重 点

摘要

2021年是位于德国伍珀塔尔的拜耳化学研究实验室成立第125周年。从阿司匹林到拜瑞妥，大量突出的小分子药物已经从这里涌现出来。在这篇综述中，我们阐明了小分子药物研究的历史基础，讨论了药物发现的现状和未来趋势，并对以小分子为重点的药物研究的未来发展提供个人观点。

关键词：小分子疗法，药物发现，药物化学，新模式，人工智能，社会影响

介绍

2021年是位于德国伍珀塔尔的拜耳化学研究实验室成立125周年（图1）。[1],[2]该研究设施对于拜耳的持续发展至关重要。

1896年化学研究实验室成立时，拜耳主要是为蓬勃发展的纺织工业生产合成染料，染料由该地区丰富的有机煤焦油中间体合成而成。大约在那个时候，人们发现其中几种小分子染料和中间体表现出意想不到的生物活性。这些发现致使首批合成药物得以发明，并为仍然年轻的化学工业开辟了一个新的业务领域。[3],[4]在当时的众多染料厂中，只有拥有自己研究设施的创新型公司能够抓住新的市场机遇并长期生存。

在接下来的几年和几十年里，拜耳扩大了其在药物领域的研究，并将其导向越来越多的适应症，从镇痛药和麻醉剂开始，到抗感染药和热带疾病药物，再到心血管，中枢神经和肿瘤药物，仅举几例。自成立以来，位于伍珀塔尔的拜耳化学研究实验室已经为超过125种现可供患者使用的小分子药物的发明做出了贡献。

小分子一直是医学突破和解决未满足的医疗需求的关键，从而挽救了无数人的生命。此外，小分子作为生物医学研究中的化学探针发挥了至关重要的作用，有助于理解疾病生物学。在过去的一个世纪里，传统的小分子药物一直是药物研究的主要模式。然而，较新的模式，如蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）和RNA靶向小分子（RSM），以及生物学方法，如基于抗体的治疗和细胞和基因治疗，已被添加到药物发现工具箱中。大多数大型制药公司也在以一种更不依赖形态的方式进行药物研究。

小分子在未来的药物研究中将扮演什么角色？小分子将如何继续满足患者未来的需求？在这篇综述中，我们借此机会回顾并阐明了小分子药物研究的一些历史基础，讨论当前药物发现的现状和未来趋势，并对以小分子为重点的药物研究的未来发展提供个人观点。

从阿司匹林到现在：一些突出的小分子药物的历史回顾

纵观历史，许多小分子药物都为医学进步做出了贡献，并改善了患者的生活（图2）。其中一些早期药物今天仍在使用，而其他药物已从市场上消失，但这也为改善特定适应症的治疗铺平了道路。尽管其他地方已有对药物史进行更详细的回顾，[5]这里，我们挑选了一些例子以说明小分子在药物研究、医学和社会中的作用。本文在选择拜耳和其他人发明的药物时可能存在偏爱，这是由于撰写时结合了作者的个人经历，希望读者可以谅解。

阿司匹林（乙酰水杨酸）是最早的合成药物之一，至今仍在世界各地广泛使用（图3）。它最早由拜耳在德国伍珀塔尔以稳定和纯净的形式合成，并于1899年注册为一种缓解疼痛和发烧的现成方法。乙酰水杨酸是一种前体药物，是水杨酸的更耐受的乙酰衍生物，水杨酸是柳树树皮中的活性成分，自古以来就被称为草药。[6]直到20世纪70年代初，人们才发现抑制前列腺素生物合成是乙酰水杨酸的主要作用模式。[7]1982年，苏内·K·伯格斯特伦、本特·I·萨缪尔森和约翰·R·维恩因这一发现被授予诺贝尔生理学或医学奖。它还引领了使用低剂量阿司匹林作为抗血小板药物预防心血管疾病的道路，如冠状动脉疾病，心脏病发作和中风。[8]其他适应症中潜在利益的持续主张增加了人们认为阿司匹林是“特效药”的看法。[9],[10]

青霉素是由真菌产生的一种天然抗生素拯救了数百万人的生命（图3）。1928年，苏格兰研究员亚历山大·弗莱明在度假后回到实验室时意外发现了这种物质。弗莱明注意到，在他的一个培养皿中，一种空气传播的真菌阻止了他的葡萄球菌培养物的生长。十年后，纯青霉素从霉菌发酵中分离出来，并于1941年成功地给第一位患者使用，之后在第二次世界大战期间用于治疗细菌伤口感染。[11]连同撒尔伐散（Salvarsan 1910年）和百浪多息（Prontosil 1935年），青霉素的问世标志着抗生素时代的开始。[12]1945年，X射线晶体学揭示了青霉素独特且具有合成挑战性的β-内酰胺结构，直到12年后，它才实现了第一次全合成。[13]尽管不可避免地出现了细菌耐药性，青霉素和许多结构类似物至今仍在使用。

Enovid（noretynodrel和mestranol）（诺乙诺德雷和美司曲诺）是第一种激素避孕药，可以说对社会的影响比任何其他药物都大（图3）。它是由Searle于1960年引入美国，将其作为两种类固醇的组合用于避孕：诺乙诺德雷和美司曲诺。这是第一次，一种药物可以提供可靠和可逆的怀孕控制。通过使妇女能够控制其生育能力，“避孕药”极大地促进了随后几十年妇女地位的变化，是全球妇女解放和自决运动的一部分。[14]Enovid于1988年停产，并已被几代低剂量、不同成分、安全性更高的口服避孕药所取代。[15]如今，尽管现在有越来越多的不同种类的避孕方法，[16]全球约有1.5亿女性仍在服用避孕药。[17]

逆转录病毒（齐多夫定，叠氮胸苷，AZT）是第一种抗HIV药物，也是一个非凡的医学成功故事的起点，其中致命的病毒感染逐渐变成可控的慢性疾病（图3）。[18]1987年，巴勒斯-威康（现在的葛兰素史克）通过重新利用20世纪60年代的一种失败的癌症药物，引入了逆转录病毒。这是针对当时患有神秘疾病（后来称为艾滋病）的患者的第一种治疗方法，这种疾病最初于1981年出现在美国。如今，抗逆转录病毒疗法主要使用来自几种药物类别的小分子的组合，有效地将病毒载量降至最低，并使患者在药物治疗下回归了接近正常的生活。[19]在另一方面，在与丙型肝炎病毒（HCV）的斗争中，小分子抗病毒药物最近取得了最大的成功，治愈率超过90%。[20]相比之下，对于严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）的最新病毒挑战，开创性的首个小分子抗病毒治疗药物Veklury（瑞德西韦，一种重新利用的埃博拉病毒候选药物），Paxlovid[尼马特雷加利托那韦，一种主要蛋白酶（Mpro）抑制剂加上一种细胞色素P450抑制剂]和Lagevrio（molnupiravir，委内瑞拉马脑炎病毒和流感的重新利用候选药物）最近被批准。[21-23]

拜瑞 妥（利伐沙班）是第一种直接因子Xa抑制剂，与其他直接口服抗凝剂（DOAC）相比，被批准用于更多的心血管适应症（图3）[24]。它是由伍珀塔尔的拜耳公司发明的，并于2008年作为一种新的抗血栓药物推出。[25], [26]在20世纪生活方式的改变和预期寿命的增加的推动下，心血管疾病已发展成为全球主要的死亡原因。[27]通过防止不良血栓的形成，抗凝血剂有助于降低危及生命的血栓栓塞事件的风险，如心脏病发作或中风。DOAC 是活化因子 Xa（利伐沙班、阿哌沙班、依度沙班和贝曲沙班）或凝血酶（达比加群）的选择性抑制剂，随着 DOAC 的引入，与以前的维生素 K 拮抗剂（华法林和芬普康蒙）标准相比，患者受益于更易于管理的口服抗凝治疗。[28]

Adempas（riociguat）用于治疗两种形式的肺动脉高血压，这是肺动脉高血压的严重疾病（图3）。[29], [30]它是拜耳公司于2014年推出的首款上市的可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）的刺激剂。sGC充当一氧化氮（NO）的受体，一氧化氮是一种在医学上使用超过一百年的短寿命血管扩张气体。然而，NO也是心血管系统中一种重要的天然信号分子的发现是革命性的，也是1998年将诺贝尔生理学或医学奖授予罗伯特·F·弗希戈特、路易斯·J·伊格纳罗和费里德·穆拉德的原因。Riociguat独立于NO刺激sGC并导致cGMP的增加，从而提供了一种具有广泛治疗潜力的长期作用模式。基本的 NO-sGC-cGMP 轴也可通过 稳定cGMP 的 PDE5 抑制剂（西地那非、伐地那非和他达拉非）来解决，这些抑制剂最初是作为勃起功能障碍的有效口服治疗引入的。

Vitrakvi（larotrectinib）是第一种与肿瘤类型无关的小分子癌症药物，代表了精准肿瘤学的一个新里程碑（图3）。[31]这种选择性TRK激酶抑制剂首先由Array BioPharma鉴定，然后授权给Loxo Oncology，最后由拜耳于2018年再许可和销售。癌症是全球第二大死因。从历史上看，小分子在1940年代用烷化剂开启了化疗时代[32]，后来由诺瓦尔德（他莫昔芬，1977）和格列卫（伊马替尼，2001）开创了靶向癌症治疗的道路。[33-35]癌症治疗传统上以特定的器官或组织为中心，如乳腺癌或肺癌的治疗。相比而言，肿瘤类型不可知治疗针对独立于肿瘤起源部位的特定遗传改变，因此对各种不同的癌症有效。这种新的治疗模式为患有罕见的遗传性癌症的患者提供了希望，否则他们只有有限的治疗选择。

小分子：在药物发现中实现多种应用的独特性质

如上所述，一个多世纪以来，小分子一直在为人类疾病提供医学突破。在很大程度上，它们作为药物的成功是由于其固有的特性，包括它们跨越生物屏障和调节一系列不同生物靶标的能力。

口服生物利用度是大多数小分子药物的关键特征，能够以片剂的形式进行标准口服给药。与生物制剂相比，这种便利性是一个巨大的优势，即使药理作用大小可能相似。例如，缺氧诱导因子脯氨酰羟化酶（HIF-PH）的小分子抑制剂，可以替代重组生物促红细胞生成素（EPO）治疗肾性贫血，从而用药丸代替注射/输注给药。[36]

小分子的另一个重要特征是它们的模块化结构和易于通过化学合成获得。这使得化学结构的快速变化和其性能的系统性改善成为可能。在大多数情况下，药品含有未修饰的小分子作为活性成分。然而，可以设计合适的可逆化学修饰（前体药物）来解决潜在的缺点，例如低水溶性。在患者服用后，前体药物通过生物活化（如酶水解或氧化裂解）或通过生物正交方法（如辐照）转换回活性形式。类似的策略可以应用于靶向激活或向感兴趣的组织靶向递送药理成分。

最后，小分子通常具有高保质期稳定性，并且与大多数药物制剂和给药途径相容。

使守旧的人接受新事物新模式

小分子不断扩展到新的作用模式，并征服新的靶空间，扩大了药物发现的经典工具箱。新的化学模式和使用小分子的新方法已经出现，可以解决以前被认为无法治愈的生物靶标。[37], [38]在这里，我们将重点介绍一些“老狗”小分子可以教的新技巧。

小分子可以设计成这样一种方式，即它们要么通过分子间力（如氢键和范德华力）非共价地结合到生物靶标上，要么通过共价键永久地修改靶标，以及介于两者之间的任何作用。

共价药物的早期例子包括阿司匹林和青霉素。乙酰水杨酸通过将乙酰基转移到活性位点丝氨酸残基来共价修饰环加氧酶，青霉素通过β-内酰胺开环机制共价结合青霉素结合蛋白的丝氨酸残基。

尽管这些早期例子的共价结合模式是基于偶然发现的，并且仅在回顾中才被揭示出来，但靶向共价抑制（TCI）最近已成为一种越来越相关的方法，并得到了蛋白质质谱学的支持。[39-42]突出的例子包括Imbruvica（ibrutinib），一种用于治疗B细胞癌的Bruton酪氨酸激酶（BTK）的共价结合剂，于2013年推出，以及Lumakras（sotorasib），一种共价KRAS抑制剂，用于治疗具有G12C突变的实体瘤，于2021年推出（图4）。[43-45]KRAS蛋白长期以来一直被认为是特别困难的靶标。共价抑制剂通过与仅以突变形式存在的半胱氨酸残基结合来成功解决KRAS。

蛋白质之间的相互作用对于许多细胞过程至关重要，蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）的稳定和破坏都是治疗干预的有吸引力的靶标。尽管基于抗体的PPI调节剂在已知治疗实体的数量方面占据主导地位，但由于上述一些原因，小分子正日益受到关注，即它们具有良好的口服生物利用度，更好的组织渗透性，较低的免疫原性风险以及较低的研发成本。[46]

鉴于小分子的尺寸与蛋白质的大结合表面积相比更小，有效的小分子PPI调节剂的设计比小分子酶或受体结合剂的设计更具挑战性。在这方面，一种有趣的方法是通过环肽杂交分子稳定蛋白质结合基序，例如α-螺旋（图4）。[47]小分子PPI调节剂的几个分子起点已通过筛选确定，其中一些已经成功地优化为临床候选药物。[46]Selzentry（maraviroc）是第一个PPI（病毒gp120 / CCR5）的小分子抑制剂，于2007年被批准用于治疗HIV（图4）。[48]Venclexta（venetoclax）是一种用于治疗慢性淋巴细胞白血病（CML）的Bcl-2 / Bax PPI抑制剂，于2016年上市（图4）。[49]

虽然大多数药物靶标是蛋白质，但RNA靶向小分子（RTSM）正在成为一种新的治疗方式。长期以来，由于缺乏合适的结合位点，人类RNA被认为是不可治疗的。现在已知，尽管RNA比蛋白质更灵活，但它可以呈现离散的二级和三级结构，为小分子与之相互作用产生结合位点。[50], [51]

直到2020年，第一种人类RTSM药物Evrysdi（利司匹林）才被引入市场用于治疗脊髓性肌萎缩症（SMA）（图4）。[52]SMA是一种遗传性疾病，由生存运动神经元（SMN）蛋白水平下降引起，会导致严重的肌肉无力。利司匹林在SMN2 mRNA上充当剪接修饰剂，将外显子7包含在转录本中，从而增加功能性SMN蛋白。因此，利司匹林涉及一种真正能改变疾病的作用模式，创造了很多兴奋点。除了解决编码疾病相关蛋白质的mRNA之外，如利司匹林的情况，非编码mRNA提供了一个潜在的更大的靶空间，我们才刚刚开始了解其调节功能和疾病驱动潜力。

一种小分子药物偶联物，包括共价附着在第二分子部分的小分子，具有独特的生物学功能。在过去的几十年里，这种双功能分子的概念已经相当成熟。一个分子部分的任务是将偶联物引导到预期的作用位点，以便另一部分能够以高特异性发挥其药理活性。抗体-药物偶联物（ADC）是使用高选择性抗体将偶联物引导至靶位点的突出例子。在ADC内化和抗体小分子细胞内裂解后，以微环境特定的方式产生高浓度的局部药理活性小分子。[53]增强的局部浓度提供了降低体内全身药物浓度的机会，从而全面改善了副作用。

到目前为止，已有11种ADC药物被批准用于治疗血液学和实体瘤。第一种是Mylotarg（gemtuzumab ozogamicin），最初于2000年引入（后来撤回并重新推出），其次是Adcetris（brentuximab vedotin）和Kadcyla（trastuzumab emtansine，图5）。[54]大多数美国食品和药物管理局（FDA）批准的ADC药物都是在2019年或之后才推出。它们由高效的小分子组分组成，通常具有插层或微管破坏特性。ADC的一个特例是放射性药物共价附着在抗体上。BAY 2315497是最近的一个例子，其中偶联物的小分子成分是基于3-羟基-2-吡啶酮基序的钍-227的强螯合剂（图5）。该抗体组分靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA），并将α粒子发射[227]Th传递给表达PSMA的前列腺肿瘤细胞。BAY 2315497目前正处于治疗转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者的1期试验中。[55]解决PSMA的类似方法涉及锕-225。

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