基于片段藥物設(shè)計（FBDD）簡史

2016年4月14日 | Filed under: 藥物化學(xué),文獻綜合 | Posted by: 路人丙

前天FDA批準了首個蛋白-蛋白相互抑制劑Venetoclax，這也是繼2011年批準首個通過基于片段藥物設(shè)計（FBDD）技術(shù)設(shè)計的藥物—BRAF抑制劑Vemurafenib之后第二個成功利用FBDD設(shè)計的上市藥物。今天我就簡單講講FBDD技術(shù)。鑒于很多讀者并非化學(xué)專業(yè)，所以我盡量通俗一點。

首先介紹幾個基本概念。配體和蛋白的結(jié)合能力通常用抑制常數(shù)來衡量，而這個抑制常數(shù)和結(jié)合自由能成指數(shù)正相關(guān)。自由能量和能量的區(qū)別好比你的錢和所有錢的關(guān)系，自由能像你自己財產(chǎn)一樣可以用來做事。所有化學(xué)過程都受熱力學(xué)第二定律控制，這個定律指出在封閉體系任何自發(fā)過程自由能必然降低，翻譯成大白話就是如果你不是富二代（沒有能量輸入，即封閉體系）任何你享受的事情必然導(dǎo)致你財產(chǎn)減少。化合物活性的提高本質(zhì)上是化合物與靶點結(jié)合后體系自由能降低幅度的提高。

結(jié)合自由能和很多因素有關(guān)，但簡單地說分子越大、結(jié)合位點越多，結(jié)合能力越強。大概相當(dāng)于消費方式越多消費者越高興。90年代多個研究顯示如果選擇恰當(dāng)，在一定范圍內(nèi)每增加一個重原子結(jié)合自由能最多可以增加1.5Kcal/mol，大概相當(dāng)于提高11倍結(jié)活性。注意這不意味著隨便在分子上加任何重原子都能提高11倍活性，而是根據(jù)經(jīng)驗最多可以增加這么多活性。這個邏輯框架也是現(xiàn)在FBDD優(yōu)化必須跟蹤的一個指標(biāo)、配體效率（LE）的基礎(chǔ)。

早期的新藥開發(fā)沒有靶點，也自然談不上結(jié)合能。現(xiàn)在公認的首個理性設(shè)計藥物是H2受體拮抗劑甲氰咪胍，當(dāng)時的先導(dǎo)物是內(nèi)源性配體組胺。后來ACE抑制劑的成功使這種優(yōu)化化合物和單個靶點結(jié)合強度的新模式流行起來。ACE的先導(dǎo)物來自巴西蛇毒里分出的一個多肽。無論組胺（本身是個激動劑）還是多肽優(yōu)化成最后藥物都非常不容易，而且對很多靶點來說即使這樣難于優(yōu)化的先導(dǎo)物也沒有。

所以90年代中期有人想到FBDD這個思路。想法是雖然活性很好的先導(dǎo)物不好找，但結(jié)合能力弱的先導(dǎo)物還是容易找。如果能把兩個弱結(jié)合片段鏈接在一起，結(jié)合能則可以加到一起。因為活性和結(jié)合能是指數(shù)正相關(guān)，所以活性可以指數(shù)提高。比如一個1 uM的配體如果和一個很弱的1 mM配體鏈接起來可能產(chǎn)生1 nM的高強度配體。最早的所謂片段鏈接技術(shù)就是通過同位素標(biāo)記的蛋白篩選能和這個蛋白不同位點結(jié)合的片段，然后用化學(xué)手段不兩個片段結(jié)合在一起成為高活性配體。

2001年GSK的Michael Hann用一個非常簡單的模型指出理論上越小的片段篩選成功率越高，所以FBDD更高效。但這個模型假設(shè)配體和蛋白的作用非正即負，事實上并非所有系統(tǒng)都這樣。有些靶點適合FBDD，而有些靶點不適合。FBDD永遠不可能發(fā)現(xiàn)嗎啡這樣的復(fù)雜配體。2006年Shoichet把一個高活性配體一段段肢解到片段，結(jié)果每剪短一部分后的分子都和原來分子與同一蛋白的結(jié)合方式不同。所以如果從最小片段開始用FBDD技術(shù)將很難發(fā)現(xiàn)開始的高活性配體。

如果傳統(tǒng)的配體/靶點結(jié)合算是鎖頭和鑰匙的關(guān)系，那么FBDD好比用膩子密封窗子。雖然很長，但是每段都很簡單，基本和搭積木類似。如上面所講，F(xiàn)BDD很難把片段做成復(fù)雜的鑰匙。雖然上膩子相對簡單，但還是需要一些有關(guān)窗子形狀的信息。即使是PPI這種表面沒有什么結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合腔，一般FBDD也必須有晶體結(jié)構(gòu)或核磁結(jié)構(gòu)的支持，以減少需要合成的化合物。否則優(yōu)化可能性太多，需要合成的化合物太多。有些人宣稱沒有蛋白結(jié)構(gòu)也成功使用FBDD發(fā)現(xiàn)高活性配體，這種情況多是從文獻借鑒了大部分類似分子的結(jié)構(gòu)特征。把甲基接到嗎啡上得到的活性配體不能算是從甲烷開始的FBDD設(shè)計。

在FBDD開始的時候Lipinski也提出了著名的五規(guī)則。FBDD最大的問題是起點化合物活性很低，如果不嚴格控制將需要很大的分子才能達到需要的活性。而分子太大則吸收溶解都不好，對于細胞內(nèi)靶點還有過膜問題。所以FBDD必須監(jiān)控配體效率以保證LE不會隨著活性提高而下降。但因為適于FBDD的靶點通常需要超出傳統(tǒng)藥物分子大小的配體，所以FBDD發(fā)現(xiàn)的上市藥物并不多，這個模式也不可能取代HTS用于所有的靶點。