前言

       長(cháng)久以來(lái)，親電性基團是藥物開(kāi)發(fā)中的雷區，因而在以往經(jīng)典的藥物化學(xué)教材中，總會(huì )建議避免在藥物分子結構中引入此類(lèi)官能團，如環(huán)氧、吖啶、Michael受體等，因為其具有的高反應性，可能會(huì )與多種生物大分子相互作用，引起嚴重的毒副作用。

       早前的阿司匹林、蘭索拉唑、氯吡格雷等在近年來(lái)的研究中發(fā)現，均以共價(jià)鍵形式與靶點(diǎn)作用。受此啟發(fā)，共價(jià)型藥物的開(kāi)發(fā)慢慢進(jìn)入人們的視野，在抗癌、抗病毒、糖尿病等多個(gè)領(lǐng)域內顯現出了非共價(jià)結合藥物難以匹及的優(yōu)勢，如療效更為持久、治療劑量更低等、不易產(chǎn)生耐藥性等。

       由于共價(jià)結合和非共價(jià)結合的作用機制不同，因而在研發(fā)過(guò)程采用傳統的評價(jià)指標，如解離常數、IC50、EC50等，難以真正體現其效能與安全性，這主要是因為藥物分子與靶點(diǎn)形成共價(jià)鍵受反應速率的影響，而非共價(jià)結合作用則僅是一個(gè)熱力學(xué)平衡過(guò)程，在短時(shí)間內就能顯現出化合物的活性，采用傳統的評價(jià)指標往往會(huì )造成誤判。

       共價(jià)結合藥物和天然產(chǎn)物

       從天然產(chǎn)物中發(fā)現新的藥物是新藥開(kāi)發(fā)項目中常見(jiàn)的策略，而且有很多藥物都是基于這一方式發(fā)現的，如紫杉醇、喜樹(shù)堿、嗎 啡等，另外一種方式則是對天然產(chǎn)物進(jìn)行結構修飾，得到效果更佳的化合物，如從水楊酸到阿司匹林，從嗎 啡到美沙 酮，據統計，臨床上約占60%的藥物都是基于上述策略得到的。

       雖然共價(jià)結合藥物是近幾年才熱門(mén)起來(lái)，在自然界中，這一概念卻并不罕見(jiàn)，青霉素、焦土霉素、磷霉素等一些抗生素都是以共價(jià)鍵的形式與細菌中的目標靶點(diǎn)相互作用。利普斯他汀是一種從鏈霉菌中分離出來(lái)的胰脂酶不可逆抑制劑，基于此天然產(chǎn)物，Roche開(kāi)發(fā)出新型減肥藥奧利司他，諸如此類(lèi)的例子還有很多。

       以上諸多天然產(chǎn)物的實(shí)例證明，共價(jià)結合作用是藥物設計中被忽視的寶地！藥物靶點(diǎn)大多數都是蛋白質(zhì)，其中絲氨酸、賴(lài)氨酸、半胱氨酸、組氨酸等殘基中含有親核活性官能團(羥基、巰基、氨基等)，因而，蛋白質(zhì)可以作為一個(gè)優(yōu)良的親核體，可以與具有親電活性的基團發(fā)生作用，形成共價(jià)鍵。對于此類(lèi)化合物的設計，最大的難點(diǎn)在于選擇性，否則容易引起嚴重的副反應，造成開(kāi)發(fā)失敗。

       目前，約30%以酶為靶點(diǎn)的藥物采用共價(jià)結合形式，主要是因為這一設計理念是近幾年才被接受，在此之前，活性反應基團是藥物設計中盡可能避免的結構。特拉匹韋由Merck開(kāi)發(fā)，在2011年獲得FDA上市許可，通過(guò)與HCV蛋白酶中具有催化作用的絲氨酸殘基(羥基)形成半縮醛，抑制其活性，從而實(shí)現抗病毒作用。最初該化合物在標準的IC50測試中，活性很差，幾近放棄，然而在特別設計的活性測試中，則表現優(yōu)異，特拉匹韋的研發(fā)歷程深刻體現了在共價(jià)結合藥物的研發(fā)中，需要一套與傳統非共價(jià)結合藥物開(kāi)發(fā)不同的評價(jià)方法。

       另外一個(gè)比較經(jīng)典的例子是EGFR受體不可逆抑制劑阿法替尼的開(kāi)發(fā)(2013年上市)，其結構中的親電活性基團丙烯酰胺與EGFR受體活性位點(diǎn)中的半胱氨酸殘基(巰基)形成共價(jià)鍵，克服了第一代EGFR(吉非替尼、厄洛替尼等)受體抑制劑出現的耐藥性問(wèn)題，同時(shí)對非耐藥性EGFR受體也表現出良好的活性。以上兩個(gè)成功的例子證明了共價(jià)結合藥物具有的潛力，另一方面，其研發(fā)過(guò)程也為共價(jià)結合藥物的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗！

       藥物—靶點(diǎn)結合歷程

       與非共價(jià)結合藥物相同的是，共價(jià)結合藥物首先與靶點(diǎn)相互作用，形成藥物-靶點(diǎn)結合物，由于此歷程屬于熱力學(xué)過(guò)程，因而能夠很快的達到平衡，其親和力可以用解離常數Ki或者IC50等參數進(jìn)行描述。不同之處在于，第二步共價(jià)鍵的形成，與第一步相比，共價(jià)鍵的形成速率相對較慢，且存在一個(gè)反應平衡常數Ki*，因而，共價(jià)結合物藥物的總體結合情況需要考慮兩個(gè)參數：Ki以及Ki*。當krea遠遠大于krev-rea時(shí)，反應平衡常數趨向無(wú)窮大，可視為不可逆共價(jià)結合，當krea與krev-rea相差并不是很大，即Ki*在一個(gè)合理的數值范圍內，可視為可逆共價(jià)結合。

       結合機理

       藥物靶點(diǎn)大多數都是蛋白質(zhì)，由于其結構中富含羥基、巰基、氨基等官能團，因而本質(zhì)上可以作為親核試劑，共價(jià)結合化合物通常在結構中含有親電性官能團，如Michael受體，環(huán)氧、鹵素、羰基、異氰等結構，可作為親電體，兩者相互反應形成新的共價(jià)鍵，其涉及到的反應類(lèi)型主要有以下幾種：?；磻?、烷基化反應、Michael加成、二硫鍵化、Pinner反應等，采用哪種共價(jià)鍵形成方式，取決于靶點(diǎn)結合位點(diǎn)的性質(zhì)，總的來(lái)說(shuō)，可以選擇的余地較大。

       2014年，美國十大暢銷(xiāo)藥中，其中之一為埃索美拉唑(消旋體為奧美拉唑)。奧美拉唑在1970年代被開(kāi)發(fā)出來(lái)，經(jīng)過(guò)若干優(yōu)化和臨床研究后，于1988年上市，兩年后才發(fā)現其質(zhì)子泵抑制作用是基于共價(jià)鍵形式的，奧美拉唑在靶點(diǎn)附近經(jīng)在酸性條件下活化，形成活性亞磺酰胺衍生物活性產(chǎn)物，然后與靶點(diǎn)中的半胱氨酸殘基(巰基)形成共價(jià)鍵，抑制胃酸的分泌。

       另一個(gè)暢銷(xiāo)共價(jià)藥便是氯吡格雷，它需要在肝 臟內經(jīng)P450氧化酶活化，生成含硫化合物，然后與P2Y12受體中的半胱氨酸殘基形成二硫鍵，抑制血小板凝聚。上述兩個(gè)藥物目前應用非常廣泛，而且在最初設計的時(shí)候并不是以共價(jià)鍵作用形式，只是在后來(lái)的機理研究中發(fā)現，是以共價(jià)鍵作用與靶點(diǎn)結合，產(chǎn)生不可逆的抑制作用。

       含有氰基的化合物，通常在與蛋白中的親核性官能團如羥基、巰基發(fā)生Pinner反應，形成亞胺酯鍵，通常該類(lèi)共價(jià)鍵是可逆的，比較成功的例子如DPP4抑制劑沙格列汀和維格列汀等，用于II型糖尿病的治療。除此之外還有奧當卡替，用于絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松癥的治療，但由于其潛在的中風(fēng)風(fēng)險，2016年Merck宣布放棄該化合物。

       至于其他的幾種共價(jià)結合機理，如烷基化、?；?、Michael加成等，在此不一一列舉，其本質(zhì)都是生物大分子中的親核性基團與藥物分子中的親電基團進(jìn)行相互作用。

       選擇性的控制

       共價(jià)結合藥物的選擇性至關(guān)重要！在選擇性的問(wèn)題上，目前比較常見(jiàn)的策略是，首先設計對目標靶點(diǎn)具有高度選擇性非共價(jià)結合作用先導物，然后在此化合物的基礎上，進(jìn)行活性反應官能團的優(yōu)化設計，即先找到合適的“彈殼”，然后再加裝合適的“彈頭”。

       比較典型的例子如奧西替尼的開(kāi)發(fā)，最初得到的先導化合物1在體外靶點(diǎn)結合實(shí)驗表現出了優(yōu)異的結合性，但是在細胞實(shí)驗中其親和性驟降了近70倍之多，可能是因為細胞中高濃度ATP與其競爭性的靶點(diǎn)結合所導致的，因而采用不可逆的共價(jià)結合作用策略，成功開(kāi)發(fā)出第三代肺癌靶向藥奧西替尼，該藥于2017年獲得FDA和歐盟的上市許可，同年獲得CFDA的上市許可。

       除上述提及的策略外，還可以通過(guò)人體不同組織的理化特性實(shí)現選擇性，如奧美拉唑，由于其需要在強酸性條件下才能活化，因而可以選擇性的作用于質(zhì)子泵。

       另外，通過(guò)精心設計的親電性基團也能實(shí)現選擇性。α-氰基取代丙烯酰胺與巰基的Michael加成為可逆過(guò)程，在特定的靶點(diǎn)中，由于其他氨基酸殘基的非共價(jià)作用，可以穩定該加成產(chǎn)物，而其他非目標靶點(diǎn)不能實(shí)現該效應，從而實(shí)現選擇性，當然該策略需要有非常強的生物信息學(xué)支撐，否則難以實(shí)現。

       **問(wèn)題

       雖然共價(jià)結合藥物設計策略目前日趨成熟，但其風(fēng)險仍然不容小覷，尤其是不可逆的共價(jià)結合作用。由于小分子化合物與靶點(diǎn)形成新的共價(jià)鍵，因而會(huì )導致蛋白結構的變化，存在免疫反應的可能性，但此類(lèi)報道較為罕見(jiàn)。脫靶效應也是引起**的重要原因，針對此問(wèn)題，提高化合物的選擇性以及較低的治療劑量是行之有效的解決方案。

       小結

       目前大多數的共價(jià)結合藥物集中在抗癌領(lǐng)域，但是隨著(zhù)技術(shù)和理論的日趨成熟，此類(lèi)藥物將在越來(lái)越多的疾病領(lǐng)域大顯身手。

       參考資料

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