专访北大深圳研究生院潘峥婴博士——打造一“键”封喉的共价抗癌药

跻身于人类医药史的经典药物之列,青霉素和阿司匹林是两个绕不开的名字。有趣的是,这两种历史悠久的小分子药物,都是通过共价键与生物体内特定蛋白酶结合发挥药效。青霉素通过与革兰氏阳性菌的转肽酶共价结合,阿司匹林则与环氧合酶反应,从而实现它们出色的疗效;尽管如此,由于共价药物的亲电基团可与人体内蛋白非选择性、不可逆、永久结合,这种潜在风险仍然使共价药物多年来成为药物研发中的禁忌。

▲上图为青霉素,下图为阿司匹林(图片来源:Pixabay)

若把蛋白酶看作一把锁,与其结合的药物分子则是钥匙,共价药物宛如上锁之后将钥匙拧断在锁孔中。更有独辟蹊径的共价药物,在天然配体结合区之外与蛋白酶结合,即在锁孔外插入“钢钉”,让真正的钥匙无用武之地。而今,避免小分子与人体内靶蛋白不可逆结合的禁忌已被打破:多种全新共价小分子药物在对抗肿瘤、炎症和免疫性疾病等领域逐渐崭露头角。在如雨后春笋般涌现的上市和在研共价药物中,应用于恶性肿瘤治疗的激酶抑制剂最引人关注。自从伊马替尼(Imatinib)上市被用于治疗慢性粒细胞白血病,激酶抑制剂便开启了癌症靶向药物的新时代。相对于传统的非共价抑制剂,共价激酶抑制剂的理性设计和开发,成为极具挑战性的研发使命。

以B细胞抗原受体通路为靶点的伊布替尼(Ibrutinib,有时被音译为“依鲁替尼”),为全球首先上市的BTK抑制剂,无疑是众多共价激酶抑制剂之中的佼佼者。早在2007年,还在美国Celera Genomics任职的北大特聘研究员潘峥婴博士,便以第一作者的身份发表了Ibrutinib研发的部分过程。

▲可逆与共价非可逆抑制剂的区别(图片来源:维基百科)

抗癌魔术弹:“上帝的礼物”

药明康德:Ibrutinib被称作抗癌药物中的魔术弹。Pharmacyclics将候选药依鲁替尼购入后,其继任掌门人Robert W. Duggan曾将该药物昵称为“上帝的礼物”。请您谈谈该药物早期研发的历程。

潘峥婴博士:Ibrutinib早期研发工作由Celera Genomics完成,该企业由著名科学家J. Craig Venter成立,是参与绘制人类基因组图谱的著名生物科技公司。最初我参与的研究团队方向是化学蛋白质组学(chemical proteomics),成员各有所长,涉及的领域包括化学、临床、制药等等。这段经历让我高效地学习了许多人体生物学知识,我认为这正是人体药物研发的关键所在:人工设计的小分子药物最终必须从细胞生物学、“模式动物生物学”转向人体生物学。在药物早期研发阶段,就应当首先考虑先导化合物在人体复杂的生理环境体系内,会受到哪些因素的影响;所以我们提炼出一种疾病的病理模型之后,除了进行体外和动物实验,还应当尽快返回到人体环境中进行分析佐证。这种与临床转化非常贴近的研究方式让我觉得受益终身。

共价抑制剂的技术对于我来说并不陌生,但当年这类药物的研发却是个禁忌,还曾经被一些人视为笑话。因为毒理学研究发现共价化合物反应效率高,一旦在人体内脱靶结合到正常的人体蛋白之上,可能会引起严重的副作用,所以很多人认为药物分子不能带有暴露的共价反应基团。然而表皮生长因子受体(epiderma lgrowth factor receptor, EGFR)抑制剂,似乎又在提示共价药物可能在安全与疗效之间找到平衡点,所以我们当时有机会能研发共价药物时,就先走下去,把分子做出来。虽然起初不被看好,也有很多曲折,但是Ibrutinib展示了它的优势。之后因为资本运作等原因,Ibrutinib的开发权几经转辗。我很高兴在这个过程中,其他药物研究科学家看到了它的优势,并将它的研究继续推进,最终由Pharmacyclics和强生完成了临床实验并获得FDA批准上市。而今BTK共价抑制剂的研发也由禁忌变成了热门领域,我非常高兴这十年之间发生的变化。

▲Ibrutinib作用机理(图片来源:《Blood》杂志)

许多白血病、淋巴癌等患者体内癌细胞的BCR(B cell receptor, B细胞抗原受体)通路经常处于异常激活状态,BTK(Bruton’s tyrosine kinase,?布鲁顿氏酪氨酸激酶)是BCR通路的关键分子,Ibrutinib与BTK活性位点半胱氨酸残基(Cys-481)选择性地共价结合,不可逆抑制BTK活性,并引起多种抑制癌细胞的机制。目前适应症包括慢性淋巴细胞白血病、小淋巴细胞性淋巴瘤、套细胞淋巴瘤、Walenstr?m巨球蛋白血症等。

 

药明康德:高效与潜在风险是共价药物开发的一把双刃剑。您觉得保证共价药物的高效与安全,分别需要注意哪些要点?

潘峥婴博士:共价药物通过与靶向蛋白酶的特定氨基酸位点结合,从而竞争性阻止人体激酶与天然配体结合和激活。目前可基于结构生物信息学的大数据,进行合理的不可逆抑制剂设计,比如基于非共价抑制剂结构再引入亲电基团,进而结合半胱氨酸等氨基酸。共价不可逆分子与靶标结合后不再处于非共价的结合平衡关系,可以大大减少天然底物/配体的影响。另外它与特定氨基酸位点结合,有强大的亲和力和选择性,且结合时间长并可以达到完全抑制活性的靶标。

无选择性、不可逆修饰脱靶蛋白的毒副作用仍然需要避免,但过去药物设计思维的禁锢太严重了。如果对于共价药物的亲电活性有充分理解、合理调控,完全可以通过精密设计和实验检验,以确定药物靶向激酶的活性位点,从而减少由于干涉人体内正常蛋白导致的副反应。共价不可逆结合机制是Ibrutinib的成功关键,而Ibrutinib又证明BTK激酶为有效药靶,对其适应症带的治疗来变革性突破。所以坚持在数据支持下发展新调控模式对于新药研究是非常重要的。由此推广,化学新药研究的一个核心学科任务就是发展新颖的生物功能调控方式,以此拓宽可成药的化合物空间和可成药的生物药靶空间。

▲潘峥婴博士1999年获得哥伦比亚大学博士学位,之后在斯坦福大学进行博士后训练,2009年回国执教于北大深圳研究生院,2013年获得药明康德生命化学研究奖。

人类激酶组:共价药物开发的富矿

药明康德:激酶抑制剂的开发,无疑与激酶组学的基础知识密切相关。请您介绍一下该学科对于药物开发的重要性,也请您谈谈自己团队在该领域的重要成果。

潘峥婴博士:激酶组学是基因组学和蛋白质组学交叉形成的分支学科,而化学蛋白质组技术正是非常适合的深入研究方法,可以无偏见地发现与药物相互作用的蛋白,适用于在天然生理状态下研究激酶,并捕获多种翻译后修饰、剪切和突变形式。蛋白质激酶的功能,是从ATP等高能供体分子上剥离磷酸基团,并将之转移到脂、糖、多肽、核酸等特定靶分子底物之上。磷酸化可以激活底物,是多种生理活动细胞信号转导的主要方式。非正常的激酶活性可以表现为氨基酸突变、过表达、持续性激活等等,与包括炎症、糖尿病、肿瘤等在内的多种疾病相关。

目前发现人体内共有518种激酶,属于134个子家族,它们的催化结构域一般都含有250-300个氨基酸残基,且核心处有很大结构相似性,所以曾经一度被认为不具备成药性并有严重的副作用风险。但每一种激酶的催化活性中心的细微结构并不相同,共价药物与激酶的结合位点独特,所以副作用风险可以通过巧妙设计控制在很小的范围。目前激酶抑制剂研究靶点通路相对集中,仅覆盖了30余种激酶,还有更多激酶可能是潜在药物靶点。

 

▲JAK-STAT通路广泛参与多种细胞功能调控(图片来源:Cold Spring Harbor Perspectives in Biology官网)

目前我们主要关注的还是激酶抑制剂类药物研发,特别是共价抑制剂有可能产生非共价抑制剂达不到的效果的靶标。比如我们一个研究对象,是另一类非受体胞浆内酪氨酸蛋白激酶JAK家族中的JAK3。JAK(Janus Kinase)具有两个几乎相同的转移磷酸基团结构域,一个表现出激酶活性,另一个调控催化结构域活性。JAK的底物为信号转导子和转录激活子(signal transducer and activator oftranscription,STAT),JAK-STAT信号通路广泛参与调控多种细胞的增殖、分化、迁移和凋亡。我们最近正在投稿的结果表明共价不可逆抑制剂表现出了非共价抑制剂达不到的效力,在头对头的比较中说明共价抑制剂的优势

从0到1的创造:致力构建共价药物研究体系

药明康德:除了药物研发,您对蛋白质组学的分子探针研究也倾注了很多努力,请您谈谈相关的研究内容。

潘峥婴博士:蛋白质组学是一门很依赖于技术发展而驱动的学科,分析蛋白质的表达量以及翻译后修饰位点,是寻找疾病诊断标志物以及潜在药物靶点的重要途径。通过发展一些新颖的化学探针,可以对蛋白质组进行分割,从而在相对集中的区域检测细胞内甚至体内蛋白质的特异性活性变化,帮助研究者了解样本间的相对差异以及特定信号转导通路的分子机制。

细胞的活性很大程度受各种生化信号的影响,磷酸化是非常重要的蛋白质翻译后修饰之一,而激酶正是信号转导通路的主要调控因素。我们希望直接在人类活细胞内源性环境中检测激酶的活动,发展基于活性、或亲和性的新型激酶探针,来了解细胞信号通路中的时空特点。这些都是我们未来的研究方向之一。

另外从探针特质来说,共价分子有许多适合发展为探针的特质。其易于发展出衍生的荧光和下拉(Pull-down)探针,以共价键结合的荧光染料能标记细胞内蛋白。被特异性标记的生物大分子还能够用来探测很多种细胞结构和功能的参数。所以我们希望发展出更多新型的共价探针分子,可在细胞、组织水平方便地检验其对于整个蛋白质组的选择性,即基于活性或亲和性的蛋白质谱(activity/affinity-based protein profiling)研究。

伊布替尼(Ibrutinib,有时被音译为“依鲁替尼”)(图片来源:WXPRESS)

 

药明康德:对于自己的团队以及整个共价药物的研发,您有哪些具体的展望?

潘峥婴博士:多年前我们开始研究共价药物时,思路与众不同,当时我们深深感觉到人的定式思维要产生根本性的改变不容易。2007年,依鲁替尼的早期研发论文只发表在一个很小的杂志上,但无疑参与奠定了共价不可逆激酶抑制剂的研发基础。因此我始终认为从0到1的创造,也许要超过从10到100的贡献。从0到1的创造多了,才是科技强国,不然顶多是个科技大国。

关于对未来科学研究的展望,我觉得自己虽然从事肿瘤药物研究多年,但目前科学家对于肿瘤的许多机制仍然不够了解。另外共价药物的开发经历了一个从打破禁忌到百花齐放的转变,然而共价药物体系并非包治百病。我希望自己的团队和同仁们能够共同努力,构建一个共价药物的研究理论体系,回答一些根本性问题,比如什么疾病能够开发共价药物,什么疾病则不适用。哪怕找到一些反例,哪怕成果出得慢一些,但我希望能够摸索出一个完善的价值体系,这才是对这个领域对的贡献。