医药魔方 - 资讯 - 正文

当一个靶点难以成药的时候……

Jerry Jerry
09/11
0
480

“未来几年内,通过靶向基因组变异,医生将能够治愈阿尔茨海默病,帕金森,糖尿病,以及癌症等一系列疾病。实际上我们现在已经能够想象,到了我们孙子这一辈,癌症这一名词对他们来说会变得非常陌生。” 

2000年6月,克林顿总统在人类基因组测序完成的新闻发布会中的发表了这样一段讲话。

实际上当时基因组测序并没有完成,但在2000年的时候主要工作已经差不多完成了。当时有一些研究人员认为,在完成人基因组测序之后我们将能够了解导致疾病产生的基因组变异,以及相关蛋白的信息。而这些信息能够帮助我们找到治愈疾病的方法。

在克林顿总统演讲之后,18年已经过去了,这些疾病依然没有被治愈,而且可以说我们治疗这些疾病的手段依然非常有限。

导致我们无法有效治疗或者治愈这些疾病的原因非常多。深入理解这些疾病的生物学机制并不容易,这大概也是导致新药研发失败最大的一个障碍。

除此之外,即使我们已经找到了看似可行的药物靶点,针对这些靶点开发药物也并非易事。

随着技术的不断迭代,目前基因组测序的成本已经非常低。我们似乎已经能够找到很多诱发疾病的一些驱动基因,更好的理解癌症的驱动基因使我们研发出了一些成功的药物,比如伊马替尼,奥希替尼,olaparib

但更多的时候,限于目前技术水平,即使找到了驱动基因,也无法针对这些靶点开发药物。

大部分传统小分子药物以及抗体药物都是靶向蛋白质类的靶点。但实际上我们目前能够通过药物干预的这些靶点只占人体内蛋白的很小一部分,大约有80%-90%的蛋白是传统的药物研发手段无法进行有效干预的。

主要原因是很多这类蛋白靶点缺乏能够直接参与蛋白功能调节的结合腔。目前小分子药物主要是通过与蛋白中所谓的活性结合腔结合,竞争性阻止内源性底物进入结合腔,从而达到阻断蛋白功能的目的 (当然也存在其他作用机制的药物)。

但问题是这种药物研发模式很难应用到缺乏相应结合腔的蛋白中。而且对于存在于细胞内部的蛋白,目前也很难开发相应的抗体药物。

这样的靶点确实非常多,比如细胞内的一些支架蛋白,转录因子,或者很多非酶类的蛋白。

我们一般把这类目前无法通过传统药物研发手段干预的蛋白靶点叫做undruggable targets,也就是不具备成药性的靶点。很多人不喜欢undruggable这个说法,因为如果真的无法干预的话,也就没有研究的必要了。但目前来讲确实很难针对这些靶点开发药物。

关于undruggable targets,很多人的第一反应是KRAS

但无论是对于生物技术公司,还是风险投资机构来讲,这些所谓的不可能成药的靶点中却蕴含着无穷无尽的机会。在过去几年间,制药公司已经在该领域投入了数亿美金,来研发靶向这些靶点的药物。

这些制药公司采取的策略多种多样,很多是采用基于核酸类药物的技术,比如反义寡核苷酸 (antisense oligonucleotides, ASOs) 或者RNAi技术,以及最近几年比较火的CRISPR技术。这些技术通过敲除或者敲减,都有可能达到调节胞内靶蛋白水平的目的。

尽管这些技术在基础研究中应用非常广泛,但开发成治疗疾病的疗法的过程中却面临着重重阻碍,比如核酸类药物在血液中稳定性比较差,可能具有免疫原性,可能在肾脏中聚集等等。最近几年,该领域又有一项很有意思的技术变得流行起来:诱导蛋白降解技术。

小分子诱导蛋白降解与核酸类药物、基因编辑、以及传统的小分子药物的作用机制有着非常明显的差异,诱导蛋白降解相比这些技术也有着独特的优势。

诱导蛋白降解

其实诱导蛋白降解也不是什么新概念,而且科研人员在很早之前就就已经有了一些尝试。

热休克蛋白90 (Hsp90) 能够帮助蛋白正确折叠,Hsp90抑制剂在上世纪九十年代就已经首次进入了临床研究。由于Hsp90能够在一系列肿瘤细胞生存所需蛋白的稳定性维持中起到重要作用,因此很多科研人员认为Hsp90抑制剂有可能被应用于癌症的治疗。

当时HSP90抑制剂的研究热度很高,但很多抑制剂具有严重的肝毒性,HSP90抑制剂的研究也经历了很多挫折,到目前为止还没有任何一款Hsp90抑制剂获批上市。

而且更重要的是,Hsp90能够参与人体内一半以上激酶的稳定性调节,因此通过这种非特异性的方式来影响蛋白稳态,想要保证药物达到足够的安全性及有效性是非常不容易的。

与Hsp90抑制剂这种非特异性的方式不同,选择性雌激素受体降解药物 ( SERDs) 以及选择性雄激素受体降解药物 (SARDs) 却能够实现特异性的靶蛋白的降解。

但有意思的是,这些小分子化合物最初是在开发蛋白功能的调节剂的过程中被发现的,一开始并不是为了实现目标蛋白降解,只是后来无意中发现这些小分子能够降解相关蛋白。

类似SERDs/SARDs的药物还有一些,但是由于这些药物的发现过程并不是基于理性设计,这种无意中发现的作用机制并不具有普适性,难以应用于其他靶点的药物设计。

但在上世纪九十年代,Proteinex公司的科学家采用了一种非常有意思的方式来特异性地诱导蛋白降解。这种方式是基于细胞内的泛素-蛋白酶体系统。

大部分蛋白的正常降解过程是通过细胞内的蛋白酶体完成的,泛素-蛋白酶体系统是真核细胞内大部分蛋白周转以及错误折叠蛋白清除的主要机制。这些蛋白被E3泛素连接酶识别之后被泛素化,之后被转运至蛋白酶体内降解成多个肽段。

随着蛋白质稳态研究的不断深入,一些科学家也开始尝试利用泛素-蛋白酶体系统来实现靶蛋白的特异性降解。

1999年,Proteinex公司的John Kenten团队递交了一项专利申请,以保护他们发现的能够实现目标蛋白与泛素连接酶E3连接的双功能分子。

该双功能分子包含泛素识别结构以及靶蛋白结合结构片段,使目标蛋白泛素化并且诱导其降解。专利第一页的图片就很清楚的描绘了该类分子的作用机制 [1]。但Kenten当时的老板对这项新技术并不感兴趣,Kenten之后也离开了这家公司。

也大概就是在那个时候,学术机构的科学家,包括耶鲁的Craig Crews以及加州理工的Raymond Deshaies发表了肽类的双功能小分子,这些小分子能够一定程度上诱导蛋白降解。他们把这类小分子叫做PROTAC, Proteolysis-TArgeting Chimeras [2]。

虽然第一代的PROTACs能够诱导靶蛋白泛素化,但这些化合物的细胞水平活性很差。这大概是由于肽的跨越细胞膜能力太差导致的。这些化合物并不具备类药性,因此制药公司对这些化合物并不感兴趣。

第二代的PROTACs很多是基于VHL的很短的氨基酸识别序列而设计的,并且一些化合物在结构中引入了细胞穿透肽序列。但这也算不上是什么突破性的进展。这之后的几年里该领域一直都没什么人关注。

对于药物化学家而言,他们早已经对小分子药物的设计原则很熟悉。这样的双功能小分子并不符合之前药物化学家对于小分子药物的认知,想让他们接受这种化合物设计并不容易。

虽然基于肽的PROTACs证明了该项技术有一定的潜力,至少in vitro的试验是有活性的。但很明显,基于肽的PROTACs还是有很多劣势,设计完全基于小分子配体的PROTACs才是当务之急。

在2008年的时候,Crews组建了一个由化学家以及生物物理学家组成的团队,试图探索非肽类的PROTACs。在那年末,他们找到了一个使用nutlin配体能够募集E3泛素连接酶的小分子,但这个化合物的活性太弱,并不能开发成药物。随后的几年,他们又合成了几百个小分子药物,并且解析了很多蛋白晶体结构。 

对于Crews实验室来说,最大的挑战的确是在于寻找合适的E3泛素连接酶配体。这并不是一个简单的任务,找到这样一个配体也意味着要干扰多个蛋白组成的复合物的相互作用,这是一个历史性的难题。

在2009年,当时还是Crews实验室的博士后的Alessio Ciulli开始尝试解决这个问题,寻找合适的E3泛素连接酶小分子配体。而在Ciulli自己成立了自己的课题组之后,他依然在进行这项研究。

在2012年初的时候,他们终于找到了一个VHL的小分子配体,这是这个诱导蛋白降解领域非常关键的一次胜利。也就使在那年,他们报道了基于VHL小分子配体的HaloPROTACs。

也就使在这时候,制药公司开始对诱导蛋白降解技术产生了兴趣。GSK建立了自己的蛋白降解研究组,并开始与Crews实验室合作。 

在2015年的时候,两项新发现掀起了蛋白降解领域的狂潮。Dana-Farber Cancer Institute的一名化学生物学家的Bradner发表了一项重要研究,利用沙利度胺来结合一种泛素连接酶cereblon [3]。几乎是在同时,Crews实验室发表了自己的蛋白降解小分子 [4]。

这是两项in vivo的研究,也预示着诱导蛋白降解时代的正式开启。而且此时这项技术也引起了投资机构的关注,这种有可能探索人类80-90%的蛋白靶点的技术投资人肯定不会放过。

Crews在这之后成立了一家公司Arvinas来进行PROTACs技术的商业化。在2016年,Bradner 以及其他一些科学家成立了C4 Therapeutics。2017年Atlas投资的Kymera成立。

这些公司很快与大型制药公司建立了合作,默沙东,诺华,新基,GSK,武田,阿斯利康等一系列公司都开始在该领域布局。

随着大型制药公司的入场,药物化学家们也开始重新思考小分子的药物设计。这些小分子药物并不遵守Lipinski类药五原则,比如诱导蛋白降解小分子的分子量太高,氢键的受体与供体太多。 

除了化合物的结构看起来不招人喜欢,这些蛋白降解剂与传统的小分子药物在靶标结合,选择性,以及剂量等方面也存在明显差异。

对于PROTACs来说,分子与靶标结合的紧密程度不是最重要的,最重要的是这些双功能分子连接靶蛋白与E3泛素连接酶的速度。

而且这类小分子药物只要能够与靶蛋白产生相互作用即可,并不需要像传统的药物那样进入蛋白的结合腔并直接影响蛋白的功能。由于大约75%的蛋白缺乏传统小分子抑制剂所需的活性位点,因此诱导蛋白降解技术相比传统的小分子药物研发模式有着巨大的优势。

而且目前也已经有很多证据表明,相比传统的小分子药物,PROTACs对于选择性的要求并没有传统的小分子药物那么高。

新药研发人员通常希望小分子药物只结合靶蛋白,减少对其他靶点的影响,从而降低小分子药物的脱靶效应引起的毒副作用。但科学家们发现一些选择性并不高的小分子抑制剂在做成PROTACs之后能够选择性地诱导靶蛋白降解。

虽然目前报道的诱导蛋白降解的小分子化合物作用的靶标都是已知的靶点,Arvinas即将进入临床研究的药物作用靶点也是很成熟的靶点,但毫无疑问很多人非常相信这项技术的潜力。而且研究人员也在使用一系列的策略来寻找能够结合难以应对靶标的小分子配体,比如利用基于NMR或者DNA编码化合物库的筛选方法来筛选能够与靶标产生结合作用的先导化合物。

其实无论是细胞水平试验还是动物模型试验都已经证明了PROTACs技术不仅仅会局限于一种化合工具,而将有比较大的可能性被开发成为药物研发的一种新方式。

基于PROTACs的独特性质,这项技术将可能使我们能够探索更广阔的药物靶点空间,使我们有能力征服那些一直被认为是不具备成药性的靶点。


扫码实时看更多精彩文章

版权声明 本文为医药魔方原创文章,其他媒体如需转载,请添加魔方君微信pharmcube获取授权。转载时务必标明作者和来源。

魔方微信公众号

分享

魔方微信公众号