药时代访谈 | 不可成药靶点如何破局？专访Tavotek首席科学官Mark Chiu 博士

作者：郭劲松博士（药时代创始人）

正文共： 5944字 8图

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开发针对“不可成药靶点”的新药是生命科学最为核心的研发方向之一，一旦攻克了这个科技壁垒，无数现阶段无药可治的疾病患者将有望沐浴被治愈的健康曙光。因此，全球卓越的科学家们纷纷致力于攻克这些“不可成药靶点”。2020年岁尾的一个中午，我有机会在上海和其中的一位卓越科学家，Dr. Mark Chiu（邱远浩博士），就这一话题促膝长谈，请他分享自己对这一领域深刻的见解，希望帮助中国新药研发行业更加深入地理解“不可成药靶点”这一重要难题。

邱博士在生物制药领域深耕细作近三十年，其大名与多款明星级重磅药物密不可分。

强生的全球同类第一重磅药物Amivantamab（EGFR x cMet双特异抗体）刚于今年3月获得美国FDA突破性疗法认证，12月完成的一期临床数据分析展示出特别好的疗效，强生决定立即向FDA申报BLA审批。这打破了众多新药研发的记录。这款明星药物的背后是执行力强大的强生研发团队，邱博士便是多位功臣之一。除此之外，这位默默耕耘的研发科学家还一手创造过多款强生和雅培的明星级重磅大药。

带着数十年深厚的积累和功力及自我挑战的勇气，邱博士离开了强生，加盟Tavotek（拓创生物科技公司），全身心投入到这家新锐生物科技公司的朝阳事业之中。11月，作为首席科学官的邱博士从Tavotek公司在美国宾州的实验室举家搬到公司在中国苏州新设立的全球研发总部，我们也因此有缘相识。

本文作者与邱博士合影

室外阳光明媚，室内一场“药味”十足的交谈在轻松愉悦的氛围中徐徐展开。谈起自己喜爱而且专长的领域和事业，邱博士面带微笑，如数家珍，娓娓道来。

1什么叫做“不可成药”靶点？为何它们如此重要？

在回答这个问题前，我们先需要思考一下，为何人类目前还不能治愈所有疾病？

首先，弄清楚各种疾病背后复杂的生理学原理的来龙去脉，本来就是一件异常困难的事。接下来，发现并制造出安全有效的药物则更是难上加难。即使当代基因测序的成本已经降得很低而且测序速度越来越快，我们前行的道路依然困难重重。即使我们知道某一种疾病的遗传基因，或了解某种疾病的成因路径，这并不意味着我们就一定能开发出相应的疗法。蛋白质是大多数生物赖以生存活动的主要物质，而蛋白质间有着直接相互作用的复杂网络，被称为“Interactome”(交互体)，它与生物系统和疾病状态的发展直接相关。攻克药物研发难关的其中一个主要策略，就在于如何调节这些交互体间的互动路径。

当前大多数药物可被分为两大类，即小分子药物和大分子药物。通常，体量小于100个原子的化学药物被称为小分子药物，而大于这个体量的则被称为大分子药物，如多肽、抗体、核酸和疫苗等。这些药物的主要作用机制在于调节各种靶点，例如疏水性口袋（Hydrophobic Pockets）、位于细胞表面或被分泌于细胞外面的作用靶点。然而，现有约80％的潜在蛋白质靶点并不具备以上提及的这几种特性，所以它们依然无法成药。能直接调控两种蛋白质间相互作用（被称为Protein-Protein Interaction，PPI）的药物，在近代药物研发中依然是一个难以攻破的痛点。

大多数成功的药物案例都是靶向于细胞膜受体、激酶、或其它与配体结合的酶。这些靶点一般都有与配体明确结合的口袋，这使得靶向药物能像天然配体那样容易被结合。然而，当科学家们被要求去设计新的蛋白抑制剂以对付缺乏明显互动位点的新靶点时，他们大多一筹莫展，没法把它们开发成药。目前生命科学中最有挑战性的问题之一，就是如何利用已有的技术去挑战这些困难靶点。据估计，多达70-80％的蛋白质靶点到目前还是不能成药的，这甚至包括一些已经在人体或动物体内被验证过的靶点。这类不可成药靶点所带来的主要挑战就是如何开发出具有高选择性和有效性的药物来调控这些靶点的蛋白质间相互作用（PPI）。

2您多次提到了PPI，能否更详细地讲解它们的重要性？

大多数的细胞活动，比如细胞成长、维持和增长，都会涉及到PPI。因此，理解PPI是区别正常细胞与病态细胞生理活动的关键步骤。PPI作用时的界面区域面积可达1000-6000Ų。尽管药理作用与蛋白表面面积没有绝对的相关性，能够调节多个蛋白上的热点（Hotspots）对获得所需的特异性和药物效力至关重要。一般来说，只有300-600Ų表面面积的小分子药物，对能获得结合特异性蛋白来说实在太小；一般最少要800-1200Ų表面识别面积（例如单抗）才足够调控PPI。

大多数调控细胞新陈代谢的PPI都是细胞里面的蛋白质。因此，靶向PPI的药物必须能在细胞内具有活性。此外，大多数这类蛋白质具有众多的亚基，需要辅助蛋白（Accessory Proteins）才能发挥其全部功能。所以其复杂之处在于，当科学家们尝试在体外纯化这些蛋白来设计新药时，它们往往因为缺乏这些体内的辅助蛋白而变得形状怪异，这使得制造调控PPI的药物（尤其是小分子药物）变得非常困难。

3您能否给出1-2个PPI靶点的范例，来解释开发调控PPI新药的价值何在？

当然可以。

两个球状蛋白间的PPI（例如IL-2和IL-2受体间的相互作用）就是一个开发任务艰巨的靶点。这两种蛋白质之间的结合能导致免疫反应的激活，从而监控癌细胞的形成和病毒感染。与其他PPI相比，这两种蛋白间的相互作用表面更为平坦，因此不适合开发小分子药物来调控。

另外，几乎所有药物研发科学家的科研生涯规划清单上，都普遍会出现一个靶点，它就是被称为cMyc的转录因子。在肿瘤中，该蛋白质的开关被卡在了“开启”的位置上，从而使它与其他激酶结合，促进了许多肿瘤基因的上调。如果一种药物能够控制cMyc的开关，将会使cMyc所导致的肿瘤受到控制。实际上，科学界已经投入了大量的努力，以开发针对c-Myc和Max30之间相互作用的抑制剂。但c-Myc与Max的复杂结构由四个螺旋束组成，其中每个单体形成两个由一环相隔开的α螺旋。然而，两种蛋白质在彼此不结合的时候本质上都是无序的。基于这一形状进行的药物研发的难度会非常大，因为单个蛋白的潜在结合点很难定义。一些科学家也评估过，可能使用多肽来增加潜在的表面面积，从而抑制相应的PPI作用。

c-MYC与MAX靶点间的复杂互动

4为了应对PPI的挑战，科学家们都曾做过哪些努力和尝试？

如果PPI蛋白上相互作用的热点（Hotspots）刚好紧密聚集在一起，使用小分子药物进行PPI干预或会更容易成功。然而，若PPI蛋白与apo、多肽或者抑制剂结合所产生的复合物使蛋白结构发生明显变化时，科学家们要对药物的特异性和有效性进行鉴别就会变得非常不容易了。当靶向PPI时，常规的高通量筛选（HTS）面临若干挑战，即命中率低、结合物效力差和众多假阳性。

近年来，基于碎片的药物发现（Fragment-Based Drug Discovery, FBDD）正趋于流行。但是，为了能让FBDD找到更多绑定PPI蛋白上热点的片段，通常只有在筛选通量、误报率以及蛋白结构信息上做出折衷。此外，为了增加特异性和药效，FBDD亦必须建立热点以外的结合位置。可是，如果结合面表面相对平坦且无任何特点，这会变得非常艰巨。此外，这还需小分子药物具有传统空间以外的特性，这使得能找到具有良好药代动力和生理特性的化学药物异常困难。

另一个选项则是在PPI蛋白上找到隐藏的“变构位点”（Allosteric Sites）。然而，这些变构位点即使在最好的晶体显微镜上亦很难分辨。虽然有些计算机模型或可帮助预测PPI蛋白上能够结合小分子药物的“动态口袋”（Dynamic Pocket），然而，在溶液中的大分子蛋白通常是非常动态的。不同蛋白结构的出现会导致不同的生物功能，因而计算机模型能成功的机会也不是很大。

5如果这些过去的尝试失败了，还有其他的选择吗？比如PROTAC与多肽？

PROTAC的出现是靶向不可成药靶点的一个重要进展。PROTAC是双功能小分子，同时与靶蛋白和E3泛素连接酶结合，从而导致靶蛋白降解。无论蛋白本身的功能如何，PROTAC都能降解它们，这正是其极具吸引力之处。PROTAC的工作原理不是关闭一个错误的蛋白质，而是完全去除它们。

尽管PROTAC技术很有前景，但它对E3连接酶和”蛋白酶体”（Proteasome）途径的依赖可能限制了其在某些细胞类型或部分具有蛋白酶体抗性的蛋白中的应用。近日，有科学家正在测试”溶酶体”（Lysosome）降解途径的效果，而溶酶体降解途径是独立于蛋白酶体的另一降解方向。“细胞表面溶酶体靶向受体“（Cell-Surface Lysosome-Targeting Receptors，LTRs）家族能够促进蛋白质向溶酶体的转运，这已被公开报道过。因此，这种被称为LYTAC的新技术能够让嵌合分子结合细胞表面的LTR和细胞外的蛋白，从而导致它们向靶细胞内化和被溶酶体降解。一般而言，LYTAC更适合细胞膜相关或细胞外分泌蛋白的去除。

在过去的两年里，几乎每一家大型制药公司和众多生物技术公司都在致力于开发蛋白降解技术。目前，蛋白质降解已经超出了PROTAC和LYTACs的范畴，已包括了一些更新的技术，例如dTAGs、Trim-Away和Chaperone-Mediated Autophagy Targeting等。此外，还有招募IAP连接酶进行靶向降解的Specific and Non-genetic Inhibitor of apoptosis Protein-dependent protein ERasers (SNIPERs)技术。与PROTAC泛素连接酶的嵌合分子不同，SNIPERs可以诱导IAP（如cIAP1和XIAP）与靶点蛋白同时降解。因为癌细胞常常过度表达IAP分子，因此SNIPER可有效杀死癌细胞，甚至减小其耐药性。

6您也提到了细胞内多环肽MIP，为什么它们重要？您在研究它们时，积累了什么样的经验？

虽然有些抗体被设计用来调节PPI，但由于抗体或抗体片段的细胞摄入效率低，且在细胞质环境内不够稳定，因而它们针对细胞内靶点的使用受到限制。此外，抗体也有其它缺点，例如生物组织渗透性低、生产成本高、以及潜在的免疫原性等。这些挑战为开发结构更稳定、分子量较低（主要在40-100个氨基酸）的非免疫球蛋白（non-Ig）提供了机会，例如Affibodies, Affimers, DARPins, Affilins, Knottins和Adnectins等。

随着对小型生物制剂的殷切需求，无支架环肽和多环肽得到了迅速发展。由于容易设计和可使用二硫键桥，单环肽现已迅速发展成为众多蛋白质的亲和力试剂。然而，因为它们能够与靶蛋白实现更高程度的3D形状结合，多环肽通常比单环肽对靶蛋白表达的特异性和结合亲和力都更高。此外，多环肽因在结构上更具优势，通常比单环肽更难被蛋白酶分解而丧失效力。

细胞内多环肽（Multicyclic Intracellular Peptide，MIP）是Tavotek公司的独特平台技术。这种新药分子具有多种特性：归巢到疾病组织、细胞渗透、靶向结合、以及靶蛋白分解。归巢功能可使药物在疾病微环境中有更高的浓度；细胞渗透功能则增加药物输送到细胞内进行PPI靶点结合。多个环肽的结合则可加强特异性与疗效。靶向蛋白分解的功能则可有效地去除突变的细胞内蛋白。Tavotek还使用TavoSelect这一噬菌体展示库来筛选最适合的MIP。

7MIP和PROTAC的优缺点各是什么？您可否给我们讲解一下？

目前大部分的抗癌药物都靶向于细胞外面的靶点。如果要从内部来消灭癌细胞，药物的体积必须小到足以进入细胞。然而，普通的小分子药物却又不能牢固地结合表面平滑的PPI蛋白。因此，需要一种新的药物，它必须小到能进入细胞，又大到足以抓住细胞内的异常蛋白。Tavotek的MIP正好可以填补这个空白，因为它们足够小，可以进入细胞内；但其设计又足够精细，可以与通常情况下结合困难的PPI靶点相结合来去除它们。

PROTAC和MIP都专注于降解细胞内的蛋白。然而，PROTAC需要有清晰的蛋白结构信息才可获得足够的分子结合选择性。PROTAC药物进入细胞也主要依赖于小分子扩散和转运的机制。此外，PROTAC的靶点还受限于只能被“蛋白酶体”消除的蛋白。相对而言，MIP利用TavoSelect噬菌体展示库来筛选最适合的蛋白结合点，所以它们并不需要清晰的目标蛋白结构信息。而且，MIP还拥有包括归巢、细胞渗透和蛋白溶解激活的多种功能，这使得MIP成为另一个针对不可成药靶点的更新的选择。

8后 记

邱博士独到的洞见是基于他在生物制药领域近三十年的精耕熟作，相当具有参考价值。

听完了邱博士对不可成药靶点深入浅出的分析，我感受到了这位在蛋白质领域孜孜不倦奋斗的卓越科学家的扎实功底。多年来，不可成药靶点一直困扰着科学家们，成为抗癌药物研发路上的一座难以跨越的喜马拉雅。不过，过去几年来，基础科研持续推动着药物的转化和临床开发，PROTAC、LYTAC、MIP等新技术的出现为这一领域带来了更多的曙光。虽然这些新技术还处于研发阶段，随着科研人员的不断努力，未来必然会有更多新药问世。MIP作为能够扩大可降解蛋白的新有效工具，前景着实令人非常期待。

我们也翘首期盼，Tavotek公司的MIP迎来瓜熟蒂落的一天，将这些“不可成药”的靶点，一一变为“可成新药”的靶点，让更多的病患重拾健康和幸福！

参考文献

• Sammak S, Hamdani N, Gorrec F, et al.  Crystal Structures and Nuclear Magnetic Resonance Studies of the Apo Form of the c‑MYC:MAX bHLHZip Complex Reveal a Helical Basic Region in the Absence of DNA.  BIOCHEMISTRY 2019; 58:3144-3154.

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