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▉ 前言 過去十年，藥物靶標(biāo)領(lǐng)域的格局發(fā)生了重大變化。盡管傳統(tǒng)靶標(biāo)（比如激酶，G蛋白偶聯(lián)受體）依然是主方向，但是目前風(fēng)向也慢慢從傳統(tǒng)藥物靶標(biāo)轉(zhuǎn)向更具挑戰(zhàn)性的“不可成藥”靶標(biāo)。這些靶標(biāo)通常包括無酶功能的蛋白質(zhì)，而這些蛋白占據(jù)人體蛋白的80%左右。目前我們所知道的炙手可熱的PROTAC技術(shù)在克服耐藥和靶向不可成藥靶點(diǎn)方面展現(xiàn)出了非常大的潛力。本篇藥學(xué)速覽公眾號(hào)將對(duì)PROTAC技術(shù)細(xì)細(xì)剖析，大家多多指點(diǎn)。 目前雖然大分子生物藥（單抗，雙抗，ADC以及干擾素）研發(fā)熱潮一浪高過一浪，但是并不代表小分子藥物的衰退，恰恰相反，小分子藥物因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（研發(fā)成本相對(duì)較低，工藝相對(duì)熟練），依然是新藥研發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，就拿2020年FDA批準(zhǔn)新藥來看，一共批準(zhǔn)了53個(gè)新藥，小分子新藥就占了38個(gè)。PROTAC技術(shù)作為一個(gè)新興小分子新藥研發(fā)的一個(gè)利器，何時(shí)才能獲批第一個(gè)新藥，讓我們拭目以待。作為PROTAC技術(shù)的龍頭大哥-Arvinas，目前處于臨床一期的兩個(gè)PROTAC藥物ARV-110（靶向雄激素受體，治療前列腺癌）和ARV-471（靶向雌激素受體，治療乳腺癌），都展現(xiàn)了積極的療效數(shù)據(jù)。  ▉ PROTAC初登歷史舞臺(tái)  在對(duì)藥物化學(xué)的不斷探索過程中，研究者正開發(fā)新的策略來靶向疾病驅(qū)動(dòng)蛋白。小分子誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解是近年來最值得關(guān)注的。控制蛋白質(zhì)的命運(yùn)并誘導(dǎo)其降解，使人們不僅可以靶向酶，而且還可以靶向無活性位點(diǎn)或者不可成藥的蛋白靶標(biāo)，比如支架蛋白（scaffolding proteins）的靶標(biāo)。為此，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了利用細(xì)胞自身蛋白質(zhì)降解的方法標(biāo)記選定目標(biāo)蛋白質(zhì)并觸發(fā)其降解的機(jī)制。泛素蛋白酶體系統(tǒng)是該機(jī)制的核心，通過蛋白泛素化和隨后的蛋白酶體降解來控制蛋白質(zhì)的命運(yùn)。PROTACs技術(shù)就是利用這種降解機(jī)制，使得靶蛋白以蛋白酶體依賴的方式不可逆地被移除，從而治療疾病，由此可見這其實(shí)是一種與傳統(tǒng)小分子抑制劑甚至抗體截然不同的作用模式。  PROTAC作用方式的示意圖。 2001年P(guān)ROTAC首次作為化學(xué)生物學(xué)方法和新的治療方法被提出來，經(jīng)過20年的發(fā)展，PROTAC技術(shù)已經(jīng)成熟。早期的PROTAC基于E3連接酶結(jié)合的多肽配體分子，但是分子并不是很理想，比如細(xì)胞通透性低，不穩(wěn)定，導(dǎo)致降解效率低下，該技術(shù)的突破點(diǎn)之一也在于此，研究人員基于von Hippel Lindau (VHL) E3連接酶開發(fā)了更多類藥理化性質(zhì)配體分子，該技術(shù)的突破點(diǎn)之二在于闡明了沙利度胺與E3泛素連接酶CRBN作用（沙利度胺重定向E3泛素連接酶CRBN，從而使一些目標(biāo)蛋白被蛋白酶體降解，也是沙利度胺導(dǎo)致畸行發(fā)育的原因）開發(fā)了一些可結(jié)合CRBN的更加類藥的一些小分子。這些發(fā)現(xiàn)為2015年報(bào)道的針對(duì)RIPK2/ERRα和BRD4的PROTAC藥物鋪平了道路。由于這些突破性的研究顯著加速了該領(lǐng)域的發(fā)展，學(xué)術(shù)界對(duì)PROTAC誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解的興趣大大增加。從那時(shí)起，來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的許多科研小組就致力于探索該技術(shù)的應(yīng)用。 PROTAC的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以有效地抑制目標(biāo)蛋白，還可以快速降解清除。其中一個(gè)很值得注意的一點(diǎn)是：只需要催化量的藥物，就可以降解細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)蛋白，故具有較高的安全性、耐藥性和廣闊的應(yīng)用前景。 1. PROTACs分子量一般在700~1200之間，這使得它們的透膜能力與(口服)生物利用度較差，且缺少如適用于小分子藥物的“類藥五原則”的預(yù)測(cè)模型，這使得目前大部分的研究?jī)H僅證明了所設(shè)計(jì)的PROTAC在細(xì)胞水平上對(duì)靶蛋白降解的有效性與抗增殖活性。 2. 與傳統(tǒng)小分子藥物不同，目前尚無有效的高通量篩選技術(shù)用于快速、大量地評(píng)估PROTAC降解POI的能力，只能通過細(xì)胞活性篩選或免疫印跡實(shí)驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)，這大大降低了開發(fā)PROTAC的速度與成功率。 3. 有文獻(xiàn)報(bào)道，僅僅改變linker的長(zhǎng)度或結(jié)構(gòu)就會(huì)對(duì)PROTAC的降解能力有巨大影響，這或許是由于在泛素化過程中不同的E3酶和POI之間所需的空間距離不同引起的。鑒于目前仍沒有POI-Protac-E3酶復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)被解析得到，因此對(duì)linker部分的改造缺少指導(dǎo)方向。 4. 發(fā)現(xiàn)與E3酶受體蛋白特異性結(jié)合的底物具有偶然性，目前報(bào)道的PROTAC主要靶向CRBN與VHL，盡管CRBN與VHL是否會(huì)發(fā)生突變以及突變后是否對(duì)PROTAC有影響還是未知，但了解新的E3酶并開發(fā)相應(yīng)的PROTAC具有重要意義，也面臨巨大挑戰(zhàn) ▉ PROTAC布局與設(shè)計(jì) 自2013年成立PROTAC公司Arvinas?以來，隨后的第二代公司（例如C4Therapeutics?（成立于2015年）和Kymera Therapeutics?（成立于2017年））也開始探索小分子誘導(dǎo)的蛋白降解領(lǐng)域?？紤]到近年來人們對(duì)這種治療方法感興趣，這三個(gè)生物技術(shù)公司已經(jīng)與數(shù)家大型制藥公司進(jìn)行了數(shù)百萬美元的合作。很多大型制藥公司都開始評(píng)估PROTAC技術(shù)，他們有的與上述三家生物技術(shù)公司合作，有的也建立自己的蛋白質(zhì)降解平臺(tái)，例如Novartis?，AstraZeneca?或GSK?。然而，雖然像Arvinas這些第一批研究 PROTACs 的制藥公司已經(jīng)開始產(chǎn)生可口服的有效PROTACs，但對(duì)于本領(lǐng)域的其他新手來說，PROTAC的設(shè)計(jì)和優(yōu)化并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，這一點(diǎn)已變得顯而易見。  如下圖所示，找一個(gè)linker將兩個(gè)配體分子連接起來很簡(jiǎn)單，也許在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也會(huì)降解蛋白，但是分子基本不會(huì)有很好的生物利用度，所以避免不了要對(duì)E3酶配體、linker和靶標(biāo)結(jié)合劑進(jìn)行研究和優(yōu)化。其中linker的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)檫B接子可以影響總體PROTAC構(gòu)象和結(jié)合方向以及三元復(fù)合物的形成。因此，連接子的作用遠(yuǎn)不止簡(jiǎn)單地連接兩個(gè)分子實(shí)體。它直接影響PROTAC的活性，選擇性和理化性質(zhì)。為了支持基于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作，迄今為止，在沒有X射線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的情況下，使用PROTAC三元配合物的X 射線共晶結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法作為預(yù)測(cè)三元配合物模型的工具已被成功利用。盡管用于linker設(shè)計(jì)的化學(xué)空間可能很大，但是大多數(shù)研究小組更喜歡用烷基或聚乙二醇（PEG）鏈來確定最佳linker長(zhǎng)度。通過選擇烷基或PEG的linker，整體理化性質(zhì)（例如，TPSA （拓?fù)錁O性表面積）和cLogP）被相應(yīng)地修飾。一些剛性結(jié)構(gòu)（例如雜環(huán)，炔基）也已用于優(yōu)化研究中。  圖3 PROTAC裝配示意圖 雖然許多文章中都選擇了某些常見蛋白質(zhì)（例如BRD4或雄激素受體或BTK）作為靶標(biāo)，但幾乎每天都有關(guān)于新靶標(biāo)蛋白質(zhì)能夠被PROTAC介導(dǎo)的降解的報(bào)道。對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)靶標(biāo)，PROTAC介導(dǎo)的降解效果與傳統(tǒng)靶標(biāo)抑制效果相似，在效果或解決某些耐藥機(jī)制方面，PROTAC分子優(yōu)于某些抑制劑。比如，對(duì)于PROTAC誘導(dǎo)的靶標(biāo)黏著斑激酶（FAK，上圖）降解能夠關(guān)閉FAK的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，這是小分子Fak抑制劑無法達(dá)到的。此外，據(jù)報(bào)道PROTAC技術(shù)清除了額顳葉癡呆（FTD）患者來源的神經(jīng)元細(xì)胞中的Tau蛋白，這些模型將PROTAC的治療區(qū)域擴(kuò)展到了神經(jīng)退行性疾病。此類研究證明了PROTAC在藥物治療領(lǐng)域的巨大潛力。令人激動(dòng)的是，接下來PROTAC誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解將解決那些主要的難成藥性蛋白靶點(diǎn)引起的疾病。但是許多靶點(diǎn)尚沒有發(fā)現(xiàn)其合適的配體結(jié)合分子，因此篩選和發(fā)現(xiàn)一些不可成藥靶點(diǎn)的合適的配體分子也將是一個(gè)難題。 迄今為止，蛋白質(zhì)降解主要集中在腫瘤學(xué)領(lǐng)域和神經(jīng)變性疾病（Tau）或炎癥/免疫學(xué)（IRAK4和RIP2K）領(lǐng)域，鑒定合適的組織或疾病特異性的E3連接酶也將是很有前景的發(fā)展方向。迄今為止取得的初步成果使人們對(duì)PROTAC寄予了厚望，這不僅是化學(xué)生物學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)工具箱中的附加工具，而且還是成功的治療方式。但是PROTAC的開發(fā)仍然存在許多挑戰(zhàn)，還需要克服許多其他障礙，但是路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。下圖附上2001-2019年通過PROTAC技術(shù)成功降解靶標(biāo)的總結(jié)。 參考文獻(xiàn)： https://www./articles/nature13527 https://pubs./en/content/ebook/978-1-78801-686-5 |
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