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一种药物小分子设计新技术—蛋白降解靶向嵌合体技术简介

发布时间:2020-05-18 11:39:57 | 来源:【药物研发团队 2020-05-18】
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从近年来的全球药物销售趋势看,生物药已开始大行其道,而小分子药物日渐式微,小分子药物研发亟需引入革命性的新技术。

最近,C&EN News发表了一篇由Lisa Jarvis撰写的蛋白降解靶向嵌合体(PROTAC)技术综述,该文介绍这个新技术在过去十余年的发展过程。PROTAC技术先驱之一耶鲁大学的化学生物学家Craig Crews博士还作为美国化学会《药物化学杂志》(JMC)的特邀主编在该杂志2018年第二期出版了PROTAC技术专刊,随着PROTAC技术的不断发展完善,从没人认同到现在的热捧,如今已获得多家国际制药巨头的青睐。

一、PROTAC技术简介

传统的药物研发主要集中在直接调控蛋白质或酶的活性来治疗疾病。蛋白质活性调节剂,特别是抑制剂的开发和应用一直是药物研发的主流方向。通过影响蛋白表达来控制蛋白质功能的基于核酸的策略最近取得突破,开始进入临床并得到重视。然而,代谢稳定性较差和生物利用度不高限制了小分子核酸技术更为广泛的应用。

PROTAC是18年前(2001年)发明的技术 ,该技术是利用细胞内的“清洁工”——泛素-蛋白酶体系统,清理细胞中变性、变异或者有害的蛋白。PROTAC利用细胞自身的蛋白质破坏机制来从细胞中去除特定病理性蛋白,是一种靶向治疗的替代方法。

经过十几年的发展,PROTAC技术从分子设计、机理研究、动物验证到早期临床探索,已在肿瘤、退行性神经系统疾病、自身免疫性疾病等领域取得重要进展。近几年,PROTAC技术在几个蛋白,尤其是BET族蛋白、激素受体等成功获得高细胞活性和较好的药代性质而开始成为整个制药业关注的焦点。

二、PROTAC平台技术

与传统蛋白抑制剂作用原理不同,PROTAC平台技术是一个双功能杂合化合物,一边用来结合目标蛋白,另一边用来结合一个E3连接酶,使得目标蛋白可以与E3连接酶结合,把目标蛋白泛素化,从而被蛋白组降解。理论上,PROTAC只是提供结合活性,是事件驱动(event-driven),区别于传统的占有驱动(occupancy-driven),不需直接抑制目标蛋白的功能活性,又可以重复利用,所以业界认为对PROTAC的活性要求也许不用很高。

2017年是PROTAC平台技术成熟跃进的一年,Crews博士在各种期刊杂志上发表了超过10篇综述性文章,从各个角度总结了PROTAC的进展及应用前景。同时,Crews博士还作为药物化学杂志(JMC)的特邀编委,于2017年底出了一个PROTAC的专刊。

PROTAC平台技术双功能药物分子设计的主要方法是选择靶点蛋白、从已知药物中筛选化合物分子、筛选连接化合物分子的连接器(Linker)分子、采用二聚化诱导剂(CID)通过连接器接头使两个相同或不同的分子形成二聚体(双功能分子或异双功能分子),通过分子对接等筛选、评价新的双功能分子或异双功能分子的成药性。

PROTAC技术经常被归类在所谓的不可成药的靶点(undruggable),比如转录因子、蛋白的骨架功能、调控功能等。作为研究工具,探索高难度不可成药的靶点无可厚非,还非常有意义,但是要开发临床药物,突破点还是应该首选一些经过验证的靶点,降低变量,首先证明PROTAC的可行性。这也是过去几年PROTAC的重点攻关方向。

PROTAC可以说是诱导蛋白降解技术的一种改进的、通用的平台技术。在此之前,已经有一些类似的技术和它的原型版,如最早发现的一些自带降解功能的选择性激素受体抑制剂、HyT 技术等。

三、PROTAC技术的最新进展

(一)疏水性标签

为了将诱导蛋白质不稳定性的概念扩展到更大范围的蛋白质靶标,最近Crews博士和其他实验室开发了一种新的技术平台:疏水性标签(hydrophobic tagging ,HyT)。这个技术平台类似于fulvestrant诱导的表面疏水性,该方法将疏水性部分(即金刚烷adamantane或Boc3-Arg)附加到靶蛋白的表面上,试图模拟部分未折叠的蛋白状态,并利用胞质未折叠蛋白响应系统来降解靶标。

(二)基于肽段的PROTAC技术

Crews博士与合作者Ray Deshaies报道了第一批PROTACs双功能分子:泛素-蛋白酶体系统,通过招募E3连接酶到靶标蛋白质,导致邻近诱导的泛素化和随后的蛋白质降解。最初的技术是基于短肽段的PROTAC技术,成功的靶标包括MetAP2、雄激素受体、芳烃受体、PI3K等。

然而,这些肽类PROTAC的活性较低,依然停留在微摩尔范围内,主要障碍可能在于肽段技术平台具有较差的细胞渗透率。幸运的是,不断的改进尝试促进了具有体内稳定性的PROTAC小分子技术平台的发展。

(三)小分子PROTAC

该技术是利用MDM2与P53的小分子抑制剂来自罗氏的Nutlin3,连接到E3 连接酶MDM2来降解雄激素受体。细胞活性浓度达到微摩尔,后来经过多番尝试,仍旧不能进一步有效提高其细胞活性。

接下来是基于cIAP1 E3连接酶的PROTAC技术,利用cIAP1抑制剂bestatin,交联多个目标靶点的小分子,包括ER、AR、ATRA、TACC3等。但由于bestatin本身选择性不高,活性也欠缺,多个嵌合的PROTAC小分子活性均不够高,尚没有候选物进入动物实验。

最近的努力在于用小分子化合物取代VHL E3连接酶的结合肽段HIFa-1。突破发生在2015年,终于得到了纳摩尔细胞活性的PROTAC小分子,用来降解雌激素相关受体α(ERRα)RIPK2等。体内动物模型显示,ERRα的降解可以发生在心脏、肾脏和肿瘤异种移植物中,大约40%的靶标蛋白能够被降解。

PROTAC技术在很大程度上是结合了小分子化合物和小分子核酸的优点。即可以有效地靶向目标蛋白,又可以将之降解清除,想象空间非常丰富。

四、PROTAC技术存在的问题

1、采用PROTAC技术设计的分子通常较大,PK是一个主要障碍。2、虽然现在已有体内活性PROTAC化合物的报道,甚至即将进入人体临床研究。但总体而言,PK仍旧是多数PROTAC小分子成药的主要障碍。

3、化学合成也困难得多,CMC是一个很大的挑战。

4、脱靶毒性应该也是大家最为担心的问题之一。

传统靶向蛋白活性的小分子、大分子药物,甚至小核苷酸,一般来讲对蛋白活性的抑制不会太彻底,也多不影响骨架蛋白的表达,这样固然增加了耐药性发生的概率,但同时残留的活性也可能保障了正常细胞、组织器官基本的生理活性,降低了潜在毒性。

PROTAC作为更为彻底靶标降解者,即使是以前验证过的靶点,会不会带来更为严重的毒性,需要在未来的临床实验中密切监视。

5、另一个隐患是降解的脱靶效应在临床前毒性筛选中不易检测、跟踪,增加了后期开发的风险。

五、机遇与挑战

基于核酸的降解疗法曾被寄予厚望,特别是理论上能够靶向常规药物难以施展的疾病靶标。但由于肝脏毒性、递送手段及体内药代等种种局限,小分子核酸技术短期内仍难以大范围推广使用。而传统小分子药物经过多年的发展,也出现严重的发展瓶颈,需要技术上的突破来提升效率。

PROTAC小分子技术平台结合了小分子核酸和传统小分子化合物药物的优点,在技术上是一个极大的突破,具有广阔的发展想象空间。

传统的靶向细胞内的经典靶点多可以作为PROTAC技术平台的试金石,如雌、雄激素受体、蛋白激酶等。过去的两年,PROTAC小分子技术在提高细胞活性、口服活性、临床前动物实验上取得重要进展,Arvinas已经于去年选定两个临床实验小分子PROTAC。PROTAC小分子既可以单用于克服传统靶向药耐药性,也是将来一个组合疗法的利器,前景非常值得期待。

PROTAC小分子研究的最新突破还主要集中在可靶向的靶点上。它的未来最大潜力之一是要靶向传统不可靶向的靶点,比如转录因子、蛋白的骨架功能等,或是不可成药的靶点之王KRAS突变。高达20-30%的肿瘤中含有KRAS突变,包括90%以上的胰腺癌、50%的结肠癌、30%的肺癌等。PROTAC技术平台能够在对KRAS的冲锋中给我们带来惊喜吗?我们拭目以待!

六、展望

据估计仅有10%的蛋白能用小分子调控,10%能用生物大分子调控的蛋白在细胞表面,而高达80%的蛋白无法用现有药物调控。靶向蛋白降解最有吸引力之处在于它可以针对那些传统上认为不可成药的蛋白靶点,这些蛋白可能占了人类蛋白质组的80%以上。由于靶向蛋白降解策略可以通过结合蛋白上的几乎任何一个位点,而不是活性位点,来达到选择性的降解蛋白的目的,因此理论上这个策略可以用于任何一个蛋白质。此外,这个策略的另一个优势是可以对那些已经产生抗药性的肿瘤发挥作用。而且靶向蛋白降解在除了癌症以外的其它疾病领域中也具有相当的潜力。

PROTAC小分子研究最近的突破还主要集中在可靶向的靶点上。而它的未来最大潜力之一是要靶向传统意义上不可靶向的靶点,比如转录因子、蛋白的骨架功能等,或是不可成药的靶点之王KRAS突变。

传统的小分子药物研发面临不断涌现的新兴技术的挤压,想要在业界继续站稳脚跟需要更深度的创新。PROTAC技术可能令现在还无法成药的80%蛋白组被小分子药物调控。在小分子药物亟需创新的现在,PROTAC的出现可谓是雪中送炭。DNA编码技术显著扩大小分子化学空间,PROTAC技术使药物理论上可在药物催化剂量下产生疗效,虽然可能在特殊情况下起到意想不到的作用,但短期内尚无法颠覆整个新药研发领域。高新技术会融入更多产品,令制药业成为真正的高科技行业。虽然新药研发具体事件难以预测,中原逐鹿,鹿死谁手并不那么重要,最重要的是怎样才能让患者从中获益。

在小分子化合物的设计、筛选日益艰难的情况下,PROTAC技术可能不仅是发现和设计新型小分子化合物的有效路径,更可能是发现疾病新型治疗方法的有效手段,特别是一些疑难杂症,如癌症、退行性神经系统疾病、自身免疫性疾病等。该技术也已在新型光敏剂的设计方面显露头角。我们应当密切关注这一新技术的发展动向,如果遇到此类项目,可以考虑介入、开发。目前,国内主要是清华大学医学院基础医学系的王银银教授涉足该技术的研究。


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