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会议推荐 2026第三届中国医药企业项目管理大会 2026第二届中国AI项目管理大会 2026第十五届中国PMO大会 2026第五届中国项目经理大会 本 文 目 录 1、五问共价药物，十大共价药物里程碑 2、共价药物进入核药战场 3、DerekLowe观点|关于共价药物反应性的思考 4、靶向药物发展中的共价药物，回首来时路中的优与劣 一、五问共价药物，十大共价药物里程碑 （原创 杨翼 同写意Biotech） 制药离不开化学，而化学从本质上说就是破坏原有的化学键并产新的化学键的过程。尽管绝大多数的药物的药理学是通过药物与靶标之间的非共价键作用来实现的，但药物共价结合受体的现象从药物出现的时代就已经存在了。比如抗炎神药阿司匹林和抗生素青霉素 V，它们都是通过与其生物靶标形成共价键而实现药效的。 尽管药物开发商习惯性地通常避免开发此类共价药物，担心分子会与非目标蛋白结合或引发免疫反应，但共价药物的不断涌现，尤其是对于那些顽固的，所谓“不可成药”（undruggable）受体的有效抑制，使得共价药物的优势更辩证地被人们评估。 几种共价抗癌药物最近的成功表明，人们对于共价药物的原生恐惧，可能被自己对于药物开发未知领域的探索精神的缺乏所夸大了。尤其是抗SARS-CoV-19药物Paxlovid的火线驰援，再次刷新了人们对于共价药物在药物开发领域作用的认识。Paxlovid中起到药效作用的活性成分Nirmatrelvir正是一款共价药物，其活性亲电弹头基团为氰基。 1 关于共价药物的5大问题 1 必须总是半胱氨酸吗？  很多共价药物瞄准的靶标基团，都是半胱氨酸。去质子的半胱氨酸侧链的巯基负离子，相对于受体上的其它亲核基团，例如氨基、羟基和咪唑基，具有更强的亲核性，因此攻击半胱氨酸就理所当然地成为了很多共价药物开发的指导方向。从统计数据中可以看出，绝大多数在研和已经批准的共价药物，其核心的亲电弹头都是丙烯酰胺类的官能团，通过它们与半胱氨酸侧链巯基之间的迈克尔加成反应，实现共价药物共价结合靶标的目的。 但是“咬定半胱氨酸不放松”的做法，无疑会极大地限制共价药物的开发思路，因为半胱氨酸相对于赖氨酸和丝氨酸来说，在受体蛋白中的丰度是较低的。因此拓展思路，开发靶向半胱氨酸之外的其它亲核性基团，对于冲破樊笼，最大化地实现共价药物的研发意义重大。 2 必须总是肿瘤药物吗？  共价药物的开发，大多数针对肿瘤药物，似乎在这种危局面前，才更能凸显其“沧海横流，方显英雄本色“的气质，或许这也能更好地平衡共价药物潜在的风险性。但历史上最初的共价药物，例如阿司匹林，针对的却并不是肿瘤学，尽管阿司匹林的共价性开发可能不是刻意而为的。人们或许会问，共价药物在肿瘤学之外有用吗？ 不可否认，第一批靶向共价抑制剂（定向地设计为共价性的药物）针对的都是癌症，而不是像阿司匹林和青霉素这样偶然发现的药物。因为当事关生死时，毒性风险被认为更容易接受。肿瘤共价药物已被证明具有良好的耐受性，并且没有引发广泛的毒性，为研究人员和公司提供了扩展到其他领域的余地。 站在肿瘤学共价药物研究的肩膀上，在对共价药物的毒理学和药理学研究的拓展之后，人们有理由将共价药物的适用范围进一步扩展。炎症性疾病已成为新型共价药物的丰富靶点。抗微生物方面的共价药物开发也取得了丰硕的成果，例如抗HIV的药物，以及Paxlovid中的Nirmatrelvir。 3 共价药物可以靶向多少不可成药的蛋白？  不可成药的受体蛋白，是共价药物最容易展示身手的领域。由于缺乏有效的结合口袋，这些受体蛋白在传统的非共价药物面前颇有些有恃无恐的猖狂。在人类蛋白质组的大约2万种蛋白质中，只有大约3千种被认为可以用常规药物治疗，而实际上只有700种具有靶向它们的药物。 与蛋白质的非功能部分结合以引起蛋白质的构象变化，或者充当类似于锚的作用，以允许在其他地方相互作用的药物实现功能，这种非直接起效的共价药物也可以显著地扩大药物靶标的数量。从这些数据来看，对整个蛋白质组进行药物治疗的努力效果，可能在很大程度上依赖于共价药物的突破。 4 共价药物的毒性风险是否可控？  中国的古典哲学强调平衡，奉行“执两用中“的中庸之道。过弱的成分需要避免，因为”潜龙勿用”，过强的势力同样需要高度警惕，因为“亢龙有悔”。在开发药物上，人们同样多多少少有如此的顾虑，担心共价药物过于激进的作用机制会造成选择性的低下，引发脱靶效应，从而造成药物安全和毒性的问题。 人们的这个担忧并非杞人忧天，开发共价药物的最大障碍一直是脱靶效应，以及其触发的免疫反应和毒性风险。稳定蛋白质-药物复合物，是科学家用来降低副作用风险并使共价药物更具特异性的几种技术之一。在某些领域，人们对于共价药物的潜在毒性的担忧可能被夸大了，例如在激酶抑制剂中，共价药物比常规的可逆药物可能具有更低的肝毒性。 5 生物制剂可否分一杯羹？  从目前的情况来看，共价药物只是小分子（包括多肽）药物领域独善其身的专美。生物药物可以利用共价键吗？ 迄今为止，小分子药物主导了共价药物的开发。蛋白质和其他生物制剂通常无法与其靶标形成共价键，但结合合成氨基酸等技术可以赋予它们这种能力。如果抗体能够与小分子偶联成ADC的话，是否可以通过偶联具有亲电弹头的小分子，实现共价大分子药物的理念？ 2 共价药物的专利申请 与很多领域一样，中国与美国在专利方面也是共价药物的两大龙头，中国于2016年在共价药物专利方面已经超过了美国 （图1）。 图1. 共价药物专利获得数量的年份趋势图。（图片来源: ACS） 美国共价药物专利2016年的下降趋势，在其前10的专利申请机构中却并非如此，这反应了前10大研发机构并没有将他们对于共价药物的兴趣转移。产生变化的是那些可能“打一枪换一个地方”的参与者。美国龙头机构的实力才是他们的可怕之处。事实上，2000至2021年间共价药物的六大专利申请机构中，有四家来自于美国：Araxes Pharma（31），Schering Corp.（20），Dana-Farber Cancer Institute（15），Shanghai Institute of Material Medica（15），Avila Therapeutics（14），Pharmacyclics（14）。 尽管开发者一直在努力将共价药物的应用领域扩展到肿瘤学以外，但它的专利授予的重点方向仍然是癌症（表1）。 表1. 2007-2021年共价药物专利申请分布。（表格来源：ACS） 3 共价药物里程碑 1 Asprin (阿司匹林，1899年)  阿司匹林是一种水杨酸（乙酰水杨酸），具有抗炎和解热作用，用于治疗疼痛、发烧、炎症、偏头痛，并降低主要不良心血管事件的风险。该药物还抑制血小板聚集，用于预防血栓中风和心肌梗塞（MI）。多项研究结果显示，长期服用乙酰水杨酸可降低罹患各种癌症的风险，包括结直肠癌、食道癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、肝癌和皮肤癌。[1] 阿司匹林可阻断前列腺素 (prostaglandin) 的合成。它对COX-1（环氧合酶-1）和 COX-2（环氧合酶-2）没有选择性。抑制COX-1会抑制血小板聚集约 7-10 天（平均血小板寿命）。阿司匹林的乙酰基与环氧合酶1（COX-1）的丝氨酸残基结合，导致共价作用。这可以防止产生引起疼痛的前列腺素(prostaglandin)。 2 Penicillin V（苯氧甲基青霉素，1928年）  苯氧甲基青霉素是一种青霉素类抗生素，用于预防和治疗呼吸道、皮肤和软组织的轻度至中度重度感染。它通过与位于细菌细胞壁内的特定青霉素结合蛋白（PBP）结合，来抑制细胞壁粘肽的生物合成，后者对细胞壁的合成和维持以及细胞分裂至关重要。[2] 这会破坏细菌细胞壁合成的最后阶段，并导致细胞裂解。同β-内酰胺青霉素抗生素一样，苯氧甲基青霉素也是通β-内酰胺四元环实现共价药物的功效。 3 Omeprazole (奥美拉唑，1989年)  奥美拉唑是一种质子泵抑制剂，用于治疗胃灼热和胃酸分泌过多等GERD相关病症，并促进由胃酸和幽门螺杆菌感染引起的组织损伤和溃疡的愈合。该药物是该类药物中第一个临床有用的药物，随后许多其他质子泵抑制剂药物的配方得到批准。奥美拉唑普遍有效且耐受性良好，促进其在儿童和成人中的广泛适用。 盐酸 (HCl) 分泌到胃腔是一个主要受质子泵10的 H(+)/K(+)-ATP 酶调节的过程，由胃壁细胞大量表达。ATPase是壁细胞膜上的一种酶，可促进细胞内的氢和钾交换，这通常会导致钾的排出和HCl（胃酸） 的形成。[3] 奥美拉唑是一类抗分泌化合物的成员，通过选择性抑制H+/K+ ATP酶系统来阻止胃酸分泌。质子泵抑制剂（例如奥美拉唑）通过 二硫桥与H+/K+ ATP酶泵的α亚基上的半胱氨酸残基共价结合，抑制胃酸分泌长达36小时。[4] 4 Fosfomycin（磷霉素，1996年）  磷霉素是一种广谱抗生素，用于治疗无并发症的尿路感染。在化学结构方面，磷霉素是一种磷酸烯醇丙酮酸盐类似物，含有一个膦酸基团和一个环氧化物。其环氧乙烷基团是共价药物的弹头。 磷霉素通过与UDP-N-乙酰葡糖胺烯醇丙酮酰转移酶 (MurA) 的酶活性位点的半胱氨酸共价结合，使其失活来发挥其杀菌作用。通过阻止MurA催化磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 与UDP-N-乙酰葡糖胺 (UNAG) 的缩合，破坏了细菌细胞壁的合成。[5] 5 Clopidogrel（氯吡格雷，1997）  氯吡格雷是一种血小板抑制剂的前体药物，用于降低心肌梗死和中风的风险。氯吡格雷适用于降低非 ST 抬高急性冠脉综合征 (ACS) 患者、ST- 升高的心肌梗死，中风或确定的外周动脉疾病。 6 Bortezomib（硼替佐米，2003年）  硼替佐米是一种二肽硼酸衍生物和蛋白酶体抑制剂 (有机硼酸为该共价药物的亲电弹头)，用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤。26S蛋白酶体是一种蛋白质复合物，可降解泛素-蛋白酶体途径中的泛素化蛋白质。硼替佐米对26S蛋白酶体产生可逆抑制，导致癌细胞的细胞周期的阻滞和凋亡，这被认为是硼替佐米的主要作用机制。[6] 硼替佐米于1995年首次合成。2003年5月，硼替佐米成为第一个获得FDA批准的抗癌蛋白酶体抑制剂，商品名为VELCADE（万珂）。硼替佐米也正在进行I、II、III、IV期临床试验，以研究它在治疗白血病、重症肌无力、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎和实体瘤等疾病的功效。[7] 7 Saxagliptin（沙格列汀，2009年）  沙格列汀是一种新型二肽基肽酶4 (DPP-4，dipeptidyl peptidase-4) 抑制剂类药物的口服活性降血糖药（抗II型糖尿病药）。FDA于2009年7月31日批准。 DPP-4抑制剂通过影响肠促胰岛素（incretins）的天然激素的作用起作用。肠促胰岛素（例如GLP-1和GIP）主要是通过增加胰腺中胰岛素的产生，以及通过减少肝脏产生的糖 (肝脏在血糖较低的情况下，将其储存的糖元分解为葡萄糖注入血液) 来降低血糖。沙格列汀在其腈基（即该共价药物的亲电弹头）和DPP-4上的 Ser630的羟基之间形成可逆的共价键，实现对DDP-4的可逆抑制。抑制DPP-4会增加胰高血糖素样肽 1 (GLP-1) 的活性水平，从而抑制胰腺α细胞产生胰高血糖素（glucagon）并增加胰腺 β 细胞产生胰岛素。 8 Ibrutinib（依鲁替尼, 2013年）  依鲁替尼是共价药物开发史上具有划时代意义的一款药物，它的成功标志着共价药物的研发走上了快车道。 Ibrutinib是一种小分子共价药物，可作为Burton酪氨酸激酶（BTK，Burton Tyrosine Kinase）的不可逆强效抑制剂，在B细胞恶性肿瘤中表现出非常有前途的活性。它与BTK活性位点中的半胱氨酸残基(Cys481)形成共价键，从而导致其抑制。BTK的抑制在B细胞受体信号传导中发挥作用，因此，依鲁替尼的存在可防止下游底物（如 PLC-γ）的磷酸化。Ibrutinib由Pharmacyclics Inc开发，并于2013年11月获得FDA批准用于治疗套细胞淋巴瘤。在2014年2月，Ibrutinib被批准用于治疗慢性淋巴细胞白血病，它还适用于治疗华氏巨球蛋白血症患者。Ibrutinib还被EMA批准用于治疗慢性淋巴细胞白血病和套细胞淋巴瘤 。 Ibrutinib于2017年8月获准用于治疗慢性移植物抗宿主病 (cGVHD)，后来获准用于儿童，使其成为FDA批准的第一个用于治疗1岁及以上儿童的cGVHD一种或更多治疗失败后的系统疗法。[8] 9 Dacomitinib（达克替尼，2018年）  Dacomitinib是第二代酪氨酸激酶抑制剂，抑制人表皮生长因子受体（EGFR）家族（EGFR/HER1，HER2和HER4）酪氨酸激酶。它通过与HER受体催化结构域的共价键合成，实现了不可逆的抑制作用。[9] Dacomitinib由辉瑞开发，并于 2018 年 9 月 27 日获得 FDA 批准。 10 Voxelotor（沃塞洛托）  Voxelotor是一种新型血红蛋白的聚合抑制剂，用于治疗镰状细胞疾病。这是中东，非洲和印度某些地区最普遍的遗传遗传疾病。镰状细胞疾病可能导致疼痛，中风，感染以及由于血管阻塞引起的其他并发症。 Voxelotor于2019年11月25日获得了加速FDA的批准，因为它可能是美国十万名名患有该疾病的患者的疗法，此外还有全球范围内有2000万其他人还有此疾病。由于其新型作用机理，Voxelotor与其他用于治疗镰状细胞贫血的药物，例如羟基脲，L-谷氨酰胺和Crizanlizumab，表现出独特的效果。 镰状细胞疾病的特征是脱氧镰刀血红蛋白（HBS，deoxygenated sickle hemoglobin）聚合。导致这种疾病的遗传突变导致形成异常镰状的红细胞，这些红色血细胞聚集并阻塞了整个身体的血管，从而导致血管闭塞。[10] 镰状的红细胞无法有效地结合氧气，因此无法将氧气输送至身体器官。 Voxelotor增加血红蛋白氧亲和力。[11] 通过与蛋白质α链的N末端缬氨酸形成共价键，从而与血红蛋白结合，从而导致Hb的变构修饰（allosteric modification）。[12] Voxelotor稳定含氧状态的血红蛋白，并通过增加血红蛋白对氧的亲和力来防止脱氧镰刀血红蛋白（HBS）聚合。[11] 参考文献：（上下滑动查看更多） [1].Alfonso L, Ai G, Spitale RC, Bhat GJ: Molecular targets of aspirin and cancer prevention. Br J Cancer. 2014, 111, 61-67.   [2].Phenoxymethyl Penicillin 250mg/5ml Oral Solution Sugar Free (syringe) - eMC  [3].Lewin MJ: Cellular mechanisms and inhibitors of gastric acid secretion. Drugs Today (Barc). 1999, 35, 743-752.  [4].Sachs, G. et al. Review article: the clinical pharmacology of proton pump inhibitors. Aliment Pharmacol Ther. 2006, 23 Suppl 2, 2-8.  [5].Diez-Aguilar, M. et al. New microbiological aspects of fosfomycin. Rev Esp Quimioter. 2019, 32 Suppl 1, 8-18.  [6].BC Cancer: Bortezomib Monograph  [7].Guedes, R. A. et al. Chemical Patterns of Proteasome Inhibitors: Lessons Learned from Two Decades of Drug Design. Int J Mol Sci. 2019, 25, 20.  [8].Janssen Biotech: IMBRUVICA for Previously Treated cGVHD in Children 1 Year and Older.  [9].Brzezniak, C. et al. Dacomitinib, a new therapy for the treatment of non-small cell lung cancer. Expert Opin Pharmacother. 2013, 14, 247-253. [10].Ankit Mangla; Moavia Ehsan; Smita Maruvada (2019). Sickle Cell Anemia. Stat Pearls  [11]. Yenamandra, A. et al.  Voxelotor: A Hemoglobin S Polymerization Inhibitor for the Treatment of Sickle Cell Disease. J Adv Pract Oncol. 2020, 11, 873-877.   [12]. Hutchaleelaha, A. et al. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of voxelotor (GBT440) in healthy adults and patients with sickle cell disease. Br J Clin Pharmacol. 2019, 85, 1290-1302.  二、共价药物进入核药战场 （原创 奇博士 蛋白奇点生物） 如前文所述，非天然氨基酸应用成为共价蛋白药物成为颠覆方向。  Lei Wang课题组在2020年发表Cell，开启了共价药物的方向。 通过扩增遗传密码将一种潜在的生物反应性非天然氨基酸(UAA)掺入蛋白质药物中，仅在药物-靶标相互作用时才与靶标蛋白的近端天然残基选择性形成共价键，导致蛋白质药物与靶标不可逆结合。 靶向放射性药物（核药/放射性药物子类），作为一种新兴的癌症治疗手段，正逐步塑造肿瘤治疗的未来。这些药物通过精确定位并释放在肿瘤部位的辐射，展现出对抗癌症的独特优势，尤其是它们对药物耐药性的最小化。 共价药物与核药的结合碰撞出新火花。 靶向放射性核素治疗（TRT）利用对肿瘤组织具有特异性亲和力的配体将放射性核素定位到病灶，从而允许分子水平的精准放疗。 共价核药优势： 改变结合方式，它通过与靶标不可逆的反应，增加肿瘤的放射性剂量。传统放射性核素在肿瘤组织的有效滞留时间相当短。 一是让放射性核素精准地找到肿瘤细胞（通过配体-靶点结合），即优异的肿瘤靶向；二是让放射性核素更长久地停留在肿瘤细胞处，以便让治疗放射性核素在有限的衰变时间内对肿瘤细胞进行充分杀伤；三是要保证正常器官中的放射性核素尽快地代谢排出，以减小治疗的副作用 （ADC是否也需要共价药物？类似原理可以试试） 1. 继续领先，Wang Lei首个共价蛋白分子靶向放射性核素疗法（TRT） 作者将FSY加入HER2的纳米抗体中，特异性的靶向HER2，用于生成共价纳米抗体为放射性核素的载体，用于PET成像和TRT。HER2基因扩增和过表达发生在许多不同的癌症中，包括乳腺癌、胃癌、卵巢癌、肾癌、前列腺癌、唾液腺癌、结肠癌、尿道癌和肺癌。对于HER2阳性癌症的成像，PET因其高空间分辨率和灵敏度而成为临床的首选方式。只有当NbHER2与HER2结合时，FSY才会通过邻近激活的SuFEx反应性选择性地与HER2的目标残基发生反应，从而不可逆地交联，进而增强附着的放射性核素在表达HER2的细胞的特异性积累。传统纳米抗体以非共价模式结合，与HER2发生动态结合和解离，并从表达HER2的细胞中清除。在非目标位点，共价纳米抗体不会产生这种共价交联，因此，它会像传统纳米抗体一样被迅速清除，以最小化背景。 https://mp.weixin.qq.com/s/zBHq60M015-gUscKNr_1Aw 2. 后发制人，近50年来首篇放射性核素治疗领域论文 团队基于现代共价药物分子工程，从分子、细胞、小鼠及患者层面验证了CTR的有效性。这一新的药物形式，突破了成纤维细胞活化蛋白（FAP，为泛癌种靶点）靶向放射配体因肿瘤摄取、滞留不足导致疗效不佳的瓶颈。 该研究首次报道了在人体中含SuFEx共价弹头分子的药代动力学研究，并验证了其在放射性药物这一新兴药物形式中的匹配性。 由于可连接SuFEx弹头的蛋白质较为广泛，这一策略或可用于靶向其他靶点的放射性药物，并为调控其他低分子量偶联类药物的药代动力学提供了新途径。 3. 看到一个专业点评 这两篇文献都探讨了共价药物在靶向放射性核素治疗（Targeted Radionuclide Therapy, TRT）中的应用，但它们在研究的具体内容、方法和结论上存在一些异同。 共同点： 共价药物的应用： 两篇文献都集中在使用共价药物提高TRT的疗效和安全性上。它们都提出了通过共价键将放射性药物与肿瘤细胞上的特定蛋白质不可逆地结合，以增加放射性药物在肿瘤部位的保留时间，从而提高治疗效果。 靶向策略： 两篇文献都采用了靶向特定肿瘤相关抗原的策略。第一篇文献主要针对成纤维细胞激活蛋白（Fibroblast Activation Protein, FAP），而第二篇文献则针对人表皮生长因子受体2（Human Epidermal Growth Factor Receptor 2, HER2）。 放射性核素： 两篇文献都使用了放射性核素作为治疗手段，第一篇文献使用了不同的放射性核素，如68Ga、86Y、177Lu和225Ac，而第二篇文献主要使用了124I和225Ac。 不同点： 研究焦点： 第一篇文献的研究焦点是开发一种新的共价靶向放射性配体（Covalent Targeted Radioligand, CTR），而第二篇文献则是开发共价蛋白放射性药物，通过基因编码的方式将一种潜在的生物反应性氨基酸（Uaa）整合到纳米抗体中。 技术方法： 第一篇文献采用了SuFEx（Sulfur(VI) Fluoride Exchange）化学为基础的链接技术，而第二篇文献则采用了通过基因编码扩展技术整合非天然氨基酸的方法。 研究结果： 第一篇文献显示，通过SuFEx工程化的FAPI（Fibroblast Activation Protein Inhibitor）在小鼠模型中实现了几乎完全的肿瘤消退。第二篇文献则显示，共价纳米抗体在体外和体内都能有效地与HER2形成共价键，并且在小鼠模型中通过PET成像显示了增强的肿瘤保留和成像对比度。 治疗应用： 第一篇文献在动物模型中展示了其策略在β和α放射性核素治疗中的应用，而第二篇文献则特别强调了使用α发射体225Ac标记的共价纳米抗体在抑制肿瘤生长方面的效果。 研究范围： 第一篇文献的研究范围更广泛，不仅包括了技术开发，还包括了在多种癌症类型中的潜在应用。第二篇文献则更专注于HER2这一特定靶点，并详细探讨了其在肿瘤治疗中的应用。 研究深度：第一篇文献在研究深度上可能更为全面，包括了药物设计、合成、体内外评估以及临床前研究等多个方面。第二篇文献则更侧重于共价药物设计和其在特定模型中的评估。     总结来说，两篇文献都在探索如何通过共价药物提高TRT的疗效，但它们在研究的具体技术、靶向的肿瘤抗原、使用的放射性核素以及研究的深度和范围上有所不同。 对比了很详细了，我关注几点： 明显Wang lei的文章发表更早，属于该领域内首创，做的研究丰富点，应该可以冲击正刊； 刘教授团队深耕核药领域，新技术来交叉应用会更快，能够抓住共价抗体机会，发表了业内顶刊，开创新领域。（还有优势国内临床速度快，应该很快会启动IIT研究） 三、DerekLowe观点|关于共价药物反应性的思考 （iDRUGS） 共价药物发现（Covalent Drug Discovery）的兴衰反复已持续多年，次数之多以致往事渐渐模糊。但如今业界基本达成共识：它完全是一种可行且有效的研发策略——既因已有不少专为共价作用而设计并获批的药物，也因早期“老药”中本就暗藏共价特性。什么是共价药物？ 与“传统”可逆结合机制不同，传统小分子靠氢键、π-电子堆积、疏水/分散力等可逆相互作用与靶蛋白形成平衡复合体；而共价药物在分子骨架中嵌入较活泼的化学基团，可与目标蛋白形成真正的化学键。虽然存在少数可逆-共价机制，但多数情况下该反应几乎不可逆：蛋白一旦被修饰便失活（酶活性位点常见“自杀抑制剂”现象），或在其他位点改变蛋白性质和蛋白-蛋白互作。 关键警示在于：务必避免把目标蛋白改造成免疫原。毒葛（poison ivy）的活性成分正是通过共价修饰人体蛋白诱发免疫反应（红肿瘙痒）。同样，若“战斗部位”太活泼，胡乱攻击其它蛋白，免疫风险、毒副作用都会飙升。因此，共价药物必须精准设计、适度活化，方能发挥巨大疗效。研发策略与常见误区 共价药物研发向来依赖经验法则，甚至比传统药物发现更为“试试看”。典型流程是： 先找非共价先导——获得与蛋白结合的小分子，并确认结合口袋邻近可被修饰的氨基酸残基； 再装上共价“战斗部”，利用结构信息把它精准指向靶残基； 反复迭代，直至兼顾亲和力与选择性。 普遍观点认为：须先把结合力做到足够强，再“跳”向共价，使选择性更佳、可采用反应性较弱的基团。但 Bharath Srinivasan 最近的论文提醒大家重新审视这一假设： 酶学类比：酶的催化效率 kcat/Km 有上限，受“扩散极限”约束（细胞环境下约 10⁶–10⁷ M⁻¹ s⁻¹）。 共价抑制对应参数：kinact/KI 与 kcat/Km 的数学关系相似；当逼近扩散极限时，若再提高 kinact，非共价亲和力（KI 的倒数）必然下降——二者无法同时无限优化。 对“难成药”平坦口袋：可能更依赖优化 kinact 而非纯粹靠提高亲和力来实现选择性。 结论：共价抑制剂的设计必须同步考量“结合力 × 反应速率”这对杠杆；只盯单一参数、事后再补救，往往违背酶动力学的根本规律。实务要点 避免过度反应性——降低非靶蛋白修饰、免疫原性与毒性。 平衡 KI 与 kinact——理解扩散极限，切勿一味追求“更快”或“更紧”。 多做实验——对任何“战斗部”别作过多假设；以谷胱甘肽等标准亲核体外基准虽有帮助，但最终还是“试试看”。 共价药物强大而微妙；遵循酶学原理、精细权衡各参数，才能让这一古老而常新的策略真正发挥锋芒。 原文链接：https://www.science.org/content/blog-post/thinking-about-covalent-drug-reactivity，注：本文由ChatGPT O3翻译，未经修改！ 四、靶向药物发展中的共价药物，回首来时路中的优与劣 （原创 安玉龙 早研早聊） 共价药物具有丰富的历史，一度因为安全性的担忧而被边缘化，而靶向共价抑制剂（TCI）概念的出现又赋予了共价药物新生。 近期，Results in Chemistry刊载了一篇文章，从靶蛋白的角度对当前共价抑制剂研究进行分类分析，包括EGFR、BTK、SARS-CoV-2、KRAS、AChE、CatK等。并讨论了共价药物的优势和存在的局限性 01 靶向共价抑制剂（TCI） 小分子抑制剂通过可逆、或不可逆的方式，在特定情况下抑制功能失调的靶标。其中非共价相互作用主要包括盐桥、疏水相互作用、范德华力、静电相互作、氢键等。而这些非共价键只能在原子靠近时形成，并随着距离的增加相互作用强度降低。可逆性非共价药物依靠着与靶标不断地结合，再结合等发生相互作用；而不可逆共价药物特异性地精准靶向靶标，并永久性地结合发挥调控作用。 不可逆共价抑制剂的概念尽管很理想，但现实中设计共价抑制剂却非常具有挑战性。需要发现可逆性抑制剂作为亲电元件，需要优化亲电弹头，需要鉴定靶标特异性地邻近配体功能性亲核性残基，等，都是在开发共价药物中必需地步骤。    1.1、靶向共价抑制剂（TCI）的概念 靶向共价抑制是一种独特的治疗策略，靶向共价抑制剂（TCIs）被定义为具有可与靶标蛋白质残基非催化性成键的低反应性功能基团的配体（或抑制剂）。 TCIs通过两步机制，实现蛋白质靶标“沉默”，如下图。 第一步：抑制剂（I）与靶标受体或酶（E）非共价结合，产生热力学平衡的非共价抑制复合物，使抑制剂亲电部分靠近靶标蛋白质上亲核性残基的位置。 第二步：当共价分子接近并与特定残基精准对齐时，形成不可逆共价键，发生不可逆抑制。 第二步是共价抑制剂区别于可逆抑制剂的关键。这种药物发现依赖于基于结构的药物设计原则。 共价弹头的插入可显著提高药物分子的亲和力和特异性，但选择和设置共价弹头具有一定挑战性。    1.2、TCIs的共价弹头 可共价靶向的靶标首选在合适的位置需要具有功能性亲核侧链，如半胱氨酸（Cys）、赖氨酸（Lys）、丝氨酸（Ser)、苏氨酸（Thr）、酪氨酸（Tyr)、组氨酸（His）、或天门冬氨酸（Asp）、精氨酸（Arg）等。其中被开发最多的则是半胱氨酸和丝氨酸。而为了完成蛋白质靶标的共价修饰，必须在抑制剂中加入与靶标活性位点氨基酸残基具有反应性的亲电弹头。而一般这种亲电弹头是弱亲电性官能团。 共价弹头的反应性取决于几个关键因素：如，靶标氨基酸残基；启动初始非共价结合相互作用和靶标选择性的识别基序，即亲和性元件等；共价弹头的方向，影响与蛋白质残基的反应速度。共价弹头的选择、亲电基团的功能、大小、反应性对共价药物的设计都很重要，它们会影响残基的环境及其靶向特定氨基酸的能力。 以下是一些已经用于获批共价药物中的比较流行的几类共价弹头。 1.2.1、α,β-不饱和酰胺 α,β-不饱和酰胺型Micheal受体是TCIs中应用最多的共价弹头，尤其是在癌症治疗中的激酶抑制剂。这是一种软亲电试剂，主要与Cys残基相互作用。而当烯烃上取代基不同时，丙烯酰胺表现出高度可调的硫醇反应性。 一般在α位置引入氟原子，丙烯酰胺的反应性降低；而比较典型的是在β位氨基亚甲基取代，质子化的氨基亚甲基取代基能够增加不包含双键的亲电反应性；而通过α,β-不饱和醛或酯提高反应速率，也可能导致致突变性、皮肤致敏或肝中毒等风险增加。 1.2.2、酰胺、酯、脲、氨基甲酸酯类 如传统共价药物阿司匹林、β-内酰胺抗生素等，通过将蛋白质靶标的氨基酸残基酰化阻断酶活性。其中使用多种具有酰化潜力的共价弹头，包括脲、氨基甲酸酯、酰胺和酯，靶向蛋白质Lys残基、Ser残基等。。 1.2.3、酮、醛、腈类 醛、酮主要作用于丝氨酸、半胱氨酸残基，形成（羟基/硫硫醇）半缩醛或半缩酮的络合物，作为丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶的可逆性共价抑制剂弹头。 1.2.4、硫化合物 硫（VI）氟交换（SuFEx）是一组新型“点击化学”反应，氟硫酸芳基酯可以靶向蛋白质表面，与Ser、Thr、Tyr发生反应，（而Lys相对的亲核性较差）进而可能阻碍蛋白质蛋白质相互作用。氟硫酸芳基酯比芳基磺酰氟反应性更弱，只在蛋白质靶标的结合口袋中表现出反应活性。 1.2.5、硼酸类 另一类可逆共价弹头则是硼酸和硼酸酯，它们主要与丝氨酸、苏氨酸的羟基残基可逆性形成一种四面体中间体。    1.3、共价药物的发展历史 阿司匹林是第一款进入药物市场的共价药物，是20世纪初针对其作用机制研究偶然发现的。 阿司匹林是一种非甾体抗炎药，通过使活性位点附近的丝氨酸529残基乙酰化而共价改变环加氧酶1，从而干扰其底物花生四烯酸产生前列腺素。 青霉素是一类β-内酰胺类抗生素，它与参与细胞壁合成的青霉素结合蛋白相互作用，是活性部位Ser残基酰化，进而使细胞膜破裂。 随后更多的共价药物被批准上市，它们绝大多数的共同特定是，通过机制研究发现其共价作用的模式，而非从头设计而来。 其中，部分药物对靶标的共价修饰需要代谢后激活而表现出来，如阿司匹林、青霉素、奥美拉唑、氯吡格雷，如下图。 据2022年的数据显示，FDA已批准55款共价药物。TCI治疗策略已被广泛用于治疗肥胖症、丙型肝炎、和癌症等适应症。市场上约28%的共价抑制剂用于癌症相关靶点、23%用于中枢神经系统、21%用于抗感染（主要来自β-内酰胺类抗生素）、约11%用于胃肠道疾病。 02 靶向共价药物的复兴 据2022年的数据显示，FDA已批准55款共价药物。TCI治疗策略已被广泛用于治疗肥胖症、丙型肝炎、和癌症等适应症。    2.1、EGFR受体共价抑制剂 对于靶向抑制，当前大多数可用的TCIs均是靶向酶活性位点或变构口袋内的残基。而表皮生长因子受体（EGFR）是共价抑制剂研究最多的靶点之一，一种膜上酪氨酸激酶受体，通过与表皮生长因子结合导致细胞分裂和酪氨酸自磷酸化。EGFR是癌症，如非小细胞肺癌治疗的关键靶点。 图. 各种EGFR抑制剂的化学结构，其中蓝色突出部分为弹头 Gefitinib（吉非替尼）、Erlotinib（厄洛替尼）是一代可逆EGFR抑制剂。然而，一种称之为“看门人突变”的T790M，导致EGFR对ATP结合力增加，而许多可逆的EGFR抑制剂的结合力降低，导致了60%的患者有了新的病情。 为了解决这种突变型耐药性问题，研究人员将丙烯酰胺Michael受体片段安装在可逆配体上，开发了二代抑制剂。这类抑制剂与EGFR半胱氨酸残基反应，使部分恢复了对T790M突变体的活性，表现出延长EGFR抑制的信号，表明他们可能比一代可逆抑制剂更有效。 2013年，FDA批准了新一代EGFR突变转移性非小细胞肺癌的一线治疗药物Afatinib（上图c，阿法替尼），其与突变EGFR结合的分子晶体结构如下图a。 除此之外，还有二代共价抑制剂Netatinib、Dacomitinib分别于2017、2018年获批。用于治疗非小细胞肺癌和HER2+乳腺癌。 三代EGFR共价抑制剂，如WZ4002、Osimertinib、Rociletinib，用嘧啶取代了原来的喹唑啉部分，以增加选择性，同时仍然保留了共价结合所需要的丙烯酰胺弹头。 2018年Osimertinib获得了FDA加速批准，作为转移性非细胞肺癌的一线治疗药物。 目前仍有一些三代 EGFR抑制剂在开发中，如PF-06459988、Avitinib。 EGFR三代共价抑制剂的成功，证明了共价药物开发中，通过优化改善最初的可逆配体的效力，进而改变药效学的策略的可行性；二代药物的成功，也证明了通过针对可逆性配体的共价改造，可以提高药效，延长抑制时间。    2.2、BTK受体共价抑制剂 Bruton's酪氨酸激酶（BTK）是非受体蛋白酪氨酸激酶家族的一员，是B细胞系肿瘤的相关靶点；BTK突变会引起遗传性免疫缺陷疾病，如X-连锁无球蛋白血症（XLA)。 2013年，FDA批准Ibrutinib用于治疗巨球蛋白血症、慢性淋巴细胞白血病、和套细胞淋巴瘤，是一种BTK共价抑制剂。然而，该抑制剂与EGFR和其它Tec家族蛋白可以脱靶结合，因此，可能产生出血、腹泻、皮疹、和心房颤动等不良反应。 因此，也开发出了二代BTK抑制剂，如Acalabrutinib、Zanubrutinib，用于解决副作用问题，并分别于2017、2019年获FDA批准上市。 两个二代BTK共价抑制剂相比于一代，均具有更好的效力、口服吸收快、半衰期短、并减少于EGFR获其它Tec家族蛋白大的脱靶结合。 尽管早期人们很担心共价药物可能具有脱靶毒性，事实上也的确如此，但BTK二代成功改善了共价药物的脱靶效应，这表明合理设计共价药物，通过提高亲电配体的亲和力，改造亲电弹头的反应性，可以获得可接受的安全性。    2.3、KRAS共价抑制剂 RAS癌基因属于小GTPases家族，是癌症研究领域中研究最多的基因。过度活跃的RAS信号会导致细胞分裂和生长，从而增加患癌症的风险。人类最常见的致癌基因是三种RAS基因：HRAS、KRAS、NRAS。据统计，约60%的肺癌、34%的直肠癌、60%的胰腺癌都有两种KRAS亚型突变。而KRAS12、13、61的三个残基是经常发生突变的位点。 ARS-853是最早报道的KRASG12C共价抑制剂，具有较强的细胞活性。2021年，FDA加速批准了首个靶向KRASG12C的共价药物Sotorasib，用于成人非小细胞肺癌患者。 随后Adagrasib获得FDA批准，被指定为具有突破性疗法，是KRASG12C突变的非小细胞肺癌患者的潜在治疗选择。 自此，KRAS“不可成药”被打破！然而，最典型的KRAS G12D（尤其是在胰腺癌中最常见）仍未得到解决，目前有几款共价药物处于临床研究阶段，最主要的原因是共价靶向天冬氨酸非常具有挑战性。    2.4、SARS-CoV-2 Mpro共价抑制剂 对比COVID-19的全球快速传播主要是由SARS-CoV-2病毒引起的，开发疫苗和社会控制措施是科学界建议的控制感染的方法。然而，病毒家族突变的速度之快，迫切需要考虑疫苗的长期安全性和有效性。 开发有效的抗SARS-CoV-2治疗方法，其中一种策略则是共价药物分子。SARS-CoV-2是一种单链RNA病毒，具有两种多蛋白（pp1a、pp1ab）多蛋白，以及结构蛋白和辅助蛋白。病毒复制依赖于Mpro（也称3CLpro），一种半胱氨酸蛋白酶，能够将pp1a切割成功能性病毒蛋白。 Nirmatrelvir是一种开发的高强度SARS-CoV-2可逆共价抑制剂，对所有人类冠状病毒都有很强的抑制作用。2021年，FDA紧急批准Paxlovid（利托那韦）上市，是由Nirmatrelvir和Ritonavir的组合，用于治疗成人和某些儿童患者的轻度中度SARS-CoV-2引起的COVID-19。    2.5、AChE共价抑制剂 在大脑中的化学突触中，乙酰胆碱，一种神经递质，激活胆碱能受体，而阿尔兹海默症患者的体内，这些受体较少。对抗这种情况的一种方法是通过阻断控制内源性乙酰胆碱水平的乙酰胆碱酯酶（AChE），来提高乙酰胆碱水平。 最近，Rivastigmine获得批准，这是一种新型乙酰胆碱酯酶抑制剂，通过氨基甲酸酯部分将抑制剂嵌入酶的活性位点，抑制AChE约10小时。另一种共价抑制剂三氟磷酸盐对乙酰胆碱的抑制作用更强，2,2-二氯乙烯基二甲基膦酸（DDVP）与乙酰胆碱酯酶的位点结合，使活性位点的丝氨酸磷酸化。    2.6、CatK共价抑制剂 一类被称为组织蛋白酶的半胱氨酸蛋白酶负责调节不同的细胞信号通路和溶酶体蛋白水解。人类有11种组织蛋白酶；其中，CatK因其参与骨重塑和骨吸收而引起特别关注。 Balicatib是一种对CatK表现出良好选择性的药物，然而，其在二期临床阶段被停止了，这是因为另一种非溶酶体性共价抑制剂，Odonacatib进入了三期临床。Odonacatib已经显示出减少髋部或锥体骨析和增加骨密度的功效，然而，受试者中心血管事件（包括中风）的增加，三期临床也突然终止。    2.7、其它激酶共价抑制剂 除了EGFR和BTK，共价抑制剂也可以用于特异性靶向在ATP结合位点附近具有非保守Cys残基的激酶。非受体酪氨酸激酶Janus激酶3（JAK3）就是其一，主要出现在白细胞，参与细胞因子信号传导。 Ritlecitinib是一款JAK3共价抑制剂，在二期临床，对类风湿性关节炎具有积极的效果。 成纤维细胞生长因子受体（FGFR）激酶对于细胞分裂和增殖至关重要，被认为与肝细胞癌、肺癌、结肠癌和肾癌有关。Fisogatinib是一种FGFR4选择性共价抑制剂，正在二期临床试验。 03 共价药物的优势和缺陷    3.1、共价药物的优势 共价抑制剂与目标蛋白的化学结合能力在很多方面都是有利的。与可逆性药物相比，共价药物在药理学上有许多积极的方面，如增强的效力、选择性和延长的作用时间等。    3.2、共价药物的缺陷 早些年，蛋白质共价结合一直被认为是药物毒性的一种机制。尽管当前共价药物的进展，在安全性和有效性方面做了不少的改善，但在共价药物开发过程中，这仍是一个不可忽视的缺陷。 共价药物脱靶会产生一系列潜在的不良反应，对此，一般选用低反应活性的共价弹头，提高非共价核心的亲和力和选择性（保持低剂量），减少获杜绝反应性代谢物生成，等，来降低共价药物的毒性风险。 end 本公众号声明： 1、如您转载本公众号原创内容必须注明出处。 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