GPCR领域药物研发趋势深度解析(上)
Activation of the G alpha subunit of a G-protein-coupled receptor
GPCR与药物研发
绝大多数药物靶点可归类于五大家族分子：GPCR、离子通道、激酶、核激素受体以及蛋白酶类。长久以来，GPCR一直是最让人感兴趣的药物靶点，不仅调节着类别众多的生理学过程，还具有很多位于细胞表面的可成药位点。据统计，在目前全球治疗性药物市场中，靶向GPCR的药物占比高达27%；该类别药物在2011-2015年间销售额约8900亿美元。GPCR也是人体中最大的膜蛋白家族，总共约有800个成员(其中约有400种为嗅觉受体分子，本文不做讨论)；根据不同的分类标准，GPCR超家族可被分为多个亚类型，并且配体具有很高的多样性，如离子、小分子信号分子、脂类、多肽以及蛋白等。
伴随着受体药理学的最新进展、结构生物学所取得的突破以及生物技术领域的创新，GPCR领域的药物发现也出现了很多新趋势、新动向。不同于直接作用于内源性配体的结合位点，通过别构位点来对GPCR活性进行调节，可以改变受体的结构、动力学参数及功能，从而实现潜在的治疗应用领域的优势，如提高药物在空间及时间角度的选择性。另外，科研界对GPCR激活机理的认识也在深入，如“偏好性激活“概念的出现，某些物质可以偏好性的激活所需要的胞内信号通路，而将对其他信号通路激活所造成的副作用降至最低。尽管目前靶向于GPCR家族的药物大部分是在没有高分辨率晶体结构基础上所开发出的，但44种单独受体以及205种配体-受体复合物晶体结构的解析，为基于结构的药物开发及理性设计奠定了良好的基础。在所有的非嗅觉受体类GPCR分子中，有130种(占比33%)为多肽或蛋白分子的受体，有望成为生物药开发的潜在靶点；而伴随着蛋白-蛋白相互作用研究技术的进步，以及特异性抗体及衍生物分子技术的提高，更多的受体有望成为药物靶点。
本文即对所有的已上市GPCR药物及处于临床试验阶段的药物进行了深入分析，从而揭示出靶向GPCR药物领域在分子类型、药物靶点以及适应症方向的新趋势；同时对该领域的生物制剂、变构调节剂、老药新用开发、偏好性信号传导相关的GPCR结构数据及配体进行了分析。同时我们还列出了最有可能上市的药物列表，并对GPCR家族中药物学尚未开始探索的靶点及相关联疾病进行了评估，以期抛砖引玉。
靶向GPCR的已上市及在研药物
靶向GPCR药物分子统计
目前所有美国获批上市药物可在FDA数据库中查询；进入临床研究阶段的药物信息可在NIH中的ClinicalTrials.gov中进行查询，该网站覆盖了全球超过256000项临床研究；另外还有些商业化的数据库，如CenterWatch’s Drugs的临床研究数据库包含了超过4000类处于临床Ⅰ期至Ⅳ期的化合物。但上述数据库无一是从临床研究的药物靶点视角来进行汇总整理，对药物靶点的理解需要结合其他一些公共开放型数据库资源的信息，如Drugbank、Pharos、OpenTargets以及研究文献和制药公司所公开批露的药物相关信息。
表1. New molecular entities acting via GPCRs approved by the FDA since 2014
通过对上述信息资源的整理，我们最终确定了475种靶向于GPCR分子的已上市药物，在所有FDA批准药物中占比约为34%，同之前他人报道较为一致。近些年GPCR药物研发领域进展迅速。在过去的5年里，FDA批准了69种靶向于GPCR分子的新型药物分子上市，其中2014年之后的获批药物总结如表1。最近获批的靶向于GPCR分子的药物为abaloparatide，是一种甲状旁腺激素相关蛋白[PTHrP(1-34)]类似物，能与甲状旁腺受体1结合，从而起到调节代谢，促进骨骼形成的作用；其用于治疗用于患有骨质疏松症风险的绝经后女性。另外有321类分子处于不同的临床研究阶段，令人感兴趣的是，其中有60种(占比68%)所作用的GPCR靶点之前尚未有药物获得批准上市。
Fig 1. GPCR drug targets.(http://www.gpcrdb.org/drugs/drugmapping)
Fig 2. Major GPCR families that are established drug targets and targets of agents in clinical trials
为便于了解作用于GPCR的已上市及在研药物靶点分布，我们以GPCR超家族树的形式进行展示，并对已知GPCR靶点占比进行了比较，如图1、图2所示。475种已上市GPCR药物通过作用于108种分子而发挥功效，在所有人类非嗅觉GPCR分子中占比高达27%。其中Aminergic Receptors所有成员均有对应药物获批上市，药物总数为314。现有药物靶点所对应的不同药物数平均值为10.3，据此推断靶点空间应用已接近饱和，因而确定新的成药性受体靶点用于药物开发迫在眉睫。新靶点的确认和开发尤其适用于具有大量未满足的医疗需求的疾病以及目前很少可行靶点的适应症，如阿尔茨海默病等。
靶向GPCR药物的研发成功率
根据FDA近期的报道，所有靶点家族的候选药物进入临床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期后的成功率分别为70%、33%以及25-30%。此处对成功率的定义为候选药物能够成功的进入至少一个后续的临床研究阶段，而药物被报道研究终止、撤回或某阶段之前完成但从未有进展均定义为失败案例。据此标准对2013-2017年间(截至2017年7月)靶向GPCR的候选药物进行分析，会发现进入临床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期后的成功率分别为78%、39%以及29%，略高于所有在研药物的统计数据。两类数据分析均展现出一种清晰的趋势，那就是越处于晚期的临床研究，失败率越高。最近的一个案例为小分子药物fasiglifam，该药物为一种游离脂肪酸受体FFA1激动剂(又名GPR40)，在三期临床研究中对糖尿病疗效显著，但因为肝脏毒性而使得项目被迫中止。
多肽及蛋白类配体的受体靶点
根据分析，我们确认了66种处于临床试验中的潜力新型GPCR靶点，即尚未有已获批药物作用的靶点分子。这其中有37类是由多肽或蛋白分子激活的GPCR，部分展示于表2中，包括用于治疗偏头疼的降钙素基因相关肽受体、用于治疗癫痫的GPR55受体以及用于治疗心血管疾病的Apelin受体。此外，趋化因子受体包含22种临床在研药物，用于癌症、哮喘、风湿性关节炎、慢性阻塞性肺病(COPD)以及HIV等适应症的治疗。胰高血糖素受体家族的六个成员也是治疗2型糖尿病新策略的焦点。值得注意的是，虽然这些靶点的配体为天然的多肽或蛋白分子，从GPCR超家族家族分类角度看跨度很广泛，从另一个角度反映了新型药物研发策略，如生物制剂等的快速发展。
表2. New GPCR target families and late-stage targets for agents currently in clinical trials
进入临床阶段的孤儿受体靶点
孤儿受体(orphan receptor)是指一些与其它已确认的受体结构上明显相似，但其内源配体还未发现的受体。目前临床研究中出现了几类孤儿受体靶点，如用于治疗糖尿病的GPR119、用于胃肠道疾病治疗的LGR4和LGR5、用于治疗过敏性炎症的GPR35、用于抗痉挛的GPR55、用于治疗血小板减少症的MAS及用于治疗溃疡性结肠炎的GPR84等。这表明尽管孤儿受体对应的内源配体或信号通路尚不明晰，但对受体的药物研发过程仍然可以开展并向前推进。孤儿受体及对应的药物进入临床研究阶段具有重要意义，表明在配体及其他信息缺失的情况下，动物实验、其他临床前研究及疾病相关性研究的数据足够推动该类别药物开展后续的研究开发工作。药物研发历程同基础研究总是相辅相成，可以遇见随着候选药物临床试验的推进乃至最终获批上市，更多有关孤儿受体的信息也将逐步展示给人类。
药物类型及作用机制新趋势
早期临床阶段中靶向GPCR的生物制剂比重在增大
生物制剂类药物，如单克隆抗体等是当前行之有效的治疗方法，在FDA 2014-2016年间批准上市的新药中占比约为27-33%。生物制剂主要靶向于蛋白类分子，如细胞因子及其受体，目前尚未有靶向于GPCR的单抗类药物获得FDA批准上市，详细研发现状参见笔者之前文章《靶向GPCR的单抗类药物研发现状》。目前由16类靶向GPCR的单抗类药物处于临床研究中，该类别药物在各类别疾病治疗中具有非常大的潜力，包括癌症、炎症性紊乱、神经系统及代谢性疾病等。例如，针对GPCR受体开发的单克隆抗体类药物为慢性偏头疼的治疗提供了一种新的方法。GPCR受体特异性的单抗药物erenumab可阻止GPCR配体的结合，目前基于三期临床试验的阳性数据已提交给FDA评估；而其他三类靶向于配体分子的单抗类药物也已进入后期临床研发阶段。
有几类靶向于GLP1受体的多肽类药物已获批用于2型糖尿病的治疗，包括exenatide、liraglutide、lixisenatide、albiglutide及dulaglutide等；而作用于其他GPCR靶点的多肽类药物则正处于不同研发阶段。例如，bremelanotide是一种非选择性的黑皮质素受体激动剂，目前已成功完成了女性性功能障碍的两个III期临床试验，新药申请(NDA)预计将于2018提交FDA批准。Setmelanotide是另一种黑皮质素受体激动剂，选择性的作用于MC4受体，在二期临床试验中对罕见遗传性肥胖症的治疗取得可喜成果，目前正在三期临床研发阶段。而一类合成的人血管紧张素Ⅱ多肽LJPC-501则在具有儿茶酚胺耐药性的血管扩张性休克患者中取得了积极的临床三期数据，NDA预计将在2017年末提交。
Fig 3. Trends in agent molecule types for GPCR-targeted agents
总的来说，有早期迹象表明，小分子外的其他类型的靶向于GPCR分子的药物已成为越来越受欢迎的类型，如多肽类、单抗类及其他重组蛋白类药物在一期临床中所占的份额高于后期临床阶段，如图3所示。
更多的变构调节剂出现在早期临床研究中
变构调节剂提供了一个有吸引力的新作用机制：远程调节在生理配体结合部位诱导的活性。这种方式有自身独特的优势，如对靶点更高的选择性(或许通过结合在具有相同内源性受体家族的某一相对保守性弱的位点)，时间选择性(作用时机同内源性配体的释放相关联)，优势还可通过偏好性信号传导实现功能选择性，如FFA1受体功能所示。目前已获批的变构调节剂类药物包括cinacalcet，一类钙离子感应受体阳性调节剂用于甲状旁腺功能亢进的治疗；以及maraviroc，一类趋化因子受体CCR5的负调节剂用于阻止HIV进入细胞的过程。变构调节也被建议作为多肽激素B类受体的一个可行的选择，当靶向于正构位点时，效应尚不可控。
Fig 4. Trends in modes of action for GPCR-targeted agents
目前变构调节剂数据库收集了27769个靶向GPCR分子的变构调节剂，其中一些正向及负向调节剂也分别处于I期和II期临床试验中，如上图所示。有迹象表明，在临床一期研究阶段中，激动剂可能更为普遍，而拮抗剂相对少一些。有趣的是，目前有几个变构调节剂正在同正构位点的配体开展联合用药临床研究，用于中枢神经系统疾病的治疗效果评估。
更专注于靶点选择性而非广谱性
Fig 3. Trends in target selectivity or polypharmacology for GPCR-targeted agents
很多药物通过作用于多种靶点而发挥治疗功效，这称之为“多重药理学”。不同于前人文献将获批药物及靶点进行一对一的匹配，我们的分析包含了所有的初级和次级作用靶点，包括处于临床研究阶段的一些化合物。令人感兴趣的是，我们发现在较早期阶段的临床研究中，药物选择性有一种逐步提高的趋势，也即多重药理性药物比重的降低，如上图所示。
多重药理学并非没有前途，在已知靶点药物开发中仍具有巨大潜力。以多巴胺能系统为例，针对多巴胺和5-羟色胺受体展现出多重药理活性的药物包括haloperidol、amoxapine及asenapine等。Amitriptyline，一种三环类抗抑郁药物，对毒蕈碱和组胺H1受体也具有很高的亲和力。此外，用于膀胱功能障碍的抗毒蕈碱药物也是一类能够无选择性的作用于五种人类受体的药物，尽管最初的靶点被认为是毒蕈碱乙酰胆碱M2和M3受体。
(未完待续)
参考文献：
1.Recentadvances in drug discovery of GPCR allosteric modulators for neurodegenerativedisorders.Curr Opin Pharmacol. 2017 Feb;32:91-95. doi:10.1016/j.coph.2017.01.001
2.Opportunitiesand challenges in the discovery of allosteric modulators of GPCRs for treatingCNS disorders Nat Rev Drug Discov. 2014 13(9): 692–708. doi:10.1038/nrd4308
3.Trends inGPCR drug discovery: new agents, targets and indications.Nat Rev Drug Discov.2017 Oct 27. doi: 10.1038/nrd.2017.178.
4.https://en.wikipedia.org/wiki/G_protein-coupled_receptor
5.StructuralBasis for G Protein-Coupled Receptor Activation. Biochemistry. 2017 Oct24;56(42):5628-5634. doi: 10.1021/acs.biochem.7b00747.
6.GPCRs:Emerging anti-cancer drug targets. Cell Signal. 2017 Sep 18. pii:S0898-6568(17)30239-5. doi: 10.1016/j.cellsig.2017.09.005.
7.http://www.gpcrdb.org/
8.药渡数据。
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