Cell特刊之二 --藥物治療的進展與挑戰

撰文 | 陳文強 (哈佛醫學院博士後)

靶向組織的藥物遞送策略

全身給藥途徑的藥物的脫靶效應(off-target effects)是藥物治療的主要瓶頸，在帶來預期療效時也能帶來相應毒性。藥物在非靶器官的高聚集或在靶器官的低聚集，均能顯著影響藥物安全性及治療效能，這也是藥物開發過程中常見的失敗原因。因此，開發特異靶向靶位點的藥物遞送策略能顯著降低藥物的脫靶效應，從而降低毒性，並提高藥物治療效能。

藥物遞送(drug delivery)技術具有克服這些侷限性的潛力，因此，常在藥物研發過程中並行進行。數十年來，藥物遞送領域的研究主要集中在局部治療(local therapies)，然而，局部治療雖然簡單，但對難以接近的臟器和組織則無能為力。近年來，像核酸治療、基因治療、細胞治療等這些新興的治療策略均開啟了新的治療策略，但也給遞送系統的研究帶來了新的挑戰。

2020年4月2日，來自美國哈佛大學的Samir Mitragotri博士及其同事在

1、影響組織特異性藥物遞送的生物學屏障系統

經血管給藥的藥物在到達靶位點前會經歷多個生物學屏障系統(圖1)。藥物在注射至血管後，首先經歷血管內屏障(intravascular barrier)，其中，血管內的蛋白酶及核酸酶均可降解藥物有效成分，因此，血管內屏障形成第一級生物學屏障【1】。隨後，藥物經過內皮層屏障(endothelial barrier)，這一級屏障可阻止藥物滲入靶組織。內皮細胞沿著血管壁排列，通過整聯蛋白粘附於基底膜及細胞外基質【1】。在特定疾病狀態下，血管內屏細胞發生功能紊亂，從而改變通透性。在成功透過內胚層屏障後，藥物將穿過細胞外基質(extracellular matrix)，到達靶組織細胞。因此，細胞外基質構成第三級生物學屏障。小分子化合物可輕易穿過細胞外基質，而較大分子則需在細胞外基質中經歷適當阻力。特定疾病狀態可顯著改變細胞外基質微環境，形成生物學屏障。

在到達靶組織後，靶向細胞內結構的治療藥物需跨過細胞膜到達胞漿或核內靶標以發揮生物學效應。疏水性小分子相對容易穿過細胞膜，而大分子及納米顆粒則需要經過主動重攝取機制進入細胞，這一過程需要和細胞膜相互作用並通過隨後的細胞內吞(endocytosis)機制進行。內吞的大分子及納米顆粒通過核內體、吞噬體、溶酶體等細胞內囊泡結構進行轉運。因此，核內體屏障(endosomal barrier)形成另一層生物學屏障系統。

圖1. 靶向藥物遞送系統涉及到的配體、交聯體及投遞物

對以上生物學屏障的深層次理解能大大促進我們改進組織特異遞送的靶向策略。此外，靶配體及其受體的契合需要緊密的分子接觸，這需要由相應轉運過程介導，包括血液循環、擴散及淋巴引流。因此，藥物靶向策略可主要分為基於小分子、核酸、多肽及抗體及基於細胞的策略。以下將分別簡單介紹這些靶向策略——

2. 基於小分子的靶向策略

適用於小分子靶向策略的配體需要分子量小於1 kDa【2】。這些小分子物質的化學結構簡單，易於與其他治療載體耦連，因此通常是首先研究的靶向配體。然而，小分子配體通常與其靶標的相互作用較弱，因此需要通過策略來提高小分子配體與其受體結合的能力。圖2總結了集中小分子靶向策略。

葉酸(folic acid)是最常用的小分子靶向製劑，這是因為也算是所有細胞進行核酸合成所必須的組分。葉酸受體表達在不同細胞，因此可進行選擇性靶向，常應用於腫瘤及自身免疫性疾病的治療。單糖(monosaccharides)是另一類重要的靶向配體，包括葡萄糖、甘露糖及半乳糖。葡萄糖可靶向表達在血腦屏障的GLUT1受體，因此，葡萄糖衍生物被用於治療膠質瘤。多個單糖衍生物處於不同階段的臨床試驗中，關於其臨床適應症及臨床試驗識別號，讀者可參考原文表格1。此外，尿素衍生物(urea derivatives)被用於靶向前列腺特異性膜抗原(PSMA)，代表的是一類較為有前景的小分子靶向策略，其天然配體穀氨酸尿素已被用於靶向PSMA。除了以上提到的這些小分子，還有其他小分子用於組織特異性靶向，包括甘草次酸衍生物、磺酰胺衍生物、苯甲酰胺等。

靶向小分子配體的策略所面臨的主要挑戰是高流動性及較小尺寸：高流動性能引起脫靶效應，而較小尺寸則需要分子層面的接觸來達到組織特異性。此外，配體的大部分無法迅速到達靶標，這使得靶向具有較短半衰期的配體或靶向肝臟這樣的高代謝率器官更具難度。

圖2. 基於小分子及適配體的靶向策略

3. 基於核酸片段的靶向策略

適配體(aptamer)代表著另一種低分子量的靶向系統，通常分子量為5-15 kDa(圖2)。適配體通常為識別受體特定結合片段的核酸片段。與小分子配體相比，核酸適配體的優勢在於與具有獨特三維結構受體的平坦表面結合。此外，適配體的合成較為簡單，合成批次間差異較低，免疫源性較低，因此是不錯的組織特異性藥物遞送的候選策略。然而，核酸在生物學基質中的降解是其應用面臨的最大挑戰。

4. 基於多肽和抗體的靶向策略

像抗體這樣的生物大分子物質也屬於廣泛用於靶向多種藥物遞送平臺的製劑。重組單克隆抗體(mAbs)與其互補的抗原呈現高特異性和高結合力，因此，mAbs被廣泛用於合成抗體-藥物偶聯物(antibody-drug conjugates, ADCs)或免疫偶聯物。ADCs的結構組成主要包括靶向某個細胞表面的抗原或受體的抗體、具有生物活性的治療藥物及兩者之間的化學連接(圖3A)。到目前為止，ADCs的主要應用於腫瘤治療，有4個ADCs已被FDA批准的治療血液及實體瘤。原文的表格3總結了已被FDA批准或正在進行臨床試驗的ADCs，感興趣的讀者可自行閱讀。

近年來，ADCs被拓展應用於其他適應症，包括多種自身免疫疾病，比如系統性硬化症、系統性紅斑狼瘡等。ADCs的主要侷限在於劑量限制性毒性，這主要是來自較窄的治療窗口。最近一代ADCs的主要開發策略在於識別新的腫瘤特異性靶標、使用亞納摩爾級IC50值優化偶聯的物理化學參數等。

此外，像合成多肽這樣的較短的氨基酸類生物分子可提供更多選擇性。儘管使用多肽作為藥物遞送靶標具有獨特優勢，其劣勢也較為明顯。多肽也需要在分子層面的接觸來實現靶標的有效識別。蛋白降解也是基於多肽靶向策略常遇到的挑戰之一。目前，現有藥物發現工具使得識別特定靶標的多肽配體的選擇性大大增加(圖3B)。仿生肽(biomimetic peptides)和噬菌體展示(phage display)是兩種常見的隨機多肽序列策略，感興趣的讀者可以自行閱讀原文表格4。

值得一提的是，當前基於多肽或抗體偶聯物的靶向策略的主要侷限是在靶組織的低水平聚集，這可能會限制治療效果，並引發脫靶毒性。

圖3. 多肽和抗體介導的組織特異性靶向策略

5. 基於細胞的靶向策略

基於細胞的靶向策略的主要靈感源於體內存在的天然程序，因此，人們可將天然存在或經遺傳學改造的細胞作為位點特異性靶向策略。基於細胞的靶向策略具有高度特異性及靈活性，治療藥物既可被偶聯在細胞表面，也可以被束縛於細胞內部。多種細胞類型被用於組織特異性的小分子、大分子甚至納米顆粒的藥物遞送載體，這些細胞包括紅細胞、白細胞、幹細胞、血小板、樹突細胞甚至細菌【3】。

基於細胞的靶向策略主要依賴於兩種生物學基本過程：免疫識別及靶組織的內在取向。當細胞被識別為"自己人"時，載入治療藥物的細胞通常不會被機體迅速清除，此外，特定細胞類型可敏銳感受到病理微環境的改變所引發的生物線索的變化(圖4)。

圖4. 基於細胞的靶向策略

不同細胞類型所帶來的獨特的結構、機械及生物學特性使得基於細胞的靶向策略具有多種固有特性，包括藏匿特性及跨越生物學屏障的內在特性。與其他策略不同的是，基於細胞的靶向策略能顯著提高藥物在靶組織的有效聚集。儘管如此，基於細胞的靶向策略仍處於開發的早期階段，需要考慮的問題較多，比如免疫源性、惡化某些疾病狀況等。

6. 未來展望

圖5總結了本文所概述的提高組織特異性的藥物遞送策略。原文此圖為圖1，而筆者認為該圖適合於閱讀完全文後再總的概括全文精髓，故置於最後給讀者分享。

總的說來，本文對靶向特定組織的不同策略進行了綜述，並闡述了基於小分子、多肽或抗體、細胞的不同靶向策略的優勢及不足，提示了選擇不同策略應依賴於需要的臨床應用。這種組織特異性的藥物遞送策略在避免藥物毒性方面具有巨大的潛力，能顯著提高患者的生命質量。

圖5. 藥物靶向遞送系統的總結

GPCR結構對新藥發現的影響

G蛋白歐聯受體(GPCRs)是可將化學信號從細胞外基質轉換到細胞內的整合膜蛋白，從而外界信號產生多種多樣的響應【4】。目前已確定有70多種獨特結構的GPCRs，在過去數十年來，結構藥物設計(Structure-Based Drug Design)策略已經被應用於增加GPCRs的靶標數量，許多藥物候選靶標已經進入臨床研究。

基於其重要臨床意義，2020年4月2日，來自英國MRC分子生物學實驗室的Chtistopher Tate博士及其同事在Cell雜誌發表了題為Impact of GPCR Structures on Drug Discovery的觀點文章，詳細介紹了基於GPCR結構的藥物設計的策略。

基於氨基酸序列的相似性，GPCRs可以被分為6類，其中有4類在人類中發現，分別為A、B、C及F類(圖6)。

(1) A類GPCRs(視紫紅質樣)數量最為龐大，人類中有719個，其中一半涉及嗅覺或視覺感覺受體，而另一半非感覺受體可被激素或神經遞質激活。被廣泛研究的A類GPCRs包括廣泛用於治療心血管疾病的b1AR和治療哮喘的b2AR。

(2) B類GPCRs可分為兩個亞類，分泌素受體及黏附受體。對治療糖尿病具有重要意義的胰高血糖素樣多肽受體(GLP1R)即屬於B類GPCRs。

(3) C類GPCRs可形成穩定二聚物，這對於受體信號通路具有重要意義。一個典型例子是代謝型穀氨酸受體(mGluRs)，在精神分裂症、抑鬱症和運動障礙的發病過程中有重要意義。

(4) F類GPCRs含有捲曲及平滑受體，可被甾體類激素激活。

圖6. 不同類型GPCR結構的多樣性

GPCRs是理想的藥物靶標，目前有34%的小分子藥物能結合至GPCRs。GPCRs的正構結合位點(orthosteric binding site)的大小、形狀及氨基酸組成使得GPCRs非常適合被小分子合成化合物結合。此外，GPCRs在激活後的受體構象的動態變化也使其成為理想的藥物靶標。儘管基於GPCRs的藥物靶標研究具有較久歷史，其研發仍然有許多問題。可以舉出的一個例子是，儘管毒蕈鹼M1受體的激動劑在治療神經退行性疾病效果顯著，但是M1的正構結合位點實際上和其他相關受體M2、M3、M4和M5相同，而M2和M3受體的激活能帶來多種副作用。因此，通過結構藥物設計策略能很好的解決GPCRs類藥物研發過程中的問題。

1. GPCRs的結構概述

過去20年來，X射線晶體學是研究GPCRs結構的主要方法，不僅可以研究失活態的GPCRs，還可以成功研究完全激活態下的GPCRs結構。X射線晶體學對於理解GPCRs藥理學的分子基礎具有重要意義，可以給我們帶來配體與受體相互作用的分子圖譜，對於激活態和失活態下GPCRs結構的比較能讓我們更好地瞭解GPCRs如何被激動劑激活。 近年來，冷凍電鏡(cryo-EM)技術給整個GPCRs研究領域帶來了巨大推動作用，這是因為冷凍電鏡可以研究更小的蛋白，分辨率可達3.0–3.5 Å。隨著冷凍電鏡技術的持續改進，在未來，我們可以看到更多微小蛋白的結構能在更高分辨率下被解析。

2. GPCRs研究對藥物發現的進展

當前表達在人體的GPCRs中僅有25%具有潛在成藥性，在這403個GPCRs中，有大約103種GPCRs至少有一項靶標作為上市藥物進入臨床(詳見原文表格S2)，其中41個為激動劑，27個為拮抗劑。GPCRs作為治療藥物靶標具有巨大潛力。圖7的系統樹形結構描繪的是GPCRs的結構、批准藥物及臨床製劑。

圖7. GPCRs結構、批准藥物及臨床製劑

過去5年裡，有41個靶向GPCRs的藥物已被FDA批准，佔同期批准的藥物的19%，不僅說明GPCR家族作為藥物靶標的重要性，也說明GPCRs在疾病中的重要意義。許多GPCRs的結構已經公開，但仍有許多GPCRs家族成員的結構仍不清楚。

GPCRs結構對於藥物化學領域的新藥發現是否具有巨大作用？這個問題難以直接回答，因為我們需要清楚理解結構生物學在藥物設計過程中到底具有多大影響力。GPCRs的結構生物學領域對藥物研發產生最顯著影響的例子是13年前解析的咔唑心安與b2AR結合的高清結構。儘管過去5年以來，有許許多多GPCRs藥物已經上市，然而其中沒有一個藥物是在其靶向GPCRs結構報道後開發的。

3. GPCR結構藥物設計案例

2012年，科學家通過A2AR結構的解析來確定一系列拮抗劑【5,6】，這是第一個報道的與GPCRs相關的結構藥物設計案例。首先，X射線結構揭示了之前未發現的正構結合位點，將先導化合物放入這個結合位點後能得到更緊密和高效的系列化合物(圖8)。這個區域也可以進行A2AR和A1R之間的結構優化。隨後，其中一個先導化合物，也就是現在所稱的AZD4635，在臨床前研究中已被驗證具有潛在抗腫瘤療效。這也就是說，A2AR是第一個被用於腫瘤免疫研究的GPCRs。

另外兩個依靠結構生物學指導設計的GPCRs先導化合物還包括HTL0016878 (M4受體激動劑)、HTL0014242(新型mGlu復向變構調節劑)等。儘管可舉出的這一系列例子的名單較短，我們仍然可以看到的是，GPCRs結構的解析確實能用於指導新藥發現，而且這個影響將持續。

圖8. A2AR與不同配體結合的正構結合位點

4. 結束語

結合激動劑後，GPCR信號通路需要跨膜域的顯著構象改變，而越來越多的證據表明，正向及負向變構調節劑在這一過程中有多個結合位點，機制多樣，因此能影響信號通路。因此，可以預見的是，GPCRs結構生物學的進一步變革將提供這些變構調節劑的詳細機制，從而指導結構藥物設計。而在提高GPCRs結構解析的通量提高方面是另外一個挑戰，從而可以跟上藥物化學家新藥研發的步伐。總的說來，GPCRs結構的解析對於新藥研發能帶來革命性的影響。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.003

參考文獻

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