阿司匹林是一種歷史悠久的解熱鎮痛藥；青黴素是一種高效、低毒、臨床應用廣泛的抗生素，兩者一度被稱為神藥。EGFR抑制劑開啟了肺癌的精準治療新時代。伊布替尼是血液腫瘤領域的重磅藥物，KARS抑制劑攻克「不可成藥」靶點，是肺癌治療領域的又一里程碑式進展。這些藥物有一個共同點，它們都是共價藥物。Nature Reviews Drug Discovery發表的一篇綜述介紹了共價藥物的發展史。本文對基於兩種方法研發的肺癌及其他領域共價藥物進行了總結。
共價藥物的歷史
歷史上共價藥物通常在廣泛使用後才被發現是通過共價機制發揮作用。其中最突出的代表是非甾體抗炎藥阿司匹林，1971年科學家發現，阿司匹林是通過乙醯化環氧合酶1底物結構中的Ser529來發揮抗炎作用，阻止花生四烯酸轉化為前列腺素。
圖1 主要共價藥物研發時間
共價藥物在癌症治療中具有重要的歷史意義。嘧啶核苷類似物 5-氟尿嘧啶和吉西他濱是分別用於抑制胸苷酸合酶和核糖核苷酸還原酶I的前藥，被廣泛用於癌症的治療（圖1）。硼替佐米是一種二肽硼酸鹽，可共價結合併抑制26S蛋白酶體具催化活性的蘇氨酸殘基，於2003年獲FDA批准用於多發性骨髓瘤的治療。
共價藥物已被用於治療多種疾病。藥物研發之前專注於共價作用機制，以改進藥物設計，可為難以解決的「新挑戰」提供新思路。
經配體優先方法（ligand-first approaches）研發的藥物
在過去十年中，共價藥物發現已具有里程碑意義，FDA於2013年批准了第一個共價EGFR抑制劑阿法替尼和布魯頓氏酪氨酸激酶（BTK）抑制劑伊布替尼。研究者將溫和反應電子功能基團加入到已知可逆配體中以增強蛋白功能的抑制，從而研發出這些藥物。這些案例為未來藥物的研發積累了經驗。
共價EGFR抑制劑
EGFR抑制劑的發現推動了非小細胞肺癌（NSCLC）的治療進展，使EGFR 成為腫瘤領域的關鍵藥物靶點。在2000年代初期的臨床開發過程中，研究者發現可逆的第一代EGFR抑制劑吉非替尼和厄洛替尼對EGFR敏感突變（外顯子19缺失或 L858R點突變）腫瘤有效。但接受治療患者最終仍會進展，約60%患者為T790M耐藥突變。EGFR的ATP結合位點中看門人殘基的這種突變不僅降低了許多可逆抑制劑對EGFR的結合親和力，而且增加了EGFR對ATP的結合親和力。
圖2 EGFR抑制劑結構的不斷演變
為了克服這一難題，研究者設計將共價第二代抑制劑中加入丙烯醯胺麥可受體，其與EGFR中的半胱氨酸殘基（Cys797）反應（圖2b）。Cys797位於ATP結合位點附近，EGFR與EGFR配體的不可逆結合部分恢復了對T790M 看門人突變體的活性。除了對T790M有一定活性之外，共價第二代抑制劑可長期抑制EGFR信號傳導通路，這提示第二代EGFR 抑制劑可能比可逆的第一代抑制劑更有效。
阿法替尼於2013年獲FDA批准用於EGFR敏感突變轉移性 NSCLC 患者的一線治療。其他第二代抑制劑包括來那替尼和達可替尼，通過共價結合 Cys805（與EGFR Cys797同源的半胱氨酸殘基）可有效抑制HER2，並於2017年獲FDA批准用於乳腺癌的治療，達可替尼於2018獲FDA批准用於NSCLC。
第三代EGFR抑制劑選擇性靶向 T790M 突變體而非野生型 EGFR，包括 WZ4002、奧希替尼和rociletinib （圖2c）等。第三代藥物保留丙烯醯胺基團，與Cys797共價結合，但將第一代和第二代化合物的喹唑啉部分替換為嘧啶，以促進對T790M的選擇性。與野生型 EGFR 相比，它對T790M的親和力更高，導致療效更高，安全性也更好，而且使得奧希替尼的推薦劑量更高。奧希替尼於2015年獲FDA加速批准用於NSCLC的二線治療，於2018獲FDA批准用於轉移性NSCLC 的一線治療。但是，奧希替尼依賴於 Cys797的共價結合，而且C797X 突變占二線奧希替尼耐藥病例的15%。通常，功效依賴於特定親核胺基酸共價結合的藥物容易受到該位點突變的影響，並導致耐藥性。
共價BTK抑制劑
共價BTK抑制劑的發現與共價EGFR抑制劑有幾個共同點：配體優先方法和具有親電性的麥可反應受體的使用。由於BTK在 B 細胞受體下游通路的關鍵作用而成為慢性淋巴細胞白血病的關鍵靶點之一。
與EGFR抑制劑類似，伊布替尼與BTK中ATP結合位點相鄰的半胱氨酸殘基 （Cys481）結合，只有少數激酶具有同源半胱氨酸，因此伊布替尼對BTK 的選擇性高於其他激酶。由於長期共價結合，伊布替尼可保持對 BTK的活性。
其他幾種共價BTK抑制劑已獲批准或目前正在進行臨床試驗，其中一些藥物突出了麥可受體的多樣性，有多種親電體可代替丙烯醯胺。Acalabrutinib於2019年獲得FDA批准用於治療CLL，它使用丁醯胺親電體取代了丙烯醯胺。研究人員進一步使用氰基丙烯醯胺親電體來設計可逆共價 BTK 抑制劑。與不可逆共價BTK抑制劑相比，它可顯示更高的療效和更低的脫靶效應。
除靶向EGFR 和 BTK之外，其他共價抑制劑正在研發中。總體上，靶向與ATP 結合位點相鄰的非保守半胱氨酸的共價激酶抑制劑的合理設計已成為提高激酶抑制劑療效和選擇性的常規方法。
經親電優先方法（electrophile-first approaches）研發的藥物
共價藥物也可通過親電體優先方法研發而來，這提示最初的發現過程是一開始就找到共價配體，而不是將共價受體結合到已知可逆配體中。通過這種方法發現的藥物主要包括 KRAS G12C抑制劑 sotorasib 和 SARS-CoV-2 M前抑制劑 nirmatrelvir等（圖1）。
共價KRAS G12C 抑制劑
共價KRAS G12C抑制劑是共價藥物中最令人興奮的研發事件之一。KRAS是一種編碼 GTPase的癌基因，所有癌症中約25%可能發生該突變，尤其是在胰腺癌、結腸直腸癌和肺癌中。結合GTP激活狀態和結合GDP非活性狀態轉換時，野生型 KRAS受到嚴格調控，但許多KRAS突變會減弱 GTPase活性，導致GTP水解率低和RAS信號傳導通路上調，從而驅動腫瘤的發生。
自從近30年前，研究者發現KRAS可能是腫瘤發生的潛在靶點，但一直以來傳統藥物研發方法均未獲得成功。KRAS沒有可用於可逆抑制劑結合的「口袋」，競爭性抑制劑需要克服 GTP和GDP之間皮摩爾級別的親和力，而對野生型 KRAS有活性的抑制劑可能會增加靶向毒性。
靶向G12C突變的共價KRAS抑制劑之所以有吸引力，有幾個原因：首先，靶向KRAS突變可以對癌細胞產生選擇性細胞毒性。第二，通過共價結合的親和力更有優勢，因為KRAS缺乏結合配體的口袋。第三，NSCLC中有12%-14% KRAS突變為KRAS G12C突變，這類患者將直接獲益於KRAS G12C抑制劑。第四，共價KRAS G12C配體可能影響 KRAS 功能。
2013年，加利福尼亞大學舊金山分校研究人員報告了首個選擇性共價KRAS G12C抑制劑。這種新型選擇性KRAS G12C抑制劑的新機制為臨床上開發共價KRAS G12C抑制劑奠定了基礎。後續陸續研發抑制劑包括ARS-853、ARS-1620。ARS-1620研發中努力克服 ARS-853的代謝穩定性和生物利用度限制，最終被認定為首個適用於體內研究的KRAS G12C抑制劑。
Sotorasib是首個於 2018年進入臨床試驗的選擇性 KRAS G12C抑制劑。科學家發現了KRAS結構中既往未知的「神秘口袋」，並利用此結構研發出sotorasib。Sotorasib通過與His95、Tyr96和Gln99相互作用並占據或結合該「神秘口袋」（圖3）。基於2020年取得成功的II期臨床研究，Sotorasib於2021 年5月獲得FDA批准用於KRAS G12C突變局部晚期或轉移性 NSCLC的成人患者。其他共價KRAS G12C抑制劑正逐步進入臨床或臨床試驗。Adgrasib是一種不可逆共價抑制劑，研究者隨後使用基於結構的設計方法優化了adgrasib，該藥物於2019年1月開始臨床試驗（圖3）。此外，研究者也探索了JNJ-74699157（ARS-3248）在KRAS G12C晚期實體瘤中的療效，但臨床試驗已終止。
圖 3 adagrasib（MRTX849）和 sotorasib（AMG-510）的結構
設計小分子共價 KRAS G12C選擇性抑制劑給出了一種藥物研發的解決方案，可以為不可成藥腫瘤靶點提供藥物。在KRAS G12C抑制劑之前，最近在腫瘤學領域研發的靶向共價抑制劑大多是使用配體優先方法鑑定。
展望
在過去的十年中，共價藥物發現的進步成就了多種成功藥物，包括 EGFR、BTK、KRAS G12C抑制劑等。這些藥物都代表了里程碑式進展，顯示了共價藥物的研發已從偶然性發現到已確立成功設計路徑的演變。
採用親電優先方法的策略又代表著該領域的進展和轉變。預計親電優先方法將被越來越多地採用，特別是當發現可逆配體具有挑戰性時。可逆共價機制的進一步探索將在療效和選擇性之間更好地平衡。
「共價藥物發現史」克服了針對「不可成藥」蛋白靶點的配體設計障礙。預計共價配體的獨特性將繼續推動共價藥物的發現。
參考文獻：
Boike L, Henning NJ, Nomura DK. Advances in covalent drug discovery. Nat Rev Drug Discov. doi: 10.1038/s41573-022-00542-z. Epub ahead of print. PMID: 36008483; PMCID: PMC9403961.
編輯：Yuna
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