产业生鲜丨基于PROTAC技术的新药开发
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传统的小分子药物研发大部分是通过以下步骤完成的。首先找到影响疾病进展的蛋白质靶点，并通过高通量筛选找到针对这个靶点的苗头化合物。然后再通过很多轮的分子设计、合成、测试找到一个高活性的可以调节这个靶蛋白活性的化合物，同时进行PK/PD的优化以及动物毒性检测等，最终确定一个候选化合物分子。再通过临床I、II、III期试验，获得监管部门批准而成为一个药物。
这个研发过程在过去几十年里成功的给我们带来了很多小分子药物，也是大部分药企现在还在使用的药物研发方式。但是并非每一个可以影响疾病进展的蛋白都可以用小分子来调节其活性。如果一个蛋白没有固定的构象或者适宜的与活性相关的结合位点，就没有小分子可以通过与之结合而调节其活性，这种蛋白被称之为不可成药的靶点。在自然界中只有百分之十五到二十的蛋白靶点是可以成药的，而其余数以万计的蛋白靶点需要用其他方式来针对。
在过去的几十年中，科学家们也一直在寻找可以针对这些不可成药的靶点的方式。DNA编辑技术例如CRISPR-Cas 9可以在源头上修补有缺陷的蛋白；RNAi技术可以调节目标蛋白的生物合成，这些技术在一定程度上是可以应用于那些不可成药的蛋白靶点。而利用小分子来控制蛋白的合成和降解，从而使那些不可成药的靶点变成可以成药的靶点，也一直是药物化学家们努力的方向。靶向蛋白降解嵌合体（Proteolysis Targeting Chimera, PROTAC）就是一项在过去几年中很受药物化学领域和资本市场青睐的新技术。
细胞调节其内部蛋白质浓度的一种重要方法是通过泛素酶/蛋白酶体系统（Ubiquitin/Proteasome system，UPS）。这个系统通过一个复杂的蛋白质体系将泛素酶连接在需要降解的目标蛋白上，然后蛋白酶体通过识别泛素酶来找到目标蛋白并降解目标蛋白。这其中关键的步骤是泛素酶从E3连接酶转移到目标蛋白这一步，而这个转移所发生的前提是E3连接酶和目标蛋白在空间上足够接近（图1）。
利用UPS系统来降解目标蛋白的小分子药物已经有上市的了。虽然这些药物的并不是基于UPS系统来设计的，但是在上市之后的机理研究中发现它们是通过促进UPS系统来降解目标蛋白而起作用的。抗乳腺癌的氟维司群（Fulvestrant）和骨髓瘤的度胺类（Pomalidomideetc.）药物就是其中的典型代表。这也从侧面证明了利用小分子促进UPS系统靶向降解目标蛋白是可行的，可以成药的。
从头开始设计可利用UPS系统来降解目标蛋白的小分子药物是基于以下假设：如果一个小分子可以同时与E3连接酶和目标蛋白结合，从而将这两个蛋白在空间上拉到一起，泛素酶的转移就会自动发生，从而进一步引发目标蛋白的降解。基于这种假设，PROTAC技术就诞生了（图2）。
PROTAC分子可以分为三个部分。第一部分是目标蛋白的结合体；第二部分是E3连接酶的结合体；中间有一个连接体把第一部分和第二部分连在一起。它的作用机理非常简单，就是首先把目标蛋白和E3连接酶连在一起。这个三元复合物形成以后，泛素酶就会自动转移到目标蛋白上，然后蛋白酶体通过识别目标蛋白上的泛素酶来靶向降解目标蛋白。
基于这种设计而合成的第一个PROTAC分子（图3）是利用了一个E3连接酶的天然底物的一部分肽链为E3连接酶结合体，虽然这个分子是不可能成药，但接下来的研究证明这个分子可以在体外选择性的泛素化/快速降解目标蛋白，从而证明了PRORAC技术的可行性。这是一个里程碑的工作。第一款全小分子PROTAC是一个雌激素受体降解剂（图4），它可以选择性的降解细胞内的雌激素受体，从而证明了PROTAC技术药物研发上的可行性。
自从这些早期的学术界的工作发表以后，PROTAC技术受到越来越多的关注。尤其是最近几年，随着很多新的E3连接酶结合体的发表，人们有越来越多的E3连接酶结合体可供选择以设计新的PROTAC分子。在各大药企布局PROTAC技术为基础的项目的同时，基于PROTAC技术的创新药企业也像雨后春笋一样出现，并得到资本市场的大力支持。
目前走在最前面的是一个是位于美国康州的创新药公司Arvinas，其全球领先的小分子PROTAC正在美国进行临床一期试验。目前已经发表的数据显示，这是一款口服的雄激素受体降解剂，体内的安全性已经得到证实，并在部分患者中显示出一定的疗效。
从理论上来讲，PROTAC技术有以下几个优点：
第一，PROTAC分子有催化降解功能。与每一个小分子抑制剂只能作用一个蛋白分子不同，每个PROTAC分子可以降解很多个蛋白分子，所以很低的剂量就可以有很好的药效。而且只要细胞内还存有少量的PROTAC分子，药效就可以得以保持。
第二，不需要作用于蛋白的活性位点以抑制其活性，只需与靶蛋白有一定的结合率就可以，所以可以选择的靶蛋白结合体会多一些，有可能作用于一些传统意义上的不可成药的靶点。
第三，因为PROTAC通过降解目标蛋白起作用，当小分子的耐药性是因为细胞合成了更多的靶蛋白引起的情况下，PROTAC可以克服此类小分子药物耐药性的问题。总而言之， PROTAC技术结合了小分子化药，大分子生物药物以及RNAi分子的优点，有可能成为产生下一批重磅药物的关键技术。
PROTAC的技术发展到今天，虽然显示出很大的潜力，但也存在很多问题：
第一，虽然在体外实验和动物试验都显示PROTAC可以降解靶蛋白，但是目前报道的大部分PROTAC都是利用靶蛋白的抑制剂作为它的目标蛋白结合体，所以在临床中所显示的药效也有可能来自于PROTAC对于把蛋白的抑制作用。PROTAC分子的药效是来自于对靶蛋白的降解还是来自于对靶蛋白的抑制，需要在今后的临床研究中确定。
第二，PROTAC的作用是基于靶蛋白、PROTAC分子和E3连接酶三元复合体的形成。PROTAC分子太多或者太少都不利于这种三元复合体的形成，所以临床所使用的PROTAC的剂量研究也会更加困难一些。
第三，细胞中蛋白质的浓度是动态的，靶蛋白在被降解的同时，也在被合成。只有在PROTAC降解蛋白的速度快于细胞合成蛋白的速度的情况下，PROTAC才能显示药效，这也需要在临床中证明。
第四，PROTAC技术只能用于降解靶蛋白，而不能增加靶蛋白。所以一些需要激动剂来产生药效的靶点是不能用PROTAC技术的。
最后，虽然从理论上来说，PROTAC可以作用于不可成药的靶点，但是目前所报道的和正在研究中的PROTAC分子基本上都是作用于已知的可成药的靶点。也许这是因为要利用现成的靶蛋白抑制剂做为PROTAC分子中靶蛋白的结合体，但这也造成了PROTAC分子在临床上需要和其他小分子抑制剂竞争的局面。而PROTAC分子更加复杂、合成更加困难、生物利用度更低等问题造成了PROTAC分子与小分子抑制剂竞争没有太大优势。
我们希望在不远的将来，人们可以将PROTAC技术真正用于那些不可成药的靶点。从而最大限度的发挥PROTAC技术的优势。总而言之，PROTAC作为药物研发的一个前沿技术正在飞速发展之中，也显示了很大的潜力。但它的发展结果还有待观察，其作用也需要在临床中证明。我们期望在不远的将来基于PROTAC技术的小分子药物能证明其安全有效，获批上市而造福广大患者。
本文来源：同写意