蛋白質組學/蛋白質組學與藥物發現/理性藥物設計
章節編輯和更新作者：Vishal Thovarai & Kevin Smith
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意外發現長期以來一直是藥物設計和開發過程中的驅動力。隨著對人類和病原體生物化學和病理生理學等相關領域的理解不斷加深，藥物設計和開發過程開始向理性化方向轉變。從廣義上講，理性藥物設計方法涉及對受影響的生化途徑進行全面的研究，識別關鍵元素（通常是蛋白質），並設計小分子來修飾/操縱這些蛋白質的功能。大多數方法是靶點導向的，因此是基於結構的，即識別藥物靶點，這通常是相關途徑的組成部分（蛋白質或其他生物分子）。
在 1980 年代初期，研究人員無法利用基於結構的方法進行藥物發現過程。這歸因於許多因素，其中最重要的因素是缺乏計算能力和能夠測試潛在模型的對接程式，以及缺乏既定社群的興趣，部分原因是上述工具的缺乏。然而，在 1990 年代，計算能力和可用程式呈指數級增長，以及獲得更便宜、更可靠的 X 射線晶體學結構的能力，而這些結構對於任何型別的計算研究都是必要的。這標誌著一個新時代的開始，第一個嘗試和成功被髮表，其中最著名的兩個是HIV-1 蛋白酶抑制劑和腎素抑制劑（用於對抗高血壓）（Lunney）。在當代藥物發現中，基於結構的方法是藥物開發過程不可分割的一部分。這種變化可歸因於基因組學和結構生物學的快速發展，以及資訊科技的進步。幾個對藥物發現過程至關重要的領域的技術進步加快了藥物開發的速度。然而，直到一種既有效又被人體耐受的藥物上市還需要多年的研究。（Anderson）。儘管有了這項新技術，以及製藥公司增加了資金，但尋找安全有效化合物的難題導致治療劑向公眾釋出的速度沒有明顯提高。（Lindsay）
從頭設計法涉及基於受體/靶標結構從頭開始構建新型藥物分子。考慮到潛在可行結構的搜尋空間約為 10100（Bohacek），這是一項特別具有挑戰性的任務。從頭藥物設計的原理包括組裝藥物樣化合物，評估其潛力，以及在樣本空間中搜索此類化合物。
藥物分子的設計通常由受體結構驅動，更具體地說是其與受體結構的假設相互作用。因此，以儘可能高的精度對結合位點進行建模是該過程中的關鍵步驟之一。一旦結合位點被定義，下一步就是在其中放置原子或小分子，並評估其匹配度/相互作用。這是使用評分函式完成的。根據使用的軟體包，現在存在著各種各樣的評分函式，從簡單的空間約束到近似和評估結合自由能的函式。評分函式還負責透過為評估的結構分配適應度值來指導結構的增長和最佳化。
構建完整配體分子的不同方法（計算機模擬）包括連線、生長（圖 1）、隨機結構變化和分子動力學基於方法。
連線：原子、官能團或片段放置在預定的相互作用位點，並連線在一起以形成一個完整的分子。連線基團可以是預先定義的，也可以是根據約束條件動態生成的。
生長：選擇單個構建塊作為起點或種子，並將其放置在受體的相互作用位點。新增片段或其他基團以提供與位點殘基的可行相互作用。繼續此過程，直到所有片段都整合到一個分子中。
分子動力學：初始片段隨機散佈在相互作用位點，然後允許它們使用分子動力學模擬重新排列。評分函式用於評估所得結構。從頭演算法的主要缺點之一是它們通常忽略了所設計結構的合成可行性。
先導化合物最佳化方法涉及對顯示治療潛力的現有類似物（候選藥物）進行修改和最佳化。該技術基於配體與受體之間相互作用的研究。由此獲得的資料用於指導所選分子或化合物的結構修飾。建立大量類似物，然後對其進行篩選，從而提高功效和其他理想特性。
藥物靶點的選擇主要基於生物學和生化考慮。蛋白質組學作為該領域的工具，由於任何特定細胞中蛋白質表達的複雜性，其應用仍然有限。儘管如此，蛋白質組學在藥物發現過程的其他領域（包括生物標誌物識別和跟蹤）中的作用日益突出。結構基礎藥物設計的理想藥物靶點應結合小分子，並與疾病密切相關。然後，小分子要麼改變藥物靶點的功能，要麼在致病生物的情況下，抑制靶點的功能。理想情況下，這將導致病原體的細胞死亡。在後一種情況下，藥物靶點應僅存在於患病細胞或病原體中，並且應具有允許和鼓勵這種選擇性的獨特功能。此外，藥物靶點的獨特性保證了另一種途徑無法恢復被抑制靶點的功能。基於結構的抗癌和自身免疫藥物的尋找更具挑戰性，因為藥物靶點調節細胞的必要功能。因此，這些靶點並非獨特且孤立的；抑制其功能不僅會影響突變或過/欠啟用的細胞，還會影響正常細胞。例如，磷脂醯肌醇 3-激酶 (PI3K) 途徑與細胞生長有關，並已與胰腺癌啟用直接相關（Reddy）。嘗試分離像這樣的複雜途徑，使得藥物發現過程比其他疾病要複雜得多。癌症靶向的另一個選擇是 DNA。順鉑 和 博來黴素 分別交聯和切割 DNA，並用於減緩細胞分裂，尤其是在癌組織中。（Singh）
藥物靶點的配體結合位點應是一個包含氫供體和受體以及疏水殘基的口袋。在許多情況下，所選的靶點位置是酶的活性位點，例如西地那非（偉哥），它靶向 NADPH 的催化亞基（Jeremy）；然而，它也可以是裝配或調節位點，例如枯草芽孢桿菌 Spo0f 蛋白（一種組氨酸激酶）的磷酸轉移酶調節域（Dai-Fu）。甚至蛋白質-蛋白質相互作用位點，它們通常很大且呈平面狀，也被選為靶點位點（2-酮戊二酸，一種天然存在的分子，會影響 GlnK 的單體-單體相互作用，GlnK 是一種氨轉運蛋白 [AcrB] 抑制劑（Anderson, Stroud））。
蛋白質組學作為發現生物標誌物的工具
[edit | edit source]“生物標誌物”是“生物標誌物”的簡稱。生物標誌物是指可以用來測量疾病進展、感染階段、藥物療效以及其他各種生物學功能的分子、指標或檢驗。它們也可以用作治療劑安全性研究的一部分。儘管如今最常用的生物標誌物是小分子和蛋白質，但正在蓬勃發展的藥理遺傳學和藥理基因組學領域正在嘗試利用 基因型、單倍型 和 單核苷酸多型性 作為生物標誌物 (Frank)。
隨著對生物標誌物作為指標的重視程度越來越高，美國國立衛生研究院 (NIH)[1] 啟動了“生物標誌物和替代終點工作組”。[2] 該組織為生物標誌物建立了一個分類系統。
0 型生物標誌物更多地表現出症狀性，並在整個疾病史中跟蹤疾病進展。它們用於 0 期臨床研究。這些臨床研究在高度規範的人群中針對特定持續時間使用完善的測定技術。這些研究的目標是為所研究的藥物或系統獲得簡單的陽性或陰性結果。
1 型生物標誌物用於跟蹤注入生物系統中的任何型別的化合物。最熟悉的方面是藥物試驗，研究人員正在尋找特定效果。觀察到的效果可能是積極的或消極的。
2 型生物標誌物用於確定“替代終點”。替代終點，正如 FDA 所定義的，[3] “是指在治療性試驗中用作臨床意義終點的替代指標——實驗室測量值或體徵——該指標是患者感覺、功能或生存狀況的直接測量值，預計能預測治療的效果。”換句話說，替代終點超出了單個生物標誌物的概念，進入了可能需要許多或不需要任何生物標誌物的領域。可以研究其他症狀，包括總體健康狀況和死亡率，以確定治療方案的有效性。儘管替代終點仍處於早期階段，但血壓和膽固醇這兩個例子已被接受，它們與心血管健康和死亡率密切相關 (Frank)。
除了上述效果外，生物標誌物還應與疾病狀況高度相關，並將假陽性和假陰性的數量降至最低。因此，生物標誌物應該能夠以高重複性準確地區分正常狀況和感染狀況。蛋白質組學研究的挑戰是從複雜的生物混合物中識別出與疾病狀況明確相關的獨特生物標誌物。生物標誌物可用於多種用途。此外，已建立的生物標誌物可用作風險因素指標，能夠提供資訊來表明某人容易患某種疾病。QT 間期延長，是心室電週期變化的衡量指標，被用作評估患者心臟病發作後生存機會的指標，以及 肌鈣蛋白 T，這是一種心臟酶，其水平在心臟病發作後會升高。5-羥色胺 是血清素的代謝前體，被發現定位於神經內分泌組織的腫瘤周圍。這些分子的標記使這些事件可以透過 氟脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描 (FDG-PET) 進行視覺化，FDG-PET 用於視覺化多種型別的惡性腫瘤。另一種 PET 應用使用 SPA-RQ，這是一種神經激肽-1 結合劑，其注射用於跟蹤藥物 阿普瑞匹坦™ 的結合，阿普瑞匹坦™ 是一種用於化療患者控制嘔吐的藥物 (Frank)。
目前正在研究和開發的生物標誌物還有很多，而且隨著我們對人體的理解不斷加深，這個數字還會不斷增長。示蹤分子和成像技術的結合，如 5-羥色胺，為視覺化不應該進行手術的區域提供了一種強大的方法，除非作為最後的手段。蛋白質組學在尋找生物標誌物方面的應用不斷增加，這一點也很重要。質譜 和 柱色譜 等分析技術的最新進展使蛋白質表達的更全面研究成為可能。此外，二維電泳 以類似於基因研究的方式提供表達的總體概覽。利用這些技術進行的蛋白質組學研究已經鑑定了卵巢癌、黃斑變性以及脂蛋白組成。這些技術的發展無疑將在未來得到加強 (Frank)。
參考文獻
[edit | edit source]Asano, T.; Yao, Y.; Shin, S.; McCubrey, J.; Abbruzzese, J. L.; Reddy, S. A. Cancer Res. 2005, 65, 9164-9168.
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Lunney, E. Structure-Based Design and Two Aspartic Proteases. http://www.netsci.org/Science/Cheminform/feature01.html.
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Singh, S.; Malik, B. K.; Sharma, D. K. Bioinformation 2006.
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