共价抑制剂正成为小分子药物研发的新模式

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阿司匹林,是具有上百年历史的消炎镇痛药;青霉素,是有效治疗多种细菌感染的第一批抗生素;亿珂(伊布替尼,英文商品名Imbruvica),是改变血液癌症治疗的重磅药物。这几款在人类医药历史上出现的重要药物都有一个共同点,它们都属于“共价抑制剂”(covalent inhibitors)。这些化合物上的特定基团能够与它们的生物靶点形成共价键,从而不可逆地改变生物靶点的功能。


虽然人类医药历史上多款具有重大意义的药物包含共价作用机制,然而很久以来,药物研发人员在选择靶点的抑制剂时会有意避免能够与靶点共价结合的化合物。他们担心这些化合物的选择性不够强,而一旦它们与其它不相关的蛋白结合,就可能产生严重的毒性。


近年来,随着药物开发技术的发展,共价抑制剂正在成为药物研发的一个重要模式,它们不但产生了有效的重磅药物,而且为靶向“不可成药”靶点提供了新策略。今天药明康德内容团队将结合公开资料,回顾共价抑制剂的发展历程。


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图片来源:123RF


共价抑制剂的作用方式


如前所说,人类使用具有共价机制药物的历史已经有上百年。阿司匹林最初在1899年就被使用作为消炎和镇痛药。不过直到1971年,人们才了解了它的作用机制。阿司匹林能够与负责合成前列腺素和血栓素的环氧化酶(Cyclooxygenase,COX)不可逆结合,从而抑制COX的活性,降低炎症的产生。


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▲阿司匹林的分子结构式(图片来源:public domain)


共价抑制剂和非共价抑制剂是靶向生物靶点的两种抑制剂类型。目前大多数小分子药物仍然属于非共价抑制剂,这些化合物可以与生物靶点可逆结合,它们与靶点之间的亲和力往往决定药物的治疗效果,因此大多数小分子药物的研发目标是发现能够与生物靶点以高亲和力结合的化合物。


而共价抑制剂在与生物靶点结合之后,化合物上的基团能够与靶点产生化学反应生成共价键。这让共价抑制剂与靶点蛋白形成一个稳定的复合体,从而不可逆地抑制靶点蛋白的活性。这种作用方式具有独特的优点,由于能够不可逆地抑制靶点蛋白的活性,这意味着在细胞生成新的靶点蛋白之前,共价抑制剂都能够维持抑制效果。这可能导致共价抑制剂只需要更少的剂量和服药次数,就能够达到与非共价抑制剂相同的疗效。而且研究显示,共价抑制剂与非共价抑制剂相比,在靶向容易产生抗性的靶点方面更具优势。


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▲共价抑制剂(b)和非共价抑制剂(a)的作用方式(图片来源:参考资料[4])


然而,共价抑制剂让人们担忧的因素是它的潜在毒副作用。因为这些化合物能够与蛋白形成共价键,与非靶点蛋白的结合可能造成严重的副作用。因此,很久以来,药物研发人员在筛选候选化合物时往往会避免能够与靶点共价结合的化合物。这一倾向在近10年来才开始转变。


亿珂——让人们重新审视共价抑制剂的重磅抗癌药


而让人们重新审视共价抑制剂的突破之一是在2013年由FDA批准的布鲁顿氏酪氨酸激酶(BTK)抑制剂Imbruvica。Imbruvica最初并非作为药物,而是以“工具化合物”的角色被开发的。它虽然能够与BTK共价结合,但是由于人们担心它的选择性和潜在的毒副作用,最初只把它当作协助BTK抑制剂筛选的工具。


然而在Pharmacyclics公司和杨森(Janssen)公司的联合开发下,这款BTK共价抑制剂在治疗B细胞血液癌症方面表现出优异的疗效。不但在2013年获批治疗套细胞淋巴瘤,而且随后快速获得FDA批准治疗包括慢性淋巴细胞白血病和华氏巨球蛋白血症(Waldenstrom macroglobulinemia)在内的多项适应症,被人们称为让患者脱离化疗的重磅新药(关于这款新药开发的详细历史,请看亿珂诞生记:让化疗成为历史的重磅新药)。


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与此前获批和使用的共价抑制剂不同,Imbruvica属于第一批有意设计的共价抑制剂。它的成功让研发人员们意识到,至少在肿瘤学领域,共价抑制的策略值得探索


靶向“不可成药”靶点的新策略


根据美国化学会(ACS)旗下化学文摘社(CAS)的统计,自1990年以来,FDA已经批准了35款具有共价抑制机制的创新药。其中包括百济神州公司开发的BTK抑制剂zanubrutinib,阿斯利康公司的第三代EGFR抑制剂osimertinib等为大家熟知的抗癌药物。而且共价抑制剂作为一种药物开发策略,为研发人员靶向“不可成药”靶点提供了新工具。其中一个著名的例子就是靶向KRAS G12C突变体的抑制剂。


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▲历史上获批的部分共价抑制剂(粉色标出与靶点形成共价键的基团)(图片来源:参考资料[3])


传统的非共价抑制剂需要与靶点以高亲和力结合才能发挥作用,而很多靶点蛋白的表面缺乏能够让小分子有效结合的“口袋”,这让它们很难被非共价抑制剂靶向,KRAS就是其中之一。虽然它和RAS家族其它成员的基因突变在30%的癌症中出现,但是几十年来研发人员一直无法找到合适的非共价抑制剂。


在2013年,加州大学旧金山分校的Kevan Shokat教授率领的研究团队发现,在名为KRAS G12C的突变体中,因为基因突变生成的半胱氨酸(Cys)为与小分子的亲电基团生成共价键提供了一个靶点。由于KRAS G12C突变只出现在肿瘤细胞中,靶向这一突变体不会影响到健康细胞中的野生型KRAS。针对KRAS G12C突变体上的半胱氨酸,研究人员开发出能够与之共价结合的小分子抑制剂。


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这一发现激发了多家生物技术和医药公司开发靶向KRAS G12C的共价抑制剂。其中,安进(Amgen)公司的sotorasib(AMG 510)和Mirati Therapeutics公司的adagrasib(MRTX849)均已经在治疗携带KRAS G12C的非小细胞肺癌患者的临床试验中获得出色的结果,有望在明年递交新药申请。


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▲KRAS G12C抑制剂成药机制(图片来源:Mirati官网)


KRAS G12C共价抑制剂的开发也代表着在共价抑制剂开发理念上的一个转变。此前,共价抑制剂的开发常常基于对非共价抑制剂的改造。药物研发人员先找到能够与生物靶点相结合的非共价抑制剂,然后在它们的骨架上添加能够与靶点产生共价键的化学基团。而KRAS G12C共价抑制剂的发现策略则是直接筛选能够与突变体上的半胱氨酸生成共价键的候选小分子化合物。这种筛选方式虽然没有发现能够与突变体以高亲和力结合的化合物,但是发现了能够与半胱氨酸快速生成共价键的化合物。它们的成功显示,对于共价抑制剂来说,即使没有很多分子能够触及到靶点,只要接触到靶点的分子能够快速生成共价键,仍然可以达到抑制靶点活性的作用。这为药物开发人员提供了寻找候选化合物的一个新方向。


未来广阔的发展空间


如今,理性设计共价抑制剂来靶向“不可成药”靶点已经成为多家生物技术和医药公司的小分子药物开发“工具箱”中的重要工具。蛋白质组小分子筛选技术(proteomic screening)的成熟也让研发人员能够有效地衡量共价抑制剂的特异性,从而减轻了对它们的毒副作用的疑虑。这一技术以能够以可形成共价键的化合物为“饵”,对整个蛋白质组进行筛选,找出能够与化合物结合的蛋白片段。这种方法不但能够检测出共价抑制剂的特异性,而且可能帮助筛选出全新的成药位点。今年与罗氏(Roche)达成数十亿美元合作协议的Vividion Therapeutics公司,就在利用这一技术开发新型小分子药物。将共价抑制剂分子与靶向泛素E3连接酶的分子组合在一起,也正在成为开发靶向蛋白降解(PROTAC)分子的重要策略之一。


对共价抑制剂的应用也已经超出肿瘤学领域,去年获得FDA批准治疗镰刀型细胞贫血病(SCD)的Oxbryta(voxelotor),是一款能够与靶点形成可逆性共价键的创新小分子疗法。在新冠疫情席卷全球的今天,研究人员也在开发针对新冠病毒的共价抑制剂。日前,辉瑞(Pfizer)公司宣布,该公司针对冠状病毒3CL蛋白酶开发的小分子共价抑制剂已经进入1期临床试验。


从最初被“有意回避”变为药物开发人员专注的开发热点之一,共价抑制剂的开发历程展现了小分子药物开发技术和理念的不断进步。我们期待这一开发策略能够更好地发挥小分子药物的潜力,为更多患者带来新药好药。


题图来源:123RF


注:本文旨在介绍医药健康研究,不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导,请前往正规医院就诊。
 
参考资料:


[1] Covalent drugs go from fringe field to fashionable endeavor. Retrieved November 9, 2020, from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-discovery/Covalent-drugs-fringe-field-fashionable/98/i43
[2] 亿珂诞生记:让化疗成为历史的重磅新药. Retrieved November 10, 2020, from https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMDA5NTIxNQ==&mid=2649979490&idx=1&sn=8be86ba64917a1ff7d00db0538e43222&chksm=82e9fce2b59e75f4bf48a075fb6d9ee16743c679a9a53a9b4db06a75aaf1546babdd14062da2#rd
[3] Sutanto et al., (2020). Covalent inhibitors: a rational approach to drug discovery. RSC Medicinal Chemistry. https://doi.org/10.1039/D0MD00154F
[4] Bauer (2015). Covalent inhibitors in drug discovery: from accidental discoveries to avoided liabilities and designed therapies. Drug Discovery Today, http://dx.doi.org/10.1016/j.drudis.2015.05.005
[5] Pfizer’s novel COVID-19 antiviral heads to clinical trials. Retrieved November 15, 2020, from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-discovery/Pfizers-novel-COVID-19-antiviral/98/web/2020/09

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