與藥物研發(fā)“親密接觸”

暮色蒼茫

生命就像一臺(tái)精密的儀器，必須維持正常的工作狀態(tài)—穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)，顧名思義，需要有一定的穩(wěn)定性，這對于生命這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其實(shí)是不小的挑戰(zhàn)。生命，對內(nèi)要保證新陳代謝的持續(xù)性和恒定性，對外要形成對無數(shù)外界刺激的合適反應(yīng)。在這樣的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，生命允許穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)較小的、暫時(shí)的偏離，這種偏離過后，可以重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。但是，內(nèi)外部刺激形成的較大紊亂則會(huì)打破穩(wěn)態(tài)平衡，令這臺(tái)儀器無法正常工作，我們就生病了。

藥物是對付疾病的最常用的手段，然而，研制藥物是一件極其復(fù)雜、也非常奇妙的事情。讓小小的藥物分子幫助身體重建復(fù)雜生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，我們?nèi)祟愖龅搅耍以阶鲈胶谩?/p>

那么，藥物是什么？它們是如何工作的？如何在成千上萬的化學(xué)分子中找到能幫助我們的藥物分子？

藥物必須有“靶子”

談到藥物，就避不開靶點(diǎn)。任何藥物都必須和體內(nèi)特定目標(biāo)（靶點(diǎn)）結(jié)合，對靶點(diǎn)介導(dǎo)的生物過程加以調(diào)節(jié)，才能達(dá)到治療疾病的目的。因此，想了解藥物，就必須先了解靶點(diǎn)。

在人體細(xì)胞中，有兩類生物分子是常見的藥物靶點(diǎn)：核酸和蛋白質(zhì)。核酸就像公司的老板，平時(shí)主要工作是發(fā)號施令；蛋白質(zhì)是做具體工作的員工。因此，大部分藥物的靶點(diǎn)都是細(xì)胞內(nèi)的打工仔—蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)種類繁多，其中有兩類是藥物研發(fā)的主要目標(biāo)。

第一類藥物目標(biāo)蛋白質(zhì)叫酶。人體就像一個(gè)大試管，時(shí)刻進(jìn)行著各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。消化食物、產(chǎn)生能量、傳遞信號、抵御病菌……任何生物過程都離不開化學(xué)反應(yīng)。這些化學(xué)反應(yīng)很給力，美中不足的是反應(yīng)速度太慢，于是酶就來幫忙了。酶是催化劑，可以極大地提升這些反應(yīng)的速度，最高可以提升幾十萬億倍。人體內(nèi)的酶種類繁多，如胃部的消化酶，如果缺了它們，食物就無法被快速分解吸收，人也就無法生存了。酶的另一個(gè)作用是讓化學(xué)反應(yīng)的速度變得可控，細(xì)胞可以通過改變酶的數(shù)量或者活性讓反應(yīng)快慢自如。因?yàn)槊傅淖饔萌绱酥匾?，它的活性變化可以輕易改變生物過程，酶也就成為藥物的主要目標(biāo)之一。

另一類常見的藥物目標(biāo)是被稱為受體的蛋白質(zhì)。和人一樣，細(xì)胞也要互通信息，也會(huì)對外界環(huán)境做出反應(yīng)。特定環(huán)境下會(huì)形成一類叫配基的分子，配基可以結(jié)合相應(yīng)受體。配基/受體結(jié)合會(huì)引發(fā)一系列生物變化，影響體內(nèi)很多生物過程。例如，胰島素和胰島素受體的結(jié)合控制著血糖水平，神經(jīng)遞質(zhì)和其受體結(jié)合控制著人的心理活動(dòng)和身體行為。因此，對配基/受體結(jié)合的調(diào)節(jié)自然也就成為了藥物的主要目標(biāo)。

藥物VS身體

藥物進(jìn)入體內(nèi)，會(huì)發(fā)生兩件事，搞清楚這兩件事，對藥物的理解才算“功德圓滿”。這兩件事其實(shí)可以歸納為兩個(gè)問題：藥物對身體做了什么？身體又對藥物做了什么？

研究“藥物對身體做的事”有一個(gè)專門學(xué)科—藥物效應(yīng)動(dòng)力學(xué)。既然被稱為藥物，當(dāng)然要對身體做點(diǎn)兒事，最起碼要對藥物靶點(diǎn)起到預(yù)期的調(diào)節(jié)作用。藥物通常還會(huì)有一些非特異性的脫靶現(xiàn)象，這是指結(jié)合之前沒有預(yù)期的靶點(diǎn)，也會(huì)產(chǎn)生研究者不希望產(chǎn)生的生物效應(yīng)。

研究“身體對藥物做的事”也有一個(gè)專門學(xué)科—藥物代謝動(dòng)力學(xué)。藥物必須在身體的作用位點(diǎn)達(dá)到一定的濃度并維持一定的時(shí)間才有效果。但是，藥物是外源分子，身體有一整套天然的防御機(jī)制來修飾、降解和排泄外源分子。這些防御機(jī)制對于藥物在體內(nèi)的分布、代謝和滯留時(shí)間有很大影響。藥物種類繁多，其物理化學(xué)性質(zhì)各異，人體防御機(jī)制對不同藥物產(chǎn)生的影響差異也很大，無法外推，必須通過實(shí)驗(yàn)加以研究。藥物代謝動(dòng)力學(xué)是藥物研發(fā)中非常重要的一環(huán)，因?yàn)樗鼪Q定了什么樣的給藥途徑（口服、皮下注射、靜脈注射等）和給藥頻率才能讓藥物在體內(nèi)形成可以產(chǎn)生療效的積累。

從化學(xué)“小分子”到生物學(xué)“大分子”

藥物沒有“隔空點(diǎn)穴”的功夫，想改變靶點(diǎn)的生物功能，就必須和靶點(diǎn)“親密無間”地結(jié)合。靶點(diǎn)是分子，因此絕大部分藥物也是分子級別的，可以分為小分子藥物和大分子藥物兩大類。為什么這樣劃分？這就要從藥物研發(fā)的“進(jìn)化”過程談起了。

藥物研發(fā)和化學(xué)密不可分。絕大部分藥物是地球上本來并不存在的化學(xué)分子，想打造出這些“前所未見”的分子，必須依靠化學(xué)這個(gè)“出神入化”的工具。即使是具有良好治療效果的天然產(chǎn)物，想成為藥物也往往需要化學(xué)方法的再加工和完善，直接拿來就能成藥的天然產(chǎn)物非常罕見。

因此，化學(xué)學(xué)科的進(jìn)步直接影響著藥物的開發(fā)方法。從科技史上看，化學(xué)的發(fā)展先于生物學(xué)，因此早期的藥物研發(fā)以化學(xué)方法為主?；瘜W(xué)家在實(shí)驗(yàn)室合成的藥物分子一般分子量為幾百道爾頓（分子量單位），這種分子“身材嬌小”，統(tǒng)稱為“小分子藥物”。小分子藥物非常普遍，常見的抗生素、過敏藥物、抗炎藥物以及化療藥物都是小分子藥物。

隨后，生物學(xué)在藥物研發(fā)領(lǐng)域快速跟進(jìn)，特別是基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)的發(fā)展，讓開發(fā)者可以大規(guī)模地高效利用微生物來合成全新的蛋白質(zhì)（即發(fā)酵），并使用這些蛋白質(zhì)作為藥物。蛋白質(zhì)的分子量一般在幾萬到幾十萬道爾頓，這種分子“人高馬大”，因此這類藥物統(tǒng)稱為“大分子藥物”，也被稱為“生物制劑”。

在大分子藥物中，單克隆抗體（單抗）占據(jù)著主導(dǎo)地位?？贵w也是蛋白質(zhì)，但卻是一種很特殊的蛋白質(zhì)，因?yàn)槊總€(gè)抗體都能結(jié)合一個(gè)不同的抗原，即抗體的特異性。那么，什么物質(zhì)可以作為抗原呢？答案是：沒有限制，沒有條件，種類繁多。所以，抗體具有多樣性。抗體還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不同的抗體共享一個(gè)非常相似的總體結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)像字母Y，只有Y的頭上兩個(gè)區(qū)域有變化，因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)結(jié)合不同抗原。由于抗體的結(jié)構(gòu)相似性，研究者打造一個(gè)抗體研發(fā)平臺(tái)，就可以合成不同的抗體，一“臺(tái)”多用，非常高效。特異性、多樣性和高效性讓抗體成為藥物科學(xué)家的好朋友。

不過，在大分子藥物研究領(lǐng)域，抗體不是唯一的選擇。除了抗體，大分子藥物還包括重組蛋白質(zhì)藥物和核酸藥物等。

你也許覺得，小分子、大分子只是分子量大小不同而已，都是藥物，何必區(qū)分？實(shí)際上，這兩類藥物從研發(fā)到后期生產(chǎn)都很不一樣，需要不同的專長和知識(shí)背景。簡單來說，小分子藥物專家不一定會(huì)開發(fā)大分子藥物，大分子藥物專家也很難研發(fā)出小分子藥物。所以，“小分子還是大分子”是一個(gè)關(guān)鍵問題，下面就聊聊這里面的“玄機(jī)”。

藥物一般通過兩個(gè)方法改變靶點(diǎn)功能，改變靶點(diǎn)的催化功能（酶）或者改變靶點(diǎn)和其他分子的相互結(jié)合。對于具有催化功能的酶來說，它們擁有一個(gè)“活性中心”，反應(yīng)在此進(jìn)行。這個(gè)“活性中心”常常具有小而深的特點(diǎn)，很適合“塞”一個(gè)小分子進(jìn)去。因此，在改變酶的活性這方面，小分子藥物得天獨(dú)厚。但是和酶的“活性中心”相反，靶點(diǎn)和其他生物分子之間的作用面往往又大又淺，“淺”讓小分子無處著手，“大”讓小分子力不從心。因此，對于干涉分子之間相互作用，大分子藥物更加有效。

細(xì)胞有一層脂性的細(xì)胞膜。大分子藥物個(gè)頭大，親水基團(tuán)多，因此無法穿越細(xì)胞膜，只能局限于細(xì)胞外部或者細(xì)胞膜表面朝外的靶點(diǎn)，對于細(xì)胞內(nèi)部靶點(diǎn)鞭長莫及。例如，輝瑞的mRNA新冠疫苗，必須包裹在一層脂性“外衣”里才能穿膜而過。小分子藥物則身材嬌小，見縫插針，而且研究者可通過結(jié)構(gòu)修飾來提升整個(gè)分子的親脂性。因此，小分子藥物可以橫穿細(xì)胞膜，結(jié)合細(xì)胞內(nèi)部靶點(diǎn)，極大地增加了小分子藥物的靶向范圍。

大分子藥物是蛋白質(zhì)或者核酸類生物分子，在經(jīng)過胃部消化和腸道吸收后，這些分子會(huì)被變性降解而失去功能。因此，大分子藥物無法口服，一般是通過靜脈注射給藥。小分子是全新的化學(xué)分子，體內(nèi)腸胃尚沒有進(jìn)化出降解它們的機(jī)制，因此它們可以被身體完整地吸收，進(jìn)入血液。所以，小分子藥物不僅可以注射，還可以口服。如果醫(yī)生給你開了一種口服藥物，你可以自信地判斷：“這是小分子藥物?！?/p>

小分子藥物又能進(jìn)入細(xì)胞，又能口服，難道它毫無缺點(diǎn)？當(dāng)然不是。小分子因?yàn)閭€(gè)頭小，和靶點(diǎn)的結(jié)合位點(diǎn)也就小，在體內(nèi)出現(xiàn)具有類似位點(diǎn)的其他生物分子的概率就大，再加上小分子無孔不入，就使得小分子藥物更容易出現(xiàn)非特異性結(jié)合，產(chǎn)生所謂的脫靶效應(yīng)。因此，小分子的毒副作用相對比較大。大分子則相反，和靶點(diǎn)的接觸面大，而且只“看得見”細(xì)胞外部生物分子，因此較少脫靶，也就更加安全。

另外，抗體是身體的“熟人”，正常情況下我們身體中存在無數(shù)抗體，既然是“熟人”，身體就不會(huì)驅(qū)趕它，因此抗體在體內(nèi)的滯留時(shí)間較長。例如，大分子單抗藥物一般可以在體內(nèi)存在幾個(gè)星期，所以抗體的給藥頻率經(jīng)常是每三周打一針。小分子是身體的“陌生人”，身體有各種機(jī)制“必先除之而后快”，導(dǎo)致小分子容易被身體快速清除，需要頻繁給藥才能維持有效濃度。

在生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面，這兩類藥物也有很多差異。小分子的化學(xué)合成相對簡單，而且精確可控。大分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成中變量多，產(chǎn)品質(zhì)量控制難度很大，但是這些缺點(diǎn)也使得生產(chǎn)大分子仿制藥非常困難，相當(dāng)于延長了制藥公司的藥物保護(hù)期，增加了經(jīng)濟(jì)效益。小分子一般相對穩(wěn)定，便于儲(chǔ)藏和運(yùn)輸。大分子不夠穩(wěn)定，需要低溫保存，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸方面面臨更大的挑戰(zhàn)。

所以，關(guān)于“大分子還是小分子”的問題，要綜合權(quán)衡各種因素，包括靶點(diǎn)的功能和位置、給藥方法和頻率、給藥的便利程度、毒副作用的耐受程度、合成技術(shù)平臺(tái)的成熟度以及運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售、商業(yè)回報(bào)等，才能得到最佳答案。

研發(fā)藥物的步驟

藥物研發(fā)的第一步是找對靶點(diǎn)，這一步說起來容易做起來難。因?yàn)槿梭w內(nèi)的靶點(diǎn)成千上萬，精確鎖定靶點(diǎn)需要深厚的生物學(xué)和病理學(xué)專業(yè)知識(shí)作為基礎(chǔ)。如果這一步錯(cuò)了，后面的研發(fā)就像在沙灘上蓋樓，只會(huì)以悲劇收場。

現(xiàn)在，讓我們以“尋找一個(gè)酶的小分子抑制劑”為例子，來看看藥物研發(fā)的具體步驟。

擅長理性思維的科學(xué)家，首先想到的是研究目標(biāo)酶上那個(gè)“活性中心”的形狀，然后找一個(gè)形狀相同的小分子放進(jìn)去，就像拼圖一樣。這個(gè)想法是有道理的，而且也不斷有人在嘗試，但是成功率并不高。失敗的原因有很多，比如，這個(gè)“活性中心”不是靜態(tài)的，而我們現(xiàn)在還沒有很好的辦法預(yù)測其動(dòng)態(tài)變化。另外，對于小分子和蛋白質(zhì)之間的相互作用，研究者目前還沒有做到可以量化的程度，僅僅形狀的嵌合并不代表兩者之間作用力的最大化。這些都影響了理性設(shè)計(jì)藥物的潛力。

現(xiàn)在，最常用的方法是隨機(jī)篩選小分子法。具體而言，就是首先建立一個(gè)隨機(jī)的小分子庫，里面有成千上萬結(jié)構(gòu)各異的小分子。然后，把每一個(gè)小分子和目標(biāo)酶放在一起，通過一個(gè)分析方法來測量哪些小分子抑制了這個(gè)酶的活性?？赡苣銜?huì)好奇，小分子庫又是如何建成的？ 其實(shí)，小分子庫是在多年藥物研發(fā)過程中，藥物化學(xué)家們一點(diǎn)一點(diǎn)合成出來的，完全是科學(xué)家心血的結(jié)晶。目前，世界級大制藥公司的小分子庫一般都在百萬這個(gè)數(shù)量級。想篩選這么多分子，必須采用“高通量”的分析方法，這種方法為隨機(jī)篩選奠定了基礎(chǔ)。

經(jīng)過上面的海選，往往會(huì)找到成百上千個(gè)小分子可以抑制這個(gè)酶的活性，不過千萬不能高興得太早了，因?yàn)榭赡苡龅健凹訇栃浴薄＜訇栃允侵敢粋€(gè)小分子看起來抑制了這個(gè)酶，其實(shí)并沒有。原因多種多樣，比如，是小分子里的雜質(zhì)在影響酶的活性，或者是小分子形成聚合物導(dǎo)致酶的失活，也可能是分析方法的誤差。實(shí)際上，初選得到的活性小分子中可能大多數(shù)都是假陽性，這些假陽性的小分子要經(jīng)過一系列的分析手段逐步加以排除，這就是二級篩選。