点击化学在化学生物学中的应用

美中药源 / 路人丙 / 2017-08-12
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【新闻事件】:今天 Derek Lowe 的博客提到点击化学在化学生物学的应用,并用七月份发表在《科学》杂志上的一篇文章为例说明这个技术现在的威力。这篇文章把两个已知的 BRD4 抑制剂接上点击片段后跟踪药物在体内、体外试验与 BRD4 的结合,解释了为什么这些药物只影响部分 BRD4 调控基因的表达、在 AML 肿瘤模型中骨髓肿瘤细胞比脾脏、外周肿瘤细胞更难被清除等实验现象。这些细节对理解新药的机理非常重要、但用以前的技术很难得到这些信息。

【药源解析】:点击化学是 2001 年炸药奖获得者 Barry Sharpless 提出的一个概念。90 年代以前合成化学追求目标化合物(多数是天然产物)的合成难度,但是效率通常很低。Sharpless 认为与其投入大量人力物力合成 0.1 毫克复杂天然产物,不如把资源用在开发高效合成方法上面。他说化学家不应该合成碳碳键,这种高难的技术活应该由生物体系去做。化学家应该专注建造碳杂原子键。还不是所有碳杂原子键,而是那种释放高自由能的化学键合成,即点击化学(Click chemistry)。

Click 翻译成点击不完全准确,这个词英文也有一见钟情、相见恨晚的意思。点击化学的两个反应物是为彼此而生,见面如烈火遇干柴,不需任何帮助在室温、水溶液里就高效率反应。他当时举的例子是叠氮与炔生成三氮唑这个老反应。到现在这也还是应用最多的点击化学反应,有时化学家的创造力也确实令人捉急。《科学》这篇文章还用了一个四氮嗪与反式环烯的 Diels-Alder 成环反应,这个反应用的也比较多,虽然生成的是碳碳键。

点击化学在有机合成中应用主要是化合物库的建造,影响十分有限。这个思想也未能改变合成化学追求高难天然产物的行业文化。但这个技术对化学生物学的发展的确起了重要作用。以前研究小分子药物的蛋白靶点一般把药物分子接上生物素、利用与抗生物素蛋白的强结合力找到靶点蛋白。但是一是这种结合不是共价结合、稳定性还是略差,二是因为生物素加上链接经常改变药物活性、更重要的是降低过膜性,无法用于整体未打碎细胞的研究。另一个依靠共价形成的 ABPP 技术我们也讲过几次。

点击化学只要在药物分子上接上分子量很小的炔基加上一个链接片段,不怎么影响药物性质。这两个 BRD4 配体接上侧链后生物活性、对基因表达影响与原药几乎一样。叠氮底物可以接上荧光物质,在细胞内与已经打入靶点内部的炔基标记药物反应后可以很容易跟踪药物在组织、细胞内的分布。炔基标记药物还可以再用环重氮丙烷双重标记,这个基团光照后能与结合蛋白反应生成共价结合物。这个双重间谍进入细胞与靶点结合,光照后与蛋白形成共价键。然后用点击化学把这些蛋白 / 药物反应产物捞出,该药物分子在细胞内干过什么事可以说是人赃俱在。

有人问如果药物能治病你管它在细胞内与谁接触呢?药物上市后当然这个问题不重要了,但在漫长的研发过程中知道疗效和副作用来自与哪些蛋白的相互作用对于成功率是非常重要的。如果药物的疗效来自非目标蛋白(脱靶活性),那么开发路径中需要修路搭桥的路段要多出很多,不确定性大大增加。当然也有 Zetia 这样的成功特例。反过来如果毒性来自目标蛋白,那么你继续优化也前景黯淡。

新药研发是个庞大的系统工程。每天我们报道临床试验成功与失败、新药批准还是拒绝这些最终结果,但药物要到这一步需要无数人的辛苦工作。化学生物学只是冰山的一角,希望大家可以管中窥豹、从中看出寻找挽救病人生命新药幕后的艰苦。

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