更快更牢更強：革命性的共價鍵藥物

       對于遏制在疾病形成中起關(guān)鍵介導作用的蛋白，藥學家通常采用的手段是，合成一個藥物分子，通過非共價結(jié)合的方式“綁定“它，使其發(fā)生空間結(jié)構(gòu)或者其它方面的變化而喪失病理學上的功能，從而實現(xiàn)治愈疾病的最終目的。

       然而，設計合適的藥物分子抑制劑并不是一件一蹴而就的事情，通常的非共價結(jié)合，包括氫鍵、離子鍵、偶極-偶極作用（范德華力），疏水作用，芳香環(huán)作用等（圖1），并不能一勞永逸地鎖住蛋白。原因是：吸附-解吸附是一個動態(tài)平衡的過程，結(jié)合在蛋白上的藥物分子會被其它分子取代而被釋放，從而失去對目標蛋白致病機制的限制。

       圖1. 常見的分子間非共價作用

       （圖片來源：Chemical Reviews）

       基于以上考慮，藥學家們采用了更強效的藥物分子設計理念——共價鍵藥物。顧名思義，共價鍵藥物與常規(guī)非共價鍵藥物的區(qū)別在于：共價鍵藥物通過形成與特定的蛋白之間更為牢固的共價鍵而使其失去致病功能。

       共價鍵是兩原子之間通過平均共用電子（相對平均，共用電子對可以偏向電負性更強的原子，從而產(chǎn)生鍵的極性，但共價還是共價）而產(chǎn)生的新化學鍵。雖然共價鍵的形成與裂解也是一個平衡過程，但相對于非共價鍵來說，一旦產(chǎn)生新的共價鍵，體系中的低能量是不足以將其裂解的，因而可以相對穩(wěn)定地存在。

       共價鍵藥物與蛋白產(chǎn)生的加合物可以在一定程度上被視為一種不可逆的過程。一旦形成，該蛋白介導的致病過程將被切斷，致病過程被終結(jié)，直到機體再次生成介導疾病的蛋白，但這通常需要幾天的過程。

       因此，共價鍵藥物相對于非共價鍵結(jié)合的藥物而言，可以產(chǎn)生更長的藥效時間，而且所需劑量更低。基于這些優(yōu)勢，共價鍵藥物近年來逐漸成為了制藥公司的關(guān)注對象。這一點，單從近些年該類藥物的專利與文獻數(shù)量增長便可略知一二（圖2）。

       圖2. 共價鍵抑制劑專利與文獻數(shù)量變化圖 （數(shù)據(jù)來源：CAS）

       共價鍵藥物其實并非新興藥物，只是這種理念直到最近20年才被制藥行業(yè)加以重視并利用。

       人們熟知的阿司匹林就屬于共價鍵藥物，它的乙酰基在體內(nèi)與受體酶上的絲氨酸反應，使得絲氨酸被乙?；?，并使該酶失去催化導致炎癥和凝血分子形成的功能（圖3）。因而阿司匹林在那個時代被視為消炎、解熱和抑制血栓形成（從而預防心肌梗死，中風以及心絞痛）的神藥。其本質(zhì)的作用機理都是由于乙酰轉(zhuǎn)移的反應。

       圖3. 阿司匹林消炎、抗凝血背后的共價鍵抑制酶功能的機理

       盡管與受體產(chǎn)生共價鍵的藥物，在現(xiàn)代藥物產(chǎn)業(yè)起源時便已存在，但專屬性地研究這類藥物卻是在一個相對較近的時間范圍內(nèi)。在過去的二十年間，在諸如靶向抗癌藥依魯替尼（共價鍵結(jié)合并抑制BTK布魯頓酪氨酸激酶）等藥物成功案例的基礎上，共價鍵藥物得到了快速的發(fā)展。

       圖4展示了藥物發(fā)展歷史長河中著名的共價鍵藥物。其中紅色的官能團/化學結(jié)構(gòu)為藥物中的活性基團，負責與受體蛋白形成共價鍵結(jié)合而抑制其致病機理。有些人可能會產(chǎn)生這樣的疑問：為什么這個藥物中會含有高活性的邁克爾加成反應的親電受體？為什么會有乙氧基這樣的高活性結(jié)構(gòu)？為什么會有醛基？它們不會影響藥物的穩(wěn)定性嗎？實際上，這些看上去不怎么穩(wěn)定的藥物，可能其治病機理正是通過這些活性官能團與受體蛋白之間形成共價鍵而實現(xiàn)的。

       圖4. 共價鍵藥物發(fā)展歷史圖

       雖然共價鍵藥物有著藥效時間長和劑量低的優(yōu)勢，但人們?nèi)匀粨倪@些活性物質(zhì)會無差別地與體內(nèi)蛋白結(jié)合而引發(fā)種種意料不到的副作用，與此同時，這些藥物可能引發(fā)的免疫響應也是他們關(guān)注的內(nèi)容。因此安全性便成為了共價鍵藥物設計和研發(fā)過程的重中之重。

       在共價鍵藥物發(fā)展的歷史上，依魯替尼被視為具有里程碑意義的上市藥物。依魯替尼以 Imbruvica 的名稱銷售，它通過共價反應抑制布魯頓酪氨酸激酶 (BTK)，這是一種在某些癌細胞中具有活性的酶 （圖5）。依魯替尼最初是在 2005 年由Celera Genomics 設計的，作為研究 BTK 生物學的工具（可見一開始，依魯替尼并沒有被認真地作為先導藥物對待）。Celera 于 2006 年將該化合物作為一攬子交易的一部分出售給 Pharmacyclics，后者才將該分子用于臨床開發(fā)。

       圖5. 共價鍵抑制劑依魯替尼抑制BTK (布魯頓酪氨酸激酶) 示意圖

       由于依魯替尼一開始被許多制藥業(yè)從業(yè)者忽視，因此它的成功更在行業(yè)內(nèi)引發(fā)了思維方式的革命。許多人單從其化學結(jié)構(gòu)便認定依魯替尼的選擇性將會很低，但FDA在 2013 年批準了該化合物用于治療細胞淋巴瘤，現(xiàn)在它也用于治療其他五種癌癥。這導致人們不得不反省他們當初的判斷。

       依魯替尼另一個引人關(guān)注的地方在于它創(chuàng)造了極大的利潤。它的成功促使艾伯維在 2015 年為 Pharmacyclics 支付了 210 億美元。依魯替尼被某些行業(yè)內(nèi)部人士認為是第一個真正驗證共價抑制劑價值的神奇分子。

       共價鍵藥物分子設計在最近20年也悄然發(fā)生變化。在21世紀的最初10年，制藥公司在研發(fā)共價鍵藥物中采用最多的手段是：在非共價鍵藥物的框架上增添可以與受體蛋白反應的活性官能團，比如丙烯酰胺或者氯乙酰胺。盡管這種手段目前還未完全退出歷史舞臺，但藥物分子設計者已經(jīng)不必依靠可逆的非共價鍵藥的物改性來發(fā)明新的共價鍵藥物。他們可以通過活性片段的數(shù)據(jù)庫來篩選受體結(jié)合有效的對象，并以此為基礎設計出共價鍵抑制劑，與那些沒有分子結(jié)合口袋的受體反應，而這些受體在傳統(tǒng)上被視為藥物設計的巨大挑戰(zhàn)，比如KRAS G12C。

       KRAS 是一種參與細胞分裂和增殖的信號傳導過程的關(guān)鍵蛋白。但 KRAS 及其家族成員（其突變體存在于 30% 的癌癥中）卻沒有明顯的口袋結(jié)合部位，藥物開發(fā)人員花了幾十年的時間也沒有能夠設計出一個滿意的非共價結(jié)合分子。

       2013 年，由加州大學舊金山分校的 Kevan Shokat 領(lǐng)導的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了KRAS的突變體 KRAS G12C，該蛋白質(zhì)序列上的第12個氨基酸殘基由甘氨酸變?yōu)榱税腚装彼?。Shokat 發(fā)現(xiàn) KRAS G12C中的半胱氨酸側(cè)鏈的巰基可以成為藥物共價結(jié)合的靶點。因為這種甘氨酸突變?yōu)榘腚装彼岬那闆r只發(fā)生在癌細胞上，因此小分子共價鍵藥物只會特異性地與KRAS G12C作用而不影響常規(guī)的KRAS蛋白。

       在 KRAS G12C 的情況中，藥物分子上的丙烯酰胺親電基團與半胱氨酸的巰基發(fā)生邁克爾加反應。但特殊的是，這個反應似乎利用了蛋白質(zhì)上半胱氨酸附近的賴氨酸的催化。因為當?shù)?3位殘基的甘氨酸（第13位置的氨基酸恰好也是甘氨酸）替換為半胱氨酸后，所得到的KRAS G13C變異體對同一丙烯酰胺藥物分子沒有活性，這或許是Lys的Neigh-bor effect在起作用。在這些數(shù)據(jù)的鼓舞下，癌細胞中KRAS G12C蛋白上的第12位半胱氨酸成為了藥物研發(fā)的關(guān)注點，引發(fā)了共價鍵藥物的研究熱潮。

       進入臨床階段的KRAS G12C共價抑制劑分子與其受體蛋白之間并沒有像傳統(tǒng)藥物那樣的強非共價結(jié)合力，但當它們結(jié)合在一起時，藥物分子上的活性基團迅速與KRAS G12C的Cys12反應。比如Mirati Therapeutics 的臨床藥物MRTX849 (Adagrasib)（圖6）。

       圖6. 藥物分子MRTX849 (Adagrasib) 上的丙烯酰胺基團（左圖紅色部分）與KRAS G12C蛋白的Cys12 (右側(cè)蛋白晶體結(jié)構(gòu)上的黃色部分為Cys上的硫原子) 共價結(jié)合后的晶體圖。（圖片來源：Journal of Medicinal Chemistry）

       丙烯酰胺基團是共價鍵藥物常利用的親電結(jié)構(gòu)，從業(yè)者對其在藥物研發(fā)領(lǐng)域內(nèi)的特性也研究最透徹。依魯替尼，上面提到的MRTX849 (Adagrasib), 以及去年上市的治療KRAS G12C突變晚期或轉(zhuǎn)移性非小細胞肺癌的藥物Sotorasib (索托拉西布)的分子中都無一例外地包含了丙烯酰胺結(jié)構(gòu)。

       也有一些上市的共價鍵藥物沒有利用丙烯酰胺結(jié)構(gòu)，例如萬珂，它依靠的自己的硼酸基團與受體蛋白上的蘇氨酸之間的反應（圖4）。還有抗生素藥物磷霉素，它介導的是乙氧基與半胱氨酸的反應（圖4）。

       在蛋白受體方面，研究范圍最深， 利用程度最廣的氨基酸當屬半胱氨酸。很多上市的共價鍵藥物，都是利用藥物分子的親電基團與蛋白受體的半胱氨酸的巰基之間反應。去質(zhì)子的巰基具有很高的親核性，可以與藥物分子上的親電基團，諸如丙烯酰胺，發(fā)生很快的反應，因此最受藥物研發(fā)者的青睞。常見的共價鍵藥物的親電基團，以及它們對應的受體蛋白質(zhì)上氨基酸，系統(tǒng)地顯示在圖7中。

       圖7. 共價鍵藥物親電基團與受體蛋白氨基酸對應物（圖片來源：ChemBioChem）

       方興未艾的共價鍵藥物雖然在短時間內(nèi)無法成為藥物發(fā)展的主流，但它的蓬勃興起為制藥產(chǎn)業(yè)提供給了新的強力工具。表1 總結(jié)了2010-2019年間FDA批準上市的共價鍵藥物，表2則部分顯示了目前處于臨床階段的共價藥物?？梢韵胂?，隨著藥物設計的不斷發(fā)展，共價鍵類藥物如果能在安全性和特異性方面取得突破，必將對制藥業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。

       表1. FDA在2011-2019年間批準的共價鍵藥物 （數(shù)據(jù)來源：RSC Medicinal Chemistry）

       參考文獻：

       [1]Jay B. Fell, et al. Identification of the Clinical Development Candidate MRTX849, a Covalent KRASG12C Inhibitor for the Treatment of Cancer. J. Med. Chem. 2020, 63, 6679–6693.

       [2]Samuel E. Dalton, Sebastien Campos. Covalent Small Molecules as Enabling Platforms for Drug Discovery. ChemBioChem, 2020, 21, 1080 –1100.