺结构进行电子反应性筛选；使用GOLD程序将候选分子对接至VEGFR2激酶结构域（PDB ID: 3EFL）及多种DFG-in/DFG-out构象；采用AMBER20进行200 ns全原子分子动力学模拟，利用MM/GBSA结合准简谐熵计算结合自由能；使用PSI4程序在SAPT0/cc-pVDZ水平进行能量分解分析；通过CHARMM-GUI构建POPC:胆固醇（2:1）双层膜，结合伞形采样、加权直方图分析法（WHAM）和Hummer位置自相关方法计算平均力势（PMF）、局部扩散系数和有效渗透系数；并使用ProTox 3.0进行计算机毒性预测。

在概念密度泛函理论方面，CDFT描述符将所有配体分为四类电子反应性类别：第I类具有平衡反应性和类药性，第II类具有增强的亲电性，第III类为电子刚性系统，第IV类表现为过度软性和过度反应性。其中第I类和第III类配体，即具有中等硬度、平衡或适度增强亲电性的分子，最具有类药候选潜力。分子对接结果显示，GOLD得分范围为61至93，motesanib为91.22；化合物152457266、148333644和22249450得分最高。多构象对接表明，在DFG-in和DFG-out构象中均保持高得分的配体具有更好的构象适应性，其中10160537、22249450、59996974、148333644、142853163和152457266被选为最优候选。与已批准抑制剂阿昔替尼、乐伐替尼、尼达尼布等对比，本研究候选物的GOLD得分显著更高，且对接得分与已批准抑制剂的实验IC₅₀呈非线性负相关，支持对接方案的排序可靠性。药物成药性评估方面，ProTox 3.0预测所有分子均无肝毒性和心脏毒性，大多数无细胞毒性和致突变性，但仍需关注其血脑屏障穿透相关的中枢神经系统暴露风险。分子动力学模拟表明，motesanib在轨迹中发生吡啶环近似垂直翻转的构象重排，而10160537和22249450保持稳定，59996974在约80 ns后达到稳定构象。MM/GBSA分析显示，结合主要受范德华相互作用驱动，静电项被极性溶剂化惩罚抵消。Cys919→Ala突变使22249450和59996974的结合焓大幅下降，说明铰链区Cys919对配体稳定结合至关重要。计入熵贡献后，22249450的ΔG为?45.75 kcal mol^?1，59996974为?42.01 kcal mol^?1，10160537为?40.64 kcal mol^?1，均优于motesanib的?36.29 kcal mol^?1。能量分解分析显示，motesanib主要依赖氢键稳定，59996974以π-烷基和色散作用为主，22249450具有氢键与π-烷基接近均衡的贡献，10160537则呈现氢键辅助的色散、π-烷基、π-π和π-σ混合作用模式。膜结构分析显示，POPC:胆固醇双层膜的平均每脂质面积约为46–48 ?²，符合胆固醇凝聚效应；药物引入仅引起轻微的面积膨胀和约0.5–1.75 ?的膜厚减小，未破坏膜完整性。电子密度剖面对称性良好，未观察到孔道形成或水渗入疏水核心。PMF结果表明，22249450具有最深的界面自由能谷（ΔG_partition≈?12.5 kcal mol^?1）和最强的膜核心稳定化，59996974表现中等结合，10160537偏好界面分配，motesanib膜亲和力最弱且跨膜能垒最高。扩散、电阻和渗透性分析显示，所有化合物在膜内的扩散系数比水中下降约5–8倍，膜-水界面是渗透的主要动力学瓶颈；motesanib在膜核心区电阻更高，这与二面角分析中吡啶环和取代苯环的大幅度翻转一致。有效渗透系数log P_eff约为1.05–1.22，22249450和59996974显示出更高的渗透性。

讨论部分强调，膜渗透不仅取决于固有疏水性，还受脂溶性、离子化状态和界面局部摩擦的共同调控；被动扩散模拟仅反映内在穿膜能力，实际药效还取决于转运体介导的摄取、外排、代谢稳定性和血浆蛋白结合等因素。研究结论部分指出，通过整合CDFT、分子对接和基于MD的自由能计算，该研究确定10160537、22249450和59996974是优于临床基准motesanib的候选化合物。三者ΔG分别为?45.75、?42.01和?40.64 kcal mol^?1，其结合由色散主导作用和DFG-out激酶空腔内优化的疏水包埋驱动，而非长程静电作用。伞形采样进一步证明22249450和59996974的渗透系数优于motesanib，所有配体通过尾链区范德华作用和双层核心疏水作用穿膜，motesanib因吡啶和取代苯环翻转而在核心区表现出更强电阻。CDFT-derived电子描述符与对接得分之间的强相关性，凸显了该协同策略在优先筛选具有口服生物利用度和低毒性的VEGFR2抑制剂方面的价值。