對于遏制在疾病形成中起關(guān)鍵介導作用的蛋白，藥學(xué)家通常采用的手段是，合成一個(gè)藥物分子，通過(guò)非共價(jià)結合的方式“綁定“它，使其發(fā)生空間結構或者其它方面的變化而喪失病理學(xué)上的功能，從而實(shí)現治愈疾病的最終目的。

       然而，設計合適的藥物分子抑制劑并不是一件一蹴而就的事情，通常的非共價(jià)結合，包括氫鍵、離子鍵、偶極-偶極作用（范德華力），疏水作用，芳香環(huán)作用等（圖1），并不能一勞永逸地鎖住蛋白。原因是：吸附-解吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，結合在蛋白上的藥物分子會(huì )被其它分子取代而被釋放，從而失去對目標蛋白致病機制的限制。

       圖1. 常見(jiàn)的分子間非共價(jià)作用

       （圖片來(lái)源：Chemical Reviews）

       基于以上考慮，藥學(xué)家們采用了更強效的藥物分子設計理念——共價(jià)鍵藥物。顧名思義，共價(jià)鍵藥物與常規非共價(jià)鍵藥物的區別在于：共價(jià)鍵藥物通過(guò)形成與特定的蛋白之間更為牢固的共價(jià)鍵而使其失去致病功能。

       共價(jià)鍵是兩原子之間通過(guò)平均共用電子（相對平均，共用電子對可以偏向電負性更強的原子，從而產(chǎn)生鍵的極性，但共價(jià)還是共價(jià)）而產(chǎn)生的新化學(xué)鍵。雖然共價(jià)鍵的形成與裂解也是一個(gè)平衡過(guò)程，但相對于非共價(jià)鍵來(lái)說(shuō)，一旦產(chǎn)生新的共價(jià)鍵，體系中的低能量是不足以將其裂解的，因而可以相對穩定地存在。

       共價(jià)鍵藥物與蛋白產(chǎn)生的加合物可以在一定程度上被視為一種不可逆的過(guò)程。一旦形成，該蛋白介導的致病過(guò)程將被切斷，致病過(guò)程被終結，直到機體再次生成介導疾病的蛋白，但這通常需要幾天的過(guò)程。

       因此，共價(jià)鍵藥物相對于非共價(jià)鍵結合的藥物而言，可以產(chǎn)生更長(cháng)的藥效時(shí)間，而且所需劑量更低。基于這些優(yōu)勢，共價(jià)鍵藥物近年來(lái)逐漸成為了制藥公司的關(guān)注對象。這一點(diǎn)，單從近些年該類(lèi)藥物的專(zhuān)利與文獻數量增長(cháng)便可略知一二（圖2）。

       圖2. 共價(jià)鍵抑制劑專(zhuān)利與文獻數量變化圖 （數據來(lái)源：CAS）

       共價(jià)鍵藥物其實(shí)并非新興藥物，只是這種理念直到最近20年才被制藥行業(yè)加以重視并利用。

       人們熟知的阿司匹林就屬于共價(jià)鍵藥物，它的乙酰基在體內與受體酶上的絲氨酸反應，使得絲氨酸被乙酰化，并使該酶失去催化導致炎癥和凝血分子形成的功能（圖3）。因而阿司匹林在那個(gè)時(shí)代被視為消炎、解熱和抑制血栓形成（從而預防心肌梗死，中風(fēng)以及心絞痛）的神藥。其本質(zhì)的作用機理都是由于乙酰轉移的反應。

       圖3. 阿司匹林消炎、抗凝血背后的共價(jià)鍵抑制酶功能的機理

       盡管與受體產(chǎn)生共價(jià)鍵的藥物，在現代藥物產(chǎn)業(yè)起源時(shí)便已存在，但專(zhuān)屬性地研究這類(lèi)藥物卻是在一個(gè)相對較近的時(shí)間范圍內。在過(guò)去的二十年間，在諸如靶向抗癌藥依魯替尼（共價(jià)鍵結合并抑制BTK布魯頓酪氨酸激酶）等藥物成功案例的基礎上，共價(jià)鍵藥物得到了快速的發(fā)展。

       圖4展示了藥物發(fā)展歷史長(cháng)河中著(zhù)名的共價(jià)鍵藥物。其中紅色的官能團/化學(xué)結構為藥物中的活性基團，負責與受體蛋白形成共價(jià)鍵結合而抑制其致病機理。有些人可能會(huì )產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：為什么這個(gè)藥物中會(huì )含有高活性的邁克爾加成反應的親電受體？為什么會(huì )有乙氧基這樣的高活性結構？為什么會(huì )有醛基？它們不會(huì )影響藥物的穩定性嗎？實(shí)際上，這些看上去不怎么穩定的藥物，可能其治病機理正是通過(guò)這些活性官能團與受體蛋白之間形成共價(jià)鍵而實(shí)現的。

       圖4. 共價(jià)鍵藥物發(fā)展歷史圖

       雖然共價(jià)鍵藥物有著(zhù)藥效時(shí)間長(cháng)和劑量低的優(yōu)勢，但人們仍然擔心這些活性物質(zhì)會(huì )無(wú)差別地與體內蛋白結合而引發(fā)種種意料不到的副作用，與此同時(shí)，這些藥物可能引發(fā)的免疫響應也是他們關(guān)注的內容。因此安全性便成為了共價(jià)鍵藥物設計和研發(fā)過(guò)程的重中之重。

       在共價(jià)鍵藥物發(fā)展的歷史上，依魯替尼被視為具有里程碑意義的上市藥物。依魯替尼以 Imbruvica 的名稱(chēng)銷(xiāo)售，它通過(guò)共價(jià)反應抑制布魯頓酪氨酸激酶 (BTK)，這是一種在某些癌細胞中具有活性的酶 （圖5）。依魯替尼最初是在 2005 年由Celera Genomics 設計的，作為研究 BTK 生物學(xué)的工具（可見(jiàn)一開(kāi)始，依魯替尼并沒(méi)有被認真地作為先導藥物對待）。Celera 于 2006 年將該化合物作為一攬子交易的一部分出售給 Pharmacyclics，后者才將該分子用于臨床開(kāi)發(fā)。

       圖5. 共價(jià)鍵抑制劑依魯替尼抑制BTK (布魯頓酪氨酸激酶) 示意圖

       由于依魯替尼一開(kāi)始被許多制藥業(yè)從業(yè)者忽視，因此它的成功更在行業(yè)內引發(fā)了思維方式的革命。許多人單從其化學(xué)結構便認定依魯替尼的選擇性將會(huì )很低，但FDA在 2013 年批準了該化合物用于治療細胞淋巴瘤，現在它也用于治療其他五種癌癥。這導致人們不得不反省他們當初的判斷。

       依魯替尼另一個(gè)引人關(guān)注的地方在于它創(chuàng )造了極大的利潤。它的成功促使艾伯維在 2015 年為 Pharmacyclics 支付了 210 億美元。依魯替尼被某些行業(yè)內部人士認為是第一個(gè)真正驗證共價(jià)抑制劑價(jià)值的神奇分子。

       共價(jià)鍵藥物分子設計在最近20年也悄然發(fā)生變化。在21世紀的最初10年，制藥公司在研發(fā)共價(jià)鍵藥物中采用最多的手段是：在非共價(jià)鍵藥物的框架上增添可以與受體蛋白反應的活性官能團，比如丙烯酰胺或者氯乙酰胺。盡管這種手段目前還未完全退出歷史舞臺，但藥物分子設計者已經(jīng)不必依靠可逆的非共價(jià)鍵藥的物改性來(lái)發(fā)明新的共價(jià)鍵藥物。他們可以通過(guò)活性片段的數據庫來(lái)篩選受體結合有效的對象，并以此為基礎設計出共價(jià)鍵抑制劑，與那些沒(méi)有分子結合口袋的受體反應，而這些受體在傳統上被視為藥物設計的巨大挑戰，比如KRAS G12C。

       KRAS 是一種參與細胞分裂和增殖的信號傳導過(guò)程的關(guān)鍵蛋白。但 KRAS 及其家族成員（其突變體存在于 30% 的癌癥中）卻沒(méi)有明顯的口袋結合部位，藥物開(kāi)發(fā)人員花了幾十年的時(shí)間也沒(méi)有能夠設計出一個(gè)滿(mǎn)意的非共價(jià)結合分子。

       2013 年，由加州大學(xué)舊金山分校的 Kevan Shokat 領(lǐng)導的一個(gè)研究小組發(fā)現了KRAS的突變體 KRAS G12C，該蛋白質(zhì)序列上的第12個(gè)氨基酸殘基由甘氨酸變?yōu)榱税腚装彼帷hokat 發(fā)現 KRAS G12C中的半胱氨酸側鏈的巰基可以成為藥物共價(jià)結合的靶點(diǎn)。因為這種甘氨酸突變?yōu)榘腚装彼岬那闆r只發(fā)生在癌細胞上，因此小分子共價(jià)鍵藥物只會(huì )特異性地與KRAS G12C作用而不影響常規的KRAS蛋白。

       在 KRAS G12C 的情況中，藥物分子上的丙烯酰胺親電基團與半胱氨酸的巰基發(fā)生邁克爾加反應。但特殊的是，這個(gè)反應似乎利用了蛋白質(zhì)上半胱氨酸附近的賴(lài)氨酸的催化。因為當第13位殘基的甘氨酸（第13位置的氨基酸恰好也是甘氨酸）替換為半胱氨酸后，所得到的KRAS G13C變異體對同一丙烯酰胺藥物分子沒(méi)有活性，這或許是Lys的Neigh-bor effect在起作用。在這些數據的鼓舞下，癌細胞中KRAS G12C蛋白上的第12位半胱氨酸成為了藥物研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)，引發(fā)了共價(jià)鍵藥物的研究熱潮。

       進(jìn)入臨床階段的KRAS G12C共價(jià)抑制劑分子與其受體蛋白之間并沒(méi)有像傳統藥物那樣的強非共價(jià)結合力，但當它們結合在一起時(shí)，藥物分子上的活性基團迅速與KRAS G12C的Cys12反應。比如Mirati Therapeutics 的臨床藥物MRTX849 (Adagrasib)（圖6）。

       圖6. 藥物分子MRTX849 (Adagrasib) 上的丙烯酰胺基團（左圖紅色部分）與KRAS G12C蛋白的Cys12 (右側蛋白晶體結構上的黃色部分為Cys上的硫原子) 共價(jià)結合后的晶體圖。（圖片來(lái)源：Journal of Medicinal Chemistry）

       丙烯酰胺基團是共價(jià)鍵藥物常利用的親電結構，從業(yè)者對其在藥物研發(fā)領(lǐng)域內的特性也研究最透徹。依魯替尼，上面提到的MRTX849 (Adagrasib), 以及去年上市的治療KRAS G12C突變晚期或轉移性非小細胞肺癌的藥物Sotorasib (索托拉西布)的分子中都無(wú)一例外地包含了丙烯酰胺結構。

       也有一些上市的共價(jià)鍵藥物沒(méi)有利用丙烯酰胺結構，例如萬(wàn)珂，它依靠的自己的硼酸基團與受體蛋白上的蘇氨酸之間的反應（圖4）。還有抗生素藥物磷霉素，它介導的是乙氧基與半胱氨酸的反應（圖4）。

       在蛋白受體方面，研究范圍最深， 利用程度最廣的氨基酸當屬半胱氨酸。很多上市的共價(jià)鍵藥物，都是利用藥物分子的親電基團與蛋白受體的半胱氨酸的巰基之間反應。去質(zhì)子的巰基具有很高的親核性，可以與藥物分子上的親電基團，諸如丙烯酰胺，發(fā)生很快的反應，因此最受藥物研發(fā)者的青睞。常見(jiàn)的共價(jià)鍵藥物的親電基團，以及它們對應的受體蛋白質(zhì)上氨基酸，系統地顯示在圖7中。

       圖7. 共價(jià)鍵藥物親電基團與受體蛋白氨基酸對應物（圖片來(lái)源：ChemBioChem）

       方興未艾的共價(jià)鍵藥物雖然在短時(shí)間內無(wú)法成為藥物發(fā)展的主流，但它的蓬勃興起為制藥產(chǎn)業(yè)提供給了新的強力工具。表1 總結了2010-2019年間FDA批準上市的共價(jià)鍵藥物，表2則部分顯示了目前處于臨床階段的共價(jià)藥物。可以想象，隨著(zhù)藥物設計的不斷發(fā)展，共價(jià)鍵類(lèi)藥物如果能在安全性和特異性方面取得突破，必將對制藥業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。

       表1. FDA在2011-2019年間批準的共價(jià)鍵藥物 （數據來(lái)源：RSC Medicinal Chemistry）

       參考文獻：

       [1]Jay B. Fell, et al. Identification of the Clinical Development Candidate MRTX849, a Covalent KRASG12C Inhibitor for the Treatment of Cancer. J. Med. Chem. 2020, 63, 6679–6693.

       [2]Samuel E. Dalton, Sebastien Campos. Covalent Small Molecules as Enabling Platforms for Drug Discovery. ChemBioChem, 2020, 21, 1080 –1100.