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      1. 撰文 | 雨里

        20171月2日

           




        引子




        2017年第一天,幾個研究生同學小聚了一下。聚會上科學談得少了些,但現在流行“不忘初心”的說法。20年前讀研的初心正是從事小分子藥物研發。依然記得很清楚,我的導師謝毓元院士給我布置的課題:找到既能抑制骨流失又能促進骨形成的雙功能抗骨質疏松小分子藥物。5年內,設計合成了將近200個化合物,也找到了體外雙功能的化合物,但項目最終和大多數科研項目一樣,以發文章和專利而結束。隨后的博士后和工作經歷就比較雜了,雖然也做了幾年藥物化學工作,但沒有長期專注在這個領域。然而,作為一個“旁觀者”,卻給了我很好的觀察角度。2017年第一篇隨筆,分享一下我對小分子藥物發現技術的觀察和體會,也算是“不忘初心”。





        正文




        首先不得不說,現在小分子藥物發現不算時髦。以PD-1單抗為代表的生物大分子風頭正勁?;馃岢潭纫惭诱怪羾鴥?。醫藥經濟報的一篇文章分析了CDE公開的數據,截至201610月,國內進入臨床申報的抗體類藥物達到180個。甚至有人喊出了小分子這面紅旗還能打多久的問題。其實,這種擔憂是多余的,是因為缺乏對兩種藥物形式的了解。而且,最近幾年,小分子藥物發現的新技術發展也很快,必然帶來藥物研發的全新思維。




        小分子和大分子兩種藥物形式的比較




        我們先來看看小分子和大分子兩種藥物形式的比較。如下表所示,他們有各自的優缺點。小分子作為傳統藥物,可以口服,能夠進入細胞內作用于胞內靶點,但一般難以作用于蛋白相互作用。而大分子藥物,一般作用于細胞表面的靶點,抑制蛋白相互作用,特異性強,但一般不能口服,難以進入細胞內。因此,兩種藥物形式是互相補充的,將來一定是齊頭并進,共同發展。只是大分子藥物比較新,基數低,近年來發展迅速,給人造成“小分子是昨日黃花”的錯覺。從市場份額來看,小分子仍是瘦死的駱駝比馬大,占有率達70%。當然,細胞療法、基因治療、腸道菌活體藥物等新藥物形式,也正在興起。加以時日,將會形成多種藥物形式共存的格局。


        有意思的是,大分子和小分子的不足,正是各自藥物創新的方向之一。比如,針對大分子不能口服的缺點,口服大分子藥物成為制劑創新的前沿技術。前不久,以色列Oramed公司的口服胰島素膠囊ORMD-0801二期臨床取得成功,其中國權益5000萬美元轉讓國內企業合肥生命科技。美國希望之城(City of Hope)醫學院宣稱發現了將單抗帶入細胞內的技術,并轉讓納斯達克上市公司Sorrento,引起投資者的廣泛關注。小分子也不甘示弱,作用于蛋白相互作用的抑制劑(PPI)發展很快,成為熱門方向。PD-1PCSK9小分子抑制劑也是投資者和大公司特別關注的香餑餑。另外,小分子的缺點,作用不夠專一,也可能轉變成優點。比如,c-Met特異性單抗在臨床都以失敗而告終,而c-met小分子抑制劑Cabozantinib卻能成功上市,其多作用機制帶來的“君臣佐使”的效果,被認為是成功的原因之一。




        小分子藥物發現的新技術


        我們知道,六七十年代藥物發現主要是依靠細胞和動物模型,一般是表型篩選,經驗的東西比較多。分子生物學包括結構生物學的快速發展,小分子藥物發現進入基于分子靶點的時代。也就是,我們能夠基于某個分子靶點進行高通量篩選,可以獲得小分子和靶蛋白的復合晶體結構。藥物設計,在計算機的幫助下,變得如此清晰和直接了當。因此,高通量篩選、虛擬篩選、基于結構的藥物設計、以及先導化合物的優化成為小分子藥物發現的常見技術。這些技術取得了很大的成功,今天仍然在不斷豐富和發展當中。然而,藥物發現的效率并沒有如人們期待的那樣大幅提高。人體生物是如此復雜,單一靶點的作用往往不足以達到治療效果,而且靶點的驗證必須通過臨床試驗。臨床試驗的代價和效率成為藥物發現不可逾越的限速步驟。也正因為如此,藥物發現新技術的意義在于三個方面:一是如果靶點是正確的,找到最有效的調控方式和分子;二是,盡早證明靶點是不可行的;三是,沒有明確靶點時,找到有效的藥物。本文根據文獻和公開報道,總結了目前小分子藥物發現的新技術。



        常見技術的新發展




        1.      基于結構的藥物發現(SBDD

        對于一個藥物化學家來說,最賞心悅目的畫面莫過于蛋白的三維結構和小分子的復合晶體結構?;诮Y構的藥物發現最具邏輯性,也最有成就感。最近的一個例子就非常有說服力。20169月《自然》雜志報道,美國和德國科學家基于μ鴉片受體(μOR的結構,通過計算機虛擬篩選和設計,發現了不同于嗎啡的小分子骨架,保持了激活Gi信號的麻醉作用,但避免了beta-arrestin調節的抑制呼吸系統的副作用(1)。為開發新一代鎮痛藥物提供了基礎。

        2.       基于碎片的藥物發現(FBDD

        FBDD這個概念源于Brandeis大學Jencks1981年提出的計算分子與蛋白結合Gibbs自由能變化的理論。一個由AB兩部分組成的分子,結合蛋白后Gibbs自由能的變化由AB內在的能量變化,以及連接的能量變化,三部分組成。簡而言之,AB如果都能結合蛋白,以合適的linker連接在一起,整個分子的結合力會大大增強(2)。最早在實踐中探索這個理論的是雅培的科學家。1996年他們在《科學》發表文章證明通過NMR方法可以鑒定兩個結合在目標蛋白相鄰區域的分子片斷。隨后,將兩個片斷連接可以得到高親和力的分子(3)。FBDD有兩個缺點,一是得到的小片斷親合力弱,而且沒有選擇性,可以結合很多蛋白;二是將兩個碎片正確地連接非常有挑戰性。因此大規模的優化設計仍不可避免。比如第一個由FBDD發現的藥物Braf抑制劑Zelboraf (Vemurafenib) ,就是在起初發現的片斷上,不斷“生長”而成。這和傳統的hit-to-lead沒有太大差別。真正意義上,通過FBDD發現的藥物,應該是Abbvie(前雅培)最近上市的明星分子Bcl-2蛋白相互作用抑制劑Venetoclax。他們通過N15核磁鑒定相鄰片斷,連接優化后得到了候選化合物NavitoclaxVenetoclax,最終Venetoclax成功通過臨床試驗(4)。

        3.      蛋白相互作用的抑制劑(PPI

        對于小分子來說,蛋白相互作用以前認為是無法成藥的,因為作用界面太大太淺。這也是大分子藥物比如單抗相對于小分子的一個優勢。然而近年來,人們發現通過調節蛋白構象或作用于界面上的“熱點”區域等手段,小分子也能選擇性抑制蛋白相互作用,特別是球形蛋白和一段多肽底物的作用。這個領域發展非常迅速(5)。2016FDA僅批準10個小分子NCE藥物,其中PPI占到2個,分別是前面提到的腫瘤藥物Bcl-2抑制劑Venetoclax和干眼癥藥物lifitegrast。中國的生物科技公司亞盛(Ascentage)在這一前沿領域處于世界前列,研制的Bcl-2抑制劑,IAP抑制劑都已進入臨床研究。2016年底,亞盛(Ascentage)宣布B輪融資5億人民幣,用于推進這些藥物的開發,非常令人期待。

            上市和后期在研的PPIs

         

        4.      共價抑制劑(Covalent Inhibitor

        共價抑制劑在六七十年代是毒性大的代名詞,聲名狼藉,人們避之唯恐不及。藥物化學教科書也告訴我們要避免巰基(SH)、邁克爾受體、硝基(NO2)等活性基團。確實,許多藥物因為這些基團,與體內蛋白反應產生毒性,肝毒尤為明顯。有時這些小分子蛋白加合物甚至引發嚴重的免疫反應。然而,人們很少注意到的是,臨床上有許多藥物,起先是隨機篩選得到的,但后來發現作用機制其實是共價抑制。其中包括歷史上最偉大的藥物阿斯匹林和盤尼西林,以及明星重磅炸彈藥物比如氯吡格雷和奧美拉唑等。近年來,人們逐漸意識到共價抑制劑的優點,提出了靶向共價抑制(TCI)的概念。首先,降低活性基團,也就是共價抑制劑子彈頭的活性;只有分子與目標蛋白非共價結合,保持合適的構象和位置,共價反應才能發生,從而達到高度選擇性。共價抑制的過程可以是非可逆的,也可以是可逆的。即使非可逆抑制劑,由于目標蛋白可以重新合成,因此抑制作用仍然可以說是可逆的,只是周期取決于蛋白的合成速度。由于共價反應,即使分子與目標蛋白非共價結合的親合力不夠強,給予足夠的時間,抑制作用仍能夠達到完成。這樣,分子不再受“配體效應的限制,分子量很小的化合物,也能有很高的抑制活性。另外,低親合力,長作用時間,非可逆等特點也不利于目標蛋白變異,從而減少耐藥性出現的可能。正是由于這些優點,共價抑制劑現在成為熱點,人們開始基于結構,合理設計這類藥物,而且取得了很大的成功。我們比較熟悉的藥物包括新一代EGFR抑制劑afatinibAZD9291、Her-2抑制劑neratinib、 BTK抑制劑ibrutinib、其他腫瘤藥物蛋白酶抑制劑carfilzomib、CYP17抑制劑abiraterone、丙肝藥物蛋白酶抑制劑TelaprevirBoceprevir等等(6)。這些共價藥物中,由于耐藥性的問題,激酶抑制劑尤其受到重視,而且都采用丙烯酰胺作為活性基團。這個結構當前是如此流行,以至于我的一個“兩耳不聞窗外事”,做原料藥外包的朋友有一天神秘兮兮地告訴我,他發現了一個奇怪的規律,就是最近的新藥都有丙烯酰胺這個基團。巨大的化學空間中,一定還存在大量適合做共價抑制劑的基團,等待我們去發現和探索。


        5.      變構抑制劑(Allosteric Inhibitor

        自然遵循經濟性這一規律。人體生物也不例外。蛋白或酶都是多面手,在體內具有多種功能。而實現正確的時間、正確的地點、發揮正確的功能,除基因表達外,轉錄后通過蛋白修飾引起的構象變化也是最重要的調控手段。也就是說,每個蛋白都是一個變形金剛,根據需要,可以變化無窮。所謂變構抑制劑,就是特異性抑制蛋白構象變化,從而將其穩定在某個非活化或活化狀態(inactive or active state)。這與傳統的底物競爭性抑制劑比如ATP競爭性激酶抑制劑有所不同。最近,變構和共價相結合,又產生了更新的概念:那就是共價變構調節劑,完全模擬體內的表觀修飾和信號調控,實現蛋白功能的控制。

         

        變構抑制劑有什么優勢?我非常喜歡“胖子”理論。也就是酶的底物比如ATP,與酶活性中心結合緊密,就像是一個大胖子坐在一把椅子上。而競爭性抑制劑要把這個胖子拉起來,需要更大的力氣,也就是更高的親合力。而變構抑制劑是在椅子的某處扎了一根針,胖子自己就跳起來了,并不需要多大的力氣。舉個不太恰當的例子,一個是暴力搶劫,另一個是順水摸魚。搶劫是容易遭到抵抗的,也就是容易產生耐藥性。另外,蛋白的變構調節一般特異性比較強,而酶的底物一般適用于所有同家族的酶。因此,不易產生耐藥性和選擇性高成為變構抑制劑的兩個優點。

         

        變構抑制劑還能解決藥物化學中的一些難點。最近就有兩個很好的案例。一個是諾華2016年在《自然》上發表的SHP2小分子變構抑制劑。SHP2PD-1信號通路下游的一個去磷酸化酶(phosphatase)。PD-1大熱,其下游的靶點也成為關注的重點。然而,傳統底物競爭性去磷酸化酶抑制劑一直難以成藥。因為,競爭性抑制劑必然與含有磷酸基團的底物有類似性,因此極性大,難以穿透細胞膜。而諾華通過變構抑制得到了成藥性很好的小分子(7)。

        另外一個例子是KRAS的變構抑制劑。RAS是一種小GTPase,腫瘤中變異最多的基因之一,號稱癌基因之王。然而,RAS的底物競爭性抑制劑,包括其他的GTPase抑制劑,非常難以發現。因為,GTPGTPase的親合力極強,一般在nM-pM之間,這個胖子沒有人能夠拉起來。美國科學家發現的小分子ARS-853KRAS(G12C)共價結合,將其鎖定在GDP結合的非活性狀態而不能激活,因此達到抑制KRAS的效果(8)。

         

        6.      DNA編碼化合物庫(DNA-encoded library

        DNA編碼化合物庫實際上是組合化學和高通量篩選相結合的一種形式(9)。最早于1992年美國著名的Scripps研究所的前所長Lerner教授提出這個概念。Lerner從單抗發現技術中得到靈感,在小分子上連接一段DNA,因此可以使用類似于噬菌體展示的篩選技術,找到與目標蛋白有高親合力的小分子。這樣大大提高了高通量篩選的效率。常規篩選需要每個化合物挨個篩選; 而這種方法,可以將成千上萬的化合物放在同一溶液中,通過含有目標蛋白的載體,能與目標蛋白結合的分子就留下來了,只需DNA測序,就能知道化合物的結構信息,類似于掃描某個東西的條形碼。得到的Hits,還可以進一步改造擴展,得到focused化合物庫,進行第二輪篩選,反復多次,“進化”得到極高活性的化合物。聽起來非常不錯,但多年來也還未見有DNA編碼化合物庫產生的重磅炸彈藥物上市??赡芘c組合化學一樣,雖然可以產生海量化合物,但受合成技術制約,化合物的多樣性受限。近年來,這項技術也不斷發展比如多合成模塊、化學多樣性、DNA為模板的合成、雙藥效基團以及進化篩選等。學術界,哈佛大學的David Liu做了許多出色的工作。大公司中,GSK是最早的探索者。國內外DNA編碼化合物庫的生物科技公司的創始人幾乎都來自GSK團隊,包括國內知名的公司成都先導。GSK取得的成果也最多,比如GSK最近推向臨床的,具有單激酶選擇性的RIPK1變構抑制劑。著名的風投Atlas合伙人Bruce Booth 打造的公司Padlock,2016年被BMS 6億美元收購。其核心資產,治療關節炎的PAD4抑制劑,據說也是借用了GSKDNA編碼化合物庫技術。最近,DNA編碼化合物庫的進化篩選技術,顯示了發現替代單抗的,作用于蛋白相互作用的小分子的潛力。Nature Biotechnology專門報道了SanofiDiCE就這項技術的合作(10)。





        新概念(沒有上市藥物)





        1.      蛋白動態(Protein Motion

        20169月份,一則關于美國著名風投公司三石(Third Rock)的新聞引起人們的關注。三石的投資模式是自己培育公司,他們投資5.7億美元建立了一家叫Relay的初創公司。這家公司利用先進的成像、結構生物學、大數據分析等技術,模擬細胞中的功能蛋白動態移動和構象變化。研究這些移動蛋白和其參與的細胞功能,可以鑒定新靶點,或者找到某個蛋白上合適的藥物作用位點。如果說以前的蛋白結構是一幅靜態的圖片,這種技術產生的是一部動態的電影。其實,20166月份,另一家生物科技公司Morphic宣布了5150萬美元的A輪融資,用于開發整合素(Integrin)抑制劑的開發。他們的策略與Relay非常類似,也是利用高分辨率的晶體結構研究整合素的移動和構象變化,并與著名的計算機輔助藥物設計公司薛定鄂合作開發藥物。值得一提的是,國內CRO公司尚華醫藥是其投資者之一。


        2.      蛋白降解靶向聯合體PROTACProteolysis Targeting Chimera

        PROTAC這個技術從英文字面上理解,就是靶向蛋白降解的小分子聯合體。聯合體分子包括三部分:一頭是靶向目標蛋白的結構; 另一頭是可以招募蛋白降解體系比如E3 Ligase的結構;中間通過合適的linker連接。這與雙特異單抗技術類似,可以算是雙功能小分子。

         

        誘導蛋白降解實際上不是什么新概念。臨床上很多藥物,意外發現具有降解靶蛋白的作用:比如抗腫瘤藥物氟維司群(Fulvestrant)和他莫昔芬(Tamoxifen)可以降解雌激素受體;來那多胺可以特異性降解轉錄因子IKZF1IKZF3。阿斯利康的第三代EGFR抑制劑AZD9291,臨床上比其他T790M抑制劑療效更好,也有證據表明,是因為它不但抑制酶活性,也選擇性誘導EGFR T790M的降解。但這些意外發現沒有普適性,也無法通過合理設計來發現。當然,降低蛋白的濃度,還有其他策略。比如RNAi和反義(anti-sense) DNA技術,通過沉默基因,減少蛋白的表達。這個方向一度十分熱門,但由于藥物傳輸等技術挑戰,鮮有成功的案例。這一領域2016年卻爆發了,FDA批準了兩個反義藥物:頗具爭議的DMD藥物eteplirsen和治療SMA的罕見病藥物nusinersen。所謂的基因剪刀CRISPR-Ca9技術雖然離藥物上市還很遠,但也成了明星中的明星,人們對此期待很高。另外一個抗腫瘤靶點HSP90,其實也是間接誘導蛋白降解。HSP90是伴侶蛋白,它的功能是幫助其他重要的信號蛋白正確折疊而穩定。一旦其功能被抑制,導致很多客戶蛋白(client protein)被降解。目前有大量HSP90抑制劑處于后期臨床階段。

         

        最直觀的誘導蛋白降解的技術就是PROTAC。耶魯大學的Craig Crews是這個領域中的先驅。但最早提出這一概念,是2001UCLA Sakamoto實驗室發表PNAS文章時提出的,Craig是作者之一(11)。在這篇文章中,設計了一個叫Protac-1的分子,通過招募泛素化蛋白beta-TRCPProtac-1依賴的方式將目標蛋白amino peptidase-2(MetAP-2)降解,第一次清晰地展示了PROTAC的概念。除招募泛素化蛋白外,隨后又發展了HyTHydrophobic tagging)技術。就是通過PROTAC技術,用大的疏水性基團比如金剛烷adamantaneBoc3Arg標記目標蛋白。蛋白降解機器將目標蛋白誤認為沒有正確折疊而予以降解(12)。

        從科學研究的角度上,PROTAC是非常好的故事。然而,做藥還有好多其他因素要考慮,比如化合物的理化性質等成藥性指標。PROTAC分子不可避免地,分子量比常規小分子藥物要大,雖然Linpiski規則也不是絕對的,但分子量太大成藥的可能性減小是無法否認的事實。這就是為什么十六年過去了,還沒有PROTAC藥物上市,甚至鮮有化合物進入臨床。當然,PROTAC也有本身的優勢,比如,因為是event-driven的過程,所以化合物不需要與目標蛋白長時間和高強度的結合,因此可以靶向傳統難以成藥的靶點,比如表面缺乏小分子結合區域的蛋白;另外,這個過程類似于催化反應,抑制目標蛋白,并不需要等摩爾量的藥物,因此獲得極高活性成為可能。最后,在Craig等科學家堅持不懈地推動下,這項技術日益完善,最近取得了很大的進展,比如通過招募組織特異性的E3 Ligase獲得高度選擇性的PROTAC。正因為如此,PROTAC技術日益獲得投資者和大公司的青睞,最近至少兩個PROTAC公司獲得大筆融資:2015Craig的公司Arvinas B輪獲4160萬美元,并與基因泰克達成3億美元以及默沙東4.3億美元的合作協議;2016年哈佛大學和Dana-Farber的三位教授Ken Anderson, Nathanael Gray, James Bradner 創立C4 Therapeutic,首輪獲7300萬美元融資,并與羅氏達成7.5億美元的合作協議。James Bradner還發現了BRD4抑制劑JQ系列化合物,并高調宣布放棄專利,引發極大關注。40出頭的James后來成為諾華的研發負責人。C4的技術是基于2015年他們發表的《科學》文章,取了個名字叫Degronimid?,實際上就是PROTAC技術(13)。他們發現來那多胺等鄰苯二甲酰亞胺類抗腫瘤藥物,可以特異性結合E3 Ligase CRBN,通過PROTAC技術,可以選擇性降解目標蛋白比如BRD4,活性達到pmole,并有很好的成藥性。

        3.      小分子輔助受體靶向技術(SMARTTM

        Warp Drive Bio SMARTTM 技術很多人不熟悉。但說到這個公司的創始人,也許大家看過新聞, 他就是20165月份加入藥明康德風投基金,毓承資本的Gregory Verdine博士。Verdine博士是哈佛的教授,創立了多家生物科技公司,包括Warp Drive Bio。SMARTTM技術的全稱是Small Molecule-Assisted Receptor Targeting,可以翻譯為小分子輔助受體靶向技術。實際上,就是用小分子模擬體內伴侶蛋白的功能。小分子進入細胞后,首先和其受體結合,這個小分子蛋白復合物可以特異性抑制目標蛋白,小分子和其受體蛋白單獨不能產生活性。說來有意思,這其實就是神藥mTor抑制劑雷帕霉素的作用機制,由著名化學家,哈佛大學Stuart L. Schreiber教授于1994年發現。Schreiber1988年發現了FKBP12,它與小分子配體FK506或者小分子免疫抑制藥物cyclosporin形成復合物后,抑制去磷酸化酶calcineurin。1994年,發現雷帕霉素(Rapacicin)和FKBP結合的復合物可以抑制mTor信號通路。Warp Drive Bio公司宣稱可以通過類似的技術,靶向一些難以成藥的靶點比如RAS。但目前沒有公開技術細節。20161月份,該公司宣布與賽諾菲為期5年總額為7.5億美元的合作,想來他們的技術一定有獨到之處。

        4.      基因轉錄模擬(Transcriptional mimetic

        基因轉錄模擬這個概念實際上很難說得上是真正意義上小分子藥物發現新技術或新概念。更多的是一種表型篩選技術。我們知道,有許多化合物,特別是天然產物,具有多種活性,沒有明確的靶點。但不意味著這些化合物不能成藥,有的還成了神藥比如阿斯匹林和二甲雙胍。而有的化合物比如雷公藤紅素(Celastrol),也有各種活性,但運氣就沒有那么好了,由于毒副作用,難以成藥。這種情況下,如果是基于靶點的藥物發現,可以通過進一步改造化合物,減少副作用而解決問題。但對于沒有明確靶點的化合物,就難以建立合適的篩選方法,或者不能通過構效關系來優化藥物?;驕y序和大數據技術的發展,使得我們可以經濟快速地檢測某個化合物對相關基因表達的影響。如果能夠確定一組基因表達變化的指紋譜與某種疾病狀態的相關性,我們就可以將這個基因表達譜作為篩選的替代讀數(readout)。前面提到的Schreiber領銜的Broad研究所,建立了一個工具小分子基因表達譜數據庫。因此,新化合物的基因表達譜可以與數據庫中的化合物對比,如果基因表達譜類似,可以推測他們的活性也類似,或者作用于相同的信號通路和靶點。20169月份,哈佛大學的科學家在Nature Medicine上報道了Withaferin A調節瘦素敏感性的減肥作用(14)。此前他們發現雷公藤紅素有減肥作用,但毒性太大。通過比較雷公藤紅素代謝基因表達譜,在Broad研究所的數據庫中發現了毒性更低的Withaferin A,具有類似的代謝基因表達譜和作用機制。


        墨爾本大學的科學家在研究抗腫瘤藥物來那多胺的免疫調節作用機制時,發現來那多胺對于有關基因的表達,與BET bromodomain抑制類似,比如下調cMYCIRF4。有意思的是,隨后他們發現,來那多胺分子中的一個片斷NMP,也有類似的基因表達譜,且在動物模型的抗腫瘤效果與來那多胺類似(15)。NMP目前已進入臨床研究。NMP是常見的有機溶劑,這讓我想起,我博士后導師Breslow教授發現第一個HDAC抑制劑SAHA的故事,也是從DMSO意外發現的。許多藥理實驗使用各種有機溶劑,因此對數據的解讀要非常小心,必須有嚴格的對照組。

        5.      氘代藥物(Deuterated Drug )

        氘代藥物就是將藥物分子的氫元素(H)用氘(D)取代。由于HD的細微差別,這種取代對活性的影響不大,但由于氘比氫重,形成的化學鍵斷裂困難一些,因此對藥物代謝可能產生很大影響,特別是處于代謝位點時。氘代藥物在業界爭議很大。很多人認為其創新性不足,是投機取巧。其實,氘代藥物的研究1961年《科學》雜志就有報道(16),而第一個美國專利出現在1970年。過去十年,以Auspex、Concert、Deuteria/DeuteRx為代表的公司,就已有藥物的氘代申請了無數專利。以至于大公司在申請專利時,不得不將氘代化合物包括進去。人們對氘代化合物能否成藥,還是抱有懷疑態度的。直到去年,Teva 32億美元收購Auspex的舞蹈病治療藥物,氘代tetrabenazineSD-809)時,人們才真正關注這個方向。Nat Rev Drug Discov 去年專門發文對此進行了介紹(17)。FDA因為雜質研究的原因推遲了SD-809的批準。然而,不出意外,2017年它將成為第一個上市的氘代藥物。處于臨床研究的氘代藥物還有Concert的三個化合物:AVP-786Dextromethorphan)、CTP-656ivacaftor)和CTP-730apremilast)。另外,Celgene、Vertex、 BMSPfizer等大公司也在開展氘代藥物研究,比如Celgene的氘代lenalidomide,Vertex的氘代DNA-PK抑制劑VX-984, BMS的氘代NS3/4A抑制劑BMS-986144等等。國內開發氘代藥物的公司包括蘇州澤璟,他們開發的氘代索拉非尼已經進入三期臨床。201610月,新聞報道成都海創開發的前列腺癌藥物HC-1119,得到海思科的支持,進入臨床研究。有消息稱HC-1119可能為氘代恩雜魯胺。

         

        上述氘代藥物,通過改變代謝,療效或副作用都有改善,比如SD-809的副作用相比于Tetrabenazine大幅下降。對于國內市場而言,氘代藥物可能還有繞開原研專利的作用,達到降低老百姓用藥成本的目的。2016年,藥政改革給業界帶來許多利好消息。但年尾,中央媒體播出醫生回扣的新聞,以及隨后中央關于“兩票制”改革的高調會議,透露出藥品降價的強烈信號。因此,解決藥物可及性問題成為國家戰略,氘代藥物也許會受到鼓勵。

         

        氘代藥物在SD-809獲批后,可能會受到更多重視。但仍然面臨專利,成本以及氘代技術等問題。據說,如果氘代的純度達不到98%以上,2%的原形藥物就可能構成侵權。另外,技術上目前還缺乏高效的氘代方法,上述藥物一般都是使用常見的氘代試劑制備而來。華人化學家George Li 創立的CombiPhos Catalysts,基于杜邦公司的技術,開發了系列高效的氘代催化劑,據說可以降低氘代藥物開發的門檻,值得關注。










        小分子藥物發現的新思維





        藥物的治療,就是藥物調節人體異常功能的過程?,F代基于靶點的藥物創新,分為兩個方面,一個是找到可調節的靶點,另一個就是找到執行調節功能的藥物。發現新靶點,需要長期的基礎研究積累,而且驗證靶點也是一個長期和昂貴的過程。更為復雜的是,藥物形式也可以決定靶點的成敗。新的藥物形式,或者是發現藥物的新技術,看起來屬于技術創新,但其性價比高,一旦形成突破,它會形成技術平臺,可以開發一系列藥物。中國的基礎研究發展很快,但原創靶點的發現與歐美強國仍有差距。就學科來說,中國的有機化學水平應該不落后于任何國家,從事有機化學的研究人員數量全球第一。因此,在小分子藥物發現技術創新上,我們具備了技術基礎。我們需要的是創新的思維,以及多學科交叉,緊密合作的團隊和機制。

         

        上述提到的新技術,也不是誰獨創的黑科技。大多數是基于已有成果,提煉而成。只是他們的思維不一樣,多想了一層,找到了別人沒有在意的邏輯。而這個思維和邏輯,就是來源于我們人體本身的調控過程。比如,某個靶點或者某個與疾病相關的功能,體內調控機制,是底物競爭來調節,還是變構和共價調控。我們比較競爭性,變構和共價抑制劑的優缺點,就會發現,符合自然規律那個調控總是最好的。動態蛋白技術,PROTACSMRT,基因轉錄模擬等新技術都是模仿體內的調控過程。帶著這樣的思維,我們去審視一些我們耳聞能詳的事實,就會產生不一樣的想法。

         

        1.      紫杉醇的作用機制

        比如,紫杉醇被寫進了教科書,即使初出茅廬的研發人員,也能回答出紫杉醇的作用機制是微管蛋白(tubulin)的抑制劑。學習得深入一點,我們還知道,紫杉醇結合于微管的內側beta-subunit上,穩定微管的聚合,因此阻止微管的解離而抑制細胞的有絲分裂。我們從微管的體內調控過程去思考,發現紫杉醇的作用機制至少包含兩個我們沒有注意的背后邏輯。


        首先,微管蛋白(tubulin)實際上是一種GTPase,分為alphabeta兩個亞單位(subunit),微觀的聚合和解離是一個由GTPGDP交換控制的高度動態的過程。GTP結合的微管蛋白不斷加到微觀末端,穩定微管,微管不斷延長。微管蛋白是GTPase,能夠將GTP水解成GDP,釋放一分子磷酸,GDP結合的微管蛋白構象發生變化,就從微管上解離下來,微管開始縮短。紫杉醇的作用機制就是抑制GDP結合的微管蛋白構象發生變化而穩定微觀聚合狀態。因此,第一個我們沒有注意的邏輯就是,紫杉醇實際上是微管蛋白GTPase的變構抑制劑。


        第二個有意思的事實是,雖然紫杉醇的作用機制被認為是穩定微管,但實際上紫杉醇誘導腫瘤細胞凋亡的濃度,遠低于實際觀察到的微管延長所需要的最低濃度(18)。也就是,紫杉醇起效并不需要1:1地抑制微管蛋白(tubulin),少量紫杉醇分子即可干預大量微管蛋白的動態過程。這就類似于PROTAC技術中提到的所謂event-driven藥理,藥物靶向一個事件。這種情況下,藥物容易達到pmole級別的極高活性。確實,微管抑制劑的活性一般都比較高,除紫杉醇類化合物外,還有比如長春新堿,用于ADC的毒素美登素(Maytansine)等。Event-driven藥理就是第二個我們沒有注意的邏輯。


        從這兩個邏輯,我們至少能想到兩個有意思的問題或創新的方向:現在的微管抑制劑,雖然作用位點不一樣,但都是變構抑制劑,能不能找到GTP/GDP競爭性抑制劑或mimetics,干預GTP/GDP交換的微管動態調控過程;能不能找到其他的event-driven藥理的靶點,得到高活性藥物。

         

        2.      PARP抑制劑

        PARP是一種多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶,在DNA的修復當中有重要功能。PARP檢測到有裂口的單鏈DNASSBs)后,與之結合,利用NAD+合成聚二磷酸腺苷核糖(PAR)鏈,作為信號,招募其他DNA修復機器。PAR鏈對PARP自身的修飾會誘導構象變化,從修復好的DNA上解離下來。修復完成后,PAR鏈被降解。SSB如果不能及時修復,DNA復制后,就會產生有缺陷的雙鏈DNADSBs)。雙鏈DNA的修復機器HRR (homologus recombination repair)包括BRCA等蛋白。PARP被抑制,細胞內會累積SSBs,進一步導致DSBs的累積,DSBs如果不能被HRR及時修復,細胞就無法生存。PARPHRR功能同時喪失,導致合成致死。因此,PARP抑制劑最早被嘗試用于治療BRCA變異的腫瘤,比如BRCA陽性的卵巢癌和乳腺癌(19)。

        PARP抑制劑在藥物研發史上也算是個傳奇。賽諾飛最早將Iniparib推至乳腺癌三期,但最終失敗。直到最近才發現是一個烏龍事件,Iniparib并不是PARP抑制劑。好笑的是,因為賽諾飛的失敗,PfizerMerck將自己的PARP抑制劑賤賣。2014FDA批準阿斯利康的olanparib,用于BRCA變異的卵巢癌。PARP抑制劑一躍成為國內外研發的熱點。201612月,FDA加速批準了第二個PARP抑制劑rucaparib。處于三期臨床的還有Veliparib、E7016、NiraparibTalazoparib。其中NiraparibTalazoparib分別被恒瑞和再鼎引入中國。原研進口和國內自研拿到或等待臨床批件的至少還有5家,臨床前在研的應該還有一批,競爭非常激烈。

        現在如果簡單me-too一個PARP抑制劑,時機上有點晚了。但仔細觀察PARP抑制劑的作用機制,卻有一些值得思考的東西,也許能為創新提供思路。首先,當然是合成致死這一概念。替莫唑胺(temozolomide)和喜樹堿(camptothecin)等化療藥物,導致SSBs大量累積,成為PARP抑制劑聯合用藥的最好搭檔。另外,HRR基因除BRCA外,還有ATM、PALB2等,也可以成為合成致死的目標。FDA最近批準了olanparib的突破性資格,用于ATMBRCA2變異的晚期前列腺癌。第二,精準醫療可以幫助PARP抑制劑擴大病人群體?,F在病人的BRCA變異是生殖系突變(germline mutation),也就是正常細胞中也有這個變異,因此PARP抑制劑的選擇性,實際上類似于化療藥物,利用腫瘤細胞快速分裂的特點,DNA復制頻繁,出錯的幾率比正常細胞大?;驕y序可以找到體細胞基因突變(somatic mutation),也就是變異是腫瘤細胞所特有的,這樣不但擴大病人群體,還可以進一步提高藥物的選擇性和安全性。第三,非選擇性PARP抑制劑。目前的藥物都是PARP12的抑制劑,但對PARP5的選擇性比較高。PARP5又叫tankyrase,曾經也是熱門靶點,諾華做了大量工作。因為,tankyraseWNT信號通路中有重要的功能,而WNT信號通路在結腸癌等腫瘤中經常高表達或變異??上?,抑制WNT,對快速更新的腸道上皮細胞產生毒性。令人意外的是,第一三共的E7016PARPtankyrase的雙重抑制劑,動物中卻沒有觀察到腸道毒性。機制還不清楚,也許PARP抑制保護了腸道細胞的傷害。確實,PARP抑制劑對于心血管,中樞神經系統,自身免疫疾病都有保護作用,大量證據表明是通過調節Treg細胞起作用。


        第四點是最有意思的,目前的PARP抑制劑雖然是NAD+競爭性化合物,但除了抑制酶的催化活性外,還能將PARP蛋白trapDNA上,形成PARP-DNA復合物,原因是PARP被抑制后不能變構從DNA上解離。這個復合物,相當于靶向DNA的化療藥物,細胞毒性比抑制PARP酶活性還要大。這也解釋了為什么PARP抑制劑在沒有BRCA變異的腫瘤中也有一定的效果,以及各個化合物的抗腫瘤活性與其酶抑制活性不線性相關。研究發現,各個藥物的PARP Trapping活性差異很大,大概順序是talazoparib > niraparib > olaparib = rucaparib > veliparib。因此,talazoparib的抗腫瘤活性最高,但副作用也相對大得多,治療窗口窄。PARP抑制劑在這里包含了幾個新概念:既是競爭性抑制劑,又是變構抑制劑。還有前面提到的SMART技術,形成復合物后發揮效果。這對于小分子藥物研發很有啟發作用。至少靶向DNA的藥物,可以照葫蘆畫瓢,開發類似的化合物,比如topoisomerases(TOP1)DNA methyl transferase(DNMT)抑制劑等。

         

        3.      ATPGTP競爭性抑制劑

        如果要問當前小分子藥物研發什么方向最熱門,無疑是激酶(kinase)抑制劑。國際上不說,至少國內的替尼大戰,業界已經是人盡皆知。激酶抑制劑里最早,也是最大一類是ATP競爭性抑制劑,包括Gleevec等明星藥物。發展共價和變構激酶抑制劑是創新的方向。但我們也可以回到最基本的化學,做一些思考。比如,你如果是學化學的,你會發現ATPGTP的化學結構是如此類似。ATP作為底物的激酶,已經成為小分子藥物發現最大的領域。GTP作為底物的GTPase也是最重要的信號通路調控機制之一,為什么沒有GTPase競爭性抑制劑藥物出現。是因為GTPase不能成藥嗎?有如前面提到,tubulinRAS作為GTPase幾乎是驗證過的抗腫瘤靶點。這就要回到化學上來解釋,因為GTPGTPase的親和力超強,一般在低nMpM。前面介紹變構抑制劑時提到,非常難找到它的競爭性抑制劑。當然,發展變構抑制劑是打開GTPase這扇門的重要方向。但我們知道,化學發展到今天,就象人們常說的一樣,已經沒有我們不能合成的小分子。既然,GTPase能與GTP高親合力結合,一定能夠找到類似化合物與之競爭。我們可以想像,如果能找到這樣的化合物,首先,化合物的活性必定極高,Kd可能達到pM級別。那另外一個問題就是,能不能找到具有選擇性的化合物,比如只靶向RAS。理論上肯定是可能的,只要GTPase的活性中心有差異。即使沒有選擇性,化合物pM的活性,使其可以利用ADC技術克服選擇性的問題。這是GTPase抑制劑令人期待的地方。激酶抑制劑最大的難點就是選擇性。而GTPase抑制劑即可能單獨成藥,也可以作為ADC的毒素,項目的風險大大降低。有人可能會說,你這是紙上談兵。但愛因斯坦說過,最不能忍受在木板最薄的地方鉆孔。新藥研發創新性極強,也許木板最厚的地方有另外一番天地。而且,可以負責任地說,GTPase競爭性抑制劑已經不是紙上談兵了。





        結語


        小分子藥物作為傳統的藥物形式,有其不可替代的優勢。小分子藥物創新當然受制于新靶點的發現。然而,PROTAC,、SMRT技術,甚至PARP抑制劑這樣的新穎作用機制,讓我們看到小分子藥物發現,還可能通過新技術打開另外的天地。中國化學合成技術的領先地位,讓小分子技術創新具有更好的基礎。我們說,真正的顛覆性技術,有時不是設計出來的,而是“碰”到的。我們全球第一的化學合成隊伍,在飛速發展的生物醫藥大環境下,出現任何黑科技也不是令人奇怪的事情。對于尋找創新項目的投資者或制藥公司,如果忽視中國科學家的創造力,是十分短視的。2017年是十分令人期待的一年,讓我們試目以待,也許中國的小分子藥物發現會給世界一個驚喜。


        參考文獻

        1. Structure-based discovery of opioid analgesics with reduced side effects. Nature. 2016 Sep 8;537(7619):185-190)

        2. On the attribution and additivity of binding energies. Proc Natl Acad Sci U S A 78, 4046–4050

        3. Discovering high-affinity ligands for proteins: SAR by NMR. Science 274, 1531–1534

        4. The ways and means of fragment-based drug design. Pharmacol Ther. 2016 Nov;167:28-37

        5. Small molecules, big targets: drug discovery faces the protein-protein interaction challenge Nat Rev Drug Discov. 2016Aug;15(8):533-50

        6. The resurgence of covalent drugs. Nat Rev Drug Discov. 2011 Apr;10(4):307-17

        7. Allosteric inhibition of SHP2 phosphatase inhibits cancers driven by receptor tyrosine kinases Nature. 2016 Jul7;535(7610):148-52

        8. Selective Inhibition of Oncogenic KRAS Output with Small Molecules Targeting the Inactive State Cancer Discov. 2016Mar;6(3):316-29

        9. 20 years of DNA-encoded chemical libraries. Chem. Commun., 2011, 47, 12747–12753

        10. DNA-encoded drug libraries come of age. Nat Biotechnol. 2016 May 6;34(5):450-1

        11. Protacs: chimeric molecules that target proteins to the Skp1-Cullin-F box complex for ubiquitination and degradation .Proc Natl Acad Sci U S A. 2001 Jul 17;98(15):8554-9

        12. Induced protein degradation: an emerging drug discovery paradigm. Nat Rev Drug Discov. 2016,Nov 25th ,online

        13. Phthalimide conjugation as a strategy for in vivo target protein degradation. Science 19 Jun 2015:Vol. 348, Issue 6241, pp.1376-1381

        14. Withaferin A is a leptin sensitizer with strong antidiabetic properties in mice. Nat Med. 2016 Sep;22(9):1023-32

        15. The drug vehicle and solvent N-methyl pyrrolidone is an immunomodulator and antimyeloma compound. Cell Rep. 2014 May 22;7(4):1009-19

        16. Effect of Deuterium Substitution in Sympathomimetic Amines on Adrenergic Responses. Science 13 Jan 1961:Vol. 133, Issue 3446, pp. 102-104

        17. Deuterated drugs draw heavier backing. Nat Rev Drug Discov. 2016, 15, 219-221

        18. Microtubules as a target for anticancer drugs. Nature Review Cancer 2004, 4, 253-265

        19. Laying a trap to kill cancer cells: PARP inhibitors and their mechanisms of action. Sci. Transl. Med. 8, 362ps17 (2016),1-7


        本文獨家首發于微信公號《醫藥研發社交平臺》。文中僅代表個人觀點。


        作者:雨里

        出處:【醫藥研發社交平臺】(ID:drugsns)


        編輯:Walker   配圖:網絡

        來源:雨里

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