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天然免疫系统是机体抵御病原体入侵的第一道防线，其通过模式识别受体（PPRs）来识别微生物或异常细胞组织表面的病原相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs），从而启动天然免疫反应。Toll样受体（TLR）是最早被发现且研究最为广泛的PRR家族，在天然免疫中占据着至关重要的地位。TLR4作为TLRs家族的重要成员，能够特异性识别细菌的脂多糖（LPS），并进一步与辅助蛋白髓样分化因子2（MD-2）相互作用，形成TLR4−MD-2−LPS复合物，随后与其同源TLR4（TLR4*）二聚化，进而与下游信号分子，如MyD88和TRIF等相互作用，启动细胞内信号级联反应，从而触发异常的NF-κB和AP-1等转录因子的激活，促进炎症介质的产生。TLR4已被视作多种炎症性疾病（包括脓毒症）和自身免疫性疾病的靶点。然而，现有靶向TLR4的小分子抑制剂的药效和安全性无法满足临床需求，因此开发新的干预策略以克服传统疗法的局限性，为TLR4过度激活相关的疾病提供精准的治疗选择显得尤为关键。

清华大学药学院尹航教授所带领的团队长期专注于天然免疫信号通路调控方面的探索研究。近日，该团队联合百度飞桨螺旋桨（PaddleHelix）团队、拓领博泰生物科技有限公司，报道了使用HelixVS和HelixDock技术筛选特异性靶向TLR4−TLR4*蛋白−蛋白相互作用（PPI）的TLR4小分子抑制剂的最新研究成果。HelixVS是PaddleHelix基于飞桨深度学习框架构建的一种AI驱动的下一代虚拟筛选平台，该平台集成了HelixDock高级深度学习分子对接工具。HelixDock通过生成大规模模拟数据（约1亿个受体−配体对的结合构象）进行模型预训练，在蛋白质−配体姿态生成、构象预测准确性和AI评分模型等方面超越了传统的基于物理学的对接工具和其他深度学习模型。这种先进的方法革新了化学空间探索以及PPI表面药物−靶标结合亲和力（DTA）的预测。此外，该平台支持预处理和后处理模块，这些模块允许使用分子力学-广义Born表面积（MM-GBSA）和自由能扰动（FEP）等高精度的方法筛选结果，并且配备了用于ADMET性质预测的稳健且可扩展的HelixADMET系统。

TLR4−TLR4*同二聚化界面，区别于先前报道的TLR4−MD-2界面，是TLR4信号通路中一个关键的上游调控点。研究团队在对其成药性进行分析之后发现，该结合位点或许能为治疗干预以及开发新一代具有更高选择性和疗效的TLR4抑制剂提供一种新颖且有前景的途径。借助HelixVS和HelixDock聚焦于该表面，研究团队成功鉴定出一类高效、低毒的吡唑并[1,5-a]嘧啶化合物。经过系统的构效关系研究，最终获得先导化合物TH023，该化合物能够有效阻断LPS诱导的NF-κB活化和NO的过量产生，在HEK-Blue hTLR4和RAW264.7细胞中的IC₅₀值分别达到0.354和1.61 μM。分子动力学模拟以及MM-GBSA计算表明，TH023可稳定TLR4−MD-2复合体并破坏其与TLR4*的二聚化。此外，TH023表现出良好的药代动力学特性（C_max = 760 μg/L; AUC_0-t = 1563 h*μg/L; T_1/2 = 2.74 h; Cl = 6.42 L/h/kg），并减轻了LPS诱导的脓毒症小鼠的肺损伤，降低了血清中促炎细胞因子（TNF-α和IL-6）的水平。这些发现不仅彰显了HelixDock在推进AI驱动药物发现前沿进程中的战略优势，还为基于吡唑并[1,5-a]嘧啶骨架作为TLR4−TLR4* PPI抑制剂的合理设计提供了结构方面的见解。

图1 基于HelixVS和HelixDock的吡唑并[1,5-a]嘧啶类化合物TH023的筛选、制备和抗炎活性评价（来源：Eur. J. Med. Chem.）

总的来说，该研究通过“AI+结构生物学+化学”的交叉应用，验证了一种通过靶向TLR4二聚化来调控TLR4信号传导的新策略，从而突显了TH023在治疗由TLR4介导的炎症性疾病中的潜在治疗价值，为开发具有自主知识产权的TLR4小分子药物提供了化学实体分子。因此，将AI嵌入筛选过程的核心为药物发现的新时代铺平了道路，这一时代以高精度、加速通量和发现突破性治疗候选药物的潜力为特征。AI驱动的药物研发战略能够加速药物发现过程，提高药物的成功率，并为解决传统药物研发的难题提供新的思路和方法。随着技术的不断进步，AI在药物研发领域的应用前景将更加广阔。

该研究成果以“Discovery of Pyrazolo[1,5-a]pyrimidine Derivatives Targeting TLR4−TLR4* Homodimerization via AI-Powered Next-Generation Screening”为题，在European Journal of Medicinal Chemistry发表（DOI: 10.1016/j.ejmech.2024.116945）。清华大学药学院尹航教授为论文通讯作者，药学院博士后姜瑶瑶和博士研究生闫帅廷为论文的共同第一作者，百度PaddleHelix团队张善卓、拓领博泰王萌、刁伟明、百度李俊、方晓敏为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金、北京杰出青年科学家计划以及中国博士后科学基金的资助。

尹航，清华大学校学术委员会委员、校科技伦理委员会委员，药学院长聘教授、原副院长，兼任Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (Elsevier)主编、Journal of Extracellular Vesicle (Wiley)责任主编、Cell Chemical Biology (Cell Press)编委、国际细胞外囊泡学会资深顾问、中国细胞外囊泡研究与应用学会顾问、中国生物医药产业链创新转化联合体常务理事及重大需求专委会主任委员、全国中药标准化技术委员会委员、广东东阳光药业独立董事等。尹航教授团队在本领域一流期刊发表研究论文超过160篇（H-Index=63，总引用超2.3万次）；科研成果已申请专利超20项，并有多项成果转化及获批临床。尹航教授先后入选中组部国家特聘专家、中国科协海智计划特聘专家、获得国家高层次人才科学基金、北京市卓越青年科学家奖、吴阶平-保罗·杨森医学药学奖、中国药学会科学技术一等奖、教育部自然科学二等奖、美国化学学会大卫·罗伯特森杰出药物化学家奖、美国国家科学基金会杰出青年教授奖、美国癌症研究学会格特鲁德·B·埃利恩奖、中美化学及化学生物学教授联合会OKeanos-CAPA资深科学家奖、悉德尼·金梅尔学者奖等奖项。

尹航教授课题组合影