中医药现代化的新曙光

　　几千年的临床实践证实，中国的中医中药无论是在治病、防病，还是在养生上，都是有效可行的。与西药人工合成药物相比，中药的主要来源是自然界中的天然物质，由于自然界的生物多样性，决定了天然产物分子结构的多样性，而天然产物分子的多样性是新的药物先导化合物的重要来源。因此天然药物一直是新药研发重点关注的对象。

　　但是由于中药组成成分繁多而且复杂，加上对实际起作用的药物单体结构认识不清、作用机制模糊等研究现状，传统的筛选方法是将各成分分离提纯出来测其分子结构并进行相应的药理试验，其工作量巨大、盲目性、耗时长、成本高且只能是小规模筛选，这些都使得中医药学得不到很好的传承和发展。

　　有助于新药研究

　　近50年来，随着计算机技术的进步，运用计算机技术模拟药物小分子与生物大分子相互作用的分子模拟技术得到迅猛发展，从最初只能模拟小分子之间相互作用到如今能实现分子量巨大的蛋白质的相互作用；从最初只能模拟几个皮秒的变化到如今模拟几十个纳秒的变化，这些发展历程表明分子模拟计算正朝着高精度、大体系、长时程的方向发展。

　　这为我们从现有的中药数据库中数以百万计的分子中筛选出新的药物先导分子，研制新的药物提供了极大的方便。我们可以将中药或复方看成天然组合的化学库，在目前已知的中药或复方有关化学成分信息基础上，利用计算机药物虚拟筛选技术探讨其可能的作用机理，为实验的进行提供重要的信息，如有效分子的构象等，这会使得实验具有比较强的导向性，提高药物设计的命中率和减少盲目性，同时减少大量人力物力的消耗。

　　可以说，应用分子模拟技术筛选药物改变了传统的盲目性的药物筛选模式，极大地减少了药物筛选的时间，降低了成本，增加了安全性，加快了研究过程，并增进了对分子具体作用机制的了解。

　　分子模拟利用理论方法与计算机技术，是指运用一定的软件，通过超级计算机模拟或仿真分子运动或分子间相互作用的现代技术，可广泛应用于计算化学、计算生物学、材料科学等多个学科领域。

　　计算机分子模拟技术通过分析和计算一系列活性药物分子的三维构象，可以了解某一类药物分子所具有的空间结构，这一技术对新药研究有很大帮助。

　　以国际大型药厂为例，在采用计算机模拟筛选以前，研制一种新药，平均需要花费10~12年的时间，耗资2.0亿~3.5亿美元，而新药上市成功率只有17%~20%，但由于模拟计算的加入，新药上市的时间缩短了2~3年，成功率提升至50%~60%。这些都表明，模拟计算大大加快了新药研发的进程，也为中药新药物的发现与发展带来了新的曙光。

　　三种主要的计算机虚拟筛选技术

　　随着国家“十二五”规划的出台，生物医药研发受到了前所未有的重视。而想在医药方面有重大突破，中医药有效成分研发势在必行。

　　在医学全球化的大背景下，随着技术进步和人文理念的转变，生命科学的研究正在飞速发展中，全球化组织也纷纷出台相应发展战略，如WHO提出“21世纪人人享有卫生保健”的目标，这些都为中医药现代化提供了良好的机遇。

　　中医药经过长期积淀，其临床疗效显著，对人体健康毒副作用较低，而且部分药物单体表现出了广泛的药理活性，对多种疾病均具有治疗效果。而分子模拟计算的高通量和高精度等特点很好解决中医药现代化进程中面临的诸多难题。模拟计算不仅能够实现中药单体的大批量筛选，而且能够探究其具体的作用机制，这为阐明中医药的药理活性注入了全新的活力。

　　由此观之，在模拟计算技术飞速发展的今天，中医药产业实现现代化是大势所趋。

　　众所周知，传统的实体的药物筛选需要构建大规模的化合物库，提取或培养大量实验必需的靶酶或靶细胞，并且需要复杂的设备支持，因而需要投入大量的资金。而虚拟药物筛选是将药物筛选的过程在计算机上模拟，对化合物的活性做出预测，这样就能够集中目标，大大降低实验筛选化合物的数量从而缩短研发周期、节约经费开支。

　　将虚拟药物筛选技术应用在中医药研发中，能够达到事半功倍的效果。现阶段计算机虚拟筛选技术主要有以下几种方法：

　　一是基于分子对接的筛选方法。具体而言，这个方法是基于一个靶点（通常是酶、受体、离子通道、核酸等）的三维结构，常常采用分子对接的虚拟筛选方法从小分子数据库中找到能与之匹配的候选化合物。

　　所谓分子对接，就是小分子与受体大分子通过几何匹配和能量匹配相互识别的过程，即在药物分子和靶点产生药效的反应过程中，两个分子先充分接近，然后采取合适的取向，使两者在必要的部位相互契合、发生作用，进而通过构象调整形成稳定的复合物。这就好比是锁与钥匙的原理，特定的钥匙（药物分子）只与特定的锁（蛋白质）作用，而筛选出来的新的先导化合物就是与特定的钥匙类似的药物分子。

　　另一种是基于药效团搜索的方法。药效团的概念早在1909年由德国科学家提出，特指载有活性特征原子的分子框架。现在泛指生物活性分子（一般指小分子）中对活性起重要作用的“药效特征元素”的空间排列形式。这些“药效特征元素”可以是某些具体的原子或原子团，比如氧原子、苯环等，也可以指特定的功能结构，如亲水基团、疏水基团、氢键供体、氢键受体等。在得到某类抑制剂的药效团模型后，就可以以药效团作为一个参照标准进行数据库搜索。从数据库中筛选得到符合该药效团模式的候选分子，而在这些候选分子中可能包含新的先导化合物。

　　此外，定量构效关系研究方法在现代药物设计方法中占有重要的地位，也是应用最为广泛的药物设计方法，其目的是利用理论计算和统计分析工具来研究化合物的结构与其生物效应之间的定量关系，在此基础上推断受体活性部位的结构，并在计算机中建立起这样的一个结构，以这个结构为模板，对药物进行筛选。

　　利国利民

　　模拟计算在中医药产业的应用可以极大地推动该领域的科研进程和市场发展，是一件利国利民的措施。

　　我国是一个人口大国，人均基础资源缺乏，每年有不计其数的患者在饱受疾病痛苦的同时还要面对药物带来的诸多毒副作用。根据有关临床研究，天然药物比合成药有较小的毒副作用和更加全面的人体保健功能。我国有着丰富的动、植物资源，结合先进的计算机技术合理开发利用，不仅有助于弘扬中华医学文化，造福患者，同时可以节省巨额的医药研发经费和生产经费。

　　以青蒿素为例，作为世界公认的防治疟疾疗效最好的药物，就是从中草药中通过化学提炼开发出来的。青蒿素的发现，打开了中医药学的宝库，增强了中国传统医药学发展研究的极大信心。但也应该看到，使用传统方法筛选出来的青蒿素，过程过于繁杂，耗时长，需要大量的设备与资金，具有一定的盲目性，这也是限制中医药研究和发展的关键所在。

　　如今，通过计算机模拟，可以实现对中医药库高通量大规模筛选，这必将极大地加快中医药新药的开发研究，可以预见，如青蒿素般神奇的新药及其衍生物将会大量发现，这对中医药走向世界，提高中国在世界医药界的地位以及对世界医药学的发展都有重大的意义。

　　顾怀宇 中山大学教授，博导，国家863计划项目负责人

　　文|顾怀宇

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……