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許多藥物靶標(biāo)被嵌入細(xì)胞膜的磷酸雙分子層中，例如G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）、離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)體和膜結(jié)合酶。越來(lái)越多的生物物理和結(jié)構(gòu)研究表明，許多小分子藥物通常在蛋白質(zhì)-磷脂界面的結(jié)合點(diǎn)與這些靶標(biāo)結(jié)合。藥物在與蛋白質(zhì)相互作用之前，必須先在磷脂層中進(jìn)行分配，這種膜進(jìn)入機(jī)制必然會(huì)影響藥物的藥效數(shù)據(jù)、構(gòu)效關(guān)系、藥動(dòng)學(xué)和理化性質(zhì)。隨著X-衍射晶體和冷凍電鏡方法解析的小分子膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量的增多，我們發(fā)現(xiàn)配體-脂質(zhì)相互作用在小分子藥物發(fā)揮藥效時(shí)，扮演的角色比通常認(rèn)為的更為重要。本文介紹了相關(guān)概念，來(lái)幫助藥物研發(fā)團(tuán)隊(duì)在這種靶向空間中進(jìn)行合理的藥物設(shè)計(jì)，并討論這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和未來(lái)的機(jī)遇。

膜蛋白上的小分子結(jié)合位點(diǎn)可以根據(jù)它們從脂質(zhì)雙分子層進(jìn)入和暴露的情況進(jìn)行分類。具有大結(jié)構(gòu)域的整合蛋白，在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外可能都具有類似于可溶性蛋白中經(jīng)典的小分子結(jié)合位點(diǎn)（見圖1a）。另外，在蛋白質(zhì)跨膜區(qū)發(fā)現(xiàn)的結(jié)合位點(diǎn)可按配體通過水相或膜相的途徑，以及它們與跨膜α螺旋的關(guān)系進(jìn)行分類。螺旋內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)位于α-螺旋之間形成的口袋內(nèi)，包括經(jīng)典的GPCR正構(gòu)體和離子通道孔位點(diǎn)，這些位點(diǎn)通常暴露在細(xì)胞外環(huán)境中，藥物分子可通過水相進(jìn)入（見圖1b）。

然而，脂質(zhì)雙分子層也可能作為小分子通路的相關(guān)生物相。事實(shí)上，正如許多實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)所揭示的那樣，GPCR和離子通道可能具有膜暴露的開窗，使小分子通過膜和水相進(jìn)入結(jié)合位點(diǎn)（圖1c）。在GPCR、離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體中發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的非經(jīng)典和變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可以通過“膜可及通道”獲得。一些螺旋內(nèi)“膜可及位點(diǎn)”大到足以完全包裹一個(gè)小分子配體（圖1d）。而其他位點(diǎn)則可能相對(duì)較淺，大部分配體暴露在脂質(zhì)相中（圖1e）。這些亞類之間有實(shí)質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)槟け┞秾?duì)藥物的物理化學(xué)性質(zhì)有很大的影響。

另外，外螺旋結(jié)合位點(diǎn)主要位于由跨膜α-螺旋形成的膜暴露的蛋白質(zhì)表面（圖1f），這種結(jié)合位點(diǎn)極具代表性，藥物分子暴露在脂膜層，只有一小部分與蛋白表面有相互作用。在考慮藥物進(jìn)入時(shí)，還必須考慮膜蛋白靶點(diǎn)的功能和動(dòng)力學(xué)。特定小分子結(jié)合位點(diǎn)的存在，或者說進(jìn)入它的途徑，可能與蛋白質(zhì)的構(gòu)象或'狀態(tài)’至關(guān)重要。隨著GPCRs通過其活化周期或者離子通道門的打開和關(guān)閉，以及轉(zhuǎn)運(yùn)體發(fā)生實(shí)質(zhì)性的構(gòu)象重排，這些結(jié)構(gòu)變化頻繁地影響小分子結(jié)合位點(diǎn)及相關(guān)的藥理和效價(jià)。此外，小分子可能與周圍的大塊膜脂競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合目標(biāo)蛋白，特別是在螺旋內(nèi)和螺旋外位點(diǎn)。

圖1.受體結(jié)合模式。小分子藥物可以通過溶劑(a - c )或脂質(zhì)雙分子層(c - f )進(jìn)入膜蛋白上的結(jié)合位點(diǎn)。膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的詳細(xì)特征表現(xiàn)了它們與靶蛋白的跨膜螺旋的關(guān)系，結(jié)合在( 螺旋內(nèi)：b - e )或沿著 (螺旋外：f) α螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)之間。在藥物發(fā)現(xiàn)過程中，小分子配體的結(jié)合位點(diǎn)環(huán)境，如膜暴露程度，會(huì)對(duì)藥物性質(zhì)和先導(dǎo)物優(yōu)化策略產(chǎn)生影響。

圖2 |蛋白質(zhì)-磷脂界面藥物設(shè)計(jì)策略。這些小分子設(shè)計(jì)策略可以增加膜分配和藥物-脂質(zhì)相互作用，以靶向膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)。

由于許多配體直接接觸到脂質(zhì)雙分子層，似乎存在有限的結(jié)構(gòu)信息可用來(lái)指導(dǎo)優(yōu)化潛在的相互作用。在這一部分中，我們討論了藥物與膜相互作用的經(jīng)典例子，將以前的藥理觀察和膜通道假說與最近的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。然后，我們從更近期的藥物發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中考慮了新的可利用的配體結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)以及已發(fā)表的構(gòu)效關(guān)系(SARs )。盡管靜態(tài)地看待結(jié)合配體可能會(huì)掩蓋更復(fù)雜的靶動(dòng)力學(xué)或可能有助于藥物活性的三元相互作用，但新獲得的結(jié)構(gòu)信息為探索膜上藥物作用的新假說提供了契機(jī)。

Meyer和Overton的麻醉脂質(zhì)理論實(shí)質(zhì)上已經(jīng)從一個(gè)注重膜雙分子層性質(zhì)變化的機(jī)制演變?yōu)楝F(xiàn)在主流的蛋白質(zhì)理論。普通麻醉劑脫氧烷和異丙酚與細(xì)菌五聚體配體門控離子通道結(jié)合的X射線結(jié)構(gòu)的公布，有助于在結(jié)構(gòu)層面鞏固蛋白質(zhì)理論(圖3a )。兩種麻醉劑均結(jié)合在通過脂質(zhì)雙層可到達(dá)的同一螺旋內(nèi)跨膜腔。脫氧烷以其高度氟化的結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)，它可以增加親脂性和膜分配，用于多種全身麻醉劑，同時(shí)減少可燃性和代謝不穩(wěn)定性。

在其結(jié)構(gòu)闡明的幾十年之前，詳細(xì)的電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示了電壓門控鈉( Nav )通道中樞腔孔阻滯劑的狀態(tài)依賴配體結(jié)合途徑。在所提出的結(jié)合模型中，靜息態(tài)的孔道封鎖通過膜進(jìn)行，而開放狀態(tài)下，通往胞漿的溶劑可及通道。最近一個(gè)與抗心律失常藥物氟卡尼 (圖3b )形成復(fù)合物的Nav1.5心臟通道結(jié)構(gòu)(圖3b )顯示，在孔道內(nèi)存在橫向開窗，可提供配體直接從脂質(zhì)雙分子層進(jìn)入，支持疏水或中性藥物可能通過脂質(zhì)相到達(dá)孔道部位的經(jīng)典理念。與此假設(shè)一致，改變模式細(xì)菌通道開窗大小的突變，會(huì)調(diào)節(jié)氟卡尼的親和力。氟卡尼是一種高度氟化的結(jié)構(gòu)類似物，它的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展利用了氟的高脂溶性和相對(duì)較小的范德華半徑來(lái)靶向這一獨(dú)特的膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)。L型鈣通道阻滯劑的膜分離能力有助于解釋在二氫吡啶類抗高血壓藥物中觀察到的親和力、PK和作用時(shí)間。

尼莫地平（Nimodipine），一個(gè)快速和短效的阻斷劑，有一個(gè)比長(zhǎng)效阻斷劑氨氯地平（amlodipine）和拉西地平（lacidipine）低得多的平衡膜分配系數(shù)。事實(shí)上，氨氯地平主要通過延長(zhǎng)血漿半衰期和添加與膜相關(guān)的堿性伯胺來(lái)獲得其長(zhǎng)效特性。對(duì)鈣離子通道與包括氨氯地平(圖3c )在內(nèi)的多種二氫吡啶調(diào)節(jié)劑復(fù)合物的研究發(fā)現(xiàn)，在脂質(zhì)雙分子層的深處有一個(gè)螺旋內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)與二氫吡啶類藥物的局部膜濃度對(duì)解釋其觀察到的活性至關(guān)重要的假設(shè)一致。

吸入β2腎上腺素受體( β2AR )激動(dòng)劑提供了藥物作用中配體-膜相互作用的另一個(gè)經(jīng)典例子。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)效β2AR激動(dòng)劑沙美特羅（salmeterol）的苯烷氧烷基尾有助于延長(zhǎng)作用時(shí)間，最近的X射線共晶體結(jié)構(gòu)顯示沙美特羅位于β2AR上的一個(gè)溶劑可及的正構(gòu)體位置，苯烷氧基烷基尾與受體之間有廣泛的接觸(圖3d )，這一模型應(yīng)征了早期的“外顯位(區(qū))”模型，該模型提出配體-蛋白質(zhì)相互作用將藥物困在受體附近。然而，現(xiàn)有的藥理證據(jù)也表明，苯烷氧基烷基尾與脂膜之間的物理化學(xué)作用，增加了局部藥物濃度和觀察到的作用時(shí)間。缺乏沙美特羅拉長(zhǎng)尾巴的短效β2AR激動(dòng)劑沙丁胺醇的親和力、膜分配和作用時(shí)間的減少證明了這一假說。相反，內(nèi)在受體親和力和膜分配能力的結(jié)合最好地描述了β2AR部分激動(dòng)劑的活性，突出了藥物-脂質(zhì)相互作用的相關(guān)性，即使配體結(jié)合位點(diǎn)不直接暴露于脂質(zhì)雙層。

P2Y1受體拮抗劑的發(fā)現(xiàn)，為藥物在膜蛋白界面的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有價(jià)值的案例研究。最近的結(jié)構(gòu)工作進(jìn)展極大地啟發(fā)了現(xiàn)有的公開數(shù)據(jù)，包括廣泛的SAR和無(wú)關(guān)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)的理化數(shù)據(jù)。非核苷酸拮抗劑BPTU對(duì)P2Y1受體的結(jié)晶，顯示了一個(gè)高度膜暴露的螺旋外調(diào)節(jié)位點(diǎn)(圖4a )。值得注意的是，這種很大程度上疏水性較淺的結(jié)合口袋，具有BPTU的尿素基團(tuán)與蛋白質(zhì)上氫鍵受體之間的雙齒氫鍵作用。BPTU母核上的親脂取代對(duì)提高親和力至關(guān)重要，叔丁基和三氟甲氧基取代提供了親和力和代謝穩(wěn)定性的最佳平衡。BPTU的高親脂性和低溶解性是典型的針對(duì)高度膜暴露結(jié)合位點(diǎn)的中性配體，克服了典型的螺旋外位點(diǎn)的P2Y1拮抗劑研發(fā)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。與這些觀測(cè)結(jié)果一致，一個(gè)特別豐富的計(jì)算模擬描述了BPTU從水環(huán)境到膜嵌入結(jié)合位點(diǎn)的路徑。這項(xiàng)工作表明，配體在受體結(jié)合前聚集在脂質(zhì)雙分子層的特定區(qū)域，是由BPTU的尿素基團(tuán)與磷脂的二酰甘油骨架之間的極性相互作用介導(dǎo)的。

最近與FDA批準(zhǔn)的增效劑依伐卡托（ivacaftor）結(jié)合的囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)因子( CFTR )的冷凍的電鏡( Cryo-EM )結(jié)構(gòu)也揭示了脂質(zhì)雙分子層內(nèi)的一個(gè)外螺旋結(jié)合位點(diǎn)（圖4b）。令人驚訝的是，大約60 %的依伐卡托的分子表面暴露在膜上，這表明只有有限的配體-蛋白質(zhì)相互作用對(duì)親和力有幫助。對(duì)配體結(jié)合模式的分析也表明，依伐卡托的極性部分被屏蔽在膜環(huán)境之外，而更多的親脂性部分則指向脂質(zhì)膜。依伐卡托具有與BPTU驚人的相似性質(zhì)，具有高親脂性，低溶解性和延長(zhǎng)的體內(nèi)半衰期。盡管依伐卡托這種非傳統(tǒng)的作用特征，然而它已經(jīng)改變了囊性纖維化的治療，突出了外螺旋結(jié)合位點(diǎn)作為藥物研發(fā)焦點(diǎn)的重要意義。

用于治療哮喘的瞬時(shí)受體電位錨蛋白1 ( TRPA1 )拮抗劑GDC-0334的發(fā)現(xiàn)，提供了一個(gè)針對(duì)離子通道上膜暴露的螺旋內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的藥物研發(fā)的案例（圖4c）。Cryo-EM結(jié)構(gòu)顯示GDC-0334的脯氨酸磺酰胺部分結(jié)合在較淺的疏水的螺旋內(nèi)口袋中，而雙三氟甲基-二芳基基團(tuán)則充分暴露在膜上。GDC-0334與其他具有膜暴露結(jié)合位點(diǎn)的藥物具有許多相同的一般性質(zhì)，包括水溶性差和高被動(dòng)通透性。在這類TRPA1抑制劑中，降低親脂性同時(shí)提高親和力的努力最終都失敗了，因?yàn)橛H脂性對(duì)于體外和體內(nèi)親和力都是必要的，這可能與膜暴露結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)。值得注意的是，GDC-0334中的8個(gè)氟原子通過增加脂溶性提供了增強(qiáng)的親和力，同時(shí)也阻斷了代謝，增加了體內(nèi)半衰期。Cryo-EM結(jié)構(gòu)最終表明，雙芳基類似物之間觀察到的親和力差異并不是通過配體-蛋白質(zhì)相互作用的改善來(lái)解釋的。相反，雙芳基基團(tuán)可能是親脂尾巴，有助于增強(qiáng)脂質(zhì)相互作用和膜分裂。

在用于2型糖尿病潛在治療的G蛋白偶聯(lián)受體40(GPR40，又稱 FFAR1)激動(dòng)劑fasiglifam ( TAK-875 )中也觀察到了有利于小分子-膜相互作用的親脂尾，該激動(dòng)劑同時(shí)還具有另一個(gè)膜暴露的螺旋內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)(圖4d )。fasiglifam-GPR40共晶體結(jié)構(gòu)顯示：二氫苯并呋喃部分與螺旋內(nèi)結(jié)合，而末端二甲苯基和甲基丙氧基則向膜相方向移動(dòng)，與其他官能團(tuán)相比，甲酰丙氧基尾具有較高的活性，表明兩親性磺酰基雖然降低了親脂性，但與周圍的脂質(zhì)環(huán)境有良好的相互作用。

由于考慮膜通路可能與藥物觀察到的活性有關(guān)，針對(duì)膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)考慮這些與親和力、理化性質(zhì)、PK和安全性考慮有關(guān)的配體-脂質(zhì)相互作用的關(guān)鍵概念。

配體與膜受體的結(jié)合通常被認(rèn)為是從溶劑到靶點(diǎn)的一步作用機(jī)制，但在靶分子參與之前的一個(gè)初始的膜分配步驟（也就是所謂的微動(dòng)力學(xué)模型），會(huì)在高估和低估藥物作用的復(fù)雜性之間產(chǎn)生微妙的平衡。脂質(zhì)雙分子層對(duì)藥物而言，可通過充當(dāng)蓄積體或“沉淀物”而實(shí)質(zhì)性地影響小分子與靶點(diǎn)的結(jié)合。修正膜上局部藥物濃度，可以使用的方程區(qū)（Kdobs = Kdint × Kmem-1）分膜和受體對(duì)親和力的貢獻(xiàn)。其中，Kdobs為“觀察”或測(cè)量的平衡常數(shù)，Kdint為固有的受體親和力，Kmem為定義為（[Ligand]膜/ [Ligand]水）的無(wú)量綱膜分配系數(shù)。因此，膜分配將通過增加藥物在靶標(biāo)附近的局部濃度來(lái)提高觀察到的親和力。

這里，采用兩步結(jié)合模型的動(dòng)力學(xué)分析探索了一系列β2AR激動(dòng)劑，采用固定化人工膜( IAM )色譜評(píng)估藥物膜濃度的藥物-受體結(jié)合率。研究表明，藥物與磷脂相互作用的程度直接影響到靶標(biāo)的表觀動(dòng)力學(xué)締合速率( kon )和表觀解離常數(shù)( Kdobs )，而對(duì)靶標(biāo)的解離速率( koff )沒有影響。配體的膜分配能力與koff之間沒有相關(guān)性，表明觀察到的親和力的增加可能獨(dú)立于增強(qiáng)配體-受體相互作用。同時(shí)，膜內(nèi)藥物水平較高時(shí)，觀察到的增加的締合速率與增強(qiáng)的配體結(jié)合速率相一致。根據(jù)這個(gè)概念，當(dāng)配體在膜中分配后，配體從通過溶劑的三維結(jié)合軌跡過渡到通過脂質(zhì)雙層分子的二維結(jié)合軌跡，從而大大提高了配體結(jié)合的動(dòng)力學(xué)速率。除主體相分配外，生物膜還可能影響藥物在靶分子結(jié)合之前在雙層內(nèi)的構(gòu)象、取向和深度。值得注意的是，一些分子可以高效地靶向離子通路，這些藥理學(xué)原理構(gòu)成了藥物分子天然存在的毒素的基礎(chǔ)。

在實(shí)際應(yīng)用中，兩步結(jié)合模型為藥物-靶點(diǎn)結(jié)合事件增加了一層復(fù)雜性，可能解釋了業(yè)內(nèi)描述的膜靶點(diǎn)常見的陡峭SAR，此理論認(rèn)為配體結(jié)構(gòu)的微小變化可能導(dǎo)致親和力的劇烈喪失。從SBDD的角度看，對(duì)配體的微小改變并不直接影響蛋白質(zhì)結(jié)合，實(shí)際上可能通過膜親和力或分配的意外改變而降低親和力。因此，闡明不同的結(jié)構(gòu)-膜相互作用關(guān)系對(duì)于膜靶點(diǎn)的藥物設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但在該領(lǐng)域認(rèn)識(shí)仍然有待深入研究。

小分子的膜分配常被描述為由本體親脂性驅(qū)動(dòng)的非特異性相互作用。盡管這對(duì)許多中性小分子來(lái)說是真的，但也是一種過度簡(jiǎn)化的說法。小分子和兩親性磷脂之間存在疏水和極性相互作用（圖5）。辛醇-水體系較好地模擬了疏水性脂質(zhì)與中性配體的相互作用，但無(wú)法解釋離子化物質(zhì)與兩性離子磷脂的相互作用。帶正電的堿性胺與脂類上的磷酸基團(tuán)之間良好的靜電相互作用是迄今為止膜雙分子層中表征最好的極性相互作用。堿性分子可以通過添加疏水基團(tuán)進(jìn)一步穩(wěn)定在膜上，這些疏水基團(tuán)可以埋藏在雙分子層的脂肪酸核心中。

此外，中性配體可以與膜發(fā)生極性接觸，主要是在雙分子層的二酰甘油連接區(qū)域內(nèi)存在的氫鍵供體配體和氫鍵受體酯羰基之間。離子化的弱酸如羧酸等在膜中的分配相對(duì)較少，這可能是由于帶電的膽堿或乙醇胺頭基位于脂-水界面處。膽固醇憑借其剛性的四環(huán)類固醇核，減少了小分子分配成模型脂質(zhì)體，從而降低了生物膜內(nèi)較柔性磷脂的流動(dòng)性和增溶強(qiáng)度。盡管在現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)的背景下很少考慮，但小分子有可能優(yōu)先分配到具有明顯脂質(zhì)成分的特定細(xì)胞類型中，甚至可能進(jìn)入脂筏等膜微域。

藥物-脂質(zhì)相互作用影響小分子藥物的PK性質(zhì)，最顯著的是，高度膜結(jié)合的化合物具有更大的分布體積，從而影響半衰期。這一思想在兩個(gè)互補(bǔ)的視角中得到了拓展，都強(qiáng)調(diào)了相對(duì)于未結(jié)合間隙(CLu)的未結(jié)合分布體積(Vss,u)在確定藥物半衰期中的重要性，其中Vss，u可描述為體內(nèi)測(cè)定的藥物的組織結(jié)合(即膜結(jié)合)。該工作最引人注目的是，通過使用鹵素、含氟烷烴和選擇雜環(huán)增加了分子的'代謝惰性親脂性’，通過增加組織結(jié)合( Vss,u )和減少代謝(CLu)，從而延長(zhǎng)藥物半衰期。

這也許并不奇怪，相同的官能團(tuán)在目前的離子通道和GPCR配體中無(wú)處不在，它們常常增強(qiáng)親和力，增加代謝穩(wěn)定性和延長(zhǎng)體內(nèi)半衰期。對(duì)TRPV4抑制劑的研究擴(kuò)展了這些概念，該研究表明小分子構(gòu)象也可以用來(lái)調(diào)節(jié)組織結(jié)合(Vss,u)，以達(dá)到PK優(yōu)化。同時(shí)，最近對(duì)FDA批準(zhǔn)的藥物的分析表明，廣泛的Vss,u值可能會(huì)改善臨床療效，關(guān)鍵是強(qiáng)調(diào)了探索廣泛的親脂性可能會(huì)通過增加化學(xué)多樣性來(lái)影響總體成功率。

為了評(píng)估配體與脂質(zhì)的相互作用，藥物研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要高通量的膜親和力測(cè)量。雖然丁香酚和測(cè)得的logD7.4已成為評(píng)價(jià)辛醇-水體系中疏水性的標(biāo)準(zhǔn)理化性質(zhì)，但需要更相關(guān)的膜分配措施，以充分考慮生物膜內(nèi)部的疏水、極性和離子相互作用。目前最高通量的方法是使用IAM柱的高效液相色譜來(lái)測(cè)量，使用柱容量因子( logkIAM)來(lái)量化小分子和固定相之間的相互作用。

雖然這種方法具有易用性和可擴(kuò)展性，但其對(duì)較為復(fù)雜的雙層環(huán)境進(jìn)行精確建模的能力比較有限。同時(shí)，利用嚙齒類動(dòng)物PK實(shí)驗(yàn)中的Vss,u，有可能捕獲一種更相關(guān)的體內(nèi)組織結(jié)合測(cè)度，來(lái)對(duì)先導(dǎo)化合物進(jìn)行優(yōu)化。然而，使用Vss,u的通量不高，需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)。另外，微粒體結(jié)合(fu,mic)被認(rèn)為是一種具有代表性的體外整體膜分配的測(cè)量參數(shù)，這可能作為一種需要高通量測(cè)試Vss,u時(shí)的替代選項(xiàng)。

基于脂質(zhì)體的膜分配措施可以提供可擴(kuò)展性和生理相關(guān)性之間的妥協(xié)，允許在模型雙層中添加膽固醇和其他脂質(zhì)成分。然而，在藥物化學(xué)運(yùn)動(dòng)中，脂質(zhì)體系統(tǒng)的綜合使用是缺乏的，這可能是由于脂質(zhì)體制備和穩(wěn)定性的限制導(dǎo)致的。

重要的是，高水平的膜分配可能給候選藥物帶來(lái)研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。水溶性差和口服生物利用度差是最常見的兩大挑戰(zhàn)。與待測(cè)組分的非特異性結(jié)合也可能使親脂化合物在先導(dǎo)化合物優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的親和力測(cè)定復(fù)雜化。高度親脂性分子也會(huì)增加體內(nèi)毒性的風(fēng)險(xiǎn)。許多負(fù)責(zé)臨床毒性的常見的離子通道位于細(xì)胞膜上，這表明尋求在脂質(zhì)雙分子層內(nèi)最大化藥物濃度具有高度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，親脂性堿性胺同時(shí)具有抑制hERG通道和增加磷脂質(zhì)沉積的風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)現(xiàn)過程中必須積極監(jiān)測(cè)。鑒于這些風(fēng)險(xiǎn)，局部給藥是減輕膜靶向療法的系統(tǒng)性脫靶效應(yīng)的一種策略，吸入β2AR激動(dòng)劑治療哮喘的成功開發(fā)就說明了這一點(diǎn)。

同時(shí)，人類孕烷X受體( PXR )激活選擇性抑制劑的報(bào)道，揭示了膜分配增加與異生物質(zhì)解毒機(jī)制可能存在聯(lián)系。例如，細(xì)胞色素P450酶是外周膜蛋白，很可能直接從膜相募集底物。以親脂配體膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)為靶點(diǎn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該在發(fā)現(xiàn)階段早期考慮這些潛在挑戰(zhàn)，可能通過探索具有不同結(jié)合模式的多個(gè)化學(xué)系列來(lái)平衡這些開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

為了優(yōu)化配體-膜相互作用和親和力，以下概述了在蛋白質(zhì)-磷脂界面上進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的幾種一般策略(圖2 )。靶向膜蛋白的小分子不需要包含下面描述的所有策略元素就可以獲得成功。相反，擬議的策略代表了具有膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的藥物的共同特征，旨在激發(fā)創(chuàng)造力，而不是規(guī)定特定的方法或方法。從最簡(jiǎn)單的意義上講，蛋白質(zhì)-磷脂界面的理性設(shè)計(jì)可以在表征屏蔽膜疏水環(huán)境極性的同時(shí)合理利用親脂性。加強(qiáng)或盡量減少配體-膜相互作用應(yīng)當(dāng)在仔細(xì)調(diào)查對(duì)藥理學(xué)、PK、療效和特定靶標(biāo)的安全性的影響后進(jìn)行評(píng)估。

修飾具有親脂性官能團(tuán)的小分子骨架，通常會(huì)提高其在膜內(nèi)的分配能力(圖2a )。疏水烷基(例如異丙基、環(huán)丙基、環(huán)己基和叔丁基)和鹵素(例如氟和氯)普遍存在于靶向膜蛋白的藥物中。其中，氟具有獨(dú)特的親脂密度和靶向膜的能力，其大小和形狀相對(duì)于氫原子變化很小。三氟甲基基團(tuán)已成為在阻斷代謝( CLu )的同時(shí)增強(qiáng)親脂性(  Vss , u )的特別流行的基團(tuán)，并在存在于多種靶向膜蛋白的藥物中。

同時(shí)，研究表明磺?；赡芫哂幸宰钚〉挠H脂性(即logD7.4 )靶向膜的獨(dú)特能力。雖然沒有公開報(bào)道通過測(cè)量膜分配系數(shù)來(lái)研究這一概念，但已知在蛋白質(zhì)-磷脂界面結(jié)合其靶標(biāo)的幾種配體都有砜基團(tuán)，包括藥物fasiglifam和fevipiprant (圖4d)。磺?；鳛闅滏I受體和作為疏水基團(tuán)的雙重特性在多種配體-蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中被觀察到，這為該基團(tuán)的兩親性提供了額外的支持證據(jù)。

我們將親脂尾(圖2b )定義為具有增加小分子膜分配的主要作用的官能團(tuán)。從SBDD的角度來(lái)看，親脂尾巴可能與靶蛋白接觸極小，并大量暴露于脂膜上，如fasiglifam的甲酰丙氧基尾巴(圖4d )和GDC-0334的高氟雙芳基(圖4c )所示。當(dāng)它們處于深深的蛋白質(zhì)結(jié)合口袋時(shí)，親脂尾巴也可能有助于提高內(nèi)在的受體親和力。沙美特羅的苯烷氧基烷基尾最能說明這一點(diǎn)(圖3d )，它與β2AR有廣泛的接觸，但也通過通過膜分離8提高通過率而影響觀察到的親和力。親脂性尾巴可能最終無(wú)法進(jìn)行嚴(yán)格的定義，但對(duì)“脂靶向錨”的概念的闡述有助于藥物設(shè)計(jì)過程的創(chuàng)新和SARs的解釋。

胺類是廣泛存在于GPCRs和離子通道中的常見藥效團(tuán)，可能用于增加膜分配和調(diào)節(jié)藥物的PK譜。堿性胺通過與脂質(zhì)雙分子層中陰離子磷酸鹽的靜電作用增加膜分配(圖2c )。攜帶正電荷的質(zhì)子化胺在去質(zhì)子化后可能會(huì)穿透脂質(zhì)雙層的疏水內(nèi)核，往往與靶標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)的酸性氨基酸發(fā)生作用。鈣通道阻滯劑氨氯地平說明了堿性胺的潛在影響(圖3c )，該胺既增加了膜分配，又增加了體內(nèi)半衰期。

堿性胺還可能在膜-水界面附近形成濃度梯度，這是因?yàn)橄鄬?duì)于水的胞外環(huán)境，堿性胺與膜雙分子層的陰離子磷酸鹽之間的相互作用增強(qiáng)。為支持這一概念，熒光相關(guān)光譜法觀察到基礎(chǔ)β2AR拮抗劑普萘洛爾在細(xì)胞膜附近的濃度增加。然而，堿性胺的用途是有限的，因?yàn)榫哂懈叩臉O性表面積和低親脂性的二堿性或高極性胺實(shí)際上可能阻礙膜的滲透性。

與使用堿性胺增強(qiáng)膜分離相反，配體的大部分極性應(yīng)該隱藏或屏蔽在脂質(zhì)雙分子層之外。小分子氫鍵供體很少被觀察到暴露在膜內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的膜相中。相反，氫鍵供體通常通過分子內(nèi)氫鍵與其他氫鍵受體接觸，以限制它們暴露在疏水膜環(huán)境中(圖2d )。在依伐卡托中看到的分子內(nèi)氫鍵是這種屏蔽策略的最明顯的例子(圖4b )。SAR趨勢(shì)顯示，破壞這些內(nèi)部氫鍵網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)降低親和力，可能是由于通過抑制了小分子的膜分配能力。

配體極性也可能通過小分子構(gòu)象隱藏，可能形成U型或大環(huán)結(jié)構(gòu)，往往預(yù)先重組分子內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，限制了膜暴露極性(圖2d )。通過小分子構(gòu)象進(jìn)行極性屏蔽的例子有GDC-0334的U型(圖4c )和大環(huán)抗生素Globomycin，它們抑制的脂蛋白信號(hào)肽酶Ⅱ( LspA )結(jié)合我點(diǎn)位于螺旋外。

膜上的配體-蛋白直接相互作用應(yīng)該以與可溶性蛋白的相互作用相同的方式進(jìn)行，在可能的情況下使用極性與目標(biāo)蛋白接觸，以提高特異性，無(wú)論是在蛋白質(zhì)表面還是在結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)(圖2e )。對(duì)膜暴露的GPCR配體的分析表明，小分子極性表面積比暴露在膜內(nèi)的更經(jīng)常地被埋在蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)。識(shí)別極性相互作用，來(lái)提高親和力是很有挑戰(zhàn)性的，但是，增加的極性也會(huì)影響配體的膜可及性和分配。如果一個(gè)極性殘基成功地接合蛋白質(zhì)但抑制膜分離，其親和力可能不會(huì)提高。

隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可用膜蛋白結(jié)構(gòu)在藥物發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)優(yōu)化階段會(huì)越來(lái)越多。有鑒于此，認(rèn)識(shí)到膜嵌入結(jié)合位點(diǎn)日益普遍，需要在靶向這些位點(diǎn)時(shí)對(duì)藥物發(fā)現(xiàn)原理進(jìn)行戰(zhàn)略性的重新評(píng)估。我們認(rèn)為，增加對(duì)配體-膜相互作用和膜通路的考慮，可以為探索新的化學(xué)空間提供機(jī)會(huì)，并最終增加在這些領(lǐng)域的研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成功機(jī)會(huì)。

計(jì)算機(jī)方法模擬小分子膜分配的計(jì)算方法可能在配體設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。除了提供膜分配和配體結(jié)合事件的生動(dòng)案例外，計(jì)算方法可能有助于闡明不明確的結(jié)構(gòu)-膜相互作用關(guān)系，包括雙分子層內(nèi)特定區(qū)域的配體姿勢(shì)。超大型庫(kù)對(duì)接方法在新的虛擬靶標(biāo)篩選方面表現(xiàn)出類似的前景。值得注意的是，褪黑素受體MT1的膜可進(jìn)入的螺旋內(nèi)位點(diǎn)已被證明是一個(gè)易于處理的虛擬篩選目標(biāo)，然而研究沒有具體說明膜可進(jìn)入的途徑。這些方法的擴(kuò)展以包括膜脂的額外考慮可能是實(shí)現(xiàn)在高膜暴露位點(diǎn)的虛擬配體篩選的關(guān)鍵。

藥物研發(fā)領(lǐng)域越來(lái)越接受膜通路理論。我們鼓勵(lì)對(duì)新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行公開討論，以便在針對(duì)這些位點(diǎn)時(shí)更加精細(xì)地理解藥效、PK和安全性，以便將這些概念系統(tǒng)地整合到未來(lái)的藥物化學(xué)研發(fā)中。我們希望以上的分析、觀點(diǎn)和提出的策略可以被視為朝著這一方向努力的催化劑。