药物化学研发策略最新进展概览

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近期，一份药物化学研发策略进展报告[1]在对大量药物化学业内顶尖期刊的文献进行分析之后，从活性药物筛选方法，新型有机化学反应，药物理化特性的优化，以及药物传递方式等方面，将引领当前药物研发潮流的新策略，新方法归纳总结为：已知药物和药效结构再利用，生物正交反应在新药研发中的应用，光活化的药物化学，基于后期官能团化反应的活性化合物发散性合成，多参数的优化，生物系统调节参与的药物传递方法和靶点结构为基础的药物研发这七个部分。本文限于篇幅，只选取其中5部分内容做简要介绍。

▼ 已知药物重新定位的新研究

药物再利用（drug repurposing, 又称drug repositioning, redirecting, reprofiling)是一种对已知药物（包括已经上市和未获批准的药物）的应用进行重新的探索和开发，并将其用于治疗其它疾病的新药研发策略。相比于从头设计开发新药，成熟的合成工艺，已知的安全性评价和药代动力学数据，这些“老”药可以大大节约研发成本。事实上，这种“一鱼多吃”式的药物研发方式在制药界并不新鲜。其中比较经典的例子是西地那非（sildenafil ）和沙利度胺(thalidomide)。

西地那非原本是用于治疗心血管疾病的候选药物，其临床表现并不尽人意，但受试者关于副作用的报告是使成为为治疗男性生殖器勃起功能障碍的明星药物。2018年，西地那非在全美处方药和零售药销售排行中依然处在前100的位置[1]。沙利度胺曾是药物研发安全性的经典案例，这个原本用于治疗孕妇妊娠反应的止吐药，因为其对婴儿的致畸性而被禁止使用，而在2006年，它被批准用于治疗多发性骨髓瘤。近年来，在与埃博拉病毒和流感病毒等新型疾病的斗争中，“老”药再次出马的案例屡见不鲜。

药物再利用新药研发策略一般基于对一系列已知药物的表型筛选（phenotypic screening）和系统高通量筛选（robotic high-through out screening)基于大数据分析的化学信息学和生物信息学的引入，无疑为这一策略注入了新的活力。利用机器学习算法和拓扑图论的数据分析技术，通过将疾病，靶点和药物的多方面信息进行整合对比，不仅可以构建药物分子的结构与活性相互关系（structure-activity relationship, SAR），还可以模拟化合物对相应靶点的对接，并自主筛选预测可以结合的分子。更重要的是，该方法并不局限于市场在售的药物分子，它同样适用于类药分子库，这无疑增大了筛选的范围。

▼“优势结构”重新定位

已知药物再利用的命中率通常很低，而且这些作为先导化合物的药物往往具有较低的结构多样性。作为一种补充，收集含有优势结构的化合物，这些化合物不仅具有作为先导化合物的良好物理化学特性的潜力，并且含有针对已知的各种靶标蛋白的优势结构，从而提高了筛选先导分子的成功率。以下将介绍几个这样的应用先例，用以说明 “优势结构”重新定位的最新技术，突出其对新药发现的贡献。

‍图1 通过面向多样性的“优势结构”重新定位方法发现生物活性分子。

基于优势结构的面向多样性的合成技术(DOS)经常能够筛选出具有其他未被发现的药物活性。这一技术提高了通过筛选药物先导化合物库发现药物的机会；由此产生的先导化合物可能比传统的更安全，开发成本更低，开发时间也更短。1,6-萘吡啶-7-羧胺(粉红色)被认为是一种很有前途的药物片段。在结构多样的HIV-1整合酶抑制剂中，8 -羟基[1,6]萘啶(L-870,810)化合物55是一种很有前途的抗HIV候选药物，具有一定的药理活性，但已在I期临床试验中终止(原因不明)。然而，由于良好的类药性，药物学家设计了化合物55新的衍生物(5位和8位取代物)，克服了萘吡啶-7-羧基化合物作为抗病毒化合物的局限性，并被重新定位为新的细胞毒性抗癌药物。最后，5,8-二取代的萘吡啶在7位羧胺上的进一步结构修饰形成了分子56a-c，对一组癌细胞具有显著的细胞毒性，对目标致癌激酶具有很好的效果 (图1)。

新合成的三环骨架化合物被设计作为新的生物活性类似物的药物片段, 这些先导化合物已被作为针对多个系统靶标的抑制剂（图1），包括潜在的丝氨酸肽酶DPP-4抑制剂57， CCR5受体拮抗剂58，和高度选择性PI3Kδ.同种型抑制剂59。总的来说,在这一节中描述的范例，都体现了在筛选先导化合物阶段设计包含优势结构的hit会大大加速药物的发现。

图2 基于目标相似性的“优势结构”重新定位发现生物活性分子

基于靶标蛋白质结构的理解，面向其有药物活性的优势结构的精品库(面向靶标的合成，TOS)的设计和筛选，是发现新的先导化合物的有效策略。例如,α-羧基核苷膦酸酯(α-CNP) 60 在碱基和α-羧基磷酸酯之间由环戊基连接，相较于疱疹的DNA聚合酶会优先抑制HIV-1逆转录酶 (50-100倍)。有趣的是，通过修饰连接基团得到的化合物61可以显著提高其抑制疱疹的DNA聚合酶靶点的选择性(图2)。

类核糖核酸酶H (RNase H)超家族，又称逆转录病毒整合酶超家族(包括一些金属酶:HIV整合酶、HIV RNase H、HBV RNase H、人巨细胞病毒pUL89核酸内切酶、细小病毒B19的NS1蛋白、流感病毒聚合酶酸性核酸内切酶)，作为一种潜在的药物靶点已引起广泛关注。金属酶活性依赖于催化部位的金属离子。许多二价阳离子依赖的多核苷酸代谢酶具有共享的酶机理，这为多管齐下的药物发现工作提供了巨大的机会。二价金属离子螯合剂,如N-羟基酰亚胺、 二酮酸、α-hydroxytropolone及二羟基嘧啶羧酸等等,都被报道可作为广谱抗病毒药，这些分子就是通过螯合活性部位的二价金属离子产生药物作用的（如图2中的62和63）。

Baloxavir marboxil(66，商品名Xofluza)是一种帽状结构依赖型内切酶抑制剂，用于治疗甲型流感和乙型流感，于2018年10月获得FDA批准，口服单剂量，每日一次。它与HIV整合酶抑制剂dolutegravir(64)和bictegravir(65)的结构具有类似的金属螯合药效团(红色部分结构)，这是由含有该药效团的易于衍生的合成砌块制备的。

类似地，基于整合酶抑制剂药效团(Raltegravir 67中的n -烷基-5-羟基嘧啶酮羧胺)，目标相似的“优势结构”重新定位，发现了化合物68可作为一种新型的抗结核药物。 

生物正交反应是指反应的发生条件与生物分子的正常活动互不干扰的一类反应。该类反应由于其较好的生物相容性已被广泛应用于化学生物学研究和药物研发中，常见的生物正交反应有叠氮对炔基的点击反应（click chemistry）（见图3），Staudinger连接反应（Staudinger ligation)，氮氧化物的1,3-偶极环加成反应等。

在传统的表型筛选和高通量筛选过程中，分子库费时费力的制备和纯化过程，一直是制约药物研发效率的瓶颈。借助于生物正交反应的生物相容性优势，不仅能快速获得高容量的分子库，而且产物可以不经分离纯化直接进行高通量筛选。目前该方法已经成功用于研究分子结构与活性相关关系（SAR）和大规模筛选活性化合物。

图3

除了利用与生物相容的化学反应连接片段合成用于活性筛选的化合物之外，基于靶点结构辅助的活性分子合成已经逐渐发展成为获得药物分子的有力策略。该方法的主要设计思路是利用生物靶点本身作为反应容器，在具有反应活性官能团的分子片段库中自发结合可以与靶点对接的分子片段，通过不可逆或可逆的化学反应将可以对接的片段连接，从而快速筛选获得能与靶点配位的活性分子。（图4）

图4

正所谓“有合就有分”，生物正交反应在药物化学中的应用不仅局限于将两个片段连接起来得到活性化合物，切断型的生物正交反应在化疗药物传递和释放方面同样有着较好的应用前景。其具体原理是将化疗药物与可以切断的片段相连做成毒性较低的前药，待前药到达肿瘤细胞并在此积累后，通过生物正交反应切断连接片段，将化疗药物释放出来，从而达到杀伤肿瘤细胞的作用。该方法可以抑制化疗药物的脱靶效应，降低对正常细胞的伤害（如图5所示）。

图5

就像切断型的生物正交反应一样，利用光激发释放活性药物分子是该种药物传递方式的另一种方案。与前者不同的是，光引发的药物传递方式是将光敏基团与活性分子共价相连，在紫外或可见光的激发下，光敏片段自行脱落，释放出活性分子，不需要添加额外的试剂来辅助切断。这样的释放方式更加简单直接，如图6所示的活性分子97作用机制。

图6

光动力疗法已经在临床上有了一些应用。其基本原理是将光敏剂注入体内，利用肿瘤细胞与正常细胞代谢水平的差异，使前药分子富集在肿瘤细胞中，在光的作用下，活化光敏剂被激发产生高活性的氧（如单线态氧），从而达到杀伤癌细胞的作用。开发无光低毒，有光高毒，水溶性好的光敏剂是该领域未来的发展方向。目前比较常用的光敏剂是酞菁类的染料。此外，光动力疗法可以和光激发药物传递相结合，通过将光敏剂与活性药物连接制成前药，在光的激发下，既可以释放活性药物，又可以产生高活性的氧，从而实现对肿瘤细胞的双重杀伤（图7）。

图7

光转换配体又称光致变色配体，是指一类在光的调节下其某一方面的性质可以可逆转化的分子。当该类分子与酶结合后，其分子构象在特定波长的光的照射下可发生互变，从而达到调控酶活性的作用。近年来，通过将偶氮苯类光转换配体与一些抑制剂相连，利用其在光激发下可以实现顺反互变的特性，可以实现对特定酶的活性调控（图8）。

图8

建立庞大的化合物库是药物化学中进行高通量筛选和表型筛选的基础。对于包含相同复杂核心结构骨架的一系列类似物的获得，逐个从头合成无疑费时费力。借鉴多样性合成的思路，从具有复杂结构的共同中间体出发，通过对其进行后期官能团化（late-stage functionalization），可以快速获得大量结构复杂的衍生物，见图9所示。该策略主要依赖相应有机化学方法学的进步，开发更多高选择性、高收率、条件温和的后期官能团化反应对该策略的发展和应用至关重要。目前，该策略常用的后期官能团化反应有碳氢键活化反应，芳基的亲核取代反应以及微生物介导的后期官能团修饰反应等。

图9

共价抑制剂策略通过在药物或类药分子中引入可以与蛋白活性位点形成共价键的反应片段（又称弹头，warhead），增强分子与靶点的结合能力，从而大大提高药物分子的活性，增加药物分子在体内的停留时间并降低耐药性。该策略是当代药物研发，特别靶点结构为基础的药物研发领域中非常热门研究方向。目前常见的弹头有丙烯酸酯，磺酰氟，硼酸酯等较为亲电的小片段。多种多样可供选择的弹头的开发，可以让我们针对不同的活性位点选择与之相匹配的弹头，以提高药物或类药分子对靶点更强的结合力和更好的选择性。

图10 共价抑制剂药物活性分子

双底物抑制剂则是将两种可以与靶点结合的分子片段通过共价键连接起来，从而达到增强抑制剂与靶点结合能力和选择性的效果。而基于水分子结合口袋的药物设计则是通过氢健等作用方式，利用蛋白质通道中常见的水分子增强药物分子与目标靶点的结合能力。这些方法在抑制剂活性优化方面都有很好的应用。

图11 双底物抑制剂设计

图12 基于水分子结合口袋的药物优化

当代药物研发面临的主要挑战依旧是如何快速高效地发现先导化合物，而要实现这一目标就需要化学、生物学、信息学和多种相关技术的密切配合和通力协作。相信随着各个领域技术的发展，越来越多快捷高效的药物分子研发策略被应用到药物化学研究中。

Gaochan Wu, Tong Zhao, Dongwei Kang, Jian Zhang, Yuning Song, Vigneshwaran Namasivayam, Jacob Kongsted, Christophe Pannecouque, Erik De Clercq, Vasanthanathan Poongavanam, Xinyong Liu, and Peng Zhan, Overview of Recent Strategic Advances in Medicinal Chemistry, J. Med. Chem., ASAP, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b00359.

来源 |  LabNetwork 

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