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为解决药物设计中创造力和人力的局限，研究人员开展 “Drugit: crowd-sourcing molecular design of non-peptidic VHL binders” 主题研究。通过众包游戏，玩家设计出与 VHL 结合的分子，经筛选、合成和测试，部分分子展现出结合活性，为早期药物发现提供了新途径。
在药物研发的漫长征程中，创造力和人类直觉一直扮演着至关重要的角色。尽管人们不断尝试利用理性方法实现药物开发的自动化和加速，但目前这一重任仍主要由制药行业和学术界训练有素的专业人员承担。随着科技的发展，众包游戏和开放科学平台的出现为解决这一问题带来了新的希望。例如，像 Phylo、GalaxyZoo 和 Eterna 这样的众包游戏，以及 SGC 的开放科学平台和 Boehringer Ingelheim 的
opnMe.com等，都让普通民众有机会参与到科学研究中，为开放创新贡献力量。
在药物设计领域，Von Hippel-Lindau（VHL）E3 连接酶是一个重要的研究靶点。它是 CUL2-RBX1-ElongingB-ElonginC-VHL 泛素连接酶复合物的组成部分，其天然底物是被脯氨酰羟化酶结构域蛋白在保守脯氨酸氨基酸上羟基化的缺氧诱导因子（HIF）蛋白。VHL E3 连接酶常用于蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）的研究，PROTACs 是一种新兴的药物模式，通过连接靶向目标蛋白的部分和特异性识别 E3 连接酶的部分，引导目标蛋白降解，为未来的治疗策略带来了新的希望。然而，目前已知的 VHL 小分子化学多样性有限。现有的 VHL 小分子通常含有对结合亲和力至关重要的羟基脯氨酸核心，但这也导致了较高的极性表面积，使得这些分子的药代动力学性质较差，难以开发出口服可用的 PROTACs。
为了突破这些困境，来自美国范德堡大学（Department of Chemistry, Vanderbilt University）和奥地利勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim RCV）等机构的研究人员开展了一项创新研究。他们开发了 Drugit（
https://drugit.org），这是在线公民科学游戏 Foldit 的小分子设计模式。研究人员利用 VHL 结合剂设计作为测试案例，通过调整谜题目标，不仅要创造出与 VHL 具有高亲和力的分子，还要控制拓扑极性表面积（TPSA）、氢键供体数量和 cLogP 等性质，以满足药物设计的多因素需求。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在分子设计环节，借助 Drugit 用户界面提供的多种工具，玩家能够对小分子进行原子和片段操作，优化分子结构。在筛选环节，运用计算化学工具和药物化学判断对玩家提交的化合物进行层层筛选，包括去除距离起始分子结合位点原子过远的分子、通过元素组成和性质过滤不合理分子等。在分析环节，使用荧光共振能量转移（TR-FRET）、核磁共振（NMR）等技术对合成化合物进行体外分析，以确定其结合活性和其他性质 。
下面来详细看看研究结果：
- Drugit 界面：Foldit 设计项目以谜题形式展开，每个谜题持续约一周。在小分子设计谜题中，玩家可通过 Drugit 界面的小分子设计面板对起始小分子进行结构优化。界面提供了添加或删除原子和键、改变元素身份、调整键级等功能，还提供了一系列预定义的片段和官能团，方便玩家设计出具有药物特性的分子。同时，对分子的所有更改都会在接受前即时检查基本化学可行性，确保分子的合理性。
- VHL 谜题系列：研究人员发布了一组为期十周的 VHL 谜题系列。该谜题基于 VHL 疾病肿瘤抑制蛋白与配体 10（PDB ID: 5NVX，文中称为参考分子 1）的复合物结构。在谜题中，玩家需要改变分子核心、寻找替代物并降低化合物极性。在这十周里，333 名 Foldit 玩家参与了谜题，160 人提交了至少一种新化合物。
- 赛后筛选：玩家提交的所有结构都会被收集分析并去重，通过计算化学工具和药物化学判断，从约 6500 个化合物中筛选出 19 个进行专家评估。筛选过程包括去除距离起始分子结合位点过远的分子、通过 Pipeline Pilot 过滤不合理分子、在 SeeSAR 和 Flare 中进行分子筛选、预测化合物的外排和渗透性、重新对接评估分子扭转质量，以及进行绝对结合自由能计算等。
- 合成和体外分析：对优先选择的分子进行合成可行性评估，部分分子需要进行微调。合成的化合物经过 TR-FRET 检测、NMR 溶解度检测和19F NMR 位移检测。其中，化合物 1 的非对映异构体混合物表现出较好的性质，在 TR-FRET 检测中具有竞争行为（IC50=264±30μM）、良好的溶解性（>500μM），并且在19F NMR 检测中呈现剂量依赖性位移（52% 恢复）。对化合物 1 进行蛋白质观察 NMR 实验，得到KD=182±76μM。此外，还对化合物 1 进行了共结晶，其晶体结构显示，化合物 1 的羟基哌啶酮基序占据了 VHL 的羟基脯氨酸识别位点，与 Ser111 和 His115 形成保守氢键。
研究人员通过实验得出结论，该研究成功证明了众包在小分子药物发现早期阶段的可行性。普通游戏玩家，即使没有深厚的药物化学经验，在给定合适的起始结构和目标后，也能设计出符合化合物质量标准且能与目标蛋白良好结合的化合物。化合物 1 虽然与肽类起始分子相比，对蛋白质的生物物理亲和力较低，但它具有更低的 TPSA、更高的内在渗透率和更低的 Caco2 外排比，且与参考分子 2 具有相似的结合亲和力和基本分子描述符，是发现具有更高效力和更好药代动力学性质的 VHL 配体的有吸引力的起点 。
这项研究意义重大。它打破了传统药物设计的局限，将药物设计的参与群体从专业人员扩展到普通大众，为药物研发带来了更多的创意和资源。这种众包模式尤其有助于罕见病和被忽视疾病的药物研发，因为这些疾病的研究往往面临资源不足的问题。此外，研究还为 VHL 配体的优化提供了新的方向，为 PROTACs 的发展奠定了基础。不过，当前的设计方案仍存在一些需要改进的地方，如手动后处理和评估工作量较大、Rosetta 评分与结合成功的相关性不强等。未来，研究人员可以进一步改进这些方面，推动药物研发领域的发展。
