阿司匹林，是具有上百年歷史的消炎鎮痛藥；青黴素，是有效治療多種細菌感染的第一批抗生素；億珂（伊布替尼，英文商品名Imbruvica），是改變血液癌症治療的重磅藥物。這幾款在人類醫藥歷史上出現的重要藥物都有一個共同點，它們都屬於「共價抑制劑」（covalent inhibitors）。這些化合物上的特定基團能夠與它們的生物靶點形成共價鍵，從而不可逆地改變生物靶點的功能。
雖然人類醫藥歷史上多款具有重大意義的藥物包含共價作用機制，然而很久以來，藥物研發人員在選擇靶點的抑制劑時會有意避免能夠與靶點共價結合的化合物。他們擔心這些化合物的選擇性不夠強，而一旦它們與其它不相關的蛋白結合，就可能產生嚴重的毒性。
近年來，隨著藥物開發技術的發展，共價抑制劑正在成為藥物研發的一個重要模式，它們不但產生了有效的重磅藥物，而且為靶向「不可成藥」靶點提供了新策略。今天藥明康德內容團隊將結合公開資料，回顧共價抑制劑的發展歷程。
共價抑制劑的作用方式
如前所說，人類使用具有共價機製藥物的歷史已經有上百年。阿司匹林最初在1899年就被使用作為消炎和鎮痛藥。不過直到1971年，人們才了解了它的作用機制。阿司匹林能夠與負責合成前列腺素和血栓素的環氧化酶（Cyclooxygenase，COX）不可逆結合，從而抑制COX的活性，降低炎症的產生。
▲阿司匹林的分子結構式（圖片來源：public domain）
共價抑制劑和非共價抑制劑是靶向生物靶點的兩種抑制劑類型。目前大多數小分子藥物仍然屬於非共價抑制劑，這些化合物可以與生物靶點可逆結合，它們與靶點之間的親和力往往決定藥物的治療效果，因此大多數小分子藥物的研發目標是發現能夠與生物靶點以高親和力結合的化合物。
而共價抑制劑在與生物靶點結合之後，化合物上的基團能夠與靶點產生化學反應生成共價鍵。這讓共價抑制劑與靶點蛋白形成一個穩定的複合體，從而不可逆地抑制靶點蛋白的活性。這種作用方式具有獨特的優點，由於能夠不可逆地抑制靶點蛋白的活性，這意味著在細胞生成新的靶點蛋白之前，共價抑制劑都能夠維持抑制效果。這可能導致共價抑制劑只需要更少的劑量和服藥次數，就能夠達到與非共價抑制劑相同的療效。而且研究顯示，共價抑制劑與非共價抑制劑相比，在靶向容易產生抗性的靶點方面更具優勢。
▲共價抑制劑（b）和非共價抑制劑（a）的作用方式（圖片來源：參考資料[4]）
然而，共價抑制劑讓人們擔憂的因素是它的潛在毒副作用。因為這些化合物能夠與蛋白形成共價鍵，與非靶點蛋白的結合可能造成嚴重的副作用。因此，很久以來，藥物研發人員在篩選候選化合物時往往會避免能夠與靶點共價結合的化合物。這一傾向在近10年來才開始轉變。
億珂——讓人們重新審視共價抑制劑的重磅抗癌藥
而讓人們重新審視共價抑制劑的突破之一是在2013年由FDA批准的布魯頓氏酪氨酸激酶（BTK）抑制劑Imbruvica。Imbruvica最初並非作為藥物，而是以「工具化合物」的角色被開發的。它雖然能夠與BTK共價結合，但是由於人們擔心它的選擇性和潛在的毒副作用，最初只把它當作協助BTK抑制劑篩選的工具。
然而在Pharmacyclics公司和楊森（Janssen）公司的聯合開發下，這款BTK共價抑制劑在治療B細胞血液癌症方面表現出優異的療效。不但在2013年獲批治療套細胞淋巴瘤，而且隨後快速獲得FDA批准治療包括慢性淋巴細胞白血病和華氏巨球蛋白血症（Waldenstrom macroglobulinemia）在內的多項適應症，被人們稱為讓患者脫離化療的重磅新藥。
與此前獲批和使用的共價抑制劑不同，Imbruvica屬於第一批有意設計的共價抑制劑。它的成功讓研發人員們意識到，至少在腫瘤學領域，共價抑制的策略值得探索。
靶向「不可成藥」靶點的新策略
根據美國化學會（ACS）旗下化學文摘社（CAS）的統計，自1990年以來，FDA已經批准了35款具有共價抑制機制的創新藥。其中包括百濟神州公司開發的BTK抑制劑zanubrutinib，阿斯利康公司的第三代EGFR抑制劑osimertinib等為大家熟知的抗癌藥物。而且共價抑制劑作為一種藥物開發策略，為研發人員靶向「不可成藥」靶點提供了新工具。其中一個著名的例子就是靶向KRAS G12C突變體的抑制劑。
▲歷史上獲批的部分共價抑制劑（粉色標出與靶點形成共價鍵的基團）（圖片來源：參考資料[3]）
傳統的非共價抑制劑需要與靶點以高親和力結合才能發揮作用，而很多靶點蛋白的表面缺乏能夠讓小分子有效結合的「口袋」，這讓它們很難被非共價抑制劑靶向，KRAS就是其中之一。雖然它和RAS家族其它成員的基因突變在30%的癌症中出現，但是幾十年來研發人員一直無法找到合適的非共價抑制劑。
在2013年，加州大學舊金山分校的Kevan Shokat教授率領的研究團隊發現，在名為KRAS G12C的突變體中，因為基因突變生成的半胱氨酸（Cys）為與小分子的親電基團生成共價鍵提供了一個靶點。由於KRAS G12C突變只出現在腫瘤細胞中，靶向這一突變體不會影響到健康細胞中的野生型KRAS。針對KRAS G12C突變體上的半胱氨酸，研究人員開發出能夠與之共價結合的小分子抑制劑。
這一發現激發了多家生物技術和醫藥公司開發靶向KRAS G12C的共價抑制劑。其中，安進（Amgen）公司的sotorasib（AMG 510）和Mirati Therapeutics公司的adagrasib（MRTX849）均已經在治療攜帶KRAS G12C的非小細胞肺癌患者的臨床試驗中獲得出色的結果，有望在明年遞交新藥申請。
▲KRAS G12C抑制劑成藥機制（圖片來源：Mirati官網）
KRAS G12C共價抑制劑的開發也代表著在共價抑制劑開發理念上的一個轉變。此前，共價抑制劑的開發常常基於對非共價抑制劑的改造。藥物研發人員先找到能夠與生物靶點相結合的非共價抑制劑，然後在它們的骨架上添加能夠與靶點產生共價鍵的化學基團。而KRAS G12C共價抑制劑的發現策略則是直接篩選能夠與突變體上的半胱氨酸生成共價鍵的候選小分子化合物。這種篩選方式雖然沒有發現能夠與突變體以高親和力結合的化合物，但是發現了能夠與半胱氨酸快速生成共價鍵的化合物。它們的成功顯示，對於共價抑制劑來說，即使沒有很多分子能夠觸及到靶點，只要接觸到靶點的分子能夠快速生成共價鍵，仍然可以達到抑制靶點活性的作用。這為藥物開發人員提供了尋找候選化合物的一個新方向。
未來廣闊的發展空間
如今，理性設計共價抑制劑來靶向「不可成藥」靶點已經成為多家生物技術和醫藥公司的小分子藥物開發「工具箱」中的重要工具。蛋白質組小分子篩選技術（proteomic screening）的成熟也讓研發人員能夠有效地衡量共價抑制劑的特異性，從而減輕了對它們的毒副作用的疑慮。這一技術以能夠以可形成共價鍵的化合物為「餌」，對整個蛋白質組進行篩選，找出能夠與化合物結合的蛋白片段。這種方法不但能夠檢測出共價抑制劑的特異性，而且可能幫助篩選出全新的成藥位點。今年與羅氏（Roche）達成數十億美元合作協議的Vividion Therapeutics公司，就在利用這一技術開發新型小分子藥物。將共價抑制劑分子與靶向泛素E3連接酶的分子組合在一起，也正在成為開發靶向蛋白降解（PROTAC）分子的重要策略之一。
對共價抑制劑的應用也已經超出腫瘤學領域，去年獲得FDA批准治療鐮刀型細胞貧血病（SCD）的Oxbryta（voxelotor），是一款能夠與靶點形成可逆性共價鍵的創新小分子療法。在新冠疫情席捲全球的今天，研究人員也在開發針對新冠病毒的共價抑制劑。日前，輝瑞（Pfizer）公司宣布，該公司針對冠狀病毒3CL蛋白酶開發的小分子共價抑制劑已經進入1期臨床試驗。
從最初被「有意迴避」變為藥物開發人員專注的開發熱點之一，共價抑制劑的開發歷程展現了小分子藥物開發技術和理念的不斷進步。我們期待這一開發策略能夠更好地發揮小分子藥物的潛力，為更多患者帶來新藥好藥。
參考資料:
[1] Covalent drugs go from fringe field to fashionable endeavor. Retrieved November 9, 2020, from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-discovery/Covalent-drugs-fringe-field-fashionable/98/i43
[2] 億珂誕生記：讓化療成為歷史的重磅新藥. Retrieved November 10, 2020, from https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMDA5NTIxNQ==&mid=2649979490&idx=1&sn=8be86ba64917a1ff7d00db0538e43222&chksm=82e9fce2b59e75f4bf48a075fb6d9ee16743c679a9a53a9b4db06a75aaf1546babdd14062da2#rd
[3] Sutanto et al., (2020). Covalent inhibitors: a rational approach to drug discovery. RSC Medicinal Chemistry. https://doi.org/10.1039/D0MD00154F
[4] Bauer (2015). Covalent inhibitors in drug discovery: from accidental discoveries to avoided liabilities and designed therapies. Drug Discovery Today, http://dx.doi.org/10.1016/j.drudis.2015.05.005
[5] Pfizer’s novel COVID-19 antiviral heads to clinical trials. Retrieved November 15, 2020, from https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-discovery/Pfizers-novel-COVID-19-antiviral/98/web/2020/09