药物搜寻者越来越多地转向基于片段的筛选，以寻找早期药物发现的高质量化学起点。
小分子药物的发现在开发过程中一直受到高损耗率的困扰。在最初的筛选项目中发现的许多有前途的候选药物在后期被丢弃，在许多情况下，这些失败可以追溯到最初化学先导的质量。采用其他方法，如基于片段的药物发现(FBDD)，可以帮助增加成功的机会，并为解决以前棘手的生物靶点提供新的机会。
“你使用非常小的混杂化合物，这让你找到一些化学起点，然后你可以继续组装合适的有效分子，”他说弗兰克·冯·代尔夫特他是牛津大学结构化学生物学教授。
FBDD通常采用非常敏感的生物物理方法来快速筛选小的低分子量片段库，以识别与目标蛋白结合(尽管结合较弱)的初始“命中”。由于这些化学起始点很小，而且通常是可溶的，因此它们更有可能具有更好的类药物性质，从而提高最终生产出可行药物的可能性。
“因为这些碎片太小了，你有很多方法可以将它们构建成一个全尺寸的药物分子，所以筛选几千种化合物的文库代表着巨大的化学空间，”解释说安迪•梅里特他是英国一家支持转化研究的医学研究慈善机构LifeArc的化学副主任。
2011年，癌症靶向治疗vemurafenib是美国联邦药物管理局(FDA)批准的第一种碎片衍生药物。从那时起，数十种从碎片中提取的候选药物进入了临床目前已获进一步批准，许多已进入后期试验．
传统药物研发
药物发现的过程通常始于生物学上重要靶点的识别，比如在疾病中起关键作用的蛋白质。然后，药物化学家将开始寻找一种能够与靶标结合并改变其活性的化合物。
传统上，搜索通常会从高通量筛选(HTS)，包括测试包含数十万-甚至数百万-药物大小的化合物(< 500道尔顿[Da])的文库，以缩小对目标具有有希望的活性的“命中”列表。然后，这些最初的候选药物可以通过后续的开发进一步细化，以提高效力并细化它们的“类药物”特性——例如无毒、溶解性和稳定性——这对临床成功也是至关重要的。
Merritt说:“这些筛选需要花费大量精力，而且价格昂贵，虽然它们可以测试很多化合物，但与潜在的化学空间的广阔相比，这是一个相对较小的数量。”
初步估计10处可能的类似药物的小分子数63相比之下，即使是最大的复合库也显得微不足道。因此，找到那些非常适合目标的稀有分子，就可以推断出探索范围广泛得惊人的分子——特别是由于可能有大量的“险些失手”。
梅里特说:“直觉上，你可能会认为，拥有更复杂、更大的分子，会提高在最初的筛选实验中找到好的候选人的几率。”“但如果其中一个相互作用是错误的，它就根本不会与目标结合。”
更聪明的方法
而不是物理上筛选越来越多的药物大小的化合物，相反，FBDD从测试包含数百或数千个片段的小得多的集合开始。虽然单个碎片太小(< 300 Da)，无法与目标产生强烈的相互作用，但它们仍然能够结合到目标结构中的许多微小裂缝中。
“由于它们的体积小，这些碎片的装饰比药物大小的分子少得多，”梅里特描述道。“所以你不太可能遇到有害的相互作用——增加了找到与目标结合的东西的机会。”
由于每个片段与目标蛋白的相互作用很少，结合亲和力通常在高微摩尔到毫摩尔区域-这比大分子低得多。
“一个很大的缺点是你必须从非常低的药效开始，这对典型的药物化学家来说是非常令人不安的，”冯·代尔夫特说。“由于结合的信号很弱，基于片段的筛选需要敏感和可靠的分析，这样你就可以区分适当的片段和假阳性。”
生物物理方法——包括核磁共振(NMR)光谱学、表面等离子体共振(SPR)和x射线晶体学——是FBDD最常用的技术。其中，x射线晶体学的优势在于3D结构可以准确地显示每个片段是如何结合的。
“你可以看到原子的位置，”冯·代尔夫特解释道。“这是非常强大的，因为它省去了很多猜测。”
药物化学家可以从这些结构数据中获得线索，这将帮助他们拼凑出更大、更有效的类药物分子，以便进一步开发。
提高效率
虽然FBDD的通量通常低于其他筛选方法，但晶体处理和数据分析自动化的引入改善了这一问题。
在钻石光源英国国家同步加速器XChem该工厂使用x射线晶体学简化了基于碎片的筛选过程，使学术和工业研究人员能够在不到一周的时间内筛选多达1000种化合物。
“我们已经使x射线晶体学在24小时内运行数百次而不受干扰成为可能，”冯·代尔夫特兴奋地说。“所以用户可以来进行这个黄金标准的实验，到实验结束时，他们将获得一些强有力的数据，并在此基础上进行构建。”
基于片段的筛选如何帮助加速药物发现的一个强有力的例子来自COVID月球探测器这是一个自发的全球合作，于2020年初聚集在一起，紧急设计一种有效的新型抗病毒治疗方法。研究始于XChem对1250多个独特片段进行的实验，以探测SARS-CoV-2病毒的一种关键蛋白质，初步确定了74个片段。
冯·代尔夫特回忆道:“当时这真是令人震惊——我们都被它吓了一跳。”“我们有非常有趣的数据，我们决定向世界公布，向药物化学家征求如何利用这些碎片的想法。”
这项众包工作在两周内吸引了4000多份关于改进的、更有效的化合物的建议，而且所有的贡献都没有附带知识产权。
冯·代尔夫特说:“我们在乌克兰找到了一家公司，他们致力于以成本价合成一些最有前途的化合物。”“如果一切顺利，我们预计明年初就能有药物进入第一阶段临床试验。”
潮流变化
片段筛选技术经过几十年的发展，已成为小分子药物开发的主流方法之一。由于其较低的初始成本，它为小型公司和学术研究人员提供了发现铅的可能性。
梅里特说:“在过去，由于人们没有开始基于毫摩尔结合亲和力的药物计划，因此很难获得关注。”“但我们现在有合适的工具以及计算和结构支持来推动这些项目向前发展。”
由于其较高的命中率，它也为药物发现者提供了新的机会，以破解更具挑战性的靶点，如蛋白质-蛋白质相互作用。
Merritt总结道:“现在它已经成为武库的一部分。”“这是每个人在小分子药物发现的早期阶段都会使用的技术。”
