治疗NSCLC的EGFR靶向性药物设计与筛选

马寨璞，石长灿，张春泉，晋君

（河北大学生命科学学院，河北保定 071002）

治疗NSCLC的EGFR靶向性药物设计与筛选

马寨璞，石长灿，张春泉，晋君

（河北大学生命科学学院，河北保定 071002）

计算了现有的治疗非小细胞肺癌（NSCLC）常见药物的相关参数，总结了以表皮生长因子受体（EGFR）酪氨酸激酶为靶标的药物分子的药效团特征.在Gefitinib的基础上进行了药物分子的组合化学设计，通过虚拟筛选得到了分子对接得分较高的结构分子，并对其进行了预测和模拟.结果表明：新设计筛选出的2种分子在药代动力学和毒性方面优于Gefitinib，在分子动力学过程上和Gefitinib一样稳定.

NSCLC；EGFR；药物设计与筛选

当今，癌症成为导致人类死亡的主要因素，平均每年死于恶性肿瘤者达690万人，新发病870万例［1］.非小细胞肺癌（non－small cell lung cancer，NSCLC）是一种恶性肿瘤疾病，临床研究表明［2］：表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸激酶介导信号转导与肿瘤发生和发展密切相关.目前，针对EGFR的靶向性药物，其靶点常选择细胞外区的受体结合区和细胞内区的酪氨酸激酶活性区.针对酪氨酸激酶活性区的常见药物包括Erlotinib（埃罗替尼）［3］，Gefitinib（吉非替尼）［4］，Lapatinib（拉帕替尼）［5］，西妥昔［6］，酪氨酸磷酸化抑制剂AG1478［7］等.

Erlotinib是由美国FDA批准的用于治疗NSCLC晚期的药物，临床结果表明其治疗缓解率为25.0%，疾病控制率为66.7%［3］.Gefitinib是AstraZeneca公司研发的一种口服EGFR－TK抑制剂，Ⅰ期临床表明，在NLCLC靶向治疗中，Gefitinib治疗效果较好［8］.Lapatinib是可逆性EGFR和HER－2双酪氨酸激酶抑制剂，临床研究表明其抑制肿瘤生长效果明显，不良反应较轻［5］.西妥昔是不可逆EGFR酪氨酸激酶抑制剂，主要作用靶点是EGFR和HER－2，具有明显的抗肿瘤能力［9］.AG1478也是靶向EGFR和HER－2双酪氨酸激酶抑制剂，能够有效抑制NSCLC细胞系的生长［10］.这些药物的毒副作用主要表现为腹泻、恶心、呕吐、乏力、肝脏毒性和皮肤干燥等.

Gefitinib是小分子化合物，能够对EGFR酪氨酸激酶产生抑制作用［11］，治疗肿瘤时，其药物毒副反应与Erlotinib等药物相似.本文以Gefitinib结构中的药效团为基础，参考其他类似靶向性药物分子结构，借助组合化学［12］方法，利用Chembiooffice软件设计了24种分子结构，并利用Discovery studio 2.5软件对这些结构进行评价、修改和优化，通过计算、比较各分子的对接情况、药代动力特征、药物毒性预测等相关参数，筛选出了更加合理的结构，解决了现有药物中存在的毒副作用，为新药的研发和生产提供了量化依据.

1 典型EGFR酪氨酸激酶抑制剂分析

为了全面了解以EGFR酪氨酸激酶抑制剂为治疗途经的主要现有药物的特性，计算了Erlotinib，Gefitinb，Lapatinib，EKE－569，AG1478 5种药物的各种参数，其计算结果如表1.

表1 5种药物动力学、毒性预测、分子对接参数Tab.1 Parameters of pharmacokinetic characteristics，toxicity prediction and molecular docking

药代动力学参数定量地描述了药物在体内吸收、分布、代谢和排除等性质，从表1计算结果分析可知，该类药物肠道吸收级别为0～2，具有极高的肠道吸收性.除Gefitinib和AG1478外，其他3种血脑屏障级别为3～4，具有较低的血脑屏障透过性.该类药物水溶性级别为1～2，都具有较低的水溶性.在肝脏毒性方面，肝毒性指标多数大于0.5，当剂量过大时会对肝脏造成毒害.细胞色素P4502D6酶抑制水平指标显示，除Lapatinib外，其他药物都具有中等水平的细胞色素P450系氧化代谢酶抑制性.该类药物血浆蛋白结合级别为1～2，具有中等能力的血浆蛋白结合能力.

药物的毒性主要包括致突变作用、致敏作用、皮肤和眼刺激、致癌等.计算结果显示Erlotinib有致突变性，其他药物没有致突变性.在致癌性能方面，除西妥昔具有很低的致癌性外，其他4种药物指标均为0，没有致癌性.大鼠口服半致死浓度较低.Erlotinib具有致敏性，其他药物该项指标为0，没有致敏性.除Lapatinib外，其他药物都有发育潜在毒性.

分子对接评价得分计算表明：Lapatinib的分子对接打分最高，Gefitinib的打分处于中等水平，药物分子与EGFR靶标之间形成氢键数目小于3个.

2 新药设计与筛选

上述以EGFR酪氨酸激酶为靶标的5种靶向性治疗药物均属于4－芳胺基喹唑啉类衍生物，Fry［13］等实验结果证明，喹唑啉环是该类药物的必需药效团（图1），该药效团取代基包括图中的R1，R2，X和Y.在药物发挥作用时，4－芳胺取代基与EGFR－TK活性口袋中的疏水氨基酸残基相互作用［14］，其他取代基对于稳定药物分子结构，顺利地实现药物与靶点的几何匹配与能量匹配起着重要的作用.

图1 4－苯胺喹唑啉类抑制剂药效团Fig.1 Pharmacophore of inhibitors

基于以上数据分析，利用组合化学原理，在保持Gefitinib的药效团结构的基础上，对其R1，R2，X和Y取代基进行重新组合，共组合了24种结构，形成新的靶向性分子，经过逐一计算，根据分子对接打分、相对分子质量、分子总能量等结果，选出其中6种分子，它们具有比Gefitinib更好的几何匹配和能量匹配构象（图2）.

图2 6种筛选分子结构Fig.2 Molecular structure of 6 screened drugs

为了筛选出其中最优的结构，对这6种分子进行了相关计算，结果如表2所示.分子对接结果表明：4号分子对接打分136.02，是最高得分，其次是2号分子.药代动力学计算表明：1号和6号分子具有较高的血脑屏障渗透能力，6种分子都具有较高的肠道吸收性，但其水溶性水平均为2，水溶性水平不高.6种分子中，2号和4号肝毒水平最低，其他分子肝脏毒性较小，5号分子的血浆蛋白结合能力明显偏弱，2号和4号分子具有较低水平的细胞色素P450系氧化代谢酶抑制性.

从毒性预测结果来看，这6种结构的致突变性为0，致敏性为0，皮肤刺激水平也为0，在致癌性方面，2，3，4，5号结构该指标为0.2号结构大鼠口服半致死量最高，其毒性最小.综合以上数据分析，认为2，4号结构在分子对接，肝毒水平、皮肤刺激水平，致敏性，致癌性，毒性指标等均优于Gefitinib，选定2，4号进行进一步研究.

表2 6种分子动力学、毒性预测、分子对接参数Tab.2 Pharmacokinetic characteristics，toxicity prediction，molecular docking parameters

3 2种选定结构的分子动力学模拟

为了更加深入明确上述2种选定药物的动力学和热力学过程，以及系统中蛋白或小分子的各种信息随着时间变化的具体情况.以Gefitinib为参比对象，统一进行初步处理，然后加上水环境、氯离子及钠离子之后统一施加CHARMm力场，用Steepest Descent算法和Conjugate Gradient算法进行能量优化，对整个体系进行动力学平衡计算，并在等温等压条件下进行分子动力学模拟.分析了分子与靶标对接时，分子间氢键的形成情况（图3），系统温度和总能量随时间变化情况（图4）和分子动力学模拟最终计算结果（表3）.

通过分析可知，2号和4号分子与靶标之间形成的氢键数量都小于3个，Gefitinib的系统初始势能最低，系统达到稳定时，2号分子和Gefitinib达到的总能基本相同，2号和4号分子系统温度相对与Gefitinib低1 K.由于2号和4号分子的相对分子质量大于Gefitinib的相对分子质量，所以它们范德华能大于Gefitinib.3种分子结构的势能、动能大小基本相同，4号分子的静电能为－2 652 739.44 k J／mol，高于其他2种分子.通过对系统温度、总能量随时间变化情况的分析可知，在系统经历最初的波动后，各指标保持恒定，说明这2种分子的动力学过程稳定.

图3 分子与EGFR靶点结合时形成分子间氢键Fig.3 Drugs combined with EGFR target and the intermolecular hydrogen bond formation

图4 3种分子最终温度与能量随时间的变化趋势Fig.4 Curves of final temperature and energy change with time for three drugs

表3 Gefitinib、2号和4号分子动力学模拟最终结果比较Tab.3 Final simulation results of molecular dynamics of Gefitinib，the 2nd and the 4th drug

4 结论

对现有靶向性抗癌药物的毒副作用进行了分析，在保持药效团治疗功能的基础上，组合设计了24种分子结构，经虚拟筛选，共得到6种评分较高的分子，经深入计算筛选，2号和4号分子总评最高，计算结果表明，2种新设计的结构在分子对接效果、药代动力学指标、毒性预测指标等方面都有优秀的药物指标，有很好的发展前景.

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Design and Screening of EGFR Targeted Drug in Treating NSCLC

MA Zhai－pu，SHI Chang－can，ZHANG Chun－quan，JIN Jun
（College of Life Sciences，Hebei University，Baoding 071002，China）

The related parameters of the common drug that treated the non－small cell lung cancer（NSCLC）were calculated，and the pharmacophore features of the drug molecule which target was epidermal growth factor receptor（EGFR）was concluded.On the basis of Gefitinib structure，the new drugs were designed by combinatorial chemistry principles.The drug molecules with high libdockscore score were obtained through the virtual screening，and then the drug molecules were predicted and simulated.The research showed that：two kinds of drugs were better than Gefitinib in pharmacokinetics and toxicity，and the molecular dynamic process was as stable as Gefitinib.

NSCLC；EGFR；drug design and screening

R 914.2

A

1000－1565（2011）03－0288－06

2010－10－20

河北省教育厅资助项目（Z2006415）

马寨璞（1970－），男，河北安国人，河北大学教授，主要从事系统生物学和计算机辅助药物设计研究.E－mail：zhaipuma＠hbu.edu.cn

梁俊红）