丁 克

（暨南大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州510632）

藥物的本質(zhì)是具有“安全和有效”屬性的化學(xué)物質(zhì)。因此，藥學(xué)研究的核心必然是圍繞具有這種特殊屬性的化學(xué)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和獲得。自20世紀(jì)90年代以來，隨著各種生物學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和化學(xué)合成技術(shù)等的快速發(fā)展，人們對(duì)疾病機(jī)制等生命活動(dòng)過程有了更為深入的了解，科學(xué)家對(duì)于新藥發(fā)現(xiàn)的方式也逐步由早期的“神農(nóng)嘗百草”式的盲目嘗試，逐步發(fā)展為以理論和技術(shù)為指導(dǎo)的“理性藥物設(shè)計(jì)”。這種研發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，一方面大大提升了生物活性分子的發(fā)現(xiàn)效率，同時(shí)也催生了諸如激酶抑制劑和喹諾酮類抗生素等一系列解決惡性腫瘤和細(xì)菌感染等重大臨床需求的劃時(shí)代藥物。

1 藥物設(shè)計(jì)策略的重要進(jìn)展及其局限性

過去10年間，以各種組學(xué)為代表的生物學(xué)技術(shù)進(jìn)步促使人們對(duì)疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制有了全新的認(rèn)識(shí)；而結(jié)構(gòu)生物學(xué)以及基于人工智能（artificial intelligence， AI）的AlphaFold蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)技術(shù)等的快速發(fā)展則讓科學(xué)家對(duì)疾病相關(guān)蛋白的三維空間結(jié)構(gòu)有了更加深入和清晰的了解；以海量數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的AI藥物設(shè)計(jì)新策略為設(shè)計(jì)全新生物活性分子提供了全新的工具；以DNA編碼化合物庫（DNA-Encoding Library，DEL）為代表的高通量組合化學(xué)策略極大地提高了高容量化合物庫的可及性；而以C-H鍵活化反應(yīng)和有機(jī)催化為代表的化學(xué)合成新方法則為綠色合成這些活性分子和擴(kuò)展化合物結(jié)構(gòu)空間提供了技術(shù)保障。

以這些技術(shù)進(jìn)步為基礎(chǔ)，藥物化學(xué)家在藥物設(shè)計(jì)方法和策略上也發(fā)生了巨大的變化。藥物設(shè)計(jì)由早期的主要利用生物電子等排等經(jīng)典方法系統(tǒng)改造已知活性分子或模擬體內(nèi)活性物質(zhì)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐约膊∠嚓P(guān)蛋白的三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行全新分子的構(gòu)建。相應(yīng)地，基于片段的藥物設(shè)計(jì)（fragment based drug design，F(xiàn)BDD）、別構(gòu)調(diào)控（allosteric modulator）、可逆或非可逆共價(jià)抑制劑（reversible/irreversible covalent inhibitor）、蛋白-蛋白相互作用（proteinprotein interaction，PPI）阻斷劑、蛋白水解靶向嵌合體（proteolysis-targeting chimeras，PROTACs）蛋白降解劑等藥物設(shè)計(jì)新策略應(yīng)運(yùn)而生，并成功應(yīng)用于多個(gè)已被美國(guó)FDA批準(zhǔn)藥物的設(shè)計(jì)開發(fā)之中。以蛋白激酶抑制劑為例，已有trametinib（2013年上市），cobimetinib（2015年上市），binimetinib（2018年上市），selumetinib（2020年上市）和asciminib（2021年上市）等5個(gè)別構(gòu)抑制劑被美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市。同時(shí)，以osimertinib（2015年上市）和ibrutinib（2013年上市）等為代表的共價(jià)非可逆激酶抑制劑也展示出優(yōu)異的臨床療效、靶標(biāo)特異性和安全性。在Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物（Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，KRAS）G12C突 變蛋白抑制劑AMG510等的設(shè)計(jì)開發(fā)中，科學(xué)家成功地綜合應(yīng)用了非可逆別構(gòu)抑制的策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)KRAS這一“無成藥性”（undruggable）靶標(biāo)的強(qiáng)效抑制，并于2021年底被美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市。美國(guó)雅培公司（Abbott Laboratory）的科學(xué)家通過利用基于結(jié)構(gòu)的FBDD策略，成功設(shè)計(jì)了選擇性B淋巴細(xì)胞瘤-2蛋白（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）抑制劑藥物venetoclax（ABT199）作為PPI阻斷劑藥物研發(fā)的范例，并被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于慢性淋巴細(xì)胞白血病（chronic lymphocytic leukemia，CLL）/小淋巴細(xì)胞淋巴瘤（small lymphocytic lymphoma，SLL）和急性髓系白血?。╝cute myelogenous leukemia，AML）的治療。在PROTACs蛋白降解劑方面，雖然這種策略在2001年才被耶魯大學(xué)的 Craig Crews教授等研究人員提出，目前已成為各大型制藥公司和科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相投入的一個(gè)重要領(lǐng)域。已有包括核激素受體降解劑ARV-471等10余個(gè)分子進(jìn)入臨床研究，并與傳統(tǒng)小分子抑制劑藥物相比展示出一定的優(yōu)勢(shì)。此外，基于深度學(xué)習(xí)的AI藥物設(shè)計(jì)在激酶小分子抑制劑等研究方面也取得重要進(jìn)展。Insilicon Medicine公司和中科院上海藥物研究所的研究人員分別近期獨(dú)立報(bào)道了其利用AI快速設(shè)計(jì)高活性盤狀結(jié)構(gòu)域受體1（discoidin domain receptor1，DDR1）激酶小分子抑制劑的成功案例。

盡管近年來在藥物設(shè)計(jì)新策略的發(fā)展和應(yīng)用等方面取得了很大的進(jìn)步，但鑒于藥物這一特殊化學(xué)物質(zhì)的“木桶效應(yīng)”性質(zhì)，目前的藥物研發(fā)仍是一個(gè)漫長(zhǎng)“試錯(cuò)”過程。現(xiàn)有的藥物設(shè)計(jì)方法和策略也存在其自身的局限性。例如，目前常用的基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì) （structure-based drug design，SBDD）策略主要依據(jù)靶標(biāo)蛋白的靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)，而忽視了蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)變化過程對(duì)配體結(jié)合口袋的影響以及動(dòng)態(tài)過程中新口袋的形成與分子調(diào)控。近期，Relay公司的科學(xué)家通過分析成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體（fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR）激酶結(jié)構(gòu)中特定區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化差異，成功設(shè)計(jì)出了選擇性FGFR2小分子抑制劑，可有效降低廣譜FGFR抑制劑因抑制FGFR1而帶來的高磷血癥副作用的風(fēng)險(xiǎn)。此外，包括腫瘤在內(nèi)的絕大多數(shù)疾病都包含多種致病因素，而不是完全由某個(gè)單一靶標(biāo)蛋白的功能異常介導(dǎo)。因此，如何綜合利用現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)策略，并結(jié)合AI的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)能夠同時(shí)作用于多個(gè)致病基因的選擇性多靶點(diǎn)藥物將成為下一代創(chuàng)新藥物設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。非可逆抑制雖然在提升藥物與靶標(biāo)蛋白中的駐留時(shí)間和克服藥物耐藥等方面顯示優(yōu)異的效果，但藥物靶標(biāo)永久性修飾帶來的副作用等風(fēng)險(xiǎn)一直備受關(guān)注。同時(shí)，針對(duì)不同氨基酸的高選擇“彈頭”（warhead）基團(tuán)短缺也將對(duì)這種策略的廣泛應(yīng)用起到限制作用。然而對(duì)于被寄予厚望的PROTACs降解藥物而言，如何解決超大相對(duì)分子質(zhì)量帶來的藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)缺陷，以及因“Hook”效應(yīng)帶來的藥物藥代/藥效性質(zhì)不匹配等的問題，也值得進(jìn)一步思考和關(guān)注。

2 本期專題論文點(diǎn)評(píng)

本期專題中，來自于四川大學(xué)華西醫(yī)院、四川大學(xué)華西藥學(xué)院、山東大學(xué)、暨南大學(xué)和鄭州大學(xué)的5位優(yōu)秀青年藥物化學(xué)家分別圍繞“靶向特定氨基酸的共價(jià)抑制劑”、“深度學(xué)習(xí)輔助藥物發(fā)現(xiàn)的研究進(jìn)展”、“基于微量合成的藥物研究”、“水分子在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”和“靶向蛋白非催化功能的藥物開發(fā)”等藥物設(shè)計(jì)前沿方向，系統(tǒng)介紹相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)容將有助于一線藥物設(shè)計(jì)工作者了解當(dāng)前藥物設(shè)計(jì)的前沿技術(shù)，并運(yùn)用于實(shí)際工作之中。

四川大學(xué)華西醫(yī)院歐陽亮教授等在《靶向特定氨基酸的共價(jià)抑制劑研究進(jìn)展》一文中，從阿司匹林等經(jīng)典藥物的作用機(jī)制，以及共價(jià)抑制劑與可逆抑制劑相比的潛在優(yōu)勢(shì)出發(fā)，首先介紹了共價(jià)抑制劑的作用機(jī)制。作者以表皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR），布魯頓酪氨酸激酶（Brutons tyrosine kinase，BTK）和Kristen肉瘤病毒致癌基因同源物（KRAS）等的共價(jià)抑制劑為切入點(diǎn)，系統(tǒng)介紹了目前研究最為成熟的針對(duì)半胱氨酸的共價(jià)抑制劑研究進(jìn)展。隨后，又以實(shí)例的方式較為詳細(xì)的介紹了國(guó)際上近期針對(duì)甲硫氨酸、賴氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸進(jìn)行共價(jià)抑制劑研究的嘗試。值得關(guān)注的是，半胱氨酸突變?yōu)橛H核能力較低的絲氨酸或蘇氨酸共價(jià)抑制劑藥物包括osimertinib等臨床耐藥的重要原因。因此，研發(fā)針對(duì)低親核性氨基酸的共價(jià)抑制劑具有重要的意義。文章最后對(duì)如何基于蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行共價(jià)抑制劑的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，提出如何尋找或選擇具有合適反應(yīng)活性和選擇性的“warhead”是開發(fā)針對(duì)較低親核能力氨基酸共價(jià)抑制劑的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

AI技術(shù)近年來在醫(yī)學(xué)、藥學(xué)及生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域取得了重大突破，特別是發(fā)展的若干深度學(xué)習(xí)方法正在改變創(chuàng)新藥物研發(fā)進(jìn)程，將有可能降低藥物發(fā)現(xiàn)成本、提高藥物研發(fā)效率。四川大學(xué)華西藥學(xué)院的李國(guó)菠教授等在《深度學(xué)習(xí)輔助藥物發(fā)現(xiàn)的研究進(jìn)展》一文中，重點(diǎn)聚焦于深度學(xué)習(xí)在創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)中的發(fā)展和應(yīng)用。內(nèi)容覆蓋了深度學(xué)習(xí)在蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、藥物靶標(biāo)預(yù)測(cè)、藥物-靶標(biāo)相互作用預(yù)測(cè)、藥物合成路線設(shè)計(jì)、從頭藥物分子設(shè)計(jì)以及藥物吸收、分布、代謝、排泄和毒性預(yù)測(cè)等領(lǐng)域中的最新代表性應(yīng)用案例。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)方法面臨的問題和可能的解決思路進(jìn)行了總結(jié)。這些新的進(jìn)展總結(jié)將有可能為深度學(xué)習(xí)輔助藥物發(fā)現(xiàn)相關(guān)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供新的借鑒與思考。

結(jié)構(gòu)多樣性化合物庫是藥物篩選的物質(zhì)基礎(chǔ)。構(gòu)建化合物庫的傳統(tǒng)方式是通過收集、合成或分離單個(gè)化合物來完成。整個(gè)過程費(fèi)錢、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。近年來，科學(xué)家通過將微量合成技術(shù)與生物活性篩選技術(shù)有機(jī)結(jié)合，極大地提升了先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的效率。山東大學(xué)展鵬教授等在《基于微量合成的藥物研究進(jìn)展》一文中，從藥物化學(xué)的角度較為全面地介紹了近年來基于微量合成的藥物發(fā)現(xiàn)最新進(jìn)展。內(nèi)容涵蓋基于多孔板微量合成的聚焦小型化合物庫構(gòu)建及其在多個(gè)生物學(xué)靶標(biāo)篩選中的應(yīng)用；基于小分子或液滴微陣列的微量化合物合成及其在藥物篩選中的實(shí)際應(yīng)用；以及基于靶標(biāo)模板誘導(dǎo)的定向合成等。這些技術(shù)的應(yīng)用和成功，為低成本快速藥物篩選提供了嶄新的思路。

SBDD在創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮極其重要的作用。然而在靶標(biāo)蛋白的配體結(jié)合口袋中普遍存在水分子介導(dǎo)的配體與蛋白的相互作用。通過自由能計(jì)算確定其中的高能態(tài)水分子，進(jìn)而利用水分子替換的策略來進(jìn)行新分子設(shè)計(jì)，有可能提高化合物親和力、選擇性，或改善藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)等。暨南大學(xué)陸小云教授等在《水分子在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》一文中，通過KRASG12C抑制劑MRTX849、酪氨酸蛋白激酶2（tyrosine kinase 2，TYK2）高選擇性抑制劑BMS-986165和泛酪氨酸蛋白激酶（pan-tyrosine kinase，pan-TRK）抑制劑研發(fā)的實(shí)際案例，系統(tǒng)介紹了水分子替換對(duì)化合物生物學(xué)活性、選擇性和藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)的影響。文章最后還概括了計(jì)算水分子位點(diǎn)性質(zhì)的相關(guān)方法及軟件，為基于水分子替換的藥物設(shè)計(jì)提供了重要的參考信息。

疾病相關(guān)蛋白的酶學(xué)催化功能小分子抑制劑是臨床藥物的重要組成部分，也是新藥研發(fā)的一個(gè)重要方向。但隨著生物學(xué)研究的不斷深入，不少酶類蛋白被發(fā)現(xiàn)除了傳統(tǒng)的催化功能之外，其支架蛋白功能、變構(gòu)調(diào)控和PPI等非催化功能在疾病的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中也發(fā)揮著重要的作用。因此，針對(duì)傳統(tǒng)靶標(biāo)的非經(jīng)典催化功能調(diào)控成為創(chuàng)新藥物研究的一個(gè)新生方向。鄭州大學(xué)余斌教授等在《靶向蛋白非催化功能的藥物開發(fā)新策略》一文中較為系統(tǒng)地介紹了利用PPI阻斷劑、變構(gòu)調(diào)控和針對(duì)蛋白非催化結(jié)構(gòu)域調(diào)控等策略來實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)蛋白非催化功能調(diào)節(jié)的新策略。這些結(jié)果為進(jìn)一步全面考察傳統(tǒng)靶標(biāo)的非經(jīng)典催化功能和小分子調(diào)控提供了嶄新的思路。

3 結(jié)語與展望

近年來，隨著生物學(xué)技術(shù)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、AI和化學(xué)合成等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，在藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域也催生了一批諸如人工智能藥學(xué)、DEL、PROTACs和基于結(jié)構(gòu)的理性藥物設(shè)計(jì)等革命性技術(shù)，極大地提高了藥物活性分子的發(fā)現(xiàn)效率。但是，藥物研發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任何一個(gè)藥物的最終成功都經(jīng)歷了多輪的“試錯(cuò)”過程。因此，先進(jìn)的藥物設(shè)計(jì)技術(shù)和策略只能為創(chuàng)新藥物的研發(fā)提供有力的工具。在實(shí)際應(yīng)用過程中，針對(duì)不同的藥物靶標(biāo)特點(diǎn)采用與其相匹配的設(shè)計(jì)策略，并在設(shè)計(jì)過程中盡可能兼顧分子的多種屬性將會(huì)在提高藥物研發(fā)成功率中起到更加關(guān)鍵的作用。