多靶点药物分子设计

·276·药学学报ActaPharmaceuticaSinica2009,44(3):276-281多靶点药物分子设计郭彦伸,郭宗儒*(中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所,北京100050)摘要:作用于单一分子靶标的药物治愈多基因相关疾病如癌症、或影响多个组织或细胞类型的疾病如糖尿病等存在的问题逐渐被人们所认识。与选择性药物的治疗作用相比，几个靶标间的平衡调节能够提供较好的疗效和较低的副作用，同时作用于多个靶标的多靶点药物能够较好地控制复杂的疾病。本文详细比较分析了单靶点药物的不足和多靶点药物的优势，介绍了多靶点配体药物分子设计的方法及需要优化的参数。对于多靶点药物设计，关键的挑战是如何保证获得平衡的活性同时又能够实现选择性以及适当的药代动力学性质。到目前为止,多靶点药物分子设计的方法对于药物化学家、药理学家、毒理学家以及生物化学家仍然是一项新的挑战。关键词:多靶点配体;药效团组合;药物分子设计中图分类号:R916.1文献标识码:A文章编号:0513-4870(2009)03-0276-06DesignofmultipletargeteddrugsGUOYan-shen,GUOZong-ru*(InstituteMateriaMedica,ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege,Beijing100050,China)Abstract:Drugsdesignedtoactonindividualmoleculartargetsusuallycannotcombatmultigenicdiseasessuchascancer,ordiseasesthataffectmultipletissuesorcelltypessuchasdiabetes.Increasingly,itisbeingrecognisedthatabalancedmodulationofseveraltargetscanprovideasuperiortherapeuticeffectandsideeffectprofilecomparedtotheactionofaselectiveligand.Themulti-targetdrugswhichimpactmultipletargetssimultaneouslyarebetteratcontrollingcomplexdiseasesystemsandarelesspronetodrugresistance.Here,wecomparethedisadvantageoftheselectiveligandsandthepredominanceofmulti-targetsdrugsindetailandintroducetheapproachesofdesigningmultipleligandsandtheprocedureofoptimizationparticularly.Akeychallengeinthedesignofmultipleligandsisattainingabalancedactivityateachtargetofinterestwhilesimul-taneouslyachievingawiderselectivityandasuitablepharmacokineticprofile.Onthispoint,themulti-targetapproachrepresentsanewchallengeformedicinalchemists,pharmacologists,toxicologists,andbiochemists.Keywords:multipletargetedligands;pharmacophorecombination;designofdrug药物靶标是指与疾病的发生有因果关系或者参与疾病的发展过程,并通过药物对其进行调节而实现治疗目的的生物分子。自30多年前引入离体筛选(invitro)的概念以来,基因组学和高通量筛选技术的进步，使药物发现从依赖动物筛选逐渐转变到“一病一靶”。现代药理学研究已深入到细胞和分子水平,更加强调药物作用的靶标,发现了许多单一靶点选收稿日期:2009-02-11.*通讯作者Tel:86-10-83155752,E-mail:[e-mail]择性的药物,在临床上表现出显著的疗效,如选择性的HMG辅酶A还原酶抑制剂[1]。随着进一步的深入研究,发现单一靶点药物也存在着明显的不足。单一靶点抗肿瘤药物单独用药对于晚期患者的化疗效率不高,人们逐渐认识到单一靶点药物之间的联合应用或作用于多个分子靶标的“多靶点”药物在治疗功能失调类疾病时将起到重要作用[2,3]。目前人们有意识地、理性地设计作用于特定的多个靶点的配体成为研究趋势,“多靶点”药物研发将成为研究的热点。郭彦伸等:多靶点药物分子设计·277·1单一靶点药物的不足随着人们对疾病相关分子作用机制研究的深入,以及药物靶标研究、高通量筛选、组合化学为代表的现代药物研发技术的迅速发展和生物技术药物的兴起,出现许多单一分子靶点的药物,如抗炎药物选择性COX-2抑制剂(塞来昔布,celecoxib)[4]、胰岛素增敏剂PPAR-γ激动剂(罗格列酮,rosiglitazone)[5]、抗肿瘤药物DNA拓朴异构酶抑制剂(拓扑替康,topotecan)[6]、蛋白酪氨酸激酶抑制剂(格列卫,Gleevec)[7]和表皮生长因子受体-酪氨酸激酶(EGFR-TK)抑制剂iressa[8]等，其中部分药物在临床中发挥了显著的疗效。以分子靶标为中心的药物研发思路，遵循“一病一靶”的理念，目的是寻求药物与某一受体或酶的高亲和力、选择性结合，以期产生显著的疗效，但是单一靶点的药物在本质上存在着不足。从疾病本身来看，人类多数疾病并不是由单一基因或靶点导致的疾病，单一靶基因异常导致的疾病仅占少数，如慢性粒细胞白血病（CML）等，虽然选择性抑制Bcr-Abl的药物Gleevec对部分患者取得了显著疗效，但Terre等[9]报道了在1001例用Gleevec治疗的ph阳性的CML病人中34例出现了克隆性染色体异常，已发现了多种Bcr-Abl突变[10]。对人类健康危害最大的是一些慢性疾病和传染性疾病，如心脑血管疾病、糖尿病、恶性肿瘤、乙型肝炎和艾滋病等,这些疾病发病机制复杂，多数有多基因相关性,在临床上使用单一靶点的药物并不能有效控制或治愈[2]。从药物靶标来看，药物靶标并不是疾病所独有的，多数具有多重生物功能，或者与其他功能蛋白相互影响。过分抑制或激活体内某一生物分子，在干预其本身生物功能的同时，有可能影响与其相关的生物分子的功能，从而导致副作用，如长期使用TNF-α抑制剂可能会诱发淋巴瘤[11]。“一病一靶”的理论忽视了体内或细胞内生物大分子的相互影响，细胞内信号传导通路存在着网络系统[12]，只抑制一种细胞信号分子，细胞内的信号往往可以通过其他传导途径，最终对细胞的功能和状态影响不大，治疗效果不佳；或者信号传导过程中影响了其他的信号分子，导致不良反应。从药物分子本身来看，很难找到仅作用于单一靶点的分子。因为体内的蛋白质分子，如果其氨基酸序列的同源性大于35%，就可能具有相似的三维结构,组成药物作用位点的主要结构的分子折叠也基本相同，只是在非螺旋或非折叠区域有所差别，而且蛋白质结构比序列更具保守性。因此，细胞内具有不同功能的蛋白质分子，可能具有相似的药物结合域。结合能力强的化合物进入体内后，除与靶分子结合外，还能够与其靶分子结合位点相似的其他非靶分子发生不同程度的结合，从而导致副作用。尽管在药物功能性筛选阶段要进行选择性筛选，如对命中化合物进行几十个同类或相关受体结合的试验，以便确定得到的阳性化合物是否具有选择性。高选择性的配体在实际使用中也会产生副作用,在某种程度上单靶点药物也发生了多靶点的结合，只是发现的药理作用是副作用而已。2多靶点药物分子设计的基础从疾病发生、发展的过程看，很多疾病是由于同一超家族或相关的基因紊乱造成[13]，同一超家族中受体又分为若干亚型,如肾上腺素受体又分为α1、α2、β1和β2等亚型，其分布和功能都有区别，这些超家族受体或不同亚型的受体的结合位点存在相似性,能够兼容同一小分子配体,可以根据受体结合腔相似性设计多靶标的小分子药物。内源性的配体如激素、神经递质等，具有很强的调节生物功能的能力,一些超家族尽管基因不同,但它们的内源性配体几乎是相似或相同的，如与血栓素A2有关的类花生酸(eicosanoid),包括前列腺素(prostaglandin)、血栓素(thromboxane)和白三烯(leucotriene)等[14],它们是哺乳动物组织产生的激素类物质；神经递质5-羟色胺系统的内源性配体之间存在很大的相似性[13]。模拟这些内源性物质进行小分子药物设计有可能实现多重作用的目的。相关受体结合位点的相似性,以及相似或相同内源性配体与疾病的相关性（如5-羟色胺与抑郁症）是进行多靶点配体药物分子设计的基础，也可以通过内源性配体的相似性和受体种系遗传学的角度分析它们之间的相关性。少数多靶点配体作用于不同超家族或内源性配体不相似的受体，Fujita等[15]首次发现双重作用的血栓素合成酶抑制剂（TxSI）和血小板活化因子受体(PAF)拮抗剂,Ryckmans等[16]首次报道双重作用的5-羟色胺转运体（SERT）重摄取抑制剂和神经激肽受体（NK1）拮抗剂。同一小分子配体能够作用于不同的靶蛋白，是因为蛋白质的三维结构比序列更具保守性，存在相似的结合位点，结合腔具有相似的空间和化学特征。在一个分子中实现对两个不同靶点的双重作用是比较困难的，仔细研究不同受体结合腔能够容纳的化学特征，在相应的位置设计能够符合两个靶标要求的药效团，结合腔的兼容性是进行多靶点药物分子设计的基础。·278·药学学报ActaPharmaceuticaSinica2009,44(3):276-2813多靶点药物的优势多靶点药物能够有效地调节整个细胞复杂的系统，不完全消除信号传导系统中各成员之间的关系。多靶点药物能够提高疗效和（或）改善安全性，作用于疾病相关的多个靶点，产生多种药理活性，获得所需的多样性的生物调节功能，减少副作用。多靶点药物二氢叶酸还原酶抑制剂培美曲塞（pemetrexed,alimta），能同时阻断癌细胞生存所必须的、多个与叶酸系统相关的酶的活性，从而抑制嘌呤及嘧啶的生物合成，影响DNA的合成，具有较强的抗肿瘤活性和广谱抗瘤性。美国FDA于2004年2月以快速审批途径批准其联合顺铂治疗恶性胸膜间皮瘤，同年8月FDA又批准其第二个适应证，治疗复发的局部晚期或转移性非小细胞肺癌（NSCLC）[17]。抗抑郁药物从非选择性的三环类阿米替林（amitriptyline）到选择性的5-羟色胺转运蛋白（SERT）抑制剂，然后再到双重的SERT和去甲肾上腺素转运蛋白（NET）抑制剂度洛西汀（duloxetine）[18]，组合了快速起效和增强药效的特点。非甾体抗炎药（NSAIDs）的研究历程反映了人们对药物的认识过程，从非选择性的COX-1和COX-2抑制剂阿司匹林开始，经过选择性的COX-2抑制剂罗非昔布（rofecoxib，万络，Vioxx）,到设计的多靶点配体药物分子――具有双重作用的COX-2和5-酯氧酶（LOX）抑制剂，该抑制剂能够增加药物的有效性，减小选择性COX-2抑制剂的副作用[19]。4多靶点配体药物分子设计多靶点配体的靶标大部分源自同一超家族,其内源性底物是相同或相似的,也反映了内源性配体和疾病的关系,为针对相似性靶标理性地设计多靶点配体提供了可能。对于不同超家族或内源性配体不相似的情况，可通过计算的方法确定合适的靶标组合,CavBase[20]能够对不同蛋白结合位点的几何和物理化学特征进行相似性比较,提示哪些靶点组合适合设计多靶点配体。首先探测蛋白表面的裂隙或腔穴,对腔穴几何和物理化学