以化學結構為導向的藥物設計與開發(fā)

1、<p>　　以化學結構為導向的藥物設計與開發(fā)</p><p><b>　　方陵生/編譯</b></p><p>　　卡蒂亞·卡迪謝維斯基（Katya Kadyshevskaya ）的斯克里普斯GPCR網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的G蛋白耦合受體和它的七個跨膜區(qū)</p><p>　　● 林道會議重要發(fā)言人之一的布賴恩·科比爾卡（Brian

2、 K. Kobilka）認為，了解G蛋白耦合受體的結構可幫助藥物的設計開發(fā)，但這一切又是怎么進行的呢？</p><p>　　醫(yī)學上深有造詣的布賴恩·科比爾卡感覺，自己在今夏的林道會議上“就像一位剛加入化學俱樂部的新人”，但實際上，幾乎每一位與會者對他獲得諾獎的成就——G-蛋白耦合受體（GPCR）的研究發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)非常熟悉了。用美國北卡羅萊納大學結構生物學家布賴恩·羅斯（Bryan Roth）的話

3、說，這一研究成果“已經(jīng)徹底改變了新的GPCR藥物開發(fā)的途徑”，并可能為許多疾病的治療提供新的方法。 </p><p>　　2012諾貝爾化學獎得主科比爾卡</p><p>　　GPCRs可對體內幾乎所有細胞發(fā)出的各種信號進行調節(jié)，包括荷爾蒙激素、神經(jīng)遞質、離子、氣味分子，甚至還有光線。在被匹配的分子（或配體）激活后，GPCRs產(chǎn)生結構性變化，引發(fā)細胞的一連串連鎖反應。以GPCR家族的不同成

4、員為靶標開發(fā)的藥物，可產(chǎn)生各種大的生理效應。例如，β受體阻滯劑能減緩心率、抗組胺藥可以預防過敏反應、安定藥可調節(jié)神經(jīng)傳遞等。因此，GPCRs給藥物設計帶來了無限的可能性。事實上，正是GPCRs對于重癥護理藥物研發(fā)的重要性，吸引著科比爾卡走出臨床門診進入了實驗室。</p><p>　　科比爾卡和羅伯特·萊夫科維茨（Robert J. Lefkowitz，2012年諾貝爾化學獎得主之一）的研究揭示了GPCR

5、家族的常見結構及其變異成員。澳大利亞莫納什大學的藥理學家阿瑟·克里斯托潑羅斯（Arthur Christopoulos ）認為，將生物學上的數(shù)據(jù)轉換為藥物發(fā)現(xiàn)上的進步，需要“生物學家和化學家的密切合作”。目前，很多研究人員都在致力于利用GPCRs的新的信息，以結束“鈍錘”藥物一統(tǒng)天下的局面?？死锼雇袧娏_斯也是其中之一。</p><p>　　這項研究已經(jīng)超越了學科界限。研究人員希望設計的以GPCRs為靶標

6、的新的藥物，可提供更有效的治療和更多的選擇性，并盡可能地消除藥物的副作用。正是基于這些新的知識，藥物化學家開始設計綁定到某個特定受體上的新的配體，可比現(xiàn)有藥物更有效地改變受體的活動。</p><p>　　由于2008年建立的斯克里普斯GPCR網(wǎng)的努力，被破解的GPCR結構的數(shù)量正在迅速增加。斯克里普斯GPCR網(wǎng)是一個大型的網(wǎng)絡協(xié)作項目，涉及十多個研究所和工業(yè)實驗室，其目標是在2015年前至少確定15個 GPCRs

7、的特點，目前已經(jīng)破解了13個</p><p>　　GPCRs結構：藥物開發(fā)的精確工具</p><p>　　藥物研發(fā)是一個緩慢而昂貴的過程。進入臨床試驗第一階段的藥物，最終只有5%不到能夠獲得美國食品和藥品管理局（FDA）的批準，每種藥物的開發(fā)成本估計接近10億美元。直到不久之前，人們對包括那些以GPCRs為靶標的大多數(shù)藥物的構成結構和其生物學原理的理解還都十分有限。</p>

8、<p>　　GPCR藥物開發(fā)最成功的例子是那些能通過如腎上腺素和復合胺等小分子激活的受體，如于45年前獲得批準的腎上腺素受體顯效藥舒喘寧，至今仍然是治療哮喘最有效的藥物之一。但開發(fā)能與大的蛋白質或配體結合的有藥物屬性的小分子則是一個很大的挑戰(zhàn)。由于GPCRs家族之間的相似性，很難鑒別選擇的藥物是否會產(chǎn)生意料之外的非目標行為。</p><p>　　如果研究人員能夠反過來從受體結構入手，將有助于促進新藥物的

9、開發(fā)工作，即利用受體綁定的結構信息反饋到虛擬篩選程序中，通過識別每個受體綁定的特定區(qū)域，可以設計出具有高度選擇性的配體，這也是靶向藥物開發(fā)的第一步?！斑@些方法將導致候選藥物高度優(yōu)化并提高藥物開發(fā)的效率?！庇悬c藥物開發(fā)公司Heptares Therapeutics首席科學官菲奧納·馬歇爾（Fiona Marshall）說道。</p><p>　　馬歇爾認為，GPCRs將逐漸成為一些罕見疾病治療藥物的開

10、發(fā)目標（對于這類疾病目前幾乎無任何有針對性的藥物）。所謂的“孤兒受體”（即GPCRs的自然配體目前還屬于未知）也是具有吸引力的藥物靶標。Heptares正在對最近擺脫了“孤兒受體”之名的受體進行研究，確認了GPR39的促效藥（GPR39參與胰島細胞功能，一直是糖尿病治療的目標之一）。馬歇爾解釋說：“這種受體特別的意義在于，它有可能阻止糖尿病的發(fā)展?！贝送?，Heptares公司正在與其他制藥公司合作，使用穩(wěn)定的純GPCR制劑產(chǎn)生的抗體激活

11、或抑制受體活動，這類治療性抗體藥物具有許多優(yōu)勢?！耙恍┚哂刑禺愋缘目贵w作用持久，可與其他形式的藥物配合用于癌癥治療。”馬歇爾說道。一些公司開發(fā)的許多類似的抗體已經(jīng)用于臨床，例如，東京一家生物科技公司開發(fā)的藥物mogamulizumab（商品名為Poteligeo），在日本已被批準用于治療成人T細胞白血病。 </p><p>　　GPCRs研究：改變世界醫(yī)學的未來</p><p>　　結構研

12、究已揭示了GPCRs在其他層次的復雜性。除了內源性配體綁定位點之外，GPCRs還有可以綁定其他分子的變構位點（變構位點的結構更為多樣化），給GPCRs的微調提供了更多機會。變構位點的效應難以量化，尤其是對于許多GPCR的靶標來說，達到最佳治療效果的信號水平還屬于未知。但這是一個激動人心的領域，“如果我們能夠了解受體信號與臨床效果之間的聯(lián)系，我們將能有更好的辦法讓藥物擁有我們希望達到的屬性。”澳大利亞莫納什大學藥理學家帕特里克·

13、塞克斯頓（Patrick Sexton）解釋道。</p><p>　　目前已有兩種變構配體批準作為治療藥物，美國加州Amgen 公司開發(fā)的cinacalcet（商品名為Sensipar），作用是激活鈣敏感受體，用于治療甲狀旁腺功能亢進；英國ViiV Healthcare 公司開發(fā)的maraviroc（商品名為Selzentry或 Celsentri），用于阻斷艾滋病病毒借以進入宿主細胞的趨化因子受體，以及許多小公

14、司正在研究GPCRs的變構調節(jié)作用，用以治療神經(jīng)退行性疾病和精神疾病。瑞士Addex制藥公司正在二期試驗中的化合藥物，通過逆轉左旋多巴誘發(fā)的運動障礙治療帕金森氏疾病患者，對于治療極為罕見的肌張力障礙也有很大的價值?！芭c正位結合位點相比，這些化合物在受體亞型上擁有更大的選擇性?！盇ddex制藥首席執(zhí)行官蒂姆·戴爾（Tim Dyer）說道。</p><p>　　在實驗室里可通過將化合物同時作用于正位結合位點

15、和變構結合位點進行藥物篩選，雖然這樣的雙跨膜（bitopic）配體在實驗室里已經(jīng)確定，但都還沒有進入臨床試驗?？死锼雇袧娏_斯指出，雙跨膜配體的研究仍處于早期階段，最重要的挑戰(zhàn)之一是如何找到最好的辦法，將與正位位點和變構位點結合的配體連接起來，這樣結合的分子有可能“因太大而不能被適當優(yōu)化并作為潛在的藥物靶標而加以開發(fā)。” </p><p>　　馬歇爾指出，基于GPCR結構的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)“還處于早期階段”，很多靶標

16、難以結晶，更重要的是，這些GPCR結構在不停的變化之中?！霸谒幬镌O計計算方法中，應將GPCRs的動態(tài)特性考慮進去，” 克里斯托潑羅斯指出，“否則我們也將遇到其他藥物開發(fā)同行在過去曾遇到過的藥物開發(fā)成功率低的問題?！?lt;/p><p>　　但塞克斯頓樂觀地預測，未來五年里，受體成功結晶的數(shù)量和用來描述反應的定量工具的數(shù)量都會增加。他補充說，“這些都將逐步對候選藥物的選擇產(chǎn)生影響?！彪S著生物學和化學領域學科交叉的繼續(xù)，

17、科比爾卡在化學俱樂部里很快將不再是一位新人了。</p><p>　　[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]</p><p><b>　　● 相關鏈接 ●</b></p><p>　　“尤里卡”時刻：預示偉大發(fā)現(xiàn)的小發(fā)現(xiàn)</p><p>　　1968年，羅伯特·萊夫科維茨用放射性碘分子對一些荷爾蒙激素做了

18、標記后發(fā)現(xiàn)，這些激素可以綁定細胞外的受體，然后觸發(fā)細胞內的反應，首次證明了生物學活性受體的存在。</p><p>　　布萊恩·科比爾卡于上世紀80年代加入萊夫科維茨的研究團隊，他們的研究目標是要分離出腎上腺激素受體的基因編碼，腎上腺激素所起的一個關鍵作用是調節(jié)心血管功能。1986年，他們成功克隆了β2-腎上腺激素受體，發(fā)現(xiàn)它與視網(wǎng)膜紫質受體十分相似，其相似性表明，β-腎上腺激素受體是一個更大受體家族的一

19、部分，它們在結構上相似，但擁有完全不同的功能。這些受體很快被命名為G蛋白耦合受體（GPCRs）。</p><p>　　在此之后，800多個GPCRs基因編碼相繼被確認，其中23個的結構已被破解。大多數(shù)這些受體的結構為A族（與視網(wǎng)膜紫質相似），包括腎上腺素、毒蕈堿和阿片受體，是治療心臟病、呼吸停止和鎮(zhèn)痛藥物的既定目標。但GPCRs難以分離和結晶，它們不僅難以溶解，而且其結構也極不穩(wěn)定，隨著與不同配體和細胞內信號傳輸

20、蛋白的交互作用而發(fā)生變化。直到2011年，科比爾卡設法讓人體β2-腎上腺受體綁定于某個配體或G蛋白時被激活的那一刻（結晶），并同時給細胞發(fā)送信號。</p><p>　　最近已有來自不同家族受體結構的相關報道，包括SMO受體（smoothened receptor）和B族的兩個受體——促腎上腺皮質激素釋放因子1受體（CRF1R）和胰高血糖素受體。已得到驗證的這些受體的臨床目標疾病包括癌癥和Ⅱ型糖尿病等，但由于它們與