從病理網(wǎng)絡角度反思新藥研發(fā)

從病理網(wǎng)絡角度反思新藥研發(fā)

在過去10年中，國際藥物開發(fā)的成功率顯著下降。在進行Ⅱ、Ⅲ期臨床試驗時,因治療有效性和安全性這兩大問題,導致研發(fā)新藥失敗率達30%。這一趨勢導致國際制藥工業(yè)產(chǎn)值下降。例如,2007年輝瑞公司研發(fā)的第1個通過抑制膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白(CETP)來升高高密度脂蛋白(HDL)的新藥托塞匹布(torcetrapib),因在Ⅲ期臨床試驗中引起死亡率和心血管病發(fā)病率上升而立即被FDA終止。在已上市新藥中,也不乏發(fā)現(xiàn)影響使用的不良反應。例如,他汀類(statins)是風靡世界的調(diào)血脂藥,有1000萬以上病人使用,這是以體內(nèi)膽固醇合成關鍵酶———HMG-CoA還原酶為靶點的抑制劑,但在臨床使用中發(fā)現(xiàn),它們會產(chǎn)生一大不良反應———肌病?，F(xiàn)通過對線粒體功能的大規(guī)模化學解析,發(fā)現(xiàn)這一不良反應的主要原因在于其線粒體毒性。2010年后,現(xiàn)上市藥物專利將陸續(xù)到期,整個制藥工業(yè)在40年的繁榮后將面臨首次衰退。鑒于以上新藥研發(fā)面臨的困難與問題,促使我們反思過去,探討藥物研發(fā)新模式。新藥物研發(fā)的困惑和考慮1采用單因素觀察的研究模式分析發(fā)現(xiàn),上述新藥研發(fā)失敗并不在于技術(shù)與條件上的因素,而可歸于兩大原因:受挫新藥主要集中在復雜疾病上,諸如心腦血管疾病、癌癥、退變性神經(jīng)系統(tǒng)疾病和糖尿病等;對這些復雜疾病藥物研發(fā)的目標是在單一“基因-疾病-藥物”研究模式基礎上,篩選和設計對精心選擇的疾病單一靶點有高選擇性的配體。這也是迄今國際上藥物研發(fā)的主流模式。22種不同的生物醫(yī)藥研究哲學理念與研究模式對這些復雜疾病的防治,國際生物醫(yī)藥界付出了巨大努力與代價,但為何屢屢受挫?這引起科學家們反思其所采用的研究策略與哲學指導思想,其核心就是尋求一種與疾病相關的線性途徑或因果鏈,通過干預其中的一環(huán)———抑制其一關鍵酶或阻斷其關鍵受體而產(chǎn)生作用。近20年來,高選擇性配體的研發(fā)歷程因其在臨床治療上較低的有效性和產(chǎn)生未能預期的不良反應,使這種模式受到了質(zhì)疑?！皢我蛩赜^察”是近代實驗藥理學的一大原則:要證明一個藥物的某一作用,必須通過各種對照,來證明所施加單一因素產(chǎn)生的作用。這種單因素觀察的研究模式,也是近代生物醫(yī)學研究的通用模式。這種研究模式對于一些病因單純的疾病,如感染性疾病,取得了較好的結(jié)果,產(chǎn)生了許多重要發(fā)現(xiàn),形成了如今的醫(yī)藥防治體系。但對上述復雜疾病,也采用這種研究模式,則受挫與碰壁自在情理之中。楊振寧教授曾說過,我們的研究應回到問題的本身。我們必須面對的是復雜疾病在其病理過程中的多因素影響與多組織器官變化。“冰凍三尺,非一日之寒”,在這些病變過程中,必然涉及機體相關信號網(wǎng)絡系統(tǒng)與多重靶點的變化。從生物學角度,機體對某一持續(xù)性應激刺激的反應和調(diào)控,也是逐步從代償向失代償轉(zhuǎn)化,相關信號網(wǎng)絡產(chǎn)生了適應性病理變化,這種病理網(wǎng)絡必然涉及多個關鍵節(jié)點(靶點)。對這種變化,怎么能通過單靶點、單藥物干預奏效?采用“單因素觀察”這種近代醫(yī)藥研究模式在解決復雜系統(tǒng)、復雜疾病的問題上就顯得捉襟見肘、無能為力了。要對復雜疾病的研究與防治有所突破,就必須使我們在研究的哲學理念(指導思想)和研究方法學上都有一革命性的突破。功能基因組學、蛋白組學、系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡藥理學的發(fā)展,則是代表著這種哲學理念和方法學上的革命,已促使上述近代醫(yī)藥的研究模式向現(xiàn)代生物醫(yī)藥的研究模式轉(zhuǎn)化。如果說近代醫(yī)藥的研究模式是側(cè)重分解:整體→器官(組織)→細胞→受體或通道;現(xiàn)代生物醫(yī)藥的研究模式則是側(cè)重綜合:從整個組學、系統(tǒng)、網(wǎng)絡的角度,全面考察內(nèi)外應激因素的影響。前者“分解”研究模式為后者的“綜合”模式奠定了基礎,可導致后者的飛躍。這種研究模式的革命性轉(zhuǎn)化,可使我們更客觀、全面地研究生物系統(tǒng)的正常與否,這必將使我們更科學地研究復雜疾病,并產(chǎn)生防治上的重大突破。系統(tǒng)生物學揭示:許多復雜疾病,如心血管系統(tǒng)疾病、癌癥、退變性神經(jīng)系統(tǒng)疾病和糖尿病等,都是由許多基因的小缺陷累加,而非少數(shù)基因的大缺陷所致。因而,復雜疾病不能通過干預單一靶點而奏效。近年來多向藥理學(polypharmacology)和網(wǎng)絡藥理學(networkpharmacology)的興起,為困境中的新藥研發(fā)帶來新的光明。多向藥理學即是通過基因組學和蛋白組學來理解一個藥物在生物體內(nèi)作用的多靶點性或多重作用。網(wǎng)絡藥理學是隨基因組學、蛋白組學、系統(tǒng)生物學發(fā)展應運而生,它是在理解“疾病表型-基因-靶點-藥物”相互作用網(wǎng)絡的基礎上,通過網(wǎng)絡分析,來觀察藥物對病理網(wǎng)絡的干預與影響,使研發(fā)的新藥更接近于疾病的實際情況,從而提高研發(fā)的成功率。基因組學、蛋白組學、系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡藥理學代表了現(xiàn)代生物醫(yī)藥研究的哲學理念與研究模式,這是對上述近代生物醫(yī)藥研究的哲學理念與研究模式的革命性轉(zhuǎn)變。兩者的區(qū)別見表1?！凹膊』虬悬c藥物”網(wǎng)絡2目前，可以使用三種策略來設計多目標點的藥物設計2.2協(xié)同增強作用如Atripla等?，F(xiàn)配伍技術(shù)的進展已擴展了藥物組合的數(shù)量,使之可有效組合在單一遞藥系統(tǒng)中,但考慮到各組分的藥動學、代謝、生物利用度上的差異,這種組合并非易事;而且2藥單用安全并不能保證其合用安全。藥物組合的主要挑戰(zhàn)在于藥品管理部門的要求。因此,現(xiàn)大多數(shù)多組分藥物的研發(fā)聚焦于探索已批準單藥的組合。本法的缺陷在于現(xiàn)藥典范圍的靶點仍較有限。如FDA所批準可供配方的1200個藥物僅作用于320個靶點。對現(xiàn)有藥物組合協(xié)同、增強和拮抗作用的理解將有助于發(fā)現(xiàn)新的有效組合和多靶點藥物。JIA等對公開發(fā)表的117種藥物組合進行了分析,顯示其藥物組合可以是藥效學上的協(xié)同、疊加或拮抗作用,也可以是藥動學上的增強或減弱作用。通過對藥物作用的信號通路分析,可提供評價藥物組合效應的另一有用途徑。3中藥中有利于和諧社會的構(gòu)建,符合網(wǎng)絡使用原則的原則功能基因組學、蛋白組學、系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡藥理學的興起,無疑為跨越中西醫(yī)學間的鴻溝架起了橋梁,也為中醫(yī)藥的現(xiàn)代化指明了方向。中醫(yī)藥理論在形成過程中,以樸素的辯證法為指導思想,通過大量的臨床觀察與積累,“系統(tǒng)”、“動態(tài)”、“辨證”地對人體功能變化和健康狀況進行分析,在對復雜疾病的診治上顯示其獨特的優(yōu)勢。中醫(yī)藥對疾病診斷的綜合、整體觀和對治療的動態(tài)、辨證觀與網(wǎng)絡藥理學的原則一致。而以往中藥與西藥的區(qū)別也在于其多成分、多靶點、多途徑的特征,中藥方劑“君、臣、佐、使”的配伍原則,也正是現(xiàn)在網(wǎng)絡藥理學所要體現(xiàn)的。中醫(yī)藥這一經(jīng)驗科學在數(shù)千年臨床實踐中對疾病、特別是對復雜疾病的防治積累起豐富的經(jīng)驗,這是值得網(wǎng)絡藥理學進行分析和借鑒的。中醫(yī)藥也無理由墨守成規(guī),而需借助功能基因組學、蛋白組學、系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡藥理學等現(xiàn)代科學的手段,闡明其細胞和分子機制,實現(xiàn)中醫(yī)藥的現(xiàn)代化。1疾病基因與疾病表型的關系2007年5月哈佛醫(yī)學院的一個研究團隊,在美國科學院院刊上發(fā)表的“Thehumandiseasenetwork”,將人類疾病網(wǎng)絡(HDN)和疾病基因網(wǎng)絡(DGN)相關聯(lián),顯示了疾病表型與基因間的關系。疾病表型與相關基因形成的網(wǎng)絡,可以一種簡潔的圖形方式,揭示許多疾病的共同基因來源,表明有疾病表型與基因功能模塊的存在。2基于雙向關聯(lián)模型的藥物作用同年10月,該研究團隊又在NatureBiotechnology上發(fā)表了“Drugtargetnetwork”,他們采用網(wǎng)絡分析技術(shù),整合了各類數(shù)據(jù),對FDA所批準的1178個藥物與藥物靶點數(shù)據(jù)庫中394個靶點蛋白建立了雙向關聯(lián)圖。這一精巧研究揭示,藥物作用就如網(wǎng)絡中心與各節(jié)點的關系,不僅有多種藥物可作用于某一節(jié)點上,單一藥物也可作用于多個靶點。分析顯示,平均每個藥物可作用于1.8個靶點。網(wǎng)絡藥理學即是將藥-靶網(wǎng)絡與生物網(wǎng)絡整合在一起。分析藥物對此網(wǎng)絡“中心”與特定“節(jié)點”上的作用,就可理解藥物的有效性和毒性。3基因敲除和化學干預采用這種網(wǎng)絡分析,使我們可區(qū)分藥物對基因的直接抑制作用與間接(緩解性)作用。在這藥-靶網(wǎng)絡上,如有些節(jié)點(靶點蛋白)受到高度連接,這些蛋白很可能是基礎性蛋白,一旦受到干預,就會影響網(wǎng)絡的安全而產(chǎn)生毒性。對這種藥-靶網(wǎng)絡的了解和認識,可改進我們對復雜疾病的藥物研發(fā)。(genetic-wideassociations,GWA)2007年以來國際上興起了GWA研究,這一新途徑已顯示了鑒定與復雜疾病相關基因變異的潛力。這可能是打開復雜疾病發(fā)病機制大門的鑰匙。對“孟德爾遺傳性疾病數(shù)據(jù)庫”(OMIM)中基因關聯(lián)的網(wǎng)絡分析顯示,絕大多數(shù)疾病與其他疾病分享相關基因,在該數(shù)據(jù)庫1284種疾病中有867種與另一疾病至少分享一個基因。從基因角度鑒定孟德爾遺傳性疾病的治療靶點十分重要,但通過這一途徑來鑒定常見病與復雜疾病靶點的成功率卻非常有限。在OMIM中已有1300余個顯性和隱性的致病基因獲得鑒定。但是,大多數(shù)常見病并不顯示這一遺傳特征。對等位基因的大規(guī)模檢測(過去10年已鑒定了1000萬個單核苷酸的多態(tài)性)也未能如愿。在多種模式生物上的大規(guī)?；蚪M學研究也揭示,許多單基因敲除,對原型生物的影響很小。僅有19%的基因?qū)υS多模式生物是必需的。對酵母進行逐一基因敲除,僅有15%的敲除在合適條件下產(chǎn)生了相應的缺陷。對小鼠基因組藥靶基因進行逐一敲除研究也顯示,僅有10%的敲除能影響小鼠存活。而同步敲除2個基因,會大大增加其致死或致癌的可能性。最近另一項大規(guī)模研究顯示,化學干擾可增強基因敲除的綜合致死性。在酵母基因組中,僅有34%的單基因敲除可產(chǎn)生致死性;而如果疊加一個小分子化合物或一個環(huán)境因素,可對63%的單基因敲除產(chǎn)生增強效應;如將這兩者疊加,則可對97%的基因敲除產(chǎn)生嚴重影響。因而,基因敲除加上化學干預,才可產(chǎn)生生物缺陷。同樣,對疾病網(wǎng)絡進行干擾以防治疾病也相類似。鑒于生物體系有適應環(huán)境變化的多樣功能和可變通的補償信號通路,就不難理解生物顯性的多樣性了。對生物信號通路及其相互作用的網(wǎng)絡分析揭示:基于其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),生物體系可展示精彩紛呈的外貌。許多生物網(wǎng)絡無邊際的性質(zhì),導致隨機去除任一節(jié)點(而非那些高度鏈接的關鍵節(jié)點),對整個網(wǎng)絡幾無影響。這種網(wǎng)絡性質(zhì)對藥物研發(fā)有深厚影響。網(wǎng)絡生物學認為,新藥研發(fā)的策略應是發(fā)現(xiàn)如何干預疾病的病理網(wǎng)絡,而非僅僅是與疾病相關的個別基因,需要對多種基因及其調(diào)節(jié)蛋白的干擾才能影響疾病網(wǎng)絡。對這種多重節(jié)點的干預可產(chǎn)生綜合的防治效應:疾病改善與幸存。網(wǎng)絡法理學現(xiàn)有研究主要通過網(wǎng)絡搜索來預測熱網(wǎng)絡藥理學是一種通過系統(tǒng)生物學和網(wǎng)絡分析(分析網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點的連通性、冗余與多向性)來進行藥物設計的新途徑。網(wǎng)絡藥理學可提供一種同步改善藥物臨床有效性和理解其副毒作用的藥物研發(fā)新思路。為此,Merck公司開發(fā)了“基于網(wǎng)絡的藥物研發(fā)(NBDD)”的程序,隨研究進展,已有4個版本。以結(jié)構(gòu)為基礎的藥物設計經(jīng)歷20余年發(fā)展,已在醫(yī)學化學中居主流地位。計算機圖像分析與處理能力、高能輻射源、虛擬篩選、低溫晶體學等技術(shù)的發(fā)展,成為快速可重復的藥物設計模式所必備的條件。要使網(wǎng)絡藥理學成為常規(guī),就需要發(fā)展多種技術(shù),結(jié)合組合化學與網(wǎng)絡搜索的運算法則和方法來預測藥物的生物學性質(zhì)。網(wǎng)絡藥理學認為:理解藥物在生物體系中的地位和動力學過程要比理解個別靶點或組合靶點的有效性更為重要。網(wǎng)絡藥理學勾畫了一種新的藥物發(fā)現(xiàn)模式:通過對藥物結(jié)構(gòu)-活性關聯(lián)譜來全面了解藥物的作用。發(fā)展網(wǎng)絡藥理學的關鍵在于:(1)通過網(wǎng)絡分析,鑒定那些可產(chǎn)生滿意治療結(jié)果的關鍵節(jié)點或節(jié)點組合;(2)發(fā)現(xiàn)那些可干擾這些節(jié)點、產(chǎn)生多向藥理學效應的化合物。2.1單次藥物組合多藥組合的雞尾酒療法是對HIV高效抗病毒治療及眾多抗腫瘤治療方案的支柱。其缺陷在病人的依從性較差,并存在藥物相互作用的風險。2.3藥物劑量控制許多藥物已被證明可作用于多靶點。對單一藥物的劑量控制勝于多藥組合。從藥品注冊管理角度,批準一個作用于多靶點的單一藥物所遇的障礙明顯小于多藥組合。問題和挑戰(zhàn)1藥-靶網(wǎng)絡的構(gòu)建現(xiàn)在,采用網(wǎng)絡分析來處理各類生物相關性數(shù)據(jù)已成為一個重要的手段,即通過對這些網(wǎng)絡的拓撲學研究來評價有關疾病的基因-蛋白-藥物分子間相互作用或相關性。這類分析的價值確鑿無疑,現(xiàn)在的問題在于供作網(wǎng)絡分析的相關數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完整性,這對分析結(jié)果的可靠性產(chǎn)生重要影響。鑒于生物醫(yī)學的發(fā)展進程,尚未對眾多小分子化合物在大量靶點蛋白上進行系統(tǒng)篩選,以揭示其完整的藥理作用。而目前可供使用的國際數(shù)據(jù)庫提供的信息都傾向某些常規(guī)的治療興趣,其信息都存在不同程度的局限性。例如,氯丙嗪(chlorpromazine)這一典型的抗精神病藥,在DrugBank中顯示與2個主要的胺類G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)相關,即D2和5-HT2A;而在Womba數(shù)據(jù)庫中則顯示與另3個αGPCR相關,即D1、D2、5-HT1A。而更為完整的受體組學(receptorome)則顯示,其親和力(結(jié)合常數(shù))在微摩級以下的αGPCRs至少有19個。MESTRES等通過對DrugBank中829個批準藥物與3種不同數(shù)量靶點群所建立的藥-靶網(wǎng)絡進行分析,通過比較這3個藥-靶網(wǎng)絡的拓撲學,來反映其對結(jié)果的影響。在這一分析中,他們以最大連接組分的節(jié)點(nodesbelongingtothelargesconnectedcomponent,nLCC)分數(shù)來反映其網(wǎng)絡特征。第1個藥-靶網(wǎng)絡基于DrugBank中提供的314個蛋白靶點(如前述的藥-靶網(wǎng)絡分析)。該藥-靶網(wǎng)絡可形成1445個節(jié)點(相互作用),達到每藥1.7個靶點。其對應藥物與靶點網(wǎng)絡的nLCC值分別為0.60和0.42;而按隨機網(wǎng)絡,其nLCC值應分別為0.90和0.78,兩者差距較大。DrugBank提供的數(shù)據(jù)代表了制藥工業(yè)曾探索過的靶點,而未真正反映藥物的多向藥理學。第2個藥-靶網(wǎng)絡通過從Wombat數(shù)據(jù)庫中所獲、以文獻為基礎的親和數(shù)據(jù)來補充構(gòu)建藥-靶網(wǎng)絡,使蛋白靶點數(shù)達到409個,形成2117個節(jié)點,達到每藥2.7個靶點,其nLCC值分別為0.79和0.64,離隨機網(wǎng)絡的要求進了一步。他們在上述數(shù)據(jù)基礎上,再加上自己實驗室篩選系統(tǒng)以配體為基礎的實驗數(shù)據(jù),構(gòu)建了第3個藥-靶網(wǎng)絡,使靶點數(shù)增加到557個,節(jié)點數(shù)達到5215個,為每藥6.3個靶點,其nLCC值達到0.96和0.92,已與隨機網(wǎng)絡十分接近。上述分析顯示,供作藥-靶網(wǎng)絡分析的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完整性,已成為制約這類網(wǎng)絡分析與客觀真實相接近的關鍵。因而,只有通過全球各國各實驗室科學家的共同努力,對數(shù)據(jù)庫加以完善,才能完成均一、無偏見的藥-靶網(wǎng)絡的構(gòu)筑,這是確保這種網(wǎng)絡分析可靠、客觀的重要手段。2小分子化合物三維結(jié)構(gòu)的標準化檢測藥物分子均是以特定的立體結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)與立體的靶點蛋白產(chǎn)生相互作用。這需要發(fā)展計算機化學、X光衍射晶體結(jié)構(gòu)測定和蛋白質(zhì)組學等技術(shù)進行分析。在人體內(nèi)環(huán)境中,配體分子與靶點蛋白都是以特定的三維立體構(gòu)型、構(gòu)象相互作用,從而產(chǎn)生生物效應。這就需要對大分子靶點蛋白和小分子配體(包括一些大分子配體)在生理環(huán)境中的三維結(jié)構(gòu)有清晰的了解。雖然可通過計算機輔助藥物設計(CADD)對兩者的三維結(jié)構(gòu)進行模建、并進行docking分析,但這類研究仍然是這種大-小分子或大-大分子間相互作用分析的一個瓶頸。大分子蛋白的三維結(jié)構(gòu)分析并非易事,有賴對純化蛋白的一級結(jié)構(gòu)進行序列測定和對其三級結(jié)構(gòu)進行X光衍射測定。小分子化合物三維結(jié)構(gòu)(特別是在不同溶液條件下的構(gòu)象變化)的確定也非易事,也需要多種昂貴的測定分析。而廣見于文獻和教科書的小分子化合物都是以二維的平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn),這無疑會造成一種認識上的誤導,而這種二維結(jié)構(gòu)并不代表化合物的真實面目。二維結(jié)構(gòu)相似的化合物,其立體結(jié)構(gòu)和生物效應會大相徑庭;而有些二維結(jié)構(gòu)不相似的化合物,卻會產(chǎn)生相似的空間結(jié)構(gòu)和生物效應。要對數(shù)十萬個小分子化合物的立體結(jié)構(gòu)和量化參數(shù)進行標準化測定,則需整個國際社會的協(xié)同努力,也需要計算機化學分析技術(shù)上的創(chuàng)新。這些瓶