新型药物模态：共价生物制剂
所谓共价药物，指的是药物配体上存在亲电基团（通常被称作warhead，弹头），与受体上的亲核基团发生共价反应，产生较为稳固的共价键型配体-受体加合物。
这个过程既可以是可逆的，也可以是不可逆的。比如阿司匹林，它的乙酰水杨酸结构中的乙酰基团可以与受体丝氨酸蛋白酶中的丝氨酸侧链羟基发生共价反应，产生的乙酰基丝氨酸导致了蛋白酶活性的丧失。
共价药物的主要优点在于它的起效快和剂量低。除此之外，很多受体由于不具备良好的口袋结合域，而被认作undruggable（不可成药）。在这种情况下，很难通过合理的非共价结合来靶向这种不可成药的受体。但共价药物的出现，为这些不可成药受体参与的致病过程提供了解决的曙光。
图1显示了共价药物的发展历程，从1899年开始使用的抗炎药阿司匹林，到2019年批准的镰状细胞并疗法Voxelotor，共价药物在进入新世纪后实现了快速发展，尤其是一干tinib酪氨酸激酶抑制剂抗肿瘤药物，其特征性的丙烯酰胺等亲电弹头结构表明了它们的共价药物身份（图2）。
随着小分子共价药物发展壮大的，是多肽类共价药物。以Covid-19药物Paxlovid中的活性成分nirmatrelvir为代表。nirmatrelvir靶向3C样蛋白酶（3C-like protease，3CLPRO，亦称Mpro），这个蛋白酶对于裂解SARS-CoV-2病毒的刺突S糖蛋白起关键作用。抑制了Mpro蛋白酶的生理功能，就有可能阻断病毒感染健康细胞的途径。Nirmatrelvir上的亲电弹头氰基，可以与Mpro蛋白酶上的Cys145残基侧链的巯基作用，形成thioimidate（硫代亚胺酸酯），从而完成共价键的形成并抑制Mpro蛋白酶的生物活性（图3）。
多肽共价药物还包括丙肝疗法特拉匹韦（telaprevir）、波西普韦（Boceprevir）和Narlaprevir等（图4）。
对于分子量相对较小的蛋白质药物（普通抗体的十分之一），它们会较快通过肾脏被清除。对于开发这样的蛋白质药物疗法，共价生物制剂是一种潜在有效的途径。共价生物制剂的设计不仅充分利用了抗体等药物通常具有的选择性和特异性，而且还充分规避了小型生物制剂的致命弱点，即高清除率。
尽管抗体在治疗实体瘤方面取得了巨大成功，但它们由于所谓的屏障效应而难以穿透实体瘤。实体肿瘤通常具有致密且复杂的细胞外基质（ECM），这是一种由蛋白质和其他分子组成的网络，为细胞提供结构支持。这种致密的ECM会物理上阻碍抗体在肿瘤组织中的移动。这意味着抗体可能难以渗透到肿瘤部位，它们倾向于与更靠近表面的受体结合。
除此之外，肿瘤内部的血管通常结构异常，功能也不正常。这些异常的血管会导致血流不畅，并增加肿瘤内部的间质压力，使得抗体难以顺利到达肿瘤深处。针对这种挑战，研究人员选择较小的蛋白质生物制剂，可以更有效地递送到目标细胞。
Enlaza希望利用其War-Lock技术将共价因素引入生物制剂。以更安全、更耐受、可以更频繁地用药且剂量更低的下一代蛋白质疗法形象出现。War-Lock技术将具有扩展化学功能的非天然氨基酸融入蛋白质药物中，使药物与其靶点之间形成共价键。这些专有的氨基酸残基可以整合到任何蛋白质形式中，而不会影响所需靶标的治疗特异性。
共价生物制剂在循环中不结合时靶标时，它是暂时惰性的。只有在特定靶标参与时，化学反应才会被激活，从而在药物和靶标之间形成共价键。Enlaza为其肿瘤候选药物生成了临床前数据。有效的肿瘤渗透、快速的系统清除、高结合率和低脱靶成为了这些共价生物制剂的背书。Enlaza目前已经开发了一系列共价蛋白药物。除了针对肿瘤学之外，Enlaza 还希望进军自身免疫疾病领域。
共价生物制剂可以通过抑制细胞外配体和受体之间的蛋白质-蛋白质相互作用来抑制病原体对细胞的感染并破坏各种信号传导。例如有几种适体靶向检查点蛋白，将共价弹头引入这些适体中可能会产生相应的共价生物药物，这些药物可以干扰癌细胞用来逃避免疫系统清除的免疫检查点机制。这种共价生物药物比传统的抗体小得多，可能能够更好地浸润实体癌，而实体癌对单抗类型的检查点抑制剂疗法反应较差。
除了检查点蛋白外，许多在病理上起到关键作用的分子一直是传统单抗疗法的靶标，而许多这些靶标都有相应适体。这些适体尚未应用于转化医学，因为它们在体内易于被核酸酶消化以及快速被肾脏清除，但可以通过引入共价弹头的方式将其转换为有效的共价生物制剂。
单抗疗法对许多医学领域产生了巨大影响，尤其是肿瘤学领域。对于抗体药物的改进可以升级此类药物在肿瘤学疗法开发中的地位和作用，同时规避抗体药物的一些内在缺陷（尤其是分子体量造成的问题）。共价生物制剂由于其对目标靶标的高特异性和亲和力，具有替代抗体药物，包括新型的ADC药物的潜力。
然而由于可能产生长期和不可逆的副作用，此类模态的药物尚未被广泛接受，目前没有任何一款共价生物制剂药物上市。但由于多点分子识别机制，共价生物药物可以严格结合靶蛋白，并改善小分子共价药物的缺陷。可逆共价生物药物，尤其是适体类药物，应该可以最大程度地减轻不可逆共价键合造成的潜在不良反应。
此外，共价生物药物可以像抗体一样提高体内半衰期，这是通过共价结合靶蛋白以及对核酸酶/蛋白酶更高的稳定性所决定的。相信在不久的将来，共价生物药物会作为一种全新的药物模态出现在医药领域，提供与抗体，ADC和其它生物制剂正交的功效，就像替尼布类共价小分子肿瘤药物一样，将生物制剂的功效在原有的基础之上实现升级。
目前，共价生物制剂领域正迎来前所未有的发展机遇。Enlaza Therapeutics等创新型企业纷纷获得大额融资，推动共价药物技术的研发和临床应用。未来，随着共价药物技术的不断成熟和完善，我们有理由相信，这类药物将在更多领域发挥重要作用。
参考文献
Enlaza Nets $100M to Advance Covalent Biologics Platform. Inside Precision Medicine. 01. 05. 2024.
Peter, R. M. Covalent biologics: a new class of drugs on the horizon. Labiotech. 30. 05. 2024.
Yang, J. et al. bioTCIs: Middle-to-Macro Biomolecular Targeted Covalent Inhibitors Possessing Both Semi-Permanent Drug Action and Stringent Target Specificity as Potential Antibody Replacements. nt. J. Mol. Sci. 2023, 24(4), 3525; https://doi.org/10.3390/ijms24043525
专栏作者
哥哈骎
南开大学本科、硕士，德国比勒菲尔德大学博士。多肽化学、多肽API GMP生产专家、欧洲制药公司首席科学家；
拥有Lean Six Sigma黑带认证；
著有专著《Side Reactions in Peptide Synthesis》。