五问共价药物，十大共价药物里程碑

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药离不开化学，而化学从本质上说就是破坏原有的化学键并产新的化学键的过程。尽管绝大多数的药物的药理学是通过药物与靶标之间的非共价键作用来实现的，但药物共价结合受体的现象从药物出现的时代就已经存在了。比如抗炎神药阿司匹林和抗生素青霉素V，它们都是通过与其生物靶标形成共价键而实现药效的。

尽管药物开发商习惯性地通常避免开发此类共价药物，担心分子会与非目标蛋白结合或引发免疫反应，但共价药物的不断涌现，尤其是对于那些顽固的，所谓“不可成药”（undruggable）受体的有效抑制，使得共价药物的优势更辩证地被人们评估。

几种共价抗癌药物最近的成功表明，人们对于共价药物的原生恐惧，可能被自己对于药物开发未知领域的探索精神的缺乏所夸大了。尤其是抗SARS-CoV-19药物Paxlovid的火线驰援，再次刷新了人们对于共价药物在药物开发领域作用的认识。Paxlovid中起到药效作用的活性成分Nirmatrelvir正是一款共价药物，其活性亲电弹头基团为氰基。

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关于共价药物的5大问题

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必须总是半胱氨酸吗？

很多共价药物瞄准的靶标基团，都是半胱氨酸。去质子的半胱氨酸侧链的巯基负离子，相对于受体上的其它亲核基团，例如氨基、羟基和咪唑基，具有更强的亲核性，因此攻击半胱氨酸就理所当然地成为了很多共价药物开发的指导方向。

从统计数据中可以看出，绝大多数在研和已经批准的共价药物，其核心的亲电弹头都是丙烯酰胺类的官能团，通过它们与半胱氨酸侧链巯基之间的迈克尔加成反应，实现共价药物共价结合靶标的目的。

但是“咬定半胱氨酸不放松”的做法，无疑会极大地限制共价药物的开发思路，因为半胱氨酸相对于赖氨酸和丝氨酸来说，在受体蛋白中的丰度是较低的。因此拓展思路，开发靶向半胱氨酸之外的其它亲核性基团，对于冲破樊笼，最大化地实现共价药物的研发意义重大。

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必须总是肿瘤药物吗？

共价药物的开发，大多数针对肿瘤药物，似乎在这种危局面前，才更能凸显其“沧海横流，方显英雄本色“的气质，或许这也能更好地平衡共价药物潜在的风险性。但历史上最初的共价药物，例如阿司匹林，针对的却并不是肿瘤学，尽管阿司匹林的共价性开发可能不是刻意而为的。人们或许会问，共价药物在肿瘤学之外有用吗？

不可否认，第一批靶向共价抑制剂（定向地设计为共价性的药物）针对的都是癌症，而不是像阿司匹林和青霉素这样偶然发现的药物。因为当事关生死时，毒性风险被认为更容易接受。肿瘤共价药物已被证明具有良好的耐受性，并且没有引发广泛的毒性，为研究人员和公司提供了扩展到其他领域的余地。

站在肿瘤学共价药物研究的肩膀上，在对共价药物的毒理学和药理学研究的拓展之后，人们有理由将共价药物的适用范围进一步扩展。炎症性疾病已成为新型共价药物的丰富靶点。抗微生物方面的共价药物开发也取得了丰硕的成果，例如抗HIV的药物，以及Paxlovid中的Nirmatrelvir。

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共价药物可以靶向多少不可成药的蛋白？

不可成药的受体蛋白，是共价药物最容易展示身手的领域。由于缺乏有效的结合口袋，这些受体蛋白在传统的非共价药物面前颇有些有恃无恐的猖狂。在人类蛋白质组的大约2万种蛋白质中，只有大约3千种被认为可以用常规药物治疗，而实际上只有700种具有靶向它们的药物。

与蛋白质的非功能部分结合以引起蛋白质的构象变化，或者充当类似于锚的作用，以允许在其他地方相互作用的药物实现功能，这种非直接起效的共价药物也可以显著地扩大药物靶标的数量。从这些数据来看，对整个蛋白质组进行药物治疗的努力效果，可能在很大程度上依赖于共价药物的突破。

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共价药物的毒性风险是否可控？

中国的古典哲学强调平衡，奉行“执两用中“的中庸之道。过弱的成分需要避免，因为”潜龙勿用”，过强的势力同样需要高度警惕，因为“亢龙有悔”。在开发药物上，人们同样多多少少有如此的顾虑，担心共价药物过于激进的作用机制会造成选择性的低下，引发脱靶效应，从而造成药物安全和毒性的问题。

人们的这个担忧并非杞人忧天，开发共价药物的最大障碍一直是脱靶效应，以及其触发的免疫反应和毒性风险。稳定蛋白质-药物复合物，是科学家用来降低副作用风险并使共价药物更具特异性的几种技术之一。在某些领域，人们对于共价药物的潜在毒性的担忧可能被夸大了，例如在激酶抑制剂中，共价药物比常规的可逆药物可能具有更低的肝毒性。

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生物制剂可否分一杯羹？

从目前的情况来看，共价药物只是小分子（包括多肽）药物领域独善其身的专美。生物药物可以利用共价键吗？

迄今为止，小分子药物主导了共价药物的开发。蛋白质和其他生物制剂通常无法与其靶标形成共价键，但结合合成氨基酸等技术可以赋予它们这种能力。如果抗体能够与小分子偶联成ADC的话，是否可以通过偶联具有亲电弹头的小分子，实现共价大分子药物的理念？

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共价药物的专利申请

与很多领域一样，中国与美国在专利方面也是共价药物的两大龙头，中国于2016年在共价药物专利方面已经超过了美国 （图1）。

图1. 共价药物专利获得数量的年份趋势图。（图片来源: ACS）

美国共价药物专利2016年的下降趋势，在其前10的专利申请机构中却并非如此，这反应了前10大研发机构并没有将他们对于共价药物的兴趣转移。产生变化的是那些可能“打一枪换一个地方”的参与者。美国龙头机构的实力才是他们的可怕之处。

事实上，2000至2021年间共价药物的六大专利申请机构中，有四家来自于美国：Araxes Pharma（31），Schering Corp.（20），Dana-Farber Cancer Institute（15），Shanghai Institute of Material Medica（15），Avila Therapeutics（14），Pharmacyclics（14）。

尽管开发者一直在努力将共价药物的应用领域扩展到肿瘤学以外，但它的专利授予的重点方向仍然是癌症（表1）。

表1. 2007-2021年共价药物专利申请分布。（表格来源：ACS）

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共价药物里程碑

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Asprin (阿司匹林，1899年)

阿司匹林是一种水杨酸(乙酰水杨酸)，具有抗炎和解热作用，用于治疗疼痛、发烧、炎症、偏头痛，并降低主要不良心血管事件的风险。该药物还抑制血小板聚集，用于预防血栓中风和心肌梗塞 (MI)。多项研究结果显示，长期服用乙酰水杨酸可降低罹患各种癌症的风险，包括结直肠癌、食道癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、肝癌和皮肤癌。[1]

阿司匹林可阻断前列腺素 (prostaglandin)的合成。它对COX-1（环氧合酶-1）和 COX-2（环氧合酶-2）没有选择性。抑制COX-1会抑制血小板聚集约7-10 天（平均血小板寿命）。阿司匹林的乙酰基与环氧合酶1(COX-1)的丝氨酸残基结合，导致共价作用。这可以防止产生引起疼痛的前列腺素(prostaglandin)。

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Penicillin V（苯氧甲基青霉素，1928年）

苯氧甲基青霉素是一种青霉素类抗生素，用于预防和治疗呼吸道、皮肤和软组织的轻度至中度重度感染。它通过与位于细菌细胞壁内的特定青霉素结合蛋白(PBP)结合，来抑制细胞壁粘肽的生物合成，后者对细胞壁的合成和维持以及细胞分裂至关重要。[2] 这会破坏细菌细胞壁合成的最后阶段，并导致细胞裂解。同β-内酰胺青霉素抗生素一样，苯氧甲基青霉素也是通β-内酰胺四元环实现共价药物的功效。

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Omeprazole (奥美拉唑，1989年)

奥美拉唑是一种质子泵抑制剂，用于治疗胃灼热和胃酸分泌过多等GERD相关病症，并促进由胃酸和幽门螺杆菌感染引起的组织损伤和溃疡的愈合。该药物是该类药物中第一个临床有用的药物，随后许多其他质子泵抑制剂药物的配方得到批准。奥美拉唑普遍有效且耐受性良好，促进其在儿童和成人中的广泛适用。

盐酸（HCl）分泌到胃腔是一个主要受质子泵10的 H(+)/K(+)-ATP酶调节的过程，由胃壁细胞大量表达。ATPase是壁细胞膜上的一种酶，可促进细胞内的氢和钾交换，这通常会导致钾的排出和HCl（胃酸）的形成。[3] 奥美拉唑是一类抗分泌化合物的成员，通过选择性抑制H+/K+ ATP酶系统来阻止胃酸分泌。质子泵抑制剂（例如奥美拉唑）通过二硫桥与H+/K+ ATP酶泵的α亚基上的半胱氨酸残基共价结合，抑制胃酸分泌长达36小时。[4]

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Fosfomycin（磷霉素，1996年）

磷霉素是一种广谱抗生素，用于治疗无并发症的尿路感染。在化学结构方面，磷霉素是一种磷酸烯醇丙酮酸盐类似物，含有一个膦酸基团和一个环氧化物。其环氧乙烷基团是共价药物的弹头。

磷霉素通过与 UDP-N-乙酰葡糖胺烯醇丙酮酰转移酶(MurA) 的酶活性位点的半胱氨酸共价结合，使其失活来发挥其杀菌作用。通过阻止MurA催化磷酸烯醇丙酮酸 (PEP)与 UDP-N-乙酰葡糖胺(UNAG)的缩合，破坏了细菌细胞壁的合成。[5]

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Clopidogrel（氯吡格雷，1997）

氯吡格雷是一种血小板抑制剂的前体药物，用于降低心肌梗死和中风的风险。氯吡格雷适用于降低非ST抬高急性冠脉综合征(ACS)患者、ST- 升高的心肌梗死，中风或确定的外周动脉疾病。

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Bortezomib（硼替佐米，2003年）

硼替佐米是一种二肽硼酸衍生物和蛋白酶体抑制剂 (有机硼酸为该共价药物的亲电弹头)，用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤。26S蛋白酶体是一种蛋白质复合物，可降解泛素-蛋白酶体途径中的泛素化蛋白质。硼替佐米对26S 蛋白酶体产生可逆抑制，导致癌细胞的细胞周期的阻滞和凋亡，这被认为是硼替佐米的主要作用机制。[6]

硼替佐米于1995年首次合成。2003年5月，硼替佐米成为第一个获得FDA批准的抗癌蛋白酶体抑制剂，商品名为VELCADE (万珂)。硼替佐米也正在进行I、II、III、IV期临床试验，以研究它在治疗白血病、重症肌无力、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎和实体瘤等疾病的功效。[7]

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Saxagliptin（沙格列汀，2009年）

沙格列汀是一种新型二肽基肽酶4 (DPP-4，dipeptidyl peptidase-4) 抑制剂类药物的口服活性降血糖药（抗II型糖尿病药）。FDA于2009年7月31日批准。

DPP-4抑制剂通过影响肠促胰岛素（incretins）的天然激素的作用起作用。肠促胰岛素（例如GLP-1和GIP）主要是通过增加胰腺中胰岛素的产生，以及通过减少肝脏产生的糖 (肝脏在血糖较低的情况下，将其储存的糖元分解为葡萄糖注入血液) 来降低血糖。

沙格列汀在其腈基（即该共价药物的亲电弹头）和DPP-4上的 Ser630 的羟基之间形成可逆的共价键，实现对DDP-4的可逆抑制。抑制DPP-4 会增加胰高血糖素样肽1(GLP-1)的活性水平，从而抑制胰腺α细胞产生胰高血糖素（glucagon）并增加胰腺β细胞产生胰岛素。

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Ibrutinib（依鲁替尼, 2013年）

依鲁替尼是共价药物开发史上具有划时代意义的一款药物，它的成功标志着共价药物的研发走上了快车道。

Ibrutinib 是一种小分子共价药物，可作为Burton酪氨酸激酶（BTK，Burton Tyrosine Kinase）的不可逆强效抑制剂，在B细胞恶性肿瘤中表现出非常有前途的活性。它与BTK活性位点中的半胱氨酸残基（Cys481）形成共价键，从而导致其抑制。BTK的抑制在B细胞受体信号传导中发挥作用，因此，依鲁替尼的存在可防止下游底物（如 PLC-γ）的磷酸化。

Ibrutinib 由 Pharmacyclics Inc开发，并于2013年11月获得FDA批准用于治疗套细胞淋巴瘤。在2014年2月，Ibrutinib被批准用于治疗慢性淋巴细胞白血病，它还适用于治疗华氏巨球蛋白血症患者。Ibrutinib还被EMA批准用于治疗慢性淋巴细胞白血病和套细胞淋巴瘤 。

Ibrutinib于2017年8月获准用于治疗慢性移植物抗宿主病（cGVHD），后来获准用于儿童，使其成为FDA批准的第一个用于治疗1岁及以上儿童的cGVHD一种或更多治疗失败后的系统疗法。[8]

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Dacomitinib（达克替尼，2018年）

Dacomitinib是第二代酪氨酸激酶抑制剂，抑制人表皮生长因子受体（EGFR）家族（EGFR/HER1，HER2和HER4）酪氨酸激酶。它通过与HER受体催化结构域的共价键合成，实现了不可逆的抑制作用。[9] Dacomitinib由辉瑞开发，并于 2018年9月27日获得FDA批准。

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Voxelotor（沃塞洛托）

Voxelotor是一种新型血红蛋白的聚合抑制剂，用于治疗镰状细胞疾病。这是中东，非洲和印度某些地区最普遍的遗传遗传疾病。镰状细胞疾病可能导致疼痛，中风，感染以及由于血管阻塞引起的其他并发症。

Voxelotor于2019年11月25日获得了加速FDA的批准，因为它可能是美国十万名名患有该疾病的患者的疗法，此外还有全球范围内有2000万其他人还有此疾病。由于其新型作用机理，Voxelotor与其他用于治疗镰状细胞贫血的药物，例如羟基脲，L-谷氨酰胺和Crizanlizumab，表现出独特的效果。

镰状细胞疾病的特征是脱氧镰刀血红蛋白（HBS，deoxygenated sickle hemoglobin）聚合。导致这种疾病的遗传突变导致形成异常镰状的红细胞，这些红色血细胞聚集并阻塞了整个身体的血管，从而导致血管闭塞。[10] 镰状的红细胞无法有效地结合氧气，因此无法将氧气输送至身体器官。

Voxelotor增加血红蛋白氧亲和力。[11] 通过与蛋白质α链的N末端缬氨酸形成共价键，从而与血红蛋白结合，从而导致Hb的变构修饰（allosteric modification）。[12] Voxelotor稳定含氧状态的血红蛋白，并通过增加血红蛋白对氧的亲和力来防止脱氧镰刀血红蛋白 （HBS）聚合。[11]

参考文献（上下滑动查看更多）

[1].Alfonso L, Ai G, Spitale RC, Bhat GJ: Molecular targets of aspirin and cancer prevention. Br J Cancer. 2014, 111, 61-67.

[2].Phenoxymethyl Penicillin 250mg/5ml Oral Solution Sugar Free (syringe) - eMC

[3].Lewin MJ: Cellular mechanisms and inhibitors of gastric acid secretion. Drugs Today (Barc). 1999, 35, 743-752.

[4].Sachs, G. et al. Review article: the clinical pharmacology of proton pump inhibitors. Aliment Pharmacol Ther. 2006, 23 Suppl 2, 2-8.

[5].Diez-Aguilar, M. et al. New microbiological aspects of fosfomycin. Rev Esp Quimioter. 2019, 32 Suppl 1, 8-18.

[6].BC Cancer: Bortezomib Monograph

[7].Guedes, R. A. et al. Chemical Patterns of Proteasome Inhibitors: Lessons Learned from Two Decades of Drug Design. Int J Mol Sci. 2019, 25, 20.

[8].Janssen Biotech: IMBRUVICA for Previously Treated cGVHD in Children 1 Year and Older.

[9].Brzezniak, C. et al. Dacomitinib, a new therapy for the treatment of non-small cell lung cancer. Expert Opin Pharmacother. 2013, 14, 247-253.

[10].Ankit Mangla; Moavia Ehsan; Smita Maruvada (2019). Sickle Cell Anemia. Stat Pearls

[11]. Yenamandra, A. et al. Voxelotor: A Hemoglobin S Polymerization Inhibitor for the Treatment of Sickle Cell Disease. J Adv Pract Oncol. 2020, 11, 873-877.

[12]. Hutchaleelaha, A. et al. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of voxelotor (GBT440) in healthy adults and patients with sickle cell disease. Br J Clin Pharmacol. 2019, 85, 1290-1302.