《Journal of Xenobiotics》：Integrating Molecular Docking, Dynamics, and AI-Based ADMET Prediction to Decipher the Toxicity Profile of Isometamidium Chloride Against Animal Trypanosomiasis
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异甲脒氯胺（Isometamidium chloride, ISM）是一种广泛使用的抗锥虫药物，用于治疗动物锥虫病，尽管存在毒性问题以及日益出现的耐药性。目前，尚未有研究报道整合分子相互作用分析、药代动力学特征、毒性预测及分子动力学模拟的综合计算机模拟评估。由
异甲脒氯胺（Isometamidium chloride, ISM）是一种广泛使用的抗锥虫药物，用于治疗动物锥虫病，尽管存在毒性问题以及日益出现的耐药性。目前，尚未有研究报道整合分子相互作用分析、药代动力学特征、毒性预测及分子动力学模拟的综合计算机模拟评估。由于缺乏伊氏锥虫（Trypanosoma evansi）的晶体结构，研究人员采用布氏锥虫（T. brucei）胸苷激酶催化域共晶结构（PDB ID: 5FUW，分辨率2.20 ?）进行计算研究。ISM在100 ns分子动力学（MD）模拟中表现出强结合亲和力和稳定的蛋白质-配体相互作用。ADMET分析预测其具有高胃肠吸收、潜在的CYP介导的相互作用以及毒性风险。与喹吡拉明硫酸盐（QS）相比，ISM表现出更好的类药性，完全符合Lipinski规则，并具有更高的预测生物利用度评分。综上，这些发现表明，尽管ISM具有良好的靶点亲和力，但其药代动力学和安全性方面的局限性仍需通过结构优化和更安全的制剂策略来改善，以提升抗锥虫治疗效果。
**基于计算机模拟剖析异甲脒氯胺抗动物锥虫病的毒性特征**
动物锥虫病是一种严重影响撒哈拉以南非洲、亚洲及拉丁美洲部分地区畜牧业的主要寄生虫病，由锥虫属（Trypanosoma）多种物种引起，包括刚果锥虫（T. congolense）、活动锥虫（T. vivax）、布氏锥虫亚种（T. brucei）及伊氏锥虫（T. evansi），可导致贫血、不孕、产奶量下降、体重减轻和死亡，造成重大经济损失。由于控制传播媒介存在现实困难，化疗仍是疫病管理中最可行且广泛采用的手段。然而，目前可用的兽用抗锥虫药物多为数十年前引入的少数几种陈旧药物，其中异甲脒氯胺（Isometamidium chloride, ISM）和喹吡拉明硫酸盐（Quinapyramine sulfate, QS）因成本效益和广谱抗锥虫活性而被广泛使用，但长期用药已导致治疗失败和耐药性报告增多。ISM是一种阳离子型抗锥虫药，可通过优先蓄积于锥虫动基体DNA（kinetoplast DNA, kDNA）引起线粒体功能障碍和寄生虫死亡，但其有效相关的理化性质也导致宿主细胞毒性，从而限制其治疗窗口。QS虽具有较大分子柔性和不同电荷分布，但其临床使用受限于剂量依赖性副作用。因此，对ISM进行全面的计算机模拟评估，明确其药代动力学、毒性特征及与靶蛋白的相互作用机制，对指导结构优化和安全应用具有重要意义。
研究人员利用布氏锥虫胸苷激酶催化域共晶结构（PDB ID: 5FUW，分辨率2.20 ?，与伊氏锥虫催化域序列同源性达89%）作为靶蛋白，通过分子对接评估ISM与QS及参考药物羟氯喹（Hydroxychloroquine, HCQ）的结合亲和力与相互作用模式，并选取最优对接构象进行100 ns分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，分析复合物的稳定性、柔性和构象变化。同时，运用瑞士ADME平台（SwissADME）预测理化性质、脂溶性、水溶性及吸收、分布、代谢、排泄和毒性（ADMET）相关参数，并利用基于人工智能机器学习（ML）的ProTox-3.0平台预测口服毒性和分子起始事件。该研究未涉及具体实验样本队列，属于纯计算分析。
**3.1 分子对接分析**
对接结果显示，ISM的结合亲和力（?8.4 kcal·mol?1）显著优于QS（?5.6 kcal·mol?1），但略低于参考药物HCQ（?8.8 kcal·mol?1）。相互作用分析表明，ISM通过与关键残基Asp244、Glu286和Thr245形成氢键，与Phe289发生π–π堆积，并与Phe215和Met214形成疏水接触，其刚性菲啶核心增强了活性口袋内的堆叠和静电互补，从而获得较高结合稳定性。QS则表现出较为柔性的结合模式，主要依靠氢键和中等强度的疏水作用，缺乏广泛的芳香堆叠，故预测结合能较低。
**3.2 分子动力学轨迹分析：RMSD、RMSF和Rg**
对ISM–5FUW复合物进行100 ns MD模拟，RMSD在0.12～0.50 nm范围内波动，平均为0.32 nm，表明复合物经历构象调整后达到稳定平台。Rg平均为1.66 nm（1.61～1.70 nm），显示结构保持紧凑，无明显去折叠事件。残基波动（RMSF）整体较低，仅个别环区（48–55和160–180残基）出现局部峰。主成分分析（PCA）显示前两个主成分解释超过55%的总方差，自由能景观（FEL）呈现明确低能盆地，指示存在主导的热力学稳定构象。上述结果表明ISM与靶蛋白形成稳定复合物，其刚性芳香支架有利于持久的受体相互作用。
**3.3 理化性质分析**
ISM表现出高芳香性和低sp3杂化碳比例，具有刚性平面结构，有利于与核酸产生强π–π堆积和静电作用，但较高的拓扑极性表面积（TPSA）提示其膜通透性较差。QS则具有较大的分子柔性和较低芳香性，预示不同的生物大分子相互作用模式和潜在的通透性改善。
**3.4 脂溶性和溶解度预测**
多种模型（ILOGP、XLOGP3、WLOGP、MLOGP、SILICOS-IT）预测显示，ISM和QS的口服脂溶性特征均不理想。ISM在ESOL和SILICOS-IT模型中显示水溶性差，这是高电荷芳香化合物的常见局限，直接影响胃肠吸收和系统暴露。QS的预测溶解度略优于ISM，但仍处于低至中等范围。
**3.5 ADMET与口服毒性预测**
机器学习驱动的ADMET预测显示，ISM具有高胃肠吸收、无血脑屏障（BBB）渗透倾向，并可能抑制细胞色素P450酶，提示潜在药物相互作用风险。ProTox-3.0预测ISM属于较高毒性风险类别，涉及神经毒性、呼吸毒性、致癌性和致突变性，但预测无肝毒性和细胞毒性。值得注意的是，SwissADME预测ISM和QS均为非BBB渗透，而ProTox-3.0将BBB屏障毒性预测为活跃（ISM: 0.55；QS: 0.64），这种差异源于不同计算模型和训练数据集的差异，不应解读为BBB渗透或中枢神经系统暴露的直接证据。QS则被预测有口服毒性和致突变性风险。
**3.6 ISM与QS的比较评估**
直接比较显示，ISM更频繁地引起DNA相关的相互作用毒性，溶解度差，但预测生物利用度较好（0.55 vs. 0.11）；QS则具有更大的理化灵活性，但仍存在显著的口服毒性和致突变性风险。先前研究报道ISM暴露可增加哺乳动物细胞中无嘌呤/无嘧啶DNA位点，确证其基因毒性潜力，而纳米制剂可显著降低DNA损伤。该计算机比较在分子性质层面提供了机制见解，但不意味着实验因果性。
**总结与讨论**
本研究表明，ISM表现出优于QS的靶点结合能力和构象稳定性，具有更有利的结合能（?8.4 kcal·mol?1），与关键活性位点残基形成多种稳定相互作用，并维持更稳定的复合物状态。ISM还显示出更好的类药性，符合Lipinski五规则，分子量较低（496.01 g·mol?1），预测生物利用度评分更高，且不被预测为P-糖蛋白底物。然而，ADMET分析指出其高胃肠吸收、药代动力学局限及潜在毒性。总体而言，ISM具备有前景的抗锥虫靶点特异性和结合稳定性，但受限于不理想的吸收特性及安全性问题。因此，未来开发应着重于结构优化以改善药代动力学和吸收，或开发更安全的制剂及靶向递送策略，以充分发挥ISM的治疗潜力。
