药物猎人正越来越多地转向fragment-based筛选寻找高质量的化学起点早期药物发现。
小分子药物发现是饱受高人员流失率的发展途径。许多有前景的候选人在初步筛选确定药物项目被丢弃在稍后的阶段,在许多情况下,这些失败可以追溯到最初的化学质量的线索。使用替代方法,比如fragment-based药物发现(FBDD),可以帮助增加成功的机会以及打开新的机遇之前应对棘手的生物指标。
“你用非常小的化合物是滥交,你可以找到一些化学的起点,然后可以继续组装正确有效的分子,”说弗兰克·冯·代尔夫特结构化学生物学教授,牛津大学。
FBDD通常采用非常敏感的生物物理方法快速屏幕小的低分子量片段库来识别最初的“打击”,绑定——尽管弱目标蛋白质。因为这些化学起点通常都很小,可溶性,他们更有可能有更好的药物类属性,提高最终产生一个可行的药物的可能性。
“因为碎片太小,有很多方法你可以建立起来一个全尺寸的药物分子,所以几千化合物的筛选图书馆是代表大量的化学空间,”解释道安迪•梅里特化学在LifeArc副主任,英国医学研究慈善机构支持转化研究。
2011年,癌症治疗的目标vemurafenib是第一个fragment-derived药物批准美国联邦药品管理局(FDA)。自那时以来,许多药物候选人来自碎片进入诊所-进一步审批,目前许多后期试验。
传统的药物发现
药物发现过程通常开始的识别生物重要的目标,比如蛋白质疾病发挥了至关重要的作用。药物化学家将开始寻找一种化合物可以绑定到目标和修改其活动。
传统上,搜索通常会开始高通量筛选(高温超导),涉及到测试库包含数十万甚至数百万- drug-sized化合物(< 500道尔顿(Da))来缩小列表“点击率”承诺活动的目标。这些最初的候选人可以通过后续轮发展进一步完善提高力量和完善“药物样”的特性——比如无毒性,溶解性和稳定性,也为临床成功至关重要。
“这些屏幕需要很多努力和非常昂贵,虽然他们可以测试大量的化合物,它是一个相对小的数字相比浩瀚的潜在化学空间,”梅里特说。
早期的估计许多可能的小分子药物如在1063年,即使是最大的化合物库在相比之下显得小。所以,寻找适合的罕见的目标将推断探索惊人广泛的分子,特别是由于可能大量的“近距离脱靶”。
“直觉,你可能会觉得更复杂和更大的分子将改善的可能性在你找到一个好的候选人初步筛选实验,”梅里特说。“但如果只是其中的一个交互是错误的,它不会绑定到目标。”
聪明的方法
而不是身体drug-sized化合物的筛选越来越多,FBDD相反首先测试较小的集合只包含成百上千的碎片。虽然个别片段太小(< 300 Da)具有很强的交互与目标,他们仍然能够绑定成许多微小裂缝的结构。
“由于其体积小,这些比drug-sized分子碎片装饰少得多,”描述了梅里特。“所以你就不太可能达到有害的相互作用-增加你找到东西绑定到目标的机会。”
由于每个片段都有那么几个与靶蛋白的相互作用,结合亲和力通常在毫克分子的高微摩尔的地区——远低于对于更大的分子。
“一个巨大的缺点是你必须从非常低的效力,这非常令人不安的典型的药用化学家,“冯·代尔夫特说。“作为绑定的信号弱,fragment-based筛选需要敏感和健壮的化验可以区分适当的碎片和假阳性”。
生物物理方法——包括核磁共振(NMR)谱、表面等离子体共振(SPR)和x射线晶体学FBDD——是最常用的技术。其中,x射线晶体学提供了优势,三维结构显示每个片段如何结合。
“你可以看到原子的位置,”冯·代尔夫特解释说。“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性数据得到的线索,这将帮助他们拼凑更大、更有效的药物如分子向前发展。
提高效率
虽然FBDD的吞吐量通常是低于其他筛选方法,引入自动化在水晶处理和数据分析改善了这个问题。
在钻石光源英国国家同步XChem设施已经精简fragment-based筛选的过程使用x射线晶体学,使学术和工业研究人员筛选1000化合物在不到一周的时间。
“我们能运行x射线晶体学许多数百次24小时内没有干扰,“冯·代尔夫特兴奋地说。“所以用户可以来执行这个标准实验中,年底前,他们会有一些强数据带走。”
一个有力的例子:fragment-based筛查可以帮助加速药物发现来自COVID月球探测器自发的全球合作,一起在2020年初尽快设计一个有效的新的抗病毒治疗。搜索是开XChem试验超过1250独特的片段探针的关键蛋白质SARS-CoV-2病毒,确定74年最初的打击。
“这是非常令人兴奋的,我们都吃了一惊,“反映了冯·代尔夫特。“我们有非常有趣的数据,我们决定把它向世界要求药物化学家的想法如何把这些碎片向前。”
这众包努力吸引了超过4000的建议改进,更强的化合物在两周内,所有捐款都提交不附加任何知识产权。
“我们发现一个公司在乌克兰人致力于合成一些最有前途的化合物的成本,”冯·代尔夫特说。“如果一切顺利,我们希望有药物准备明年初第一阶段临床试验。”
变化的趋势
经过几十年的发展,fragment-based筛查现在成为主流方法之一在小分子药物发现。由于其较低的初始成本,打开的可能性导致发现小公司和学术研究人员。
“过去,很难得到牵引人们才开始药物项目基于毫克分子绑定相似,”梅里特说。“但我们现在有正确的工具以及计算和结构支持向前推动这些项目。”
因为它的高命中率,为药物发现者也打开了新的机会裂纹更具挑战性的目标,如蛋白质-蛋白质之间的关系。
“现在成为阿森纳的一部分,”梅里特总结道。“这是一个技术,每个人都将使用在小分子药物发现的早期阶段。”
