毕设翻译1

两种疾病，一种方法：对阿尔茨海默氏症和 NTDs多靶点药物的发现 摘要：在过去的十年中，网络药理学的科学进步已经为运用复合药理学方法发现针对复杂疾病的新药奠定了基础。如今已经有了一个广泛的共识：许多无法治愈的疾病在实际上是多因子的，因此，针对一种单一分子靶点的传统药物是不足的，为了获得所需的临床治疗效果，复合药理学方法运用多种药物的联合或者单一小分子调节多个靶点来寻求干扰患病网络。从临床的观点上来看，这两种方法都都是可行的，然而，由于各种原因（这些原因将在综述中讨论），后一种方法也许更有利于阿尔茨海默病（AD）和被忽视的热带疾病（NTDs）。随着时间的流逝，越来越多的多靶点药物和候选药物正在被确定，并且有几种对这两种疾病的治疗理念也已经出现了。于此，怀着面对障碍和挑战的意识，我们探寻那些能够用来调节多个靶点的小分子化合物，并以通过网络药理学最终达到AD和NTDs的内科治疗。 一、 前言 多靶点方法正在迅速变为当今最富有成果的药物发现领域之一，特别是在寻找针对主要复杂疾病的药物时。二十多年以来，越来越多的具有多靶点的药物（MTDs）和候选药物的论文和书籍出现在文献中。这种增长是由于对重大的无法治愈的疾病的生物复杂性的不断认识。二十世纪九十年代，系统生物学的出现照亮了药物发现的道路，它揭示了神经系统疾病、癌症、糖尿病、和传染病的病理是不可能由单一基因/蛋白缺陷所引起的。系统生物学是生物学的一个分支，其整体分析的方法不仅映射了生物系统的所有组件（基因和蛋白），而且也揭示了这些组件的功能，比如它们的相互关系。事实上，蛋白质很少单独地发挥作用，相反它们都作为高度交联的细胞网络的一部分而发挥作用，而这个网络被称为相互作用组网络。在系统生物学上，网络药理学已经揭示了复杂疾病是如何由相互作用组网络的多重途径的改变而产生的，而这种途径已经变得非常成熟甚至过剩。因此，它们对药物的干扰是相对地不敏感的，故通过单一靶点的药物调节独个的组件只能产生一点点功效。因此为了影响疾病的发病机理，药物的干扰需要是多模式的，同时也要是高选择性的。换而言之，通过调整好的复合药理学方法对多个药物靶点进行调制是想要达到需要的治疗效果所必需的。 在通过了最初的可以预见的阻力后，药学团体已经从孟德尔对某些疾病的观点转向了对复合药理学观点的坚定支持。在后基因时代“一种药物，一种靶点，一种疾病”的范例居于统治地位，然而它已经被证明了不适合复杂疾病的治疗。它已经被鉴定为目前临床失败以及制药行业低生产率的主要原因。 可以从卢性等人提出的分析看出复合药理学观点正在被不断接受，他们对美国食品药品监督管理局从2000年一月到2009年十二月批准的药物和它们的靶点的网络关系进行了回顾和展望的评估。他们发现每个药物的平均靶点是2.5。这比伊尔迪里姆等人在2006年进行的相似的研究所报道的1.8高。事实上，作用于单一靶点的药物如今好像是要被淘汰了。 二、 多靶点配体—对富人和穷人的智能药物 我们已经加快了对多靶点药物的发展，并把它作为传统单靶点药物无法治愈的两种疾病的适当选择：神经退行性疾病和NTDs。粗略一看，对AD和NTDs的药物发现方法好像是对立的。然而AD和NTDs都是全世界范围主要的健康问题和致死的主要原因。就此而论，方法论和含义的连接就变得表面化了。 自2013年起，全世界估计有四千四百四十万人患有痴呆症（其中46%在较发达地区），每年社会花费为六千零六十亿美元（其中77%在较发达地区），估计这将在2030年增长到七千五百六十万人，在2050年增长到一亿三千五百五十万人。与这种增长的情况相对应，药物发现也迅速地增长。但是尽管这个行业和学术界对此有巨大的投资和强烈的保证，然而仍然没有有效的药物出现。AD是如今药物发现中最让人沮丧的领域之一。自从2006年起超过200个AD候选药物在临床试验中失败。因此对患者合适的药物仍然只有四种上市了的乙酰胆碱酯酶抑制剂。这些药物能恢复胆碱能递质从而在疾病的最初的初始阶段达到缓解效果。在2003年它们之中又加入了N-甲基-D-天门冬氨酸受体拮抗剂盐酸美金刚，然而它的神经保护活性仍然在被质疑。 NTDs也是药物发现中的一个困难领域。在新的千年里，NTDs甚至提出了一个比上世纪初更为巨大的全球问题。估计全球已经有超过十亿人感染了NTDs，他们主要居住于这个星球最贫穷，最偏远的地区。主要的挑战包括多年以来稀缺的资源和基金支持，同时也包括发展中国家特定限制，比如紧迫的货物成本制约，高效率地运输和管理临床药物的基础设施的缺乏，以及疫病区的社会经济情况。NTDs、昏睡症、美洲锥虫病、和内脏利什曼病都是死亡率最高的疾病。综上三点，疫苗研究已经长期成为全球优先考虑的事。然而，它仍然被一些关键性的技术障碍所阻碍。因此，化学疗法似乎成为了控制感染的唯一治疗选择，然而合适的药物没有一个是有效的。这是因为它们都有严重的副作用，缺乏功效，以及耐药性的产生。击败这些疾病极度地需要新颖的策略。 依靠这种背景，我们提出了一种复合药理学的方法。 特别的是，多靶点药物能够调制AD和NTDs相关靶点的网络（图1），它也许会比如今上市的单靶点药物更有效、耐受、和简单。于此，我们通过提供从我们最近调查中挑选的例子来证实这些观点（在概念和实际上的水平）。 图1 多靶点药物的复合药理学反应。这个分子也许特别地适合调制潜在的阿尔茨海默病和NTDs发病源的相互作用组网络。相互作用组网络可以通过STRING数据库得到()。 三、 复合药理学：多靶点药物与药物联合相对比 复合药理可以是由绑定于多个靶点的一个药物引起（也就是MTDs）和绑定于不同靶点的多个药物引起（也就是药物联合）。大体上，两种方法都能达到相同的结果。事实上,这两种方法都仍在学术界和工业上发展，并且这两种方法都已经被用作癌症和神经系统疾病的临床治疗。然而，通过风险/效益分析，我们相信多靶点药物也许更优于药物联合，特别是对阿尔茨海默病和NTDs。 药物联合的一个内在风险是药物与药物之间的相互作用（DDIs）。它们通常是由肝脏药物代谢的抑制或诱导而引起的。细胞色素P450依赖的单加氧酶是一个含血红素的大家族酶，这些酶能够调节内源性和外源性化学物质的氧化代谢。那些诱导或抑制CYP450酶的药物也许会分别地减少或增加被CYP450酶协同管理的药物的浓度。药物之间的相互作用导致的药物浓度的改变会导致治疗失败或者毒副作用。阿尔茨海默病患者的药物之间的相互作用 会非常严重甚至危及生命，因此药物联合使用通常会困扰开处方者。年纪大于65的人估计每天服用4.5服处方药剂和2服非处方药剂，并且同时服用的药物的数量是药物副作用的显著预警。 药物相互作用具所知也会发生在NTDs上，尽管药物警戒数据是非常稀有。患有这些疾病的人都是操劳过度的患者和幼儿，他们通常都营养不良或者伴有免疫力缺陷疾病，因此额外的增加了药物相互作用的风险。 多靶点药物的另一个优点是简化了治疗方案。NTDs在资源贫乏的地区是最显著的，因此要求需要更少专业人员的治疗方案。发展一种更方便的治疗方案将会大大地减轻专业人员的负担并且，与此同时将会影响更多的患者前来寻求治疗。对阿尔茨海默病患者和他们的看护人来说多靶点药物也比联合药物更容易管理。 至于药物发现的问题，单独的活性原料药（API）与联合药物相比在标准的药物审批程序中的优势在与它不会被排除。对单独药物的药效学和药代动力学关系的预测要比两种或多种药物的要简单的多。同样的，单独药物的制造和规划就混合物而言更容易。这也许是多靶点药物在与贫困相关联的NTDs领域最大的优势。它进一步地减少了治疗的潜在花费。 表1： 联合药物与多靶点药物相比的正反两个方面 自从20世纪90年代，受这些因素（在表一中概括）的激励，我们的药物化学已经在寻求鉴定AD和NTDs的多靶点配体。学术界的工作，我们利用我们的洞察力和创造力来发展有益的化学探针。不管临床上的实际应用，我们希望我们的努力能够转化为创新研究和令人鼓舞的能够造福患者的药物。 四、 多靶点药物和阿尔茨海默病相比 4.1 在阿尔茨海默病中的二价配基方法和基于dimebon的二价化合物 二价配基策略是一种可行的方法，这种方法是用蓄意设计的小分子化合物来有效的作用于广泛的与治疗相关的蛋白质。它在阿尔茨海默病的多靶点药物的发现中表现出巨大的前景。二价化合物是一种由两种相同的药效基团和其中间隔的一个适当的间隔区所组成的小分子，它已经展现出了相对于单价配合物更优良的一种生物学轮廓。 图2  单价和二价配体相互作用的机制 的确，分子复制能够增加单价配体与相关靶点作用的密切关系，这是可信的。 此外，协同效应表明观察到的这种二价化合物的改良潜力甚至高过两种单独的药效基团的总和。 在阿尔茨海默病的领域，在过去的十年里这种方法已经激发了很多候选药物的设计，这种方法是受典型的阿尔茨海默病靶点和乙酰胆碱酯酶的分子机构特征所激励。乙酰胆碱酯酶催化剂（CAS）和外周阴离子部位（PAS）之间的分子相似性已经被利用来开发二价的乙酰胆碱酯酶抑制剂，这种抑制剂能使两种识别位点同时接触，这导致抑制剂的效能明显增加。此外，最近发现二价配体也许能连接其他经过验证的阿尔茨海默病靶点上的独立识别位点，例如淀粉体-β（Aβ）缩氨酸。事实上，几个淀粉体绑定化合物共享一个二价结构，“二价镊子”的概念在理解淀粉体结构上特别地有效。考虑到纤维状聚合物的低聚和重复的特征，二价分子可以同时的作用于两个绑定的表面，从而实现高效能并能显著地增强识别过程，活动性，和选择性。 我们最近利用二价配基方法作为提升dimebon在体外多靶点的抗AD的工具。Dimebon(latrepirdine)(在图3内)是一个老牌的抗组胺药。在过去的几年里，它已经被提出可以用于神经退行性疾病的治疗，比如说阿尔茨海默病和亨廷顿疾病，还有最近的精神分裂症。在2008年，在俄罗斯，它完成了一个小型的六个月的临床试验后，Dimebon在阿尔茨海默病领域里吸引了人们相当大的兴趣，在这个临床试验中它显示了令人印象深刻的能增加患有轻微阿尔茨海默病的患者认知能力的效果。然而,在进一步的重复试验中dimebon显示了不同的结果，并且尽管它好像普遍地增强了认知能力，然而它未能发挥显著的有益效果。最初，dimebon的作用机制是未知的，但是它似乎是一个治疗阿尔茨海默病有效的多靶点药物。有人提出它可能调控几个重要的阿尔茨海默病的靶点，包括电压依赖性钙离子通道，线粒体渗透性转换孔道，和几个神经递质受体和酶。特别的是，先前的研究表明dimebon的治疗优势来源于对乙酰胆碱酯酶抑制和对天门冬氨酸受体及线粒体渗透性转换孔道的调节，这产生了显著的临床疗效的协同作用。然而，这种假设已经被焦尔杰蒂等人的研究所反驳，他们的研究证明在对老鼠急速口服后dimebon的脑内浓度太低以至于不能对乙酰胆碱酯酶或天门冬氨酸通道有明显的效果（毫摩尔级与微摩尔级相比）。尽管1在血浆和脑脊液的浓度没有被报道，但是同样的情况应该会重复发生在人类身上。 图3  1-3的设计策略和多靶点活性 尽管dimebon有相矛盾的报道，然而dimebon仍然被认为是在追求多靶点设计策略的一个有意思的起点。相应的，在2013年新系列的基于dimebon的二价派生物已经通过用不同长度的亚甲基连接臂和杂原子或芳香基团连接化合物1的γ-咔啉基而获得，这一些列化合物的合成是为了增加胆碱酯酶和N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体拮抗剂的活性。Dimebon的衍生物是能在体外显著地增强生物活性的多靶点化合物。 衍生物2和衍生物3（图3）抑制乙酰胆碱酯酶的亚微摩尔活性（IC50分别为0.19和0.69μM）比先导化合物的有效454倍和128倍，并且也比已上市的药物加兰特敏(IC50=2.01μM)活性更高。分子复制增加了抗乙酰胆碱酯酶的活性，但是在N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的分子识别上并没有积极地效果，它们的抑制活性与参考药物美金刚的活性相近。更加重要的是，二价配基策略可以使化合物1由一个在体外对淀粉聚集体无效的化合物转变而来，并变为一个有效的拮抗剂。这也强化了二价配基化合物可以成为识别淀粉聚集体的有效工具这一观点。这些积极的成果也支撑了二价配基方法在多靶点药物发现中更远的评价，也可以作为发展新的基于dimebon的二价配基的理论基础，这些二价配基能够带来更多的临床收益。 4.2  在阿尔茨海默病中像Memoquin的醌类母核与非甾体抗炎片段相连 Memoquin（化合物4，图4）是第一批合理设计的抗阿尔茨海默病的多靶点药物候选药之一，它表现出显著的体外活性包括自由基清除能力、Aβ聚集抑制能力和乙酰胆碱酯酶抑制活性。它在数只阿尔茨海默病小鼠模型中也显示出了有效的增强认知能力的能力。 图4 化合物4~6的设计策略和多靶点活性 在化合物4的基础上，新系列的偶联物带有像memoquin的醌类母核，这些母核连接有非甾体抗炎药片段。这些偶联物最近被报道作为第二代的治疗阿尔茨海默病的多靶点配体。 化合物4的2,5-二氨基苯醌骨架被认为在赋予其多种药理活性中起到了重要作用，特别是对淀粉样蛋白聚集的抑制作用（图5）。这个假设进一步被几个连有两个芳香连接团的2,5-二氨基苯醌母核的杂交分子的抗淀粉样蛋白聚集的能力所支撑。 图5  Aβ42和2,5-二氨基苯醌母核相互作用原理图。可能由于氢键和π键堆积作用， 它被认为是抗淀粉样蛋白聚集的特定图案 2，5-二氨基苯醌片段也因此被认为是干扰蛋白质与蛋白质相互作用的特定片段，以及设计新型多靶点抗阿尔茨海默病配体的起点。基于这点，一系列新的杂交物也被设计并合成了出来，这些杂交物是通过合适的聚胺连接链将2,5-二氨基苯醌母核同布洛芬、苏灵酸、吲哚美星、双氯芬酸和氟比洛芬等非甾体抗炎药连接起来的。选择这些特定的非甾体抗炎药的片段是因为它们能直接抑制Aβ纤维的组成，减少已聚集的Aβ纤维，并影响Aβ的产生。另外流行病研究预测非甾体抗炎药也许能够降低患阿尔茨海默病的风险。 最惊人的结果是所有的二氨基苯醌和非甾体抗炎药的拼合物都能在很低的微摩尔范围内抑制Aβ的聚集。抗炎片段的出现导致其具有与先导化合物4相似的抑制潜能，这与一些报道称非甾体抗炎药具有抗Aβ聚集的性质一致。最显著的是双氯芬酸的拼合物5（图4）它的IC50为3.15μM这不仅仅是目前系列中最有活性的化合物，同时也是到目前为止测试的所有化合物4的派生物中最有活性的。 同时，目前的系列也保持了乙酰胆碱酯酶抑制活性，这也恰好补充了其抗淀粉样的活性。新的派生物比化合物4的活性地3倍，但是它们仍然保留了能在毫摩尔级别就对人的乙酰胆碱酯酶和人的丁酰胆碱酯酶就有很好的抑制活性。由布洛芬衍生出来的化合物6（IC50=0.60μM）是这个系列中最有活性的，并且比已上市的药物加兰他敏和卡巴拉汀活性更高。 由于能够平衡毫摩尔级的Aβ和胆碱酯酶，这些二氨基苯醌与非甾体抗炎药的拼合物才能成为寻找新的抗阿尔茨海默病的多靶点配基的有希望的起点。 五、 多靶点方法和NTDs相比 5.1  基于靶点的和表型的用于NTDs方法 如今，基于靶点的和表型的方法都被广泛的运用于NTD的药物发现中。 这两种方法并不是相互排斥的，而应该是相互补充的。在下面的报道中，表型方法和基于靶点的方法的整体联合在寻找多靶点配基的时候特别有效。 当鉴定攻击多靶点的化合物是，天然产物是非常的有吸引力的，主要有下面几个原因：第一，天然产物片段提供了进化学挑选和生物学验证的结构框架，这对化合物收集发展有很高的命中率。第二由于其产生的模式，天然产物能固有地绑定与多靶点。这是因为它们有很复杂的结构，它们的合成涉及了一系列的酶，每一种酶都有特定的结构和绑定的分子腔。这些被合成的分子必定可以和所有的这些酶相互作用。第三，天然产物作为动植物的有效保护物质具有一些固有地多种反应机制。 图6  化合物7~9的设计策略和多靶点活性 在天然产物的化学结构中，萘醌和其他相关的醌类派生物被报道是对锥虫属和利什曼虫属的寄生虫有显著活性的主要化合物之一。比如说，拉帕醇(2-羟基-3-(3-甲基-2-丁基)-1,4-萘醌)，它是从褐色钟花树得来的，并展现出了一种显著的抗锥虫属寄生虫的活性同时也显示出了一种很好的安全性。鉴于这类化合物显著的生物特性，萘醌依靠多靶点机制来杀灭锥虫属的寄生虫是高度可信的。 我们已经报道过16个基于天然产物的1,4-萘醌和1,4-蒽醌派生物，它们都在表型筛选中显示出了很好的抗锥虫的活性。这一系列中最好的2-苯氧基-1,4-萘醌（化合物7，B6在图6中）显示出其抗津巴布韦锥虫病的ED50是80nM。它的选择性指数（化合物对人类细胞系和锥虫细胞系的ED50比值）是74，这已经和WHO/TDR所要求的抗锥虫病的比值很接近了。化合物B6的绑定分子靶点最初是不知的，随后通过化学蛋白质组学从细胞的溶解产物中摸索出来。化合物B6的两个潜在靶点已经被鉴定出来了，也就是转运蛋白甘油激酶（TbGK）和转运蛋白甘油醛-3-磷酸脱氢酶（TbGAPDH）。在生化试验中，B6的IC50值在微摩尔级并能同时抑制这两种酶。GK可能被当作了次一等的药物靶点，因为它并没有在大部分生理条件下对锥虫病的新陈代谢起到本质作用。相反的，GAPDH是至关重要的寄生酶同时也是在抗寄生虫药物发现中经过很好验证的分子靶点。数个实验证据表明GAPDH的共价抑制也许是通过半胱氨酸圈闭机制，这个假设至今仍在被不间断的研究验证。为了充分的解释B6的毫微摩尔级功效并考虑到化学蛋白质组学并不适合鉴定非蛋白靶点，因而其它的机制也需要被考虑。很多文献报道醌类和萘醌类都有产生自由基和干扰端粒酶呼吸链的的普遍性质，基于这些报道我们评估了通透的锥体虫的耗氧量和锥体虫线粒体细胞碎片的活性氧（ROS）的生产量。我们因此也证明了B6可以通过产生活性氧从而干扰呼吸链，这一观点是被B6可能能够干扰位于T. brucei’s的线粒体所支撑。 尽管表型方法非常的有用，并且也可以降低在NTD的药物发现中的损耗率，然而我们发现在随后的目标去堆积步骤并不是如此平坦的。相反的对于了解潜在的作用机制并进一步的优化被鉴定的活性化合物，鉴定出相关的分子靶点是非常重要的。 与表型方法同时进行，我们也运用基于假设和基于靶点的方法来设计锥虫的酶的双靶点抑制剂。其中特别有趣的是这些抑制剂能直接作用于GAPDH和锥虫胱甘肽还原酶（TR），以及其他的有潜力的NTD药物靶点。我们将B6当作一个合适的起点因为它能在微摩尔级别同时有抑制磷酸甘油醛脱氢酶和锥虫胱甘肽还原酶的活性。基于这点，我们运用骨架联合的方法，这种方法频繁地在多靶点药物设计中使用。我们通过融合的方法将B6的2-苯氧基醌的结构和香豆素的母核结合起来。我们从一个天然的GAPDH抑制剂查乐平（IC50=64μM）中分离出了香豆素母核，以此来增加B6的抗GAPDH效能和对TR/HGR的理论上的选择性（人类的配对物，股胱甘肽还原酶）。由此，我们试图探寻这两种酶的结构差异。在这些拼合的衍生物中，化合物8（图6）的抗TbGAPDH的IC50值为5.4μM同时它对TR的抑制常数为2.7μM。这个分子是至今报道的第一个能够真正意义上从锥虫途径对酶有两方面的作用。然而，当对所有寄生虫的拮抗活性进行测试时，体外活性数据并没有显示出它有抗酶活性潜力。这表明也许有其它的靶点参与了这个作用机制。尽管这样，化合物9（图6）仍然显示出了对布氏锥虫寄生病显著的EC50值（0.026μM）和对哺乳类动物L6细胞的非常低的细胞毒性（7.95μM）。这种显著的低毒性也许是因为它没有干扰hGR并且它只有很低的可能性作为抗酶的破坏底物。这些结果都表明多靶点药物的发现是一个极其复杂的任务。但是多靶点药物的潜在高回报率也许会让它发展为一种风险价值投资。