分子碎片药物设计
分子碎片药物设计（fragment-baseddrug design）[1]
分子碎片药物设计（fragment-baseddrug design）[2]是最近十年来刚刚兴起的一种药物研发新技术和新方法之一。根据Rees等人的文章介绍[3]，最早提出这一概念并进行这方面工作的学者是Jencks和Ariens等人,他们在1990年代早期的研究工作显示，1个有生物活性的药物分子可看成是2个或多个小分子碎片生物活性叠加的结果。这里所讲的分子碎片是对某些目标受体有亲和力的小分子，其相对分子量为150～ 300，其非氢原子总数不超过18个。也就是说，把一个已知的药物分子剪裁成多个碎片，这些分子碎片中的一些可能继承了原有活性分子的全部或部分药理性质，再通过筛选这些分子碎片，有可能可以找到更好的药物分子。这种技术的优点是，在无需大量人力和物力的投入下，科学家有可能在较短时间内找到具有较高生物活性的先导化合物（leadingcompound）。其基本步骤可以简单归纳如下：（1）设计靶向目标，这种靶向目标，也是一个，也可以是多个。所谓的目标（target）具有多种含义，可以是某种特定的蛋白（可称为靶蛋白），也可以是某种特定的酶（可称为靶向酶）、某种受体、某种致癌基因、甚至是某一生物化学过程、细胞周期中的某些关键环节。通常这些靶向目标与某种特定疾病有密切关系，抑制或者改变这些靶向目标，将有利于治疗相关的疾病。（2）设计和合成包含多种药物小分子碎片的化合物库。理想的小分子碎片应当对靶向目标如靶蛋白或靶向酶的活性位点有一定的亲和性。（3）利用事先设计好的靶向目标，筛选已合成出来的碎片小分子；（4）根据筛选的结果即可得到活性较好的分子碎片，在将这些碎片做适当的组合就可得到先导化合物；（5）对已经得到的先导化合物的化学结构进行进一步改造和进一步优化，即可得到临床研究的候选药物。“分子碎片药物设计”技术就是基于这一思路逐步发展并不断完善起来的。“分子碎片药物设计”技术与高通量药物筛选法有相似之处，但在药物的筛选方法上有所不同，而且前者更为有效。
所谓的“高通量药物筛选法【注1】”（high-throughput screening， HTS）技术在过去的10多年比较流行，很多制药公司也正在使用这种技术寻找新的药物分子。但AstexTherapeutics公司的专家认为[4]这种技术并不像人们所期望的那样，可以获得临床试验中所需要的，质量和数量都令人满意的新分子实体药物。这种方法不是非常成功的部分原因是由于这种筛选方法自身的复杂性和被筛选的化合物数量极其巨大所造成的。AstexTherapeutics公司认为他们正在研发的“分子碎片药物设计”技术可弥补HTS方法的不足。Astex Therapeutics公司将自己正在研发的这种技术命名为“Pyramid™技术平台”。这种新方法的特点是以分子量很小的药物分子碎片作为研究的开始。因为这些小分子碎片可能继承了整个药物分子结构所包含的潜在生物活性。
传统的高通量药物筛选法（HTS）中所选用的生物活性测定方法（bioassays）一般不能检测到分子量相对较小的分子碎片，因为它们对目标蛋白的结合力都比较低。但如使用Pyramid™技术平台则没有这个问题。根据Astex公司发表的资料介绍，该技术平台是将X-射线晶体学、核磁共振波谱学、等温量热法与药物分子碎片设计和一整套计算方法结合起来而建立的，用于筛选分子碎片的一种新技术。其最大的优点是敏感性极高，那些不能被传统生物活性筛选技术检测到的配体可以很容易被Pyramid™技术识别出来。Pyramid™技术的另一个与众不同的特点是，它可以在原子水平了解到配体与与目标活性位点相结合的详细信息。这种对药物分子内部结构的高分辨洞察力，对于药物研发过程中的“击中目标”(hitdiscovery)和“先导化合物优化”(leadoptimization）[5]有极大的帮助。通过这些信息，研究人员可以设计出更好的药物分子碎片，使分子中的每个原子都能有效地参与作用于靶目标的活性位点。有了这种高效配体，科学家可以进一步找出分子量小，易于代谢，对靶目标有很高选择性，而且容易通过化学合成而获得的新型候选药物。
“分子碎片药物设计”[8]技术从一开始就广泛引起了人们的注意和重视，并取得了令人鼓舞的成果。目前正在积极开发这种技术的公司主要有：Abbott公司, Astex公司, Burnham Instistute研究所, Novatis公司,Plexxikon公司, Roche公司, SGX Pharmaceuticals公司, Shering-Plough公司,Sunesis公司, Triad公司, Vernalis公司,Vertex公司 等。依据陈清奇[6]的著作介绍，目前通过“基于分子碎片的新药研发技术”而得到的新型小分子候选药物已有多种，其中4个化合物已进入了临床研究阶段。AT7519就是其中的一个。
AT7519是一种口服有效的选择性周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制剂（CyclinDependent Kinase inhibitor，CDKI)，属于细胞周期抑制剂类抗癌药，具有潜在抗癌活性，目前由AstexTherapeutics公司开展临床研究，并试用于各种癌症。AT7519的作用机制可能为：通过选择性方式与CDK结合并抑制其活性，导致细胞周期停滞并诱导细胞凋亡，进而发挥抑制癌细胞增殖的作用。CDK是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，其主要功能为参与调控细胞周期。CDK在某些癌症组织中被过量表达。因此抑制CDK有助于抗癌。
根据AstexTherapeutics公司的网页介绍（参见AstexTherapeutics公司的新闻公报：其网页为：http://www.astex-therapeutics.com/investorsandmedia/pressdetail.php?uid=5），AT7519是该公司使用了所谓“分子碎片药物设计”新技术而开发出来的。早期的临床研究结果表明，AT7519可有效地抑制多种周期蛋白依赖性蛋白激酶包括CDK-1，CDK-2，CDK-4，CDK-5，CDK-9等。临床前研究发现经AT7519处理过的实体瘤细胞系可观察到细胞周期停滞(cell cyclearrest)及随后诱导细胞凋亡的现象。而白血病细胞系经AT7519处理后在缺乏细胞周期的某一特定相停滞的情况下出现细胞快速凋亡。其作用机制与该化合物抑制CDK-9所产生的转录抑制效应有关。据文献介绍，AT7519从化学合成到用于病人的临床试验只花了18个月时间，大大短于传统的候选药物遴选时间。
另据介绍，美国MedKoo Biosciences, Inc[7]公司正在筹建全球第一个小分子抗癌药物分子库，有兴趣的读者可参考该公司的网页（http://www.medkoo.com)有关其他抗癌药物的介绍。
【注1】 高通量药物筛选是国际药业研究发展过程中近十年来兴起的一门新兴技术，它已经被世界各大医药公司广泛用于药物先导物的筛选。该技术包括下列几个方面：化合物库、靶体选择、测试方法、数据处理系统。它的目的是通过对各种化合物作针对各种药物靶体的筛选，从中寻找最佳的先导化合。其特点是规模大、速度快、成本相对较低，并有可能在相对短时间内找到最佳新药。（摘自北京华大基因研究中心网页，更详细的资料可参考其网页：http://www.genomics.org.cn/bgi/platforms/medicine.htm#）。更进一步的综述文献可参考文献部分“关于高通量药物筛选法的最新综述文献”。