小分子药物筛选技术研究现状及其应用进展.pdf

小分子药物筛选技术研究现状及其应用进展武瑞君李玮琦杨阳王晶张鑫方子寒张小奕苏月(中国生物技术发展中心北京)摘 要 小分子药物筛选技术伴随着药物的发现正在不断更新和拓展药物筛选技术的创新可以提高研发效率和成功率、缩短研发周期、降低成本 从基于已知活性化合物和高通量筛选等传统筛选技术到基于结构的药物发现、基于片段的药物发现、编码化合物库、蛋白降解靶向联合体等新技术小分子药物筛选技术在不断拓宽小分子药物的市场潜力 该文将介绍目前小分子药物筛选技术整体现状系统综述各技术及其优劣势为小分子药物筛选新技术的发展提供重要参考关键词 小分子药物筛选技术高通量筛选基于结构的药物发现基于片段的药物发现 编码化合物库蛋白降解靶向联合体中图分类号 文献标识码 文章编号()./.开放科学(资源服务)标识码()().()()()()().近年来以抗体药物为代表的生物大分子药物研究热度持续增高但小分子药物因具有分子量小、给药途径多、免疫原性低、可以穿透细胞膜、研发成本低、生产工艺成熟、易于储存和运输等优势依然是创新药物研发的主战场 先导化合物的发现与优化在小分子药物研发过程中处于至关重要的环节高质量的活性先导化合物能够大大缩短药物研发周期、节约成本、提高研发成功率 随着生命组学、系统生物学、结构生物学等新兴学科以及高性能计算、大数据分析、人工智能等信息技术深度融入药物研发小分子药物筛选新技术伴随着药物的发现正在不断更新和拓展在基于已知活性化合物()的药物发现和高通量筛收稿日期 修回日期 作者简介 武瑞君()女河北沧州人副研究员博士从事生物医药领域战略研究:电话:.通信作者 苏月()女北京人研究员博士从事生物医药领域战略研究 电话:.选()等传统筛选技术的基础上基于结构的药物发现()、基于片段的药物发现()、编 码 化 合 物 库()、蛋白降解靶向联合体()等药物筛选新技术应运而生 笔者在本文将介绍目前小分子药物筛选技术整体现状系统综述、等技术平台及其优劣势分析小分子药物筛选新技术研发的重要性为小分子药物筛选新技术的未来发展提供参考 小分子药物筛选技术整体发展现状新药研发具有周期长、投入大、风险高等特点 以小分子药物为例研发周期平均需要约 年包括发现苗头化合物()并经过层层结构优化得到先导化合物的药物发现阶段(年)、针对候选化合物()的临床前研究阶段(年)和临床阶段(年)其中药物发现阶段是小分子药物研发中医药导报 年 月第 卷第 期最重要的基础环节且药物筛选技术直接关系到先导化合物质量、研发效率、研发成本以及成药可能性是新药研发持续进行的关键 年之前先导化合物的发现主要是通过人工进行每周处理的样本数仅有数百个 随着分子生物学、结构生物学等现代科学的快速发展小分子药物发现进入基于靶点的药物设计时代传统药物筛选方法如基于 的药物发现由于效率低、较难研发出原创性成果、容易陷入专利陷阱等缺点无法满足新药研发需求药物筛选新技术不断更新迭代 大大缩短先导化合物开发在药物研发中的时间、等也逐渐成为小分子药物研发的常见手段 通过对 年至今在 期刊上发表的文章进行分析统计结果发现基于、和 的应用占比分别约为.、.、.、.在一定程度上反映目前、等新策略在新药研发领域发挥越来越重要的作用 不同小分子药物筛选技术的最新研究进展与应用.技术出现于 世纪 年代末和 年代初是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础以微板形式作为实验工具载体以自动化操作系统执行试验过程以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据运用计算机对实验数据进行分析处理并以相应的数据库支持运转的技术体系 该技术可在短时间内对数以千万的样品进行检测具有高度标准化、筛选速度快、灵敏度高、自动化程度高、特异性强、所需样品量小等优点 经过几十年的发展 已经发展成为目前主流的小分子药物筛选方法之一大量获批药物均由该技术筛选得到例如治疗糖尿病的二肽基肽酶()抑 制 剂 西 格 列 汀()、治疗乳腺癌的酪氨酸激酶抑制剂拉帕替尼()、治疗胃肠道基质肿瘤和转移性肾细胞癌的酪氨酸激酶抑制剂舒尼替尼()等 但该技术仍具有筛选成本较高、耗时较长、分子多样性受制于化合物筛选库、较难对某些复杂靶点进行筛选等缺点 目前各研发团队仍在积极创新 技术并广泛应用于创新药物研发根据待测样品的种类 可分为分子水平筛选和细胞水平筛选两大类 分子水平的筛选主要是检测受体功能的改变、蛋白质结合的抑制以及受体配体结合的结构、动力学和亲和力等常见的检测方法有荧光法(荧光偏振、荧光共振能量转移、酶联免疫吸附等)和非荧光法表面等离子体共振()、核磁共振()、质谱分析()等 中国医学科学院医药生物技术研究所联合皖南医学院开发一种基于荧光偏振和生物素亲和素反应的新冠病毒主蛋白酶()小分子抑制剂高通量筛选方法 研究团队合成一种异硫氰酸荧光素和生物素双标记的小分子肽()作为荧光偏振示踪剂和 的水解底物活性化合物可以通过抑制 对 的水解作用改变荧光强度 研究团队应用该模型从天然产物化合物库中筛选到新冠病毒 竞争性抑制剂二鹅掌菜酚()半 数 抑 制 浓 度()为(.)上海科技大学研究团队建立一种高通量、无标签的亲和质谱筛选技术用于筛选靶向 蛋白偶联受体()的小分子配体通过对 个化合物进行筛选发现了 个羟色胺()受体拮抗剂和 个胰高 血 糖 素 样 肽 受 体()阳性变构调节剂细胞水平的筛选是在细胞个体水平完成的检测常见的检测方法有离子通道检测、报告基因检测和细胞增殖检测分别用于原发性电障碍等离子通道类疾病、瑞特综合征()和阿尔兹海默病等脑部疾病、肿瘤和病毒感染等疾病的药物筛选 中国科学院上海药物研究所研究人员利用表达钾离子通道蛋白家族 的仓鼠卵巢细胞()建立一种改进的 方法通过铊通量测定法从 个化合物中筛选出 个比阳性化合物活性更强的 通道激动剂然后使用 孔自动化膜片钳和传统膜片钳筛选得到 和 半数有效浓度()分别为(.)(.)麻省理工学院怀特黑德生物医学研究所研究人员使用 基因编辑技术将荧光素酶报告基因插入人胚胎干细胞内源性/共转运蛋白()基因位点中通过检测荧光强度从 个化合物中筛选得到 个 表达增强化合物()有望用于 的治疗 美国默克公司研究团队以 干扰素()的分泌为表型在单核细胞系 中进行高通量筛选发现口服非核苷酸干扰素基因刺激因子()激动剂 能够以二聚体形式结合并激活 靶向肿瘤组织发挥持久高效的抗肿瘤免疫活性.技术起源于 世纪末是指从配体和靶点的三维结构出发以分子识别为基础而进行的药物设计方法主要目的是预测与靶点结合位点产生最佳相互作用的化合物可分为基于受体结构的药 物设计和基于配体结构的药物设计两大类 其中基于受体结构的药物设计是根据受体大分子的三维结构通过计算机辅助药物设计()等方法确定小分子与受体的结合构象评价结合活性筛选出有潜力的配体小分子基于配体结构的药物设计是依据现有药物的结构、理化性质与活性关系的分析建立定量构效关系或药效基团模型设计新的化合物或具有新骨架的活性分子 年基于该策略有 个药物首次获得美国食品药品管理局()批准分别为用于降低开角型青光眼和高眼压症眼压增高的碳酸酐酶抑制剂多佐胺、治疗艾滋病的人类免疫缺陷病毒()蛋白酶抑制剂沙奎那韦 在 等技术的辅助下 显著提高了药物筛选命中率具有开发成本较低、可从少量化合物筛选获得先导化合物、可直接预测受体和配体结合能力等优点 截至目前 批准的药物大多基于该技术演化而来 但该技术需要受体完整的三维立体结构且仅考虑受体和配体的结合强度而不能预测药效随着结构生物学、人工智能与深度学习等不断突破 也在快速发展 麻省理工学院研发团队使用含有 个已知抗菌活性的分子集合训练深度神经网络该算法无需对药物进行标记就可以分析化合物的分子结构并筛选潜在的抗生素 研究人员利用该算法筛选出的抗生素 与传统抗生素结构不同显示出对包括结核分枝杆菌和碳青霉烯类耐药肠杆菌科在内的广泛病原菌系统发育谱的杀菌活性并能有效治疗小鼠模型中难辨梭状芽孢杆菌和泛耐药鲍曼不动杆菌感染 是首次在没有任何人为假设的前提下从零开始发现的全新抗生素 印度 公司研发团队利用深度学习开发一种由图注意力网络和递归神经网络组合形成的条件生成模型该模型利用图注意力网络学习活性位点的残基结构和相互作用在药物靶向亲和力预测模型的指导下产生特定于靶向活性位点的小分子 研究人员在 激酶()和多巴胺受体()上验证该方法生成类似已知蛋白抑制剂的分子.年 等提出 技术的概念和理论框架认为某个类药性分子可以视为两个或多个具有生物活性小分子碎片的叠加 是利用、射线单晶衍射()以及 等方法筛选出与靶蛋白具有相互作用的小分子弱活性片段然后基于其结构信息对活性片段进行优化得到具有更高活性的先导化合物的方法 该技术主要包括片段库的构建、活性小片段的筛选、片段的结构优化等步骤 其中在构建片段库阶段 等在先导化合物设计类药“五原则”的基础上提出构建片段库的“三法则”即片段的分子量脂水分配系数氢键供体与受体的数量分别 周)对于 突变患者 为.国内多家药企也在积极开展相关研究如海思科公司的、开拓药业的、百济神州公司的 等均处于期临床试验阶段珃诺生物公司的 处于/期临床试验阶段于 年 月在美国完成首例患者给药 上述不同技术优劣势比较见表 表 不同小分子药物筛选技术对比.技术原理优点缺点对已知化合物进行修饰或改造技术成熟研发成本低技术要筛选效率低耗时长较难研发 求低 出原创性成果容易陷入专利 陷阱以分子水平和细胞水平的实验方法为基础以主流筛选方法高度标准化技成本较高耗时较长分子多样 微板形式作为实验工具载体以自动化操作系 术要求较低筛选速度快灵 性受制于化合物筛选库较难 统执行试验过程以灵敏快速的检测仪器采集 敏度高自动化程度高特异 处理某些复杂靶点的筛选 实验结果数据运用计算机对实验数据进行分 性强所需样品量小 析处理并以相应的数据库支持运转以配体和靶点的三维结构出发以分子识别为基利用 等技术成本较低需要受体完整的三维立体结构 础而进行的药物设计方法 可从少量化合物筛选获得先 仅考虑受体和配体的结合强 导化合物显著提高发现命 度而不能预测药效速度相对 中率可直接预测受体和配 较慢 体的结合能力利用、以及 等方法筛选出片段库的收集、维护和筛选比技术门槛要求较高对纯化蛋白 与靶蛋白具有相互作用的小分子弱活性片段 化合物库更加容易筛选命 的需求量较大片段经过结构 然后基于其结构信息对活性片段进行优化得 中率高筛选速度快可以实 优化后得到的先导化合物可 到具有更高活性的先导化合物 现对复杂靶点的筛选筛选 能与片段分子结合位点不同 和优化后的先导化合物活性 对筛选所需检测手段的灵敏 和选择性更高 度要求较高医药导报 年 月第 卷第 期续表 不同小分子药物筛选技术对比.技术原理优点缺点基于组合化学和 技术的药物筛选方法对化库容量巨大分子多样性好对技术要求较高 编码标签以 合物进行 编码构建 将靶蛋白和 靶标蛋白需求量少、效率高、及组合化学增加了筛选的复 进行亲和筛选得到与靶蛋白亲和力强的集合 成本低 杂性和不确定性需要进一步 利用高通量测序确定编码对应的化合物分子 开发和优化与 相容的化 重新合成不带 标签的化合物活性验证及 学反应对于难以表达的靶点 结构优化后得到先导化合物 或者活细胞体系等功能性靶 点筛选较为困难 利用 原理设计的一种双功能小分子中间的可以靶向转录因子、支架蛋白水溶性、稳定性、口服生物利用 连接体一端连接可靶向目标蛋白的配体另一 和非酶蛋白等对于传统小分 度、血管穿透能力需进一步提 端连接 泛素连接酶配体分子将靶向蛋白 子药物“无成药性”的蛋白 高存在脱靶毒性的风险 募集到 泛素连接酶进行泛素化标记通过 催化剂量即可发挥作用低 将其降解 耐药性高选择性 展望随着生物技术的飞速发展以重组蛋白质药物、治疗性抗体、基因治疗、干细胞治疗等为代表的生物技术药物成为新药研发的热点小分子药物受到一定冲击小分子药物分子类型和多样性的增速降低 但是小分子药物作为最传统的药物形式以其难以替代的优势仍是药物研发领域的重要组成部分 通过对上述小分子药物筛选技术的发展现状分析可以发现美国是该领域的领头羊我国虽然在相关领域取得了一定进展但仍落后于美国 因此一是要以全面提升我国药物研发创新能力为导向持续加强基础研究积累原创性成果提高源头创新力 二是要以更好的解决小分子药物研发过程中的共性问题为牵引对于人工智能药物设计技术、智能药物制备技术、氘代药物开发技术等能够优化我国新药创制体系的关键共性技术加强集中攻关促进我国制药产业转型升级 三是要以直击现阶段小分子药物研发的痛点为目的对于、小分子辅助受体靶向技术等具有前瞻性、先导性和一定探索性的前沿引领技术要提前优先布局并不断将变革性新技术应用于小分子药物的研发为生物医药产业发展注入新动力为未来新药创制领域技术更新换代和新兴产业的发展奠定基础参考文献 秦涛马翠翠.从小分子药物中探求药物研发新思路.北京联合大学学报(自然科学版)():.():.():.:.():.:.:.():.:.():.():.:.:.:.段桂芳徐波袁霞等.离子通道药物研发中的高通量 筛选技术.中国药学:英文版():.:.():.():.():.:.():.():.():.():.:.():.郭靖陆小云.基于片段的药物设计研究进展.药学进展():.:.():.():.():.李小芳方萍萍徐沛.编码化合物库技术新进展及其在生物医药领域的应用与展望.中国现代应用药学():.:.:.:.():.():.张晓元张艳艳孙晓康等.靶向蛋白质降解技术研究进展.生物化学与生物物理进展():.:.:.()/.().:/./.医药导报 年 月第 卷第 期