An Interpretable, Thermodynamics-Based Deep Learning Framework for Predicting and Optimizing Drug Membrane Permeability

化学 深度学习 人工智能 合成膜 磁导率 膜透性 药品 药物发现 生物系统 细胞通透性 机器学习 深层神经网络
作者
Zhenyu Ma,Mengying Niu,Yuyang Song,L R Zhang,Wenxin Wang,Tengfei Wang,Jingyi Zhu,Chunyi Yang,Limei Xu,Xiuyun Wu,Min Xiao,Ronghua Zuo,Yitong Li,Xiangyang Guo,Shengyang Zheng,Yuwen Xu,Lushan Wang,Jian Li,Zhengqian Li,Xukai Jiang
出处
期刊:Journal of Medicinal Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:69 (8): 9489-9506
标识
DOI:10.1021/acs.jmedchem.6c00204
摘要

Cellular membranes serve as selective barriers, and membrane permeability is crucial for drug pharmacokinetics. While in vitro and in vivo methods exist, predicting and designing membrane permeability remains challenging. We developed a thermodynamics-based deep learning framework to analyze the structure-permeability relationship, based on the concept that interactions between membrane lipids and small molecules influence permeability. We determined the membrane penetration thermodynamics of 8,239 compounds using coarse-grained molecular dynamics simulations and created interpretable graph neural network models to predict and design drug membrane permeability. As a proof-of-concept, we designed a novel nasal-administered melatonin analog, MT-A2, optimized for permeability. Compared with melatonin, MT-A2 showed superior nasal absorption, prolonged brain retention, and enhanced sleep efficacy. Our results provide a promising approach for predicting and designing membrane permeability, aiding in the development of drugs with better pharmacokinetics.
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