双效大分子：癌症药物设计的新思路

药物开发的一个基本挑战是如何在“优化药物与靶标的匹配度”与“药物穿过细胞膜并到达靶标的能力”之间取得平衡。传统药物设计中，细胞穿透性药物的研究优先考虑可能穿过细胞膜的化合物，因而主要集中在低分子量、具有刚性、非极性化学结构的分子上。然而，在2022年12月8日发表在《科学》杂志上的一项研究中，UCSF的研究人员Kevin Lou，医学博士研究生，Luke Gilbert博士和Kevan Shokat博士揭示了一种很重要的细胞摄取通路，其中大而复杂的分子能以非常规的方式与靶标结合，被靶细胞有效地吸收，这个思路可用于制造治疗癌症和其他疾病的新药——有望用于开发出使用更大、灵活连接的化学实体（ chemical entities）的新型药物/疗法，打破传统的药物设计规则。

大多数传统药物都是小分子，遵循简单的分子规则，包括限制分子大小和分子表面粘性化学基团的数量。许多关键的药物靶点，如经常涉及癌症的激酶酶，很难用传统药物选择性靶向。在这项新研究中，作者通过功能基因组学和化学方法的结合，发现了一种涉及干扰素诱导的跨膜蛋白(IFITM)的内源性途径，能促进细胞摄取不同的相关分子。IFITM蛋白质存在于质膜中，通常提供细胞对病毒的抵抗力。

该研究的第一作者Kevin Lou表示:“在药物结合的区域中，有超过500种人类激酶酶非常相似，这使得选择性地靶向这个家族的某个成员成为一种挑战。”有许多重要的细胞内药物靶点，研究人员无法用小的、紧凑的和刚性的分子来靶向。为了应对这一挑战，科学家们开始将多个配体连接成一个单一的化学实体(连接化学型)。这些连接组成的化学实体（chemical entities）可具有增强的效力，更大的选择性和诱导多个靶点关联的能力。

Lou表示:“考虑到许多大的、二价分子的良好生物活性与传统的被动渗透性概念之间的差异，我们推断，连接组成的化学实体可能会劫持细胞过程，以帮助通过细胞膜。”

该团队选择了一种信号蛋白mTOR的bitopic抑制剂RapaLink-1作为例子，该抑制剂在体内具有活性，但其分子量远远超出了通常的指导标准，无法被视为类药物。研究人员用化学遗传学方法证明，Rapalink-1的活性依赖于干扰素诱导的跨膜蛋白(IFITMs)。IFITMs促进不同的“连接化学大分子”的细胞摄取，他们还探索了连接子长度在摄取途径中的作用。这项工作可能会指导双效药物的开发。

为了证明这一机制，该团队设计了两种新的连接药物，其一是将两种已知的白血病蛋白BCL-ABL1抑制剂(dasatinib和asciminib)用接头连接，生成了DasatiLink-1——由于每种药物能分别结合目标蛋白质上的不同位点，研究人员推断，相连接的版本可以将自己固定在两个接触点上，就像把双头钥匙插入两把锁中一样，增强了其特异性和有效性。其二是另外设计的 BisRoc-1，将化疗药物rocaglamide（楝酰胺）的两个分子桥接在一起，使其能够结合药物的两个蛋白质靶标。

尽管这两种药物都违反了传统的药物设计原则，但研究小组表明，这两种药物都能进入细胞，与预期的目标紧密结合，并与未结合的版本一样有效。连接版本唯一依赖于靶细胞中的IFITM蛋白表达，结果表明IFITM通路在许多类型的连接分子中发挥作用。DasatiLink-1仅对BCL-ABL1激酶具有特异性，专一性比它的两种成分更强。他们还发现，IFITMs适度地辅助了一些靶向蛋白水解的嵌合体。

Lou解释说:“连接抑制剂需要多管齐下，更具选择性。”“只要它们能有效地进入细胞，它们就具有巨大的优势。”

“我们发现IFITM蛋白能够使双靶向抑制剂进入细胞，这可能使我们能够在疾病中靶向以前不可靶向的蛋白质，”Luke Gilbert博士说，他是联合通讯作者，也是加州大学旧金山分校前列腺癌转化生物学Goldberg-Benioff教授。“希望我们的研究能够为药物设计科学家和病毒学家研究IFITM蛋白的机制提供新的线索。”

科学家们正致力于对相关BCR-ABL抑制剂的特性进行化学优化，以提高其效力，并将其定位为BCR-ABL突变癌症的下一代疗法。“我们也很高兴能扩大细胞内靶点的范围，以适应双重抑制。”

Journal Reference:

1. Kevin Lou, Douglas R. Wassarman, Tangpo Yang, YiTing Paung, Ziyang Zhang, Thomas A. O’Loughlin, Megan K. Moore, Regina K. Egan, Patricia Greninger, Cyril H. Benes, Markus A. Seeliger, Jack Taunton, Luke A. Gilbert, Kevan M. Shokat. IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes. Science, 2022; 378 (6624): 1097 DOI: 10.1126/science.abl5829