來源
《藥學學報》2022年
作者
郭宗儒
中國醫學科學院、北京協和醫學院藥物研究所
摘要
以患者需求為核心，實現臨床價值為導向，是新藥創制的宗旨和路徑。無論首創性藥物或是仿創性藥物都是為了滿足患者對無藥可治或更加安全有效的藥物需求。以生物學基礎研究驅動的創新藥物，為實現臨床價值包含三個要素或環節，即理解致病的分子機制；把握疾病的微觀特征；闡明藥物的作用機制。這三者之間的相互關聯，是貫穿其中的轉化醫學，藥物化學扮演重要角色。即將生物學/醫學的基礎研究的成果通過各種模型闡明疾病發生發展的分子機制，從分析分子調控過程中找到治療疾病的關鍵節點。患者的癥狀、生化常規和影像特征等宏觀表象，難以在分子水平上為藥物分子設計提供信息，生物學的發展，得以在微觀水平作分子生物學分析，例如基因缺失與變異、蛋白質組學、表觀遺傳學等技術，結合疾病的分子機制，可從多樣本和大數據分析中歸納基因-蛋白(酶、受體、通道、信號分子等)與疾病的關系，對創制新藥和療法提供新的科學依據。洞察疾病的微觀特征是上述的發病的分子機制的延續和深化，為創制新藥提供可行的科學路徑。當闡明了疾病的分子機制和藥物的作用機制，對既有藥物(或活性物質)的應用就有了更深刻和廣泛的認識，提供了藥物設計和應用的新思路。構建新的分子結構(NME)的藥物化學是其中的重要環節，要求藥物化學研究者擴展固有的靶標-設計-合成-評價的模式，從大視野的角度，上溯關注基礎研究及其成果，及時向創制新藥的方向轉軌；向下游關注臨床要求，結合疾病的微觀特征，落實轉化過程的具體內容，這對于首創性藥物的研發是非常關鍵的步驟。本文從藥物化學視角淺談一些看法。
關鍵詞
藥物創制；臨床價值；轉化醫學；分子機制；藥物設計
正文
新藥創制“以患者需求為核心，以臨床價值為導向”的提法，似乎是理念的提升，其實這并不是新的概念。2021 年7 月我國國家食品與藥品監督管理局(NMPA)公布了《臨床價值為導向的抗腫瘤藥物研發指導原則》，這是自2005 年《藥品管理法》提出的“藥物創新應以臨床價值為導向”的具體要求，也是落實2015 年《國務院關于改革藥品醫療器械審評審批制度的意見》文件精神。筆者相信這樣的指導原則，也將會擴展到其他治療領域的藥物。道理很簡單，新藥創制的目的本應滿足患者對無藥可治或更加安全有效的藥物需求。
科學的發展和醫藥生物技術的進步，要求研制新藥具有臨床價值，使患者受益，這是用藥最根本的目的和原則，臨床價值的內涵究竟包含哪些原則？筆者以為主要體現在以下內容：①有效性：新藥的療效要優于(或至少不劣于)既有的藥物療法。②安全性：新藥的不良反應低于既有的藥物，如若安全性不如老藥，但必須在療效方面更加突出，權衡療效/不良反應，仍優于已有的療法。③經濟性：包括兩個方面，一是療效的提高與支付的研發成本應當合理，也就是說，新藥價格不能太貴；另一是新藥治療應使患者生活質量得到提高，只延長患者的壽命而生活質量低下的藥物治療，意義不大。由以上三個要素又派生出以下的藥物特征：①創新性，主要體現在靶標和化學結構的新穎性。②可及性，實現規模性制備和患者的經濟承受力。③適宜性，服用方便，適宜的頻次和療程。新藥創制的核心是患者的需求，因而研制過程和候選藥物須以實現臨床價值為目標。研發鏈上各個環節都是臨床價值的正向量。
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改革開放以來我國新藥研制的梗概
1.1 前20 年以仿制藥物為主
20 世紀80 年代到上世紀末，制藥企業和學/研界以仿制國外藥物為主，這對滿足和更新各種疾病的藥物療法起到重大的推動作用。期間的創新藥物雖有但很稀缺，著名的青蒿素類抗瘧藥，聯苯雙酯保肝降轉氨酶藥，都是以天然產物為先導的成功藥物。然而在搶仿過程中，也出現了無序狀態，例如當時全國有100 多家申報治療男性勃起用藥的西地那非(1，sildenafil，即偉哥，其合成工藝簡單，收率高)，因處在專利期間被輝瑞提起訴訟，結果是全體敗訴。倘若當時有人仿創（me-too），如同拜耳公司快速跟蹤研制，采用了骨架遷越和保持藥效團的策略，研制成功伐地那非（2，vardenafil），或是韓國東亞藥業研發的烏地那非（3，udenafil），或許有中國自研的偉哥。進入WTO 后，開始由仿制轉為創制。
1.2 后20 年以仿創性藥物為主
創新藥物可分為兩類：首創性(first-in-class)藥物和仿創性(follow-on, me-too)藥物。首創性藥物是全新的作用靶標/作用環節，藥物的結構和適應癥都是全新的；仿創性藥物可認為是跟隨性創制藥，是對已確證的靶標和已有研制的化合物(或藥物)的基礎上進行的再創造。
仿創藥物無需發現和確證靶標的步驟，但有效性/安全性上應優于首創藥物，后來居上。21世紀20 年來的我國創新化學藥物大都屬于仿創性藥物。表1 列出了2001～2021 我國自行研制的1.1 類化學藥物。其中除雙環醇、丁苯酞和槐定堿等天然產物屬于首創性藥物外，絕大多數是仿創品種。從化學結構分析多數仿創藥物含有首創藥的結構特征或要素。
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真正意義上的創新藥物
2.1 首創藥與仿創藥之選
創新藥物最珍貴的是首創性(first-in-class, FIC)，其成功造福于患者，同時帶來市場的回報。首創性藥物的失敗風險很大，主要風險是靶標的非可藥性(undruggability)，在概念驗證或轉化成實現臨床價值有大概率的不成功性，損失巨大，尤其是研發后期的臨床失敗。例如目標為減肥藥的蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B(PTP1B)抑制劑，曾風靡一時，體外達到納摩爾水平，但因體內達不到有效的濃度而無一成功；阻止膽固醇吸收的膽固醇酯轉運蛋白(CETP)抑制劑，數個候選化合物在III 期臨床中因出現安全性問題而全軍覆沒。首創藥的風險不僅置前，還貫穿于研發始終，直至在真實世界的考量。
仿創藥沒有發現和確證靶標的投入和可藥性風險，但作為后繼上市的藥物，除非品質顯著優于先行者，或適應癥的特異性，否則臨床價值的實現和市場回報難以預期，所以，me-too 藥的研制具有置后的風險，而且競爭激烈。我國的制藥工業體系已經形成，研究單位和制藥企業面臨的是研制首創藥，還是守著仿創藥的選擇，兩種風險，是進亦憂，退亦憂，但何以之選？
2.2 及早仿創，避免無序競爭
制藥企業、生物技術公司、大學、研究院（所）盡管價值取向不同，但在創新藥物的意義上仍有交集和相同處。筆者以為，當前在首創、仿創方面二者應予并舉，并逐漸將重點移至首創性研究。在首創的內容方面，宜不拘一格；做仿創，宜有的放矢，周密的計劃和論證，聚焦于是否能夠實現臨床治療價值，這也是NMPA 的批準原則，避免一窩蜂似的擠在一個賽道上。
舉個負面例子。FDA 在2021 年5 月批準了美國安進公司首創的靶向KRASG12C 小分子抑制劑索托拉西(4，sotorasib，AMG510)，治療中晚期肺癌，被認為是劃時代的突破。一個月后，FDA 又認定Mirati Therapeutics 公司的KRAS G12C 抑制劑阿達拉西(5，adagrasib)突破性療法。此外，國外處于臨床研究的還有禮萊的 LY3537982、諾華的TNO-155、加科思與艾伯維聯合研發的JAB-3068、賽諾菲與Revolution 聯合研發的RMC-4630(結構式從略)，等等。這些藥物的特點都在分子結構中含有邁克爾加成基團，與KRAS 的變構位點發生不可逆的共價鍵結合，結合于KRASG12C 變構區的Cys12(親電加成反應)，不可逆地鎖定靶標于非活性狀態。這是基于化學生物學研究發現了變構位點而成功轉化的范例[1]。
我國業界以 KRASG12C 為靶標的新藥研制，出現過江之鯽般的仿創態勢。有人統計，我國有36 家制藥企業啟動仿創，申請了化合物專利75 件，大都是骨架、取代基或邁克爾片段的改動，預計專利撞車不可避免，被稱為me-too 藥的修羅場(scene of bloody slaughter)。這種無序競爭的結果只能由NMPA 操刀加以砍伐，造成巨大的浪費。其他一些熱門的靶標也呈現激烈的競爭，例如PD-1、claudins 蛋白家族抑制劑、CD47、SHP2、FGFR 等重疊研制。仿創藥物的路已經顯露出日益狹窄的狀態。
2.3 我國仿創性藥物的特征
回顧我國研發新藥歷程，20 世紀80 年代前，由于不受專利約束，主要是仿制國外的新藥。直到21 世紀初，我國每年批準上市的1.1 類化藥還只是個位數。后來有了顯著的發展，國家批準了不少自研的1.1 類化藥（表1），這些新藥的特點是：①申報的候選藥物95%是仿創藥。②申報的每個品種至少有兩個(重復研制)，少有像青蒿琥酯和蒿甲醚這樣的全球性首創性藥物。而國內發現的新靶標尚未得到國際的認可。③新藥多集中在抗癌、抗病毒或抗感染藥物。④不夠重視在我國基數很大的罕見病藥物和兒童用藥的研究。⑤臨床試驗制定的標準偏低，確定的臨床價值缺少全面的證據。⑥臨床的試驗設計往往出于以臨床注冊作為目標，而不是實現臨床價值的追求。
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創新藥物以靶標為核心和以臨床價值為導向的關系
20 世紀80 年代開始的以靶標為核心的新藥創制，加速了新藥的研發進程和藥物治療機制的闡明。隨著經驗的積累和激烈的競爭，一些研制單位急于求成地將新藥的創制理念逐漸異化為藥物靶標/新分子實體(NME)作為導向，一定程度上忽視了滿足患者需求和實現臨床治療價值的終極目標。認為有了新的靶標蛋白和高活性的化合物，就有了賣點，可以向前推進。由此，似乎藥物化學成為新藥創制的主打。誠然，在首創藥物的研發鏈中，發現和優化先導化合物，最終獲得候選化合物，藥物設計、合成和評價是重要的環節，但這不是研發的全部，更不能代替以臨床價值為導向的策略和理念。以臨床價值為導向，旨在滿足患者和醫生的需求，也是政府監管部門的訴求，發達國家和我國審評新藥的快速通道，都體現了臨床需求的特征，在這當中，并不強調或拘泥是否新靶標，NME，只要在臨床上有價值，無論新化合物，老藥，合并用藥，新劑型甚至機制上不明確的藥物(例如當年的青蒿素)，只要療效好，都是患者所需要的。以靶標為核心的構建新分子目的是實現臨床價值，二者有交集，但不能以前者代替后者。
滿足患者需求和實現臨床價值，這是沒有定式可遵循的，內涵極其復雜，一定程度上是摸著石頭過河，風險也大，絕非新靶標/新分子那樣簡單。
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新藥研發實現臨床價值的要素
科學技術持續性發展是個長期的積累漸進過程，雖然可以加大投入和提速，但彎道超車的策略不可取，應當借鑒一些國外的經驗。實現臨床價值的新藥創制需建立在生物學基礎研究上。為實現臨床價值，有人提出包含三個要素或環節，即理解致病的分子機制；把握患者的宏觀表象和微觀特征；闡明藥物的作用機制。
4.1 致病的分子機制
上述的三個環節是創新藥物實現臨床價值的前提與保障，三者是相互關聯的。貫穿其中的是轉化醫學的實踐，即如何將生物學/醫學基礎研究的成果通過各種模型試驗闡明疾病發生發展的分子機制，從分析分子調控過程中找到治療疾病的關鍵節點。例如20世紀末對自身免疫性疾病由于缺乏針對病因的治療藥物，臨床治療大都是對癥療法。1993年美國NIH的生物學家O’shea等[2]發現了一個在免疫系統中起作用的激酶，命名為JAK-3激酶，JAK-3只在淋巴細胞表達，與白介素-2(IL-2)受體的γ鏈結合，調節信號轉導。IL-2是T淋巴細胞的關鍵生長因子，具有排斥異體器官移植的作用。選擇性抑制JAK-3激酶，可以抑制或調節機體的免疫功能。輝瑞化學家Changelian等[3]立即著手研究針對JAK-3這個新靶標蛋白的藥物，輝瑞與NIH之間簽訂了合作協議，構建了多種測定JAK-3的體內外活性的模型。
由化學生物學開始，通過化合物的普篩，找到分子探針研究靶標的生理功能，反復探索JAK-3與免疫功能的因果關系，以確證是否是藥物靶標，同時也是尋找活性化合物的過程。經過化學生物學和藥物化學以及臨床研究，研制出托伐替尼(6，tofacitinib)于2012年FDA批準上市，成為首創的口服治療類風濕性關節炎、牛皮癬和炎性大腸炎的藥物[4]。
艾伯維與羅氏公司合作研發的抗癌藥維特克拉(7，venetoclax)，于2016 年4 月經FDA批準，治療攜帶17p 刪除/突變的復發性/難治性慢性淋巴細胞白血病，這是全球第一個針對蛋白-蛋白相互作用的小分子抑制劑，研發歷程長達20 年。該藥物對發病的分子機制和靶標的確定經歷了曲折過程：開始以BCL-XL 作為靶標，中間改換為作用于BCL-XL 和BCL-2雙靶標，最后才聚焦于BCL-2 靶標，彰顯了首創性藥物的曲折與艱辛，圍繞著靶標與疾病的因果關系展開了反復的驗證，甚至在確定了候選化合物乃至進入臨床試驗仍然對靶標與候選物作了更換，提示藥物靶標的驗證貫穿于研發的全過程，始終存在風險[5]。
由疾病的分子機制轉化到新藥創制，是一個研判過程。我國應世生物科技公司在轉化醫學上頗有建樹。公司與上海交通大學瑞金醫院合作，發現在KRASG12C 抑制劑作用下，狡黠的癌細胞通過誘導活化黏著斑激酶（FAK）使自己產生耐藥性，從而抵消了KRASG12C抑制劑的療效。他們用建立的CDX 和PDX 模型證實FAK 抑制劑(8，N10018)和KRASG12C 抑制劑索拖拉西(4)聯合用藥，能實現協同的抗癌作用，降低了耐藥反應，使抗癌作用更加持久。進一步的機制研究發現，異常激活的FAK-YAP 通路是KRASG12C 抑制劑產生耐藥作用的重要原因[6]。8 已在美國、澳大利亞和中國開展三項臨床研究。應世生物顯示了高效的轉化醫學和全球臨床研發的能力。
罕見病鐮刀狀紅細胞病(SCD)治療藥沃噻洛托(10，voxelotor)的創制，體現了從解析疾病的分子機制，經分析患者的病理特征，最后基于藥物的作用機制研制出特效藥物，于2019年批準上市治療SCD。SCD 是由于血紅蛋白β 鏈的Glu6 變異為Val6，在低氧條件下發生四聚化，導致紅細胞變形成鐮刀狀，載氧量降低使毛細血管堵塞，造成貧血和器官衰竭。沃噻洛托含有的芳香醛基是從先導物5-羥甲基呋喃醛(9, 5-HMF)優化得到的。5-HMF 與突變的血紅蛋白復合物的晶體結合模式提示，醛基與突變體的N 末端Val 的氨基縮合成西佛堿，呈1:1 的化學計量結合，阻斷了血紅蛋白的四聚化，減少了鐮刀細胞的生成。10 醛基鄰位的羥基對于調節醛基的親電性和降低脫靶性有重要影響[7]。
4.2 疾病的宏觀表象和微觀特征
基于患者的疾病特征發明新藥或藥物療法，經典的范例是發現幽門螺桿菌(HP)，改變了傳統治療胃炎/胃潰瘍的療法。20 世紀80 年代以前治療胃炎/胃潰瘍的主要手段是胃黏膜保護劑(氫氧化鋁或鉍制劑)和H2 受體阻滯劑(如西咪替丁等)。1979 年病理學家Warran 經胃鏡/活檢在胃炎患者胃竇黏膜組織中發現一種彎曲狀細菌，細菌所在之處細胞黏膜發生炎癥，1982 年他與消化科醫生Marshall 合作，分離并培養出HP 菌，證明了HP 感染是胃病的主要病原體，二人的重要發現獲得了2005 年諾貝爾獎。
由于發現了 HP 是胃炎/十二指腸潰瘍的病原菌，使得診斷和治療手段有顯著的進步，例如用同位素標記的尿素測定HP 尿素酶的活力作為診斷方法，用治本藥物(甲硝唑+阿奇霉素等抗生素)和治標藥物(鉍/鋁制劑/替普瑞酮+替丁類藥物)的三聯/四聯療法，成為治療HP 引起胃炎的標準療法。
既往對患者的臨床表現，多基于癥狀、生化指標、組織切片和影像特征加以描述和判斷，雖然有更多的客觀指標，但仍屬于宏觀的表象。從藥物創新的層面審視，并沒有在分子水平(基因或蛋白)揭示疾病特征的內在聯系。如今分子生物學的發展，得以在微觀水平作生物學分析，例如基因缺失與變異、蛋白質組學、轉錄組學、表觀遺傳等技術，分析患者的臨床表現，從多樣本和大數據分析歸納基因-蛋白(酶、受體、通道、信號分子等)與疾病的關系，為創制新藥和藥物療法提供新的科學依據。因而洞察疾病的宏觀/微觀特征是上述發病的分子機制的延續和深化，為創制新藥和療法提供可行的科學路徑。
例如抗腫瘤藥物的研究更能體現上述的關聯性。人體惡性腫瘤病有 100 多種(不包括亞型)，作為復雜性疾病，干預單一的靶標或生物標志物往往難以控制腫瘤的發展。這是因為惡性腫瘤有許多異常的功能，概括起來有10 個共同的特征，其中任何一個特征都可以成為腫瘤細胞逃逸藥物治療的棧道或陳倉。這十大特征是：腫瘤細胞無控制的分裂；誘導血管生成；激活腫瘤細胞的浸潤和遷移；逃逸抑制劑的阻斷；逃避免疫蛋白的殺傷；促進炎癥因子生成；阻止程序性死亡(細胞凋亡)；失控的能量需求；基因的變異和不穩定性；啟動持續的增殖信號。所以即使特異性地抑制某個靶標或關鍵的生物標志物也未必能夠達到完全的治療效果。
BRAF 是人類最重要的原癌基因之一，位于人類7 號染色體上，編碼RAF 家族絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，BRAF 蛋白在調節MAPK/ERK 信號通路中起介導作用，影響細胞分裂，分化和分泌。大約8% 的腫瘤發生BRAF 突變，突變位點是BRAFV600E，主要發生于黑色素瘤、結腸癌和甲狀腺癌中。該突變導致下游MEK-ERK 信號通路持續激活，促進了腫瘤的生長增殖和侵襲轉移，所以，BRAFV600E 是抗黑色素瘤等的重要作用靶標。2018 年6 月FDA 批準Array BioPharma 公司研發的兩個激酶抑制劑康奈非尼(11，Encorafenib，商品名Braftovi) [8]和比美替尼(12，Binimetinib，商品名Mektovi) [9]，聯合應用治療無法切除或轉移的BRAF V600E 或V600K 突變陽性的黑色素瘤。這是一個典型的基于疾病分子機制而成功設計的治療藥。
康奈非尼是 BRAF 激酶抑制劑，阻斷了MAPK/ERK 信號通路；比美替尼是MEK 的選擇性抑制劑，MEK 是促進腫瘤的MAPK 途徑中的中樞激酶，所以康奈非尼和比美替尼聯合用藥協同治療BRAF V600E 或V600K 突變陽性黑素瘤治療。
然而在臨床治療BRAFV600E 發生變異的黑色素瘤和結直腸癌中，發現有顯著的差異，腸癌患者聯合用藥后，效果仍顯不足，是因為上述聯合治療后，癌細胞啟動了表皮細胞生長因子(EGFR)的信號通路，分子生物學顯示異常活躍，以逃逸康奈非尼+比美替尼的“制裁”。為此，將EGFR 抑制劑西妥昔單抗(cetuximab)與康奈非尼或比美替尼二聯合用，或三聯療法，療效顯著提高，從而FDA 于2021 年9 月批準用康奈非尼+西妥昔單抗二聯組合治療BRAFV600E 發生變異的結直腸癌。
4.3 藥物的作用機制
20 世紀80 年代以前的藥物大都是在細胞或整體動物的表型模型上創制的，誕生了許多優質藥物。證明在臨床的真實世界應用是安全有效的。當闡明了疾病的分子機制和藥物的作用機制(靶標或信號通路)，對既有的藥物(或活性物質)的應用有了更深刻或廣泛的認識，不僅提供了新的思路，還擴大了藥物的適應癥。舉例如下。
4.3.1 前列腺素和環氧合酶抑制劑
20 世紀70 年代發現人體前列腺素及其功能(發現者JVane 獲得了1982 年諾獎)，打開了鎮痛和抗炎的新領域，并對后來發現的環氧合酶1 和2的功能、對非甾體抗炎藥 (NSAID) 和COX2 選擇性抑制劑 (例如首創藥物塞來昔布13，celecoxib) 的抗炎鎮痛有了新的認識，從分子水平和機制上解析了抗炎鎮痛-胃腸道不良反應-心血管事件之間的關系。還確定了阿司匹林在防止血小板聚集和血栓形成的新用途[10]。
4.3.2 沙利度胺類
20 世紀60 年代一度用作孕婦的鎮靜藥沙利度胺(14，thalidomide)，因引起嚴重的致畸作用而臭名昭著，但后來發現沙利度胺具有免疫調節及抗炎作用，以及抑制血管生成及抗腫瘤作用，還發現抑制某些細胞因子的分泌如血管內皮生長因子(EGF)和成纖維細胞因子(FGF)，這些生長因子都是血管生成的刺激劑，這些蛋白與相應受體作特異性結合，刺激信號轉導，引起內皮細胞的增殖。沙利度胺干預該路徑的血管生成。重要的是14 作為手性分子，致畸作用與抗腫瘤活性是立體選擇性的，因而可完全避免該不良反應。由沙利度胺研制的來那度胺(15，lenalidomide)和泊馬度胺(16，pomalidomide)分別于2008 和2014 年被FDA 批準上市，治療多發性骨髓瘤，延誤了近半個世紀。
另外，“度胺”類藥物還發現其他特性。基礎研究揭示泛素-蛋白酶體系統(ubiquitin proteasomesystem，UPS)是重要的科學發現（三位發現者獲得2004 年諾貝爾化學獎），UPS的生理功能是清除有害或錯誤蛋白，通過酶促的生物化學反應，將蛋白降解成小肽，徹底摧毀蛋白的功能。這個成果經轉化醫學，開拓出降解致病蛋白的新的治療理念，誕生了蛋白降解靶向嵌合體(PROTAC)技術。PROTAC 是雙功能小分子，一端是結合于被降解蛋白的配體，另一端是泛素連接酶E3 的配體，經連接基共價連接成單一分子。PROTAC 的功能是將靶蛋白與E3 連接酶募集在一起，將靶標蛋白泛素化，旋即被蛋白酶體降解，使靶標蛋白徹底失活。
上述的泊馬度胺(16)是泛素E3 連接酶cereblon 的配體，連接成PROTAC 分子。可將Bruton 酪氨酸激酶(BTK)泛素化，泛素化的BTK 被蛋白酶體降解而失活，因而泊馬度胺可作為研制PROTAC 藥物的元件，以治療套細胞淋巴瘤和慢性淋巴白血病。尤其可對一線用藥的伊魯替尼(17，ibrutinib)已發生耐藥性的患者是有潛在的價值，這是因為BTK 的Cys481變異為Ser481，17 結構中的邁克爾基團因Cys481 不存在親核性巰基而失去作用，PROTAC(18)作為BTK 降解劑，可望克服耐藥性。18 中的泊馬度胺片段和伊魯替尼類似物(邁克爾基團已無用武之地，恰作為連接的位點)分別是E3 連接酶cereblon 和靶標BTK 激酶的配體，18 用于治療對伊魯替尼發生耐藥的套細胞淋巴瘤和慢性淋巴白血病[11]。
第一代 EGFR 激酶抑制劑吉非替尼(19)用于治療非小細胞肺癌已近20 年，治療中會因酶的突變，逃逸抑制而失效，Cheng 等[12]將吉非替尼6 位側鏈的嗎啉環(不參與同激酶結合的助溶基團)變為哌嗪作為設計PROTAC 的連接位點，用沙利度胺作為E3 連接酶cereblon的招募基，通過系統的構效關系研究，優化出PROTQC 分子MS154(20)，對突變型的EGFRL858R 結合的Ki 值為3.8 nmol·L-1，20 選擇性地對突變的EGFR 降解，而對野生型作用很弱，反映了PROTAC 分子作為事件驅動的過程與占據驅動過程所產生的后果是不同的。
溴域 4(BRD4)在多種腫瘤高表達，是腫瘤治療的靶標，噻吩三唑并二氮卓化合物(如OTX015，21)是BRD4 的配基，Lu 等[13]將泊馬度胺經聚乙二醇連接，化合物22(代號ARV-825)可誘導蛋白酶體選擇性地降解BRD4 蛋白，IC50 < 1 nmol·L-1。22 可降低Brukitt 淋巴瘤細胞中C-myc 水平，阻斷細胞增殖，并誘導凋亡。體外實驗加入來那度胺可阻斷22 的降解作用，是因為游離的來那度胺分子競爭性地結合cereblon，阻止了BRD4 的泛素化作用。
以上含有泊馬度胺類的PROTAC 例子說明，發掘已有的藥物的新作用機制可以用于創制新的治療領域，其實PROTAC 結構中結合靶標蛋白的配基可以廣泛地借鑒已有藥物或活性分子。
例如為了治療去勢前列腺癌而又耐受雄受體(AR)拮抗劑的患者，Han 等[14,15]研究AR 的PROTAC 降解劑，以“魯胺”類AR 拮抗劑為結合AR 的配基，分析了恩雜魯胺(23)和其他AR拮抗劑與雄受體的共晶結構，發現連接胺酰基的苯環未同受體接觸，因而以此作為連接位點連接招募E3 連接酶VHL 的配體，對連接基作多輪優化，得到了24，對高表達AR 的LNCaP細胞的IC50 = 2 nmol·L-1，而對照的AR 拮抗劑恩雜魯胺的IC50 = 150 nmol·L-1。
4.3.3 胰高血糖素樣肽-1 的長效化
治療慢性病需長期用藥，提高藥物的代謝穩定性，減少用藥的頻次或方便的服藥方式也是實現臨床價值的有效途徑。丹麥的諾和諾德公司在蛋白質類藥物的長效化和口服化的首創性引人注目，他們的降糖和減肥藥的GLP-1 類藥物已占據全球市場很高的份額。
胰高血糖素樣肽-1(25，GLP-1) 是腸內分泌的肽類激素，產生于人小腸黏膜的L 細胞。GLP-1 具有多種生理功能：刺激胰島的β細胞分泌胰島素，抑制高血糖素的釋放，延緩胃的排空，以及抑制食欲等，這些效應都是葡萄糖依賴性的，因而GLP-1 是生理性降低血液中葡萄糖的內源性調節物質。所以，只要維持一定水平的GLP-1，理論上應是控制2 型糖尿病的有效途徑。GLP-1 發現于1984 年，是含有30 或31 個氨基酸的肽類激素[16]。
人體內激素的共同特點，是一旦分泌并履行生理功能后，就被迅速代謝失活，以維持內環境的穩態。GLP-1 也具有快速被降解的性質，是被二肽基肽酶（DPP-4）水解，半衰期低于2 min，酶的剪切位點為Ala8-Glu9，生成的代謝產物與受體的親和力很低，因而失去活性。諾和諾德的研究者用丙氨酸掃描確定了同受體結合的重要氨基酸殘基(25 中粗體所示)，反襯出可以修飾或變換的位點。
經過多輪的構效關系研究最終優化出利拉魯肽(26，liraglutide), 其結構是將Lys34 變換成Arg34，在Lys26 的ξ-氨基經谷氨酸連接基，再與十六烷酸連接的GLP-1 修飾肽。
白蛋白是多功能的轉運蛋白，可運載內源性物質和藥物。被轉運的分子上若連接長脂肪(酸)鏈可提高與白蛋白的結合能力，從而延長在血漿中的存留時間并減低被腎臟的清除。經臨床前試驗和臨床研究，證明利拉魯肽具有與GLP-1 相同的生理功能，在血漿中利拉魯肽發生自締合（self association）并與白蛋白發生疏水性結合，顯著提高了對DPP-4 和內切酶的穩定性，半衰期t1/2 11～15 h，患者每日用特制注射器自行皮下注射一次，可控制2 型糖尿病患者的血糖，成為第一個改構的人GLP-1 的降血糖藥物，美國FDA 于2010 年批準上市[17]。GLP-1 對DPP4 的不穩定性是由于Ala8-Glu9 是酶的剪切位點，為了提高對DPP4 的穩定性，在研制利拉魯肽的構效關系基礎上，將利拉魯肽的Ala8 換成α-氨基異丁酸Aib8，以降低DPP4 的識別和剪切，變換并增長連接于Lys26 的脂肪鏈，又研制出新一代的修飾肽索馬魯肽（27，semaglutide）[18]。表2 比較了索馬魯肽(27)與利拉魯肽(26)的藥代動力學性質，索馬魯肽在血漿的半衰期是利拉魯肽的4 倍，生物利用度高達94%，清除率比利拉魯肽低一半。
索馬魯肽于 2017 年批準上市，作為治療糖尿病和減肥藥物，每周注射或口服用藥1 次，實現了長效和方便應用的臨床目標。2019 年索馬魯肽的銷售額達17 億美元，2020 年上半年15 億美元，已超過了利拉魯肽。
4.3.4 西地那非潛在的新用途
西地那非(1，sildenafil)可謂是傳奇式藥物。最初是輝瑞公司針對PDE5 靶標研發治療冠心病和肺動脈高壓藥物，在臨床II 期階段，對有限數量的心絞痛患者進行實驗治療觀察，結果沒有達到預期的效果而終止了心血管病的臨床研究。以Osterloh 為首的臨床醫生在分析歸納西地那非的臨床效果時，意外地發現男性受試者服藥后生殖器出現勃起現象，勃起程度與服用劑量呈相關性。這個發現促使輝瑞公司改變了該項目的適應癥研究，在1994 年對12 名有勃起障礙的患者進行了II 期臨床研究，結果10 名患者的勃起有顯著增強。經過三期臨床研究，證實西地那非確實有促進男性勃起的功能，于1998年FDA 批準作為促進勃起的藥物上市，后來臨床證實對治療肺動脈高壓也有明確的療效[19]。
后繼的基礎研究和臨床研究提示，西地那非與降低阿爾茨海默病風險可能存在因果關系，認為在阿爾茨海默病患者中一氧化氮/環磷酸鳥苷 (cGMP)水平降低，是由于降解cGMP 的磷酸二酯酶 5 (PDE5)上調的緣故，西地那非抑制PDE5，增加cGMP 水平。西地那非還抑制β-分泌酶 1 的表達和淀粉樣蛋白-β (Aβ) 的生成，上調抗氧化酶，并誘導線粒體K 通道開放等。西地那非還可增強神經發生，同時抑制神經細胞凋亡和炎癥[20]。
分子生物學和計算生物學為老藥新用提供了有力的支撐，擴展了已有藥物的用途。Cheng(程雄飛)等用計算生物學整合了阿爾茨海默病的生物學和遺傳學數據，構建了該疾病13 個特征性內表型網絡(endophenotype network)，繪制成包含有35 萬種人類蛋白-蛋白相互作用的網絡圖，再用1 600 種已知藥物擬合網絡接近度的分值，高分值藥物預示能與阿爾茨海默病的多種靶標發生相互作用。發現西地那非是得分最高的一種藥物，結合臨床前研究西地那非可以顯著改善認知和記憶，提示西地那非可能影響阿爾茨海默病。為了驗證西地那非與阿爾茨海默病的相關性，還分析了美國700 多萬人的保險理賠數據，發現使用西地那非的男性隨訪6 年后阿爾茨海默病確診風險降低了73%。細胞生物學研究表明，用患者的人類小膠質細胞和神經元(可誘導多能干細胞)進行體外實驗，西地那非可增加神經軸突生長，并降低tau 蛋白的異常磷酸化，說明西地那非在降低阿爾茨海默病風險有潛在的用途[21]。
4.3.5 魔高一尺道高一丈的Bcr-Abl 激酶抑制劑
諾華公司2001 年上市的伊馬替尼(28，imatimib)是作用于Bcr–Abl 激酶、治療慢性粒細胞白血病的首創性藥物，成為開辟靶向藥物新領域的標志。持續用藥使靶標Bcr–Abl 發生變異，激酶的門戶氨基酸殘基The315 變異為Ile315，使得28 難以與之結合而無效。2007 年上市的尼洛替尼(29，nilotinib)是諾華研制克服耐藥的第二代產品，是通過構效關系研究得到的。29 與28 的結構主要區別是兩個苯環間的胺酰鍵–HN-CO-逆向為酰胺鍵-CO-NH-，以及右側苯環連接較大的取代基團，結構生物學表明，酰胺基變向的29 更適配于同突變型激酶發生氫鍵結合，29 對轉染Bcr-Abl 變異的Ba/F3 細胞活性比28 提高了26 倍[22]。
2012 年Ariad 公司上市的帕納替尼 (30，ponatinib)是日本武田公司基于AblT315I 變異的微觀結構 “量體裁衣”式設計出來的。Thr315 變異為Ile，殘基側鏈的CH2OH 變成CH(Me)Et，失去了OH，使嘧啶與苯環之間的-NH-不能形成氫鍵，28 的-NH-已無所用，而且突變后的Ile 體積和疏水性都大于Thr，空間變小，30 用炔鍵連接兩個芳環，-C≡C-體積減小了位阻并有利于疏水結合，因而對AblT315I 變異的瘤株有顯著性提高活性，為第三代治療慢粒白血病的藥物[23]。我國亞盛醫藥研制的GZD824(31) 也是克服耐藥的新一代藥物，臨床研究對耐藥的慢性髓性白血病已顯示有良好治療效果[24]。
5
結語
新藥創制是以生物學基礎研究驅動，患者需求為核心，臨床價值為導向，轉化醫學為杠桿的復雜的科學技術體系，作為引擎的基礎生物學研究成果，通過化學生物學、藥物化學、藥理學(包括藥代動力學和毒理學等)、轉化醫學和臨床醫學的接力整合，實現新藥創制的知識價值鏈。構建新的分子結構(NME)的藥物化學是其中的重要環節，但不是核心，實現藥物的臨床價值、滿足患者的需求則是終極目標，現時形勢要求藥化工作者應突破固有的靶標-設計-合成-評價的模式，從大視野的角度，上溯關注基礎研究及其成果，及時向創制新藥的方向轉化；向下游關注臨床要求，結合疾病的宏觀和微觀特征，落實轉化過程的具體內容，這對于首創性藥物的研發是非常關鍵的環節。
參考文獻
詳見《藥學學報》2022年
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