[发明专利]一种基于VR的药效团虚拟筛选系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于VR的药效团虚拟筛选系统及方法，其系统包括文件加载模块、分子可视化模块、分子模型渲染模块、药效团虚拟筛选模块、交互分析模块与操作导引模块；在VR环境中，从加载与解析蛋白质分子数据开始，在操作导引模块的引导下依次经过可视化模块、模型渲染模块后，在药效团虚拟筛选模块中提取出药效团模型并执行筛选，最终得到具有潜在生物活性的配体分子列表，在交互分析模块中展示优化结果。本发明能够有效提升药效团虚拟筛选的可靠性以及科研效率，为新药研发赋能；另一方面，本发明的交互式引导能够使初学者快速上手，理解相关研发过程，为培养药物研发人才提供可靠且易用的工具。

技术领域

本发明涉及计算机辅助药物设计领域的基于药效团的虚拟筛选方法，特别涉及基于虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的药效团虚拟筛选系统。

背景技术

新药研发是防病治病的重要手段，与国民健康息息相关。然而，研发过程往往投入大、周期长且伴随着高风险。据统计，新药从研发到上市需要10至15年之久，研发费用可达26亿美元，成功率却不足10%。计算机辅助药物设计（CADD）利用现代计算机的分析计算、快速存取和三维仿真建模能力，已成为减少新药研发成本的一类重要方法。在CADD中，基于药效团的虚拟筛选近年来有着越来越多的成功应用案例，受到业界和研究者的广泛重视。该方法通过分析一个或多个活性小分子化合物的药效特征或是受体蛋白分子的结构特点，推演归纳出具有共性的药效基团特征，再通过药效团匹配算法从数据库中筛选出具有潜在生物活性的小分子。研究表明，该方法相比于传统的CADD筛选方法有着快速和准确的优势。

基于药效团的虚拟筛选方法的关键在于识别药效团的空间特征、分子的活性位点以及靶标分子与配体的结合姿态。在研发过程中，这些结构在三维空间中的位置往往会不断迭代更新，并且对精确性有着严格要求。即使是微小的位置偏差也可能导致错过结合位点或是配体假阳性等问题。而目前已有的基于药效团的虚拟筛选平台，如LigandScout、PharmMapper都通过二维屏幕显示靶标分子、配体与药效团模型的三维结构以及虚拟筛选的各个过程。该类显示方式以单目透视投影绘制三维结构，同时受到遮挡、深度线索不足的限制，影响了用户对深度信息和相对距离的精确感知。另一方面，已有的虚拟筛选平台利用传统输入设备如键盘、鼠标对三维分子模型进行编辑、移动等操作，同样带来精确度不足且操作繁琐的问题。随着基于药效团的虚拟筛选中靶标蛋白化合物的原子数目不断增多、分子的结构复杂性逐渐增大，上述限制在新药研发效率、可靠性方面造成的影响也被放大。

基于虚拟现实（VR）的技术为精确的三维可视化提供了一类解决方案。VR能够为用户生成沉浸式的模拟环境。其头戴显示器通过双目视觉进行立体成像，结合运动视差制造空间纵深感。研究表明使用VR能够有效提高用户的定位和深度感知。同时，VR手柄也为用户带来了全新的交互手段。已有工作如ChemPreview、Nanome将VR与分子可视化结合，都得到了令人满意的用户反馈。然而，这些工作仅限于独立进行分子显示、设计等简易操作。而在基于药效团的虚拟筛选中，国内外尚未有工作与VR技术结合，能够在频繁的用户交互中为药效团模型、分子的结构显示、匹配打分的复杂工作流程提供完善的解决方案。因此，结合VR技术实现基于药效团的虚拟筛选系统弥补了相关空缺，具有重要的研究和实践意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提供一个基于VR的药效团虚拟筛选系统及方法，利用VR技术沉浸式地展现药效团虚拟筛选交互计算的全过程，有效解决在药效团虚拟筛选过程中分子三维结构可视化精确度不高，以及人机交互操作不便的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：