用超级计算机消除药物的副作用

迷幻药可能对治疗抑郁症和创伤后应激障碍等精神疾病有效,但这些药物的医疗用途受到其引起的幻觉的限制。

Dror的实验室正在开发计算机模拟,使用世界上最强大、最智能的开放科学超级计算机,橡树岭领导计算设施(OLCF)的IBM AC922峰会超级计算机,以帮助研究人员做到这一点。

在《科学》杂志上发表的一篇文章中,Dror的团队描述了一些发现,这些发现可用于减少或消除针对G蛋白偶联受体(gpcr)的广泛药物的副作用。gpcr是在所有人类细胞中发现的蛋白质。麦角酸二乙胺(LSD)分子和其他致幻剂附着在gpcr上,但大约三分之一的处方药也附着在gpcr上,包括治疗过敏、血压和疼痛的药物。这种分子机制非常重要,斯坦福大学教授布莱恩·科比尔卡(Brian Kobilka)因发现gpcr的工作原理而获得2012年诺贝尔化学奖。

当药物分子附着在GPCR上时,它可以在细胞中同时引起多种变化。其中一些变化可能有助于药物的有益效果,但其他变化可能导致不太理想甚至危险的效果。

利用OLCF的峰会和斯坦福大学的一个计算集群,研究小组比较了附着不同分子的GPCR的计算机模拟。Dror的团队随后能够精确地指出药物分子如何改变GPCR原子的排列方式。改变蛋白质的原子排列可以影响蛋白质的形状,从而使药物分子产生有益的效果而没有副作用——这一点直到现在仍然是个谜。基于这些结果,研究人员设计了新的分子,这些分子在计算上显示可以在细胞中引起有益的变化而不会产生不必要的变化。虽然这些设计出来的分子还不适合作为药物用于人类,但它们代表了开发无副作用药物的关键的第一步。

今天,研究人员通常会测试数百万种候选药物——首先在试管中,然后在动物身上,最后在人类身上——希望找到一种既有效又安全的“神奇”分子,这意味着任何副作用都是可以忍受的。这项浩大的工程通常需要数年时间,耗资数十亿美元,而且最终产生的药物通常仍有一些令人沮丧的副作用。

德罗尔团队的发现有望让研究人员绕过许多反复试验的工作,这样他们就可以更快地将有希望的候选药物用于动物和人体试验,并有更大的成功可能性。

斯坦福大学博士后学者Carl-Mikael Suomivuori和前研究生Naomi Latorraca领导了一个由11人组成的团队,其中包括杜克大学的Robert Lefkowitz(与Kobilka共同获得诺贝尔奖)和哈佛大学的Andrew Kruse (Kobilka的前学生)。

“除了揭示药物分子如何导致GPCR只触发有益效果外,我们还利用这些发现来设计具有所需生理特性的分子,这是许多实验室长期以来一直在尝试做的事情,”Dror说。“有了我们的研究结果,研究人员可以开始设想新的、更好的方法来设计药物,既能保持其有效性,又能减少危险。”

Dror希望这样的研究将最终消除用于治疗各种疾病的药物的危险副作用,包括心脏病、精神疾病和慢性疼痛。

该团队的模拟是在OLCF的创新和新颖计算影响理论和实验计划的计算分配下进行的,OLCF是位于美国能源部橡树岭国家实验室的美国能源部(DOE)科学用户设施办公室。

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