FBDD~基於片段的藥物發現

2018-03-22 09:50:37

 

藥物,從最早的偶然發現,到天然產物、染料中的探尋,再到基於作用機制、結構的合理設計等等,尋藥的方法正在不斷的走向科學化、合理化、數據化。近些年,組合化學、高通量篩選的興起,讓人們眼前一亮,似乎再無漏網之藥,然而,FDA批准的藥物數量卻並未因此而有所增加。當下,隨着科研人員對高通量篩選(HTS)的不斷研究,另一種藥物發現的方法正逐漸被大型跨國製藥公司所接納~基於片段的藥物發現(Fragment-Based Drug Discovery,FBDD),且已有藥物依據該研究方法而成功上市,隨着FBDD不斷走向成熟、完善,藥物設計-發現的方法學也將得到極大的補充!

1

FBDD簡介

對片段分子進行分類和生物活性篩選,通過分子的擴增、融合以及置換連接方式等手段發現先導化合物的方法稱為基於片段的藥物發現,即FBDD。這種方法改進了傳統的基於結構以及基於高通量篩選的藥物發現方法,控制了先導化合物的相對分子質量和類藥性特徵,提高了新葯研究的成功率。最早提出FBDD概念並進行相關研究的是William Jencks,其於1981年提出FBDD,且指出整個分子與靶點的結合能可以看做是其片段與靶點間結合能的貢獻的函數,之後隨着第一個因此方法而誕生的藥物維羅非尼成功上市之後,該設計理論得以快速發展並得到重視,成為繼高通量篩選和組合化學方法之後的又一個重要的藥物發現技術。在這裏所提到的片段是指對某些目標受體具有親和力的小分子,其相對分子量為150~250D,非氫原子總數不超過18個。這些小分子碎片可能承繼了整個藥物分子結構中所包含的潛在生物活性,通過篩選和優化可得到NCE。

圖一:基於片段的藥物設計VS高通量篩選

2

首個基於FBDD破殼誕生的藥物~維羅非尼

先上實例~基於FBDD而成功上市的代表藥物當屬2011年FDA批准的B-Raf激酶抑制劑Vemurafenib。對於維羅非尼的研究,最初科研工作者評價了20000個分子量為150~350的小分子化合物對若干個激酶的抑制活性,發現其中238個化合物在200 μmol/L濃度下對Pim-1、FRGR-1和B-Raf3種激酶的抑制率>30%,對這238個化合物與至少1個激酶進行共結晶分析,獲得了上百個複合物晶體X-射線衍射數據,發現7-氮雜吲哚與Pim-1的結合“有戲”。7-氮雜吲哚作為母核有5個位置可以加入基團或片段,繼而發現3-苯胺基氮雜吲哚活性不錯,後經一系列的結構改造,確定PLX-4720為先導化合物,再對先導化合物進行適當的修飾完善,得到了候選藥物維羅非尼。自2006年,通過使用FBDD技術發現候選化合物,直到該藥物的上市,僅用了6年的時間,即研製成功,故維羅非尼的上市可謂是FBDD技術的經典之作。

圖二:維羅非尼誕生前的重要結構片段 

3

FBDD研究過程

首先,建庫。進行分子化合物庫的建立(約1000個片段)。片段分子理化性質是怎樣的?水溶性如何?質量是否可控?結構多樣性的評價、結構優化的方向、類藥片段的蒐集分析等等都需仔細考慮。除此之外,如“三倍率”理論(片段分子量<300,脂水分配係數<3,氫鍵供體受體數量<3等)、結構的片段分解以及片段的溶解度、穩定性、製備方法等等都需仔細考慮(工作量較大!)。

 

其次,是生物活性的篩選。高濃度的生物活性篩選可以説是對片段分子最簡單粗暴的篩選方法,由於片段分子的生物活性比先導化合物要低,故需要提高濃度進行篩選。通常片段分子的篩選濃度>1mM,如此一來,不但可通過常規儀器進行測定,且對靶蛋白的數量要求也相對較少,不需要作用靶點的三維結構信息等等。不過,因此而帶來的假陽性、假陰性的情況發生概率有所提高,不利於苗頭片段分子的確定。

 

再次,就是將片段組裝、優化成先導化合物。篩選獲得的最初片段通常活性很低,後期的“加工”至關重要,不但有助於提高活性,對靶標的選擇性、生物利用度及生物轉化等,都至關重要。這種“加工”包括片段的進化、連接和自我組裝。片段進化是指在初始的基礎上增加或替換某些功能團以改善其性質,片段連接是將能夠與受體結合後且位點不同的兩個及以上的片段通過連接橋連接,而自我組裝是指在靶蛋白的存在下,能與靶蛋白結合的片段之間發生化學反應,從而產生新的化合物。

圖三:FBDD流程簡圖

 

在上述過程中,還得介紹下相關技術。目前,如核磁共振、X射線衍射、質譜等等都已應用到FBDD當中。核磁共振可以測定片段分子與靶標蛋白的結合強度以及結合位點,通過結合強度歸納片段分子的構效關係,通過結合位點分析能夠指導片段分子進行進一步的設計與優化。X射線晶體技術與核磁共振技術一樣能夠非常直觀地給出片段分子與靶標蛋白結合的結構信息,這項技術有助於發現靶標分子中新的作用位點,為深入的生物機制學研究以及更多先導物的發現過程產生了重要的推動作用。而質譜技術的高靈敏度可以精確地檢測片段分子與靶標分子之間的弱結合力,雖然無法像核磁共振技術與X射線晶體學技術那樣提供分子之間的結構信息,但是可以通過對設備電壓及離子源的調整檢測出片段分子與靶標分子之間的結合強度。

圖四:常見的藥物片段篩選所需技術 

4

FBDD的優點、缺點

☆優點

首先,與非常火的高通量篩選相比,FBDD的化合物庫“小了”很多,化合物的結構也相對簡單,簡單的結構一方面可使化合物較易與靶蛋白的熱區結合,從而使片段篩選的命中率高於HTS,另一方面便於篩選後的結構改造,利於苗頭化合物的發現,且具有較大的空間進行成藥性的優化。其次,篩選獲得的化合物質量高,通常經HTS獲得的化合物半數抑制濃度(IC50)<10μmol/L,且產生假陽性的概率較高,而FBDD因小分子量的片段易溶、檢測方法簡單,出現上述缺陷的概率較小。再次,高效性和新穎性。FBDD能在短時間內完成對標記蛋白的檢測,此方法篩選某個化合物庫的時間較HTS法明顯縮短。通過FBDD獲得的結構片斷,進一步衍生得到的化合物分子比通過HTS篩選獲得的藥物分子更具新穎性。

 

☆缺點

首先,該方法的應用很大程度上依賴於靶蛋白的三維結構信息,並且對純化的蛋白需求量還是較大,因而對於一些晶體結構未知、純化困難的靶標(如跨膜蛋白)的應用十分困難。其次,由於技術和經驗的限制,迄今為止並不是所有經過檢測具有活性的片段都能發展為先導化合物。那些經苗頭片段分子結構優化後得到的先導化合物未必與原先的片段分子結合於同一作用位點,這種現象的出現會阻礙片段分子藥物發現方法的應用。大量研究表明,由於片段與靶蛋白不可逆或者非特異性的結合,以及具有高色度、強熒光的分子對比色法、熒光檢測標記產生的干擾,很容易產生假陽性的實驗結果。此外,基於片段的藥物設計方法需要一定的探測儀器,如X射線單晶衍射儀,高性能的核磁共振儀器等,方法的應用所需耗費並不低廉。

5

小結

化合物的生物活性固然重要,但當今藥物發現更加關注的是分子的類藥性、成藥性,否則在活性分子後續開發中,很容易因各種問題而被迫中止。由於FBDD這種方法在片段分子的選擇方面更多的關注了類藥性的因素,所以很多具有高生物活性和良好物理性質的高質量先導化合物被發現,且已有藥物因此設計方法而上市。這種方法是對現有藥物發現方法的一個重要的補充,其研究思路更加體現了藥物研究中多學科之間的交叉融合,在發現先導物的過程中探究了生物作用靶點的結構與功能,為更加深入的機制學研究以及藥物研究奠定了良好的基礎。基於片段的藥物設計方法已經展現出了強大的生命力,但它不能解決所有的問題,它會成為基於結構的藥物設計、計算機輔助藥物設計、高通量篩選、組合化學等方法的一個重要補充,在新葯研發上發揮其獨特的作用。

 

參考文獻:

1.H Jhoti. Fragment-based drug discovery using rational design[J]. Ernst Schering Foundation Symposium Proceedings, 2007, 21(3):169.

2. WA Warr. Fragment-based drug discovery: what really works, An interview with Sandy Farmer of Boehringer Ingelheim[J].Journal of Computer-Aided Molecular Design, 2011, 25(7):599-605.

3. M Whittaker. Picking up the pieces with FBDD or FADD: invest early for future success[J].Drug Discovery Today, 2009, 14(13): 623-624.

4. K Retra, H Irth. Surface Plasmon Resonance biosensor analysis as a useful tool in FBDD[J]. Drug Discovery Today Technologies, 2010, 7(3):181-187

5. Identification of novel B-RafV600E inhibitors employing FBDD strategy. From NCBI, DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.bcp.2017.02.022

6. 汪小澗,楊倩,尤啟冬.基於分子片段的藥物發現[J].中國藥科大學學報, 2009, 40(4):289-296。

7. 任景,李健,石峯,等. 基於片段的藥物發現方法進展[J].藥學學報, 2013(1):14-24.

8. 郭宗儒. 以FBDD方法首創的維羅非尼[J]. 藥學學報, 2014(4): 566-568.

聲明:

本文由藥渡頭條投稿作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表藥渡頭條立場,歡迎交流補充。聯繫方式:010-82826195 轉8048

如需轉載,請務必註明文章作者和來源

投稿詳情請點擊“3月-4月 | 王牌寫手獲獎名單






熱點新聞