兩次獲得諾獎的“釣魚男孩”，如何從數(shù)十億分子中“釣出”新藥？

       1946年夏天，美國馬納斯寬河畔。

       5歲的巴里·夏普萊斯，高興地向大家展示自己人生中釣到的第一條大魚。

       那時候，他的夢想是可以擁有自己的漁船，出海釣上一條稀世罕見的腔棘魚。

       他一定沒想到，日后雖然沒有實(shí)現(xiàn)做漁夫的夢想，卻從數(shù)十億分子中，“釣出”了新藥這條“大魚”。

       時間來到2022年10月，81歲的巴里·夏普萊斯，與其他兩位科學(xué)家，獲得了2022年諾貝爾化學(xué)獎，以表彰他們在發(fā)展點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)方面的貢獻(xiàn)。

       這已經(jīng)是他第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎。

       那么，點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)研究為何能獲得諾獎？點(diǎn)擊化學(xué)如何助力DNA編碼化合庫（DEL），改變藥物研發(fā)？

       DNA編碼化合庫起源

       30年前，由Scripps研究所的化學(xué)家勒納（Richard Lerner）和同事、2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的獲得者希布倫納提出的DNA Encoded Library（DEL，DNA編碼化合庫）概念受到了高度關(guān)注。

       勒納回憶說，他和希布倫納在討論化學(xué)和生物學(xué)之間的區(qū)別時，提出了這個概念。

       藥物和天然產(chǎn)物等小分子與生物分子的不同之處，在于它們不以代碼的形式攜帶信息。

       “小分子不會告訴你他們是誰，其次，他們不會復(fù)制。”

       小分子可以通過在化學(xué)合成的每個步驟后將一段DNA連在基團(tuán)上，從而賦予每個分子可復(fù)制的身份。

       直到20世紀(jì)90年代末，科學(xué)家還設(shè)想了一些替代的編碼策略。

       但DNA的選擇性擴(kuò)增能力，極大地促進(jìn)了DNA編碼化合庫的篩選。

       因此，在2000年代初，DNA組合化學(xué)經(jīng)歷了一次復(fù)興，分叉出幾個獨(dú)立的平臺。

       比如能夠進(jìn)行分子進(jìn)化的DEL平臺，得益于使用商業(yè)可購買的試劑，能夠直接生成大量化合庫。

       比如在2017年，丹麥生物制藥公司Nuevolution宣布它已經(jīng)創(chuàng)建了一個包含40萬億個獨(dú)特分子的庫——這很可能是世界上最大的合成化合物集合。

       DNA編碼庫讓研究人員可以在一個簡單的實(shí)驗(yàn)中篩選數(shù)百萬、數(shù)十億甚至數(shù)萬億種化合物，這要?dú)w功于一個DNA標(biāo)簽，該標(biāo)簽對庫中每個組件的制作方式進(jìn)行了編碼。

       圖1 在一個2毫升試管中建造含有40億DNA編碼化合物的示意圖

       圖源：C&CN雜志

       哈佛大學(xué)和Broad研究所劉如謙教授（David Liu）開發(fā)的DNA模板合成平臺(DTS)可以編程有機(jī)小分子和聚合物的化學(xué)反應(yīng)。

       通過這個平臺發(fā)現(xiàn)了幾個具有生物活性的合成小分子家族，例如與癌癥有關(guān)的激酶抑制劑和糖尿病相關(guān)的胰島素降解酶(IDE)抑制劑。

       順便一提，劉教授最近還開發(fā)了一種全新的精準(zhǔn)基因編輯工具：

       先導(dǎo)編輯（Prime Editor，PE）自然雜志評論這一技術(shù)是“超精確的新型基因編輯工具”，科學(xué)雜志評論它是“超越CRISPR”的重大突破。有機(jī)會下次再聊。

       言歸正傳，篩選DNA編碼化合庫涉及將藥物靶標(biāo)暴露于該化合物分子庫。

       不結(jié)合的分子被沖走，而那些結(jié)合的小分子被放大和測序。

       圖2 使用DEL平臺篩選藥物的示意圖

       圖源：改編自ChemMedChem論文

       勒納說：“天文數(shù)字的化合物一直是有機(jī)化學(xué)中識別身份的老大難問題。”

       但通過DNA編碼技術(shù)，科學(xué)家們可以獲取大量分子，并為每個分子賦予一個攜帶信息的識別標(biāo)記。

       點(diǎn)擊化學(xué)助力DNA

       編碼庫突破技術(shù)痛點(diǎn)

       點(diǎn)擊化學(xué)，是夏普萊斯1999命名的一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，可用于快速有效地進(jìn)行分子實(shí)體的共價結(jié)合，通過簡單高效的幾個化學(xué)反應(yīng)快速建立新的化學(xué)空間。

       疊氮化物和炔烴基團(tuán)可以很容易地引入生物相關(guān)的有機(jī)結(jié)構(gòu)支架中。

       這些基團(tuán)對其他生物底物（如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸）的大多數(shù)功能部分沒有影響，因此可以認(rèn)為是生物正交相容的。

       然而，四十多年來，疊氮化物和炔烴反應(yīng)的應(yīng)用受到高溫、耗時長和特異性差等限制發(fā)展緩慢。

       兩度獲得諾獎的夏普萊斯教授通過引入銅作為催化劑解決了這些限制。

       “點(diǎn)擊化學(xué)”操作簡單、易模塊化并且生物相容性良好，迅速引起了大家對疊氮化物-炔烴環(huán)加成（AAC）在DNA編碼庫合成領(lǐng)域應(yīng)用的興趣。

       因?yàn)榀B氮化物和炔烴基團(tuán)易于修飾和生物相容的優(yōu)點(diǎn)，相對于以前使用的酶促技術(shù)，可以更高效地對DNA進(jìn)行標(biāo)記、連接和環(huán)化。

       圖3 點(diǎn)擊反應(yīng)滿足了DNA編碼庫（DEL）所需的關(guān)鍵：容易制造但結(jié)構(gòu)多樣

       圖源：文獻(xiàn)整理

       成功案例

       葛蘭素史克公司將其化合物GSK2982772（源自DNA編碼化合庫）推進(jìn)到銀屑病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和潰瘍性結(jié)腸炎患者的二期臨床試驗(yàn)。

       GSK2982772抑制RIP1激酶，這是一種與炎癥有關(guān)的酶。

       為了開發(fā)RIP1激酶抑制劑，葛蘭素史克的科學(xué)家們首先篩選了該公司的一組已知激酶抑制劑，但他們雖然找到了如圖所示的許多II型（DFG-out）抑制劑。

       由于高親脂性、低溶解度和一系列脫靶活性,不適合繼續(xù)研發(fā)。

       接著，使用隨機(jī)篩選的方法篩出GSK963，但不適合口服。

       于是，GSK公司采用的最后一種方法是針對其內(nèi)部的含有77億化合物的DNA編碼庫篩選RIPK1抑制劑，結(jié)果找到了苗頭化合物GSK481，接著通過傳統(tǒng)藥物化學(xué)方法，最終將GSK481的異惡唑換成了三唑，得到了臨床候選藥物GSK2982772。

       GSK團(tuán)隊(duì)隨后的研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的化合物GSK2982772，對所有339種測試激酶的選擇性超過一萬倍。

       圖4 GSK篩選出的化合物結(jié)構(gòu)及簡介

       圖源：文獻(xiàn)整理

       圖5（左）GSK2982772以類似激酶抑制劑III型的方式與ATP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，占據(jù)變構(gòu)口袋，同時不與RIPK1的鉸鏈區(qū)相互作用。

       （右）GSK2982772對RIPK1具有極強(qiáng)的選擇性，在10 uM濃度抑制劑測試中對任何其他激酶的抑制小于50%。

       圖源：論文整理

       DEL面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

       據(jù)估算傳統(tǒng)合成100萬個化合物的高通量篩選化合庫的成本在24億到180億人民幣之間，大約每個化合物6,600元。

       另一方面，一個包含8億種化合物的DNA編碼化合庫的成本約為70萬人民幣——每個化合物約0.0012元。

       這使得DNA編碼化合庫成為小公司、初創(chuàng)藥企或大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個很好的起點(diǎn)，他們還沒有大量的高通量篩選庫可供使用。

       但即使有成本節(jié)約和化學(xué)空間的大規(guī)模擴(kuò)展，該技術(shù)并不是萬金油。

       該技術(shù)還是對現(xiàn)有方法的補(bǔ)充，它并不比高通量篩選好，只是一種不同的方式。

       理想情況下，新藥開發(fā)團(tuán)隊(duì)會想要兩者都做。

       盡管DNA編碼化合庫具有革命性的地位，但它們并非沒有挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)家經(jīng)常想知道附著在化合物上的巨大的DNA條形碼是否會干擾它與靶標(biāo)的結(jié)合方式。

       另一個限制是，任何用于構(gòu)建DNA編碼化合庫的化學(xué)物質(zhì)都必須能夠耐受水，因?yàn)镈NA需要水溶液。

       反應(yīng)條件還必須保持DNA完整，受損的DNA無法擴(kuò)增或測序。DEL發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，當(dāng)古利耶夫（Alex Haahr Gouliev）2000年剛創(chuàng)辦Nuevolution公司時，制藥公司和風(fēng)險投資家會告訴他，合成這么大的庫沒有意義。

       投資人問：“你不知道組合化學(xué)已經(jīng)失敗了嗎？而且小分子連接著DNA會極大地限制你的化學(xué)反應(yīng)，以至于你無法制造出我們感興趣的分子。”

       的確，由于90年代組合化學(xué)的失敗，許多人對DNA編碼化合庫持懷疑態(tài)度。

       而克服懷疑的最好方法是用事實(shí)，過去十年的成果再加上相關(guān)技術(shù)的突破，DEL平臺有了也迎來飛速發(fā)展。

       下面就簡單介紹一下企業(yè)布局的情況。

       國內(nèi)外企業(yè)布局

       2017年，安進(jìn)和丹麥Nuevolution簽署了一項(xiàng)合作協(xié)議，前者使用后者的DNA編碼庫來搜索針對腫瘤學(xué)和神經(jīng)科學(xué)中多個靶點(diǎn)的候選藥物。

       GlaxoSmithKline是DNA編碼文庫技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，與Warp Drive Bio建立了合作伙伴關(guān)系，以創(chuàng)建一個針對以前被認(rèn)為是“無藥可救”的目標(biāo)的文庫（聽上去很像PROTAC）。

       專注于DNA編碼文庫的成都先導(dǎo)已與強(qiáng)生公司、默克公司、輝瑞公司建立合作伙伴關(guān)系，就在最近成都先導(dǎo)與丹麥和韓國背景的國際藥企Contera宣布達(dá)成針針對罕見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新藥研發(fā)（CP-301）戰(zhàn)略合作。

       成都先導(dǎo)是DNA編碼化合庫（DEL）技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者之一，據(jù)官網(wǎng)報道目前已有4個項(xiàng)目獲得臨床試驗(yàn)批件并進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

       另一家專門研究DNA編碼文庫的公司X-Chem Pharmaceuticals宣布將與Vertex Pharmaceuticals合作。

       諾華宣布使用DEL技術(shù)將其化合物收集量從300萬個增加到3億個。2018年藥明就推出了WuXi DEL和技術(shù)平臺，用來篩選小分子苗頭化合物。

       隨后藥明聯(lián)合哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、牛津大學(xué)、Scripps研究所、Salk研究所等頂 尖學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)共同發(fā)起DELopen平臺，面向?qū)W術(shù)界免費(fèi)提供一定數(shù)量的DEL化合庫，而學(xué)術(shù)界將尋找潛在的成藥靶點(diǎn)，共同快速有效地找到有成藥潛力的化合物。

       小結(jié)

       盡管存在這些挑戰(zhàn)，DNA編碼化合庫在藥物發(fā)現(xiàn)方面正在取得進(jìn)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們認(rèn)為它們在未來的研究工作中變得更加不可或缺。

       一切才剛剛開始。

       參考文獻(xiàn)：

       1、核酸點(diǎn)擊化學(xué)的搭便車指南

       2、DNA編碼化學(xué)：從幾個好的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)藥物

       3、DNA編碼庫如何徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)

       4、RIPK1選擇性抑制劑GSK2982772的故事

       5、藥時代：黎健博士|分子海洋釣鯨鯤一一記諾貝爾化學(xué)獎得主夏普萊斯（K.Barry Sharpless）教授