小分子，大作为——小分子创新药物发现之随想

2017-01-12 modestxie 化学加

来源|医药研发社交平台编辑|化学加

导读

新年伊始，在医药朋友圈里被雨里前辈的“小分子药物发现的新技术和新思维”【1】文章刷屏，在那句不忘初心的撩动下，我以一位一线的“实验搬砖者”的角色，写写对小分子创新药物一些体会想法，抛砖引玉，和大家多多讨论交流。

正文
创新药物研发，引用双城记里的经典句式：这是个最美好的时代，这也是个最糟糕的年代。一方面，大分子抗体药物如日中天，未来几年中，抗体药物的市场份额将达到千亿，基因治疗，细胞治疗等新技术也日新月异，雨后春笋的冒出。另一方面，小分子的创新药物研发被形容为昔日黄花。大分子药物具有靶向性强，特异性好，药效显著等众多优势，成为未来新药研发必不可少的一部分，近年来风头盖过小分子。然而大分子需要克服过膜性和口服等核心技术问题，因此目前成熟的应用，其靶点大都作用在膜蛋白上的注射给药。虽然抗体偶联药物Antibody-drug Conjugate（ADC）能够有效的解决部分问题，但在实际成功案例中也没有批量化。
在过去五年中（2011-2016），美国FDA批准了170个NME，其中65%新药都是由中小医药公司研发成功【2】。

这是一个值得深思并探讨的问题。可能是制药大佬们认为消减R&D耗费，直接收购拥有IP的小公司更为简单粗暴有效，也可能是由于大公司的官僚，政治等因素，对于研发团队的创造性和高效性造成了一定的干扰。更多的原因可能是因为研发技术瓶颈的限制。据统计，在2006-2011年期间，光在肿瘤药物靶点这块，新的靶点以每年3.3%的增长率增长【3】。然而新的药物靶点（novel targets）例如表观遗传调控因子【4】以及各类PPI界面的发现，并没有引发小分子药物的井喷。可能原因为：新靶点的可靶空间（pocket space）和现有的小分子化合物的骨架（scaffold space）重叠度太少，初期筛选的POS（possibility of success）太低。现有的化合库骨架大多靶向GPCR和激酶等，对于新型的靶向界面的可靶度不高（例如PPI界面拥有浅而宽的特征）。因此，建立一个高质量的，成药性好，骨架结构多样性化合物库很有必要。这就需要在基于靶点的药物筛选研发早期就引入药物化学，计算机辅助药物设计，化学信息学，生物化学等专业背景知识的人介入，完成“精准构建”化合物库，同时在后期可以不断修正完善成为类似已有的激酶化合物库的这种特异性化合物库。

在已有新靶点的筛选过程中，苗头化合物的验证步骤（hit validation）被忽视。由于刚才所讲的匹配度较低等原因，在高通量筛选（HTS）过程中，得到的很多苗头化合物活性非常弱或者这些苗头化合物很可能是对实验的干扰等造成假阳性。由于某些靶点或者某些化合物不适合某些assay的筛选，或者某些化合物活性较弱而无法产生表型，这给后续“hit to lead”的评估和改造造成了很大的障碍。尽管单一的化学生物学（bio-chemical）的方法在初步筛选（primary screen）中有着经济，快捷的优势，但是在后续（hit validation）过程中，需要结合更多的化学生物学以及物理生物学（bio-physical）方法进行多方面，多维度的验证，为后续的药化学家提供真的源头化合物。当然，这些验证需要涵盖对化学生物学和物理生物学等各个知识层面的理解，掌握各个assay的原理和应用，了解其优缺点，对于繁琐错乱的实验结果进行整合判断。因此，未来的创新药物研究对于一线科研人员的素质有了更高的要求，以下列举了部分筛选和验证方法：

ALPHA(Amplified Luminescent Proximity Homogeneous Assay Screen)【5】
Isotope radio assay
FP (Fluorescence Polarization)
FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer )
PTS (Protein thermal shift)
NMR (Nuclear magnetic resonance)
SPR Surface Plasmon Resonance)
MST (MicroscaleThermophoresis)
Mobility shift assay
BLI (bio-layer interferometry)
RWG (Resonance waveguide grating)
ITC (Isothermal Titration Calorimetry)
Complexcrystallization

总之，对于药化学家来说，他们迫切的需要源头化合物进行改造，这就需要提供一个真实、有效的，并且适于改造的“新”骨架的先导化合物（lead），对于药理学家来说，他们需要化学探针（chemical probe）去研究，表征靶点的功能。我们应当投入更多的精力和资源，去建立好药理和药化的桥梁。

在新药研发的过程中，需要我们从三个不同层面对MOA（mechanism of action）的理解，其中包括分子甚至原子水平（protein level），通路水平（pathway level），动物水平（in-vivo level）。众所周知的精准医疗实际就是针对不同的个体的MOA找出不同的治疗方案。举几个例子：a.激酶的耐药性，部分是由于激酶的关键氨基酸的突变造成小分子无法和关键氨基酸形成相互作用（如氢键）等，或者产生空间冲突。从而无法有效结合、抑制酶活而产生耐药性。我们生命活动一切落脚点可以归根到原子、分子水平的化学作用，如果我们能够深刻理解分子层面的作用机制，并以此设计发展出药效好，特异性好的药物，将极大提高我们精准医疗和个性化治疗的POS。b. “神药”格列卫的成功。作为第一个针对癌细胞基因突变的靶向药，目前长期疗效最好的靶向药，格列卫，使得慢粒白血病患者五年存活率从30%提高至90%【6】。Why？研究人员发现，不同于其他激酶抑制剂如EGFR，ALK，B-raf的靶向药迅速产生耐药，格列卫能够靶向激酶的同时，能够激活免疫系统对抗癌细胞。这很可能是格列卫能够成为“神药”的原因。我们对通路机制的理解，不就产生了我们现在的所熟悉的联合用药么。靶向疗法和免疫疗法结合的混合疗法，说不定对疾病的治疗打开了新的天地。C.由于体内机制的复杂性和检测技术的限制，众多药物的体内的MOA并不明确，以至于很多基于靶点的药物开发，在体内的作用机制是否是真的按照我们所以为的那样进行，或者只是比较dominant的靶向某些靶点。It is still anybody’s guess。这也是药物研发的魅力所在，像阿司匹林，二甲双胍以及蓝色小药丸等等。一个有趣的传闻是由于伟哥的选择性不够好，产生的副作用是影响视力，产生模糊感。上市时面对记者的提问，Pfizer的CEO经典回复：That’s why it works.一句玩笑话，但是作为我们新药研发者，任重而道远。

创新药物的发现，是基于新靶点，新机制，新化合物的研究，如同“小分子药物发现的新技术和新思维”文中所提，小分子药物依旧大有可为。近年来，共价抑制剂（TCI）、蛋白蛋白相互作用（PPI）、以及变构调控抑制剂（allosteric inhibitor）也逐渐走入新药研发者的视野并打开了小分子药物研发的另一扇门。对于共价化合物来说，由于其高效能，低剂量，长的作用时间【7】，作为新药研发界的泥石流，让人不得不提。由于共价修饰的存在，使得那些强亲和力的底物（如小G蛋白底物GTP）有了旗鼓相当的竞争对手。共价化合物能够行使类似体内翻译后修饰（PTM）的功能，高效低能（低能量）的调控体内靶点的生物活性。然而，在研发过程值得注意的是如何高效合理的去发现TCI以及解决TCI的特异性问题，包括位点的特异性，靶向口袋的特异性等。具体解决方案在今后文章中阐述。对于PPI和变构调空抑制剂来说，这或许是靶向药物解决特异性的一道良方，作为新药研发界的小清泉，让人眼前一亮。但是由于靶向位点和作用口袋的不稳定性，PPI界面大而薄的作用口袋，变构抑制剂由于蛋白的动态变化，口袋的形成以及SAR的研究都显的可遇不可求。这里值得一提的是，计算机辅助药物设计（CADD）会有极大的促进和推动作用。上海药物所及其合作团队，有效的利用理论预测和药物设计等方法并成功应运开发了靶向PPI界面的小分子抑制剂【8】。同时，近期诺华的研究团队成功发现靶向EED（PRC2复合物组成之一）界面的小分子抑制剂并解得晶体结构，这些成果都极大的鼓舞了该领域的研究【9】。后续值得我们努力注意或者强化的是：首先，建立并扩大靶向PPI界面或者共价结合的特异性的小分子化合物库。其次，丰富现有的筛选评估技术和手段，例如，CADD中的对接（docking）和分子动力学模拟MD（molecule dynamic）能够有效的模拟PPI或者变构口袋的形成，促进筛选和SAR的研究。同时，在实验方面，例如DNA-encoded library等技术的兴起，这种介于虚拟筛选（virtual screening）和高通量筛选（HTS）的筛选，将为新药研发带来更大的想象空间。
结语
随着我们国家对创新药物的大力投入和生命科学的发展，未来十年创新药物在我们中国必然成为下一个“风口”。对于早期创新药物的研发来讲，过度的模块化，制度化的分隔导致创造性和高效性的降低。在这个信息资讯巨大，技术更迭迅速的时代，创新药物研发对于科研工作者有着更高的要求，需要我们掌握化学，物理，生物，计算机等多学科，多方面背景知识，精通以及拔尖某一方向专业知识，紧密合作，以一种fall in love and get married with the target的奉献和投入去努力。或许，这能够解释前文提到的65%的中小公司为何有如此强大的创造力。相信不久的将来，伴随这各位医药研发者的努力，“全副武装”的迎接起风，一定能够有created in China 的first in class的“重磅炸弹”诞生。将这个小目标立起来！

参考文献：
1．  雨里：小分子药物发现的新技术和新思维 医药研发社交平台
2．  Exploring Company Contributions To The Origination Of New Medicines 2016 in Drug Discovery
3．  Outlook for the next 5 years in drug innovation，Roy Berggren etc.
4．  遗传的另一个奥秘——表观遗传学漫谈 微言创新
5．  ALPHA技术在创新药物研究中的应用药渡
6．  用靶向药最担心耐药问题，为何这个“神药”例外？ 菠萝因子
7．  共价结合药物的春天—设计与评价药议
8．蒋华良：可药性蛋白质-蛋白质相互作用界面理论预测和药物设计新方法 朵朵花开淡墨香
9．  Structure-Guided Design of EED Binders Allosterically Inhibiting the Epigenetic Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) Methyltransferase. Andreas Lingel etc.

作者简介：
Modestxie，毕业于上海药物所，基于靶点的先导化合物发现和机制研究背景。合作意向联系邮箱：modestxie@hotmail.com