多靶点多重药理活性助力药物研发

从20世纪80年代进入现代药物发现开始，药物研发模式体现了“一个靶标，一种疾病，一个药物”的策略，即集中于寻找疾病过程中某一特定步骤或某个蛋白靶点的高特异性作用药物。然而近30年的实践证明，高选择性候选药物临床试验成功上市的比例反而下降，同时，制药企业也撤回了大量的药物。究其原因，大都由于药物具有不利的多重药理作用，也就是药物分子或其代谢产物会对非治疗作用的靶点产生作用而导致不良反应。例如：减肥药芬氟拉明的大量使用会导致心脏瓣膜损害和肺动脉高压，这主要是因为芬氟拉明的代谢产物是5-羟色胺2B受体的激动剂。因此，在新药研发过程中，为了评价候选药物的安全性，候选药物都会经过数十个安全性相关靶点的筛选实验。

近年来研究人员发现，相对于单一靶点药物，具有多重药理作用的药物对复杂疾病会有更好的疗效。多重药理作用的药物能够同时作用于疾病网络中的多个靶点，对各靶点产生协同作用，达到的总效应大于各单效应之和，使其具有最佳的治疗效果。例如：具有双重抗肿瘤作用的激酶抑制剂索拉菲尼既可以阻断由RAF/MEK/ERK介导的细胞信号传导通路，达到直接抑制肿瘤细胞增殖的目的，同时，还可以作用于血管内皮细胞生长因子受体( VEGFR) ，切断肿瘤细胞的营养供应，抑制新生血管的形成。

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多靶点药物分子设计

目前为止，药效团连接法是多靶点药物分子设计的主要方法之一，即将已知的药效团组合成为单一化合物，然后通过化学合成将不同的药效团连接起来形成多靶点药物分子。由于药效团连接法所选择的药效团分子一般缺少共性，所以设计得到的化合物各自保留原来分子的全部或部分结构特征。例如，将吲哚类3-哌啶烷基取代的5-HT选择性重摄取抑制剂(SSRI)和芳氧乙胺类5-HT1A受体拮抗剂通过羧酸酯键连接，得到的化合物对5-HT重摄取转运蛋白和5-HT1A受体均具有良好的抑制作用(图3)。体外活性测定结果表明，该化合物对5-HT重摄取转运蛋白和5-HT1A受体的Ki值分别为0.5nmol/L和27nmol/L。体内测定结果表明，该化合物进入体内后，羧酸酯键连接链被体内的酯酶水解生成两个独立的药物分子，分别作用于5-HT重摄取转运蛋白和5-HT1A受体。

另外一种多靶点药物分子的设计方法是将不同药物分子中相同或相似的药效团部分叠加，从而得到具有整合所有药效团的新药物分子。一般来说，选择的叠加部位是具有疏水性或者碱性的环状结构。例如：Yamamoto发现基质金属蛋白酶-1(MMP-1)抑制剂和组织蛋白酶L (cathepsinL)抑制剂都具有相同的苯丙氨酸药效团部位，从而认为该区域是较好的叠加部位，故保留此药效团部位，将两种抑制剂的其他功能基团整合，得到的单一药物分子具有基质金属蛋白酶-1和组织蛋白酶L双重抑制作用。体外活性测定结果表明，该化合物对基质金属蛋白酶-1和组织蛋白酶L的IC50值都为25nmol/L。

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多靶点药物分子筛选

当某个靶点没有选择性配体或者作用于该靶点的配体没有明确的构效关系时，通过多个靶点高通量筛选得到先导化合物是获得多靶点药物的重要途径。例如，同时具有5-HT重摄取转运蛋白抑制作用和5-HT1A受体拮抗作用的药物分子对抑郁症的治疗有很好的效果。因此，葛兰素史克制药公司的研究团队首先从大量化合物库中筛选出具有5-HT1A受体拮抗作用的化合物，将这些化合物归属在一个化合物库中，然后对该化合物库进行5-HT重摄取转运蛋白抑制作用的筛选，最后筛选出一个同时具有5-HT重摄取转运蛋白抑制作用和5-HT1A受体拮抗作用的抑制剂——盐酸帕罗西汀。此外，如果一个化合物药理作用已知，那么筛选该化合物其他可能的靶点也是多靶点药物分子开发的重要策略。

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表型筛选(phenotypic screening)

表型筛选是一种基于细胞或者生物体水平来评估化合物生物活性的筛选方法，在20世纪80年代之前已广泛使用，被称为“经典药物发现”(classic drug discovery)方法。回顾性分析发现，20世纪70年代，FDA批准的许多药物都没有明确的靶点或者清楚的作用机制。这种现象并不奇怪，因为这些药物都是通过表型筛选方法发现的，在明确的机制或靶点确证之前就被药物监管机构所批准。阿司匹林的发现就是一个最为著名的例子，上市近100年之后其作用机制和靶点才得以确证。另外，抑郁症、精神分裂症等一些中枢神经系统(CNS)多基因性疾病通过表型筛选发现的药物往往具有很好的疗效。例如，氯氮平治疗精神分裂症迄今已有50年的历史，然而，氯氮平由于能够与多个靶点相互作用曾一度被称作“非选择性药物”(dirty drug)。对新药研发人员来说，由于非选择性药物可作用于疾病网络的多个靶点，或对各靶点的作用产生协同效应，因此能够达到比单靶点药物更好的治疗效果。

近30年发展起来的DNA重组技术从根本上颠覆了表型筛选这种经典药物发现方法。然而，近两年通过表型筛选方法批准的药物数量逐年增加，已超过通过分子靶点筛选方法批准的数量。这个奇怪的现象引起了制药行业和学术机构对于表型筛选的重新重视，并希望通过表型筛选的方法提高药物开发的成功率。目前，药物研发机构所使用的表型筛选方法类似于经典药物发现方法，一种为基于动物的表型筛选(如新杆状线虫、斑马鱼、黑腹果蝇等动物的高通量筛选)；另一种为基于细胞的表型筛选(如细胞活性筛选、细胞信号通路筛选以及疾病相关的细胞表型筛选等)。随着科学技术的创新与发展，表型筛选方法也取得了巨大的进步，并且得到了广泛应用，继而被称为“新经典药物发现”(neoclassicdrug discovery)方法。

表型筛选同样是多靶点药物开发的常用策略，基于表型的分析既可以保证筛选的高效性，同时又可以检测与疾病相关的分子信号通路，提高发现潜在协同作用的可能性，从而发现多靶点作用的药物分子。例如：研究人员首先利用转化重排原癌基因(RET)激酶过表达果蝇癌症模型筛选出一种非选择性RET激酶抑制剂，这种抑制剂可以使果蝇的存活期从幼虫延长至成虫。然后，研究人员在RET激酶抑制剂存在的条件下进行了激酶组学分析，结果显示，除了抑制RET激酶可以延长存活期以外，抑制丝裂原活化蛋白激酶调节酶(Raf)和肉瘤基因(Src)激酶也可以延长果蝇存活期，然而，抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激酶就会产生毒副作用。基于以上研究结果，研究人员对之前筛选出的非选择性RET激酶抑制剂进行结构改造，得到的化合物对果蝇模型具有较高的活性和耐受性。此外，对人类肿瘤细胞株抑制活性要高于治疗甲状腺癌的药物凡德他尼500倍，对于小鼠模型的活性和耐受性同样高于凡德他尼。

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老药新用

近年来，多重药理学的发展使得老药新用越来越受到制药企业的关注。由于已上市药物的药动学以及安全性资料较为详尽，所以可以大幅度地缩短开发周期，降低风险并提高成功率。例如，Macor发现5-HT3受体拮抗剂托烷司琼对α7-烟碱乙酰胆碱受体(α7-nAChR)同样具有较高的抑制活性。Mehrabi通过上市药物筛选发现，抗炎药环氧化酶2(COX-2)抑制剂塞来昔布对碳酸酐酶Ⅱ (hCAⅡ)和碳酸酐酶Ⅸ (hCAⅨ)有选择性的双重抑制作用。此外，FDA在过去几十年时间内正式批准的老药新用例子也有很多。例如，常规消炎镇痛药阿司匹林批准用于稀释血液、防止血栓形成和降低脑卒中发生率的治疗；治疗肺炎的甲氧卞氧嘧啶批准用于艾滋病的治疗；终止妊娠的药物米非司酮(mifepristone)获准用于重症精神病性抑郁症的治疗。

随着对各种疾病研究的不断深入以及药物研发相关技术(如大数据库、各类生命科学组学等)的快速发展，使多重药理学在药物设计以及研发中的更多应用成为可能，多重药理药物发现已成为药物研发的主要方向之一。当然，必须以平衡的观点去看待药物多重药理作用的利弊。在安全性方面，需要尽可能的在研发早期利用多重药理学的方法发现并避免安全隐患；在药效学方面，需要利用多重药理学针对复杂性疾病的作用机制设计多靶点药物，获取最佳治疗效果。多重药理学是现代生物医药研究的一种全新理念和模式，对提高新药研发的效率、满足疾病治疗中未被满足的需求将产生深刻的影响。

参考资料

Network pharmacology：the next paradigm in drugdiscovery

Multitarget therapeutics：when the whole is greaterthan the sum of the parts

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