高通量篩選（HTS）和虛擬配體篩選（VLS）的標(biāo)準(zhǔn)庫歷來被限制在不到1000萬個(gè)可用化合物，與潛在的1060個(gè)類藥物化合物的巨大化學(xué)空間相比，這只是一小部分。標(biāo)準(zhǔn)HTS和VLS的這種局限性減慢了藥物發(fā)現(xiàn)的速度。

后來，包含數(shù)十億化合物的虛擬庫被開發(fā)出來。但隨著虛擬庫的規(guī)模增加到數(shù)十億，篩選庫中所包含的分子在計(jì)算上變得不切實(shí)際，而且成本過高。比如，使用1個(gè)CPU篩選100億個(gè)化合物可能需要3000年以上（以每個(gè)化合物10秒的標(biāo)準(zhǔn)速率對(duì)接）。

因此，需要更有效的方法來搜索大規(guī)模的化合物庫。

2021年12月15日，美國南加州大學(xué)、東北大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的研究團(tuán)隊(duì)合作，在Nature發(fā)表了題為：Synthon-based ligand discovery in virtual libraries of over 11 billion compounds的研究論文。

該研究開發(fā)了一種從包含110億種化合物的虛擬庫中識(shí)別潛在藥物分子的創(chuàng)新方法，并以3個(gè)目標(biāo)蛋白的抑制劑篩選為例，展示了該方法的性能。

用于巨大化學(xué)庫的虛擬篩選方法

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種被稱為V-SYNTHES的方法（virtual synthon hierarchical enumeration screening，虛擬合成子分級(jí)枚舉篩選），大大減少了在這些庫中搜索潛在hits時(shí)需要評(píng)估的分子數(shù)量，使用的計(jì)算資源是標(biāo)準(zhǔn)方法的百分之一。

該方法可輕松擴(kuò)展以適應(yīng)組合庫的快速增長，并且可能適用于任何對(duì)接算法。

V-SYNTHES的工作流程和結(jié)果

圖1一種處理巨大化學(xué)庫的虛擬藥物篩選方法

該方法的流程如下

1.首先建立一個(gè)小型的虛擬庫。從110億個(gè)分子庫中選擇了大約60萬個(gè)片段，這些片段代表整個(gè)虛擬庫中存在的所有不同的骨架。稱之為最小列舉庫（minimal enumeration library,MEL）。

2.將MEL庫中的片段與3個(gè)目標(biāo)蛋白對(duì)接，計(jì)算這些片段與每個(gè)蛋白的結(jié)合親和力。

3.選擇對(duì)接分?jǐn)?shù)最高的1,000-10,000個(gè)片段，并向它們添加了合成子（synthons，分子的小片段），創(chuàng)建了一個(gè)約有100萬個(gè)分子的新庫。

通過重復(fù)對(duì)接和添加合成子的步驟，篩選幾百萬個(gè)化合物來確定hits。隨著每一次迭代，每個(gè)化合物的大小都會(huì)隨著分子變得更加完整而增加。

4.幾千個(gè)排名靠前的VLS化合物經(jīng)過PAINS、物理化學(xué)性質(zhì)、藥物相似性、新穎性和化學(xué)多樣性的后處理過濾，最終選擇有限的化合物集（通常是50-100個(gè)）進(jìn)行合成和實(shí)驗(yàn)測試。

作者發(fā)現(xiàn)，在V-SYNTHES預(yù)測的與這些受體結(jié)合并在低化合物濃度下抑制其活性的前60個(gè)化合物中，約有三分之一確實(shí)在體外顯示了這種效應(yīng)。這個(gè)"hit獲得率"大約是作者使用的標(biāo)準(zhǔn)方法的兩倍，而V-SYNTHES需要的計(jì)算資源比這些方法少100倍。

作者隨后在一種叫做ROCK1的激酶上測試了V-SYNTHES，并報(bào)告了28.5%的hit獲得率。在被選中進(jìn)行合成和體外測試的21個(gè)最有希望的化合物中，有6個(gè)可以與ROCK1酶結(jié)合，并在化合物濃度低于10微摩爾時(shí)對(duì)其進(jìn)行抑制。這些化合物可以成為藥物發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中進(jìn)一步優(yōu)化的合適線索。

V-SYNTHES的價(jià)值和意義

V-SYNTHES代表了藥物發(fā)現(xiàn)初始階段的兩種主要方法（基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)和基于片段的藥物設(shè)計(jì)）的結(jié)合。在基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，分子的結(jié)構(gòu)特征及其與靶點(diǎn)的相互作用被用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程。在基于片段的藥物設(shè)計(jì)中，分子基團(tuán)被添加到最初因其潛在活性而被確定為有前途的片段中。

這篇論文為從現(xiàn)在可用的大型化合物庫中識(shí)別生物活性分子鋪平了道路，使用的計(jì)算資源和時(shí)間僅為標(biāo)準(zhǔn)虛擬篩選方法的一小部分，而且成功率更高。最重要的是，該方法的計(jì)算成本隨著使用的合成子的數(shù)量而增加，而不是隨著初始的主要庫的大小而增加。因此，隨著現(xiàn)成的化合物庫及其組合的不斷增加，該方法將繼續(xù)具有計(jì)算上的可行性。

雖然該方法使用ICM-Pro對(duì)接并應(yīng)用于Enamine REAL Space庫，但基于迭代合成子的篩選算法可以在任何可靠的基于對(duì)接的篩選平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并在任何可以表示為骨架和合成子組合的超大型庫中使用。在操作過程中可能需要對(duì)算法的某些參數(shù)進(jìn)行自定義調(diào)整以獲得最佳性能，從而為進(jìn)一步探索該方法開辟了許多途徑。

V-SYNTHES的擴(kuò)展性意味著用戶將能夠在特別大的虛擬化合物庫中搜索并找到具有生物活性的分子。該方法不能保證找到最好的hits，但這可能并不重要，因?yàn)榇蝺?yōu)的hits往往為藥物開發(fā)過程提供了良好的起點(diǎn)。

不過從長遠(yuǎn)來看，虛擬篩選的更大問題是，無論該方法如何快速，其結(jié)果都取決于對(duì)接步驟的準(zhǔn)確性。如同所有的虛擬篩選方法一樣，V-SYNTHES識(shí)別良好hits的能力取決于對(duì)接分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性，需要有真正可靠的對(duì)接分?jǐn)?shù)被開發(fā)出來。