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越来越多的研究表明，许多小分子药物通常在蛋白质-磷脂界面的结合点与靶标结合。 2021年7月13日，Nature Reviews Drug Discovery杂志发表文章，对药物-脂质相互作用和膜通路机制进行了讨论，对几种在蛋白质-磷脂界面上进行药物设计的策略进行了总结和分析。  以下是全文内容。 摘要 许多药物靶标被嵌入细胞膜的磷酸双分子层中，例如G蛋白偶联受体（GPCR）、离子通道、转运体和膜结合酶。越来越多的生物物理和结构研究表明，许多小分子药物通常在蛋白质-磷脂界面的结合点与这些靶标结合。药物在与蛋白质相互作用之前，必须先在磷脂层中进行分配，这种膜进入机制必然会影响药物的药效数据、构效关系、药动学和理化性质。随着X-衍射晶体和冷冻电镜方法解析的小分子膜内结合位点的数量的增多，我们发现配体-脂质相互作用在小分子药物发挥药效时，扮演的角色比通常认为的更为重要。本文介绍了相关概念，来帮助药物研发团队在这种靶向空间中进行合理的药物设计，并讨论这一领域的挑战和未来的机遇。 前言 外周膜蛋白和整合膜蛋白与可溶性蛋白的主要区别，在于他们可以与生物膜发生相互作用和融合。在整合膜蛋白中，GPCR、离子通道和转运体占据了小分子药物靶点的主导地位。过去十年发表的大量结构，加深了我们对于这些膜蛋白的功能、动力学和药效的理解。伴随着与配体结合的膜蛋白结构研究的增加，传统的药物活性来源于配体-蛋白质的概念开始发生转变。很多与蛋白质-脂质界面的膜内位点结合的配体，只有部分结构参与了靶蛋白相互作用，其余大部分结构则完全暴露在脂膜中。新的具有典型的药效研究支撑的结构数据表明：配体-膜相互作用在药物发挥药效过程中可能被低估了。 活性小分子与膜的相互作用对药效有贡献，并非新概念。例如，早在100年前，Meyer和Overton发现一般的麻醉药物的亲和力与其脂溶性相关。然而，现代药物化学文献鲜有讨论药物受体位点的膜途径机制，即使已经拥有大量的结构生物学证据可以支撑这一理论。我们认为，对自由药物假说的误解导致了普遍的错误观念：即所有药物必须通过水相(自由水或未结合水)途径进入其靶标。相反的，治疗靶标生物相的概念，认为作用位点处的自由药物浓度是发挥药理活性的要素，揭示这一概念需要利用新的结构信息进行更深入的研究。对于膜蛋白靶标，应当将膜视为药物进入对应结合位点的生物相。 目前，在基于结构的药物设计( SBDD)中，对膜通路机制和药物-脂质相互作用的讨论仍然存在争议。随着基于特性的药物设计的出现和对高度亲脂性药物的不良毒理学结果认识的提高，大多数现代药物发现方案倾向于降低亲脂性，以减少临床失败率。然而，最近的分析表明，成功上市的药物涵盖了广泛的物理化学空间，这表明药物研发团队实际上可能受益于探索更多样的亲脂性，从而引起的不同程度的药物的组织或膜分配。 根据这一理念，我们扩展了受体结合的理论模式，纳入了蛋白质-膜界面，并同时考虑了与经典和最新的膜蛋白靶点有关的结构见解。我们基于这些见解提出了在这些膜内位点进行药物设计的潜在策略，我们预期这些策略将广泛适用于一系列膜有关的靶标。 受体结合模式 膜蛋白上的小分子结合位点可以根据它们从脂质双分子层进入和暴露的情况进行分类。具有大结构域的整合蛋白，在细胞内和细胞外可能都具有类似于可溶性蛋白中经典的小分子结合位点（见图1a）。另外，在蛋白质跨膜区发现的结合位点可按配体通过水相或膜相的途径，以及它们与跨膜α螺旋的关系进行分类。螺旋内结合位点位于α-螺旋之间形成的口袋内，包括经典的GPCR正构体和离子通道孔位点，这些位点通常暴露在细胞外环境中，药物分子可通过水相进入（见图1b）。 然而，脂质双分子层也可能作为小分子通路的相关生物相。事实上，正如许多实验结构所揭示的那样，GPCR和离子通道可能具有膜暴露的开窗，使小分子通过膜和水相进入结合位点（图1c）。在GPCR、离子通道和转运体中发现了越来越多的非经典和变构调节位点，这些位点可以通过“膜可及通道”获得。一些螺旋内“膜可及位点”大到足以完全包裹一个小分子配体（图1d）。而其他位点则可能相对较浅，大部分配体暴露在脂质相中（图1e）。这些亚类之间有实质的区别，因为膜暴露对药物的物理化学性质有很大的影响。 另外，外螺旋结合位点主要位于由跨膜α-螺旋形成的膜暴露的蛋白质表面（图1f），这种结合位点极具代表性，药物分子暴露在脂膜层，只有一小部分与蛋白表面有相互作用。在考虑药物进入时，还必须考虑膜蛋白靶点的功能和动力学。特定小分子结合位点的存在，或者说进入它的途径，可能与蛋白质的构象或'状态’至关重要。随着GPCRs通过其活化周期或者离子通道门的打开和关闭，以及转运体发生实质性的构象重排，这些结构变化频繁地影响小分子结合位点及相关的药理和效价。此外，小分子可能与周围的大块膜脂竞争结合目标蛋白，特别是在螺旋内和螺旋外位点。  图1.受体结合模式。小分子药物可以通过溶剂(a - c )或脂质双分子层(c - f )进入膜蛋白上的结合位点。膜内结合位点的详细特征表现了它们与靶蛋白的跨膜螺旋的关系，结合在( 螺旋内：b - e )或沿着 (螺旋外：f) α螺旋二级结构之间。在药物发现过程中，小分子配体的结合位点环境，如膜暴露程度，会对药物性质和先导物优化策略产生影响。 通过膜相进入膜结合目标的结合部位，必然要求配体在与靶标结合之前首先进入脂质双分子层。小分子在脂质双分子层内积累和排布的相对能力影响药物的各个基本方面，包括可观测的亲和力、药代动力学( PK ) (如暴露量和半衰期)和作用持续时间。沿着这些路线，有几种小分子设计策略可用来促进膜分布和随后与膜内位点的结合(图2 )。  图2 |蛋白质-磷脂界面药物设计策略。这些小分子设计策略可以增加膜分配和药物-脂质相互作用，以靶向膜内结合位点。 亲脂性分子( 图2a)或亲脂尾巴(图2b)可以增加脂质双层内的药物浓度。碱性胺(图2c)可能与膜脂的阴离子磷酸盐结合，而更多的亲脂功能可能与膜核内的疏水酰基相互作用。由于小分子构象或分子内氢键网络，膜靶向药物的极性功能常常被屏蔽在疏水的膜环境(图2d )之外。当结合到膜内结合位点(图2e)时，极性基团如氢键供体或带电基团被埋藏在蛋白质位点内，而疏水基团暴露在膜环境中。因此，在研发项目的早期，识别膜内结合位点可以极大地帮助合理的药物设计，并可能最终加速候选药物的成功开发。 来自结构数据的启示 表1收集了具有代表性的膜内结合位点实例，按蛋白质类别(例如GPCRs、离子通道、转运体等)排列，特别关注具有脂暴露或膜可接触结合位点的结构。从旨在优化配体-蛋白质相互作用的传统SBDD策略来看，表1中的许多膜蛋白结构是独特的挑战。 表1.配体结合蛋白的膜可及通路特征。  由于许多配体直接接触到脂质双分子层，似乎存在有限的结构信息可用来指导优化潜在的相互作用。在这一部分中，我们讨论了药物与膜相互作用的经典例子，将以前的药理观察和膜通道假说与最近的结构数据联系起来。然后，我们从更近期的药物发现项目中考虑了新的可利用的配体结合蛋白结构以及已发表的构效关系(SARs )。尽管静态地看待结合配体可能会掩盖更复杂的靶动力学或可能有助于药物活性的三元相互作用，但新获得的结构信息为探索膜上药物作用的新假说提供了契机。 经典的膜内结合位点 Meyer和Overton的麻醉脂质理论实质上已经从一个注重膜双分子层性质变化的机制演变为现在主流的蛋白质理论。普通麻醉剂脱氧烷和异丙酚与细菌五聚体配体门控离子通道结合的X射线结构的公布，有助于在结构层面巩固蛋白质理论(图3a )。两种麻醉剂均结合在通过脂质双层可到达的同一螺旋内跨膜腔。脱氧烷以其高度氟化的结构为特点，它可以增加亲脂性和膜分配，用于多种全身麻醉剂，同时减少可燃性和代谢不稳定性。  图3.结构数据阐明了经典的膜内结合位点。与配体(由球体表示)形成的复合物中膜蛋白结构的透明表面呈现揭示了膜内位点的结合。化学结构根据蛋白质或脂质暴露而着色，部分暴露在脂质环境中的配体呈红色。 在其结构阐明的几十年之前，详细的电生理学实验揭示了电压门控钠( Nav )通道中枢腔孔阻滞剂的状态依赖配体结合途径。在所提出的结合模型中，静息态的孔道封锁通过膜进行，而开放状态下，通往胞浆的溶剂可及通道。最近一个与抗心律失常药物氟卡尼 (图3b )形成复合物的Nav1.5心脏通道结构(图3b )显示，在孔道内存在横向开窗，可提供配体直接从脂质双分子层进入，支持疏水或中性药物可能通过脂质相到达孔道部位的经典理念。与此假设一致，改变模式细菌通道开窗大小的突变，会调节氟卡尼的亲和力。氟卡尼是一种高度氟化的结构类似物，它的发现和发展利用了氟的高脂溶性和相对较小的范德华半径来靶向这一独特的膜内结合位点。L型钙通道阻滞剂的膜分离能力有助于解释在二氢吡啶类抗高血压药物中观察到的亲和力、PK和作用时间。 尼莫地平（Nimodipine），一个快速和短效的阻断剂，有一个比长效阻断剂氨氯地平（amlodipine）和拉西地平（lacidipine）低得多的平衡膜分配系数。事实上，氨氯地平主要通过延长血浆半衰期和添加与膜相关的碱性伯胺来获得其长效特性。对钙离子通道与包括氨氯地平(图3c )在内的多种二氢吡啶调节剂复合物的研究发现，在脂质双分子层的深处有一个螺旋内的结合位点。这些结构与二氢吡啶类药物的局部膜浓度对解释其观察到的活性至关重要的假设一致。 吸入β2肾上腺素受体( β2AR )激动剂提供了药物作用中配体-膜相互作用的另一个经典例子。长期以来，人们认识到长效β2AR激动剂沙美特罗（salmeterol）的苯烷氧烷基尾有助于延长作用时间，最近的X射线共晶体结构显示沙美特罗位于β2AR上的一个溶剂可及的正构体位置，苯烷氧基烷基尾与受体之间有广泛的接触(图3d )，这一模型应征了早期的“外显位(区)”模型，该模型提出配体-蛋白质相互作用将药物困在受体附近。然而，现有的药理证据也表明，苯烷氧基烷基尾与脂膜之间的物理化学作用，增加了局部药物浓度和观察到的作用时间。缺乏沙美特罗拉长尾巴的短效β2AR激动剂沙丁胺醇的亲和力、膜分配和作用时间的减少证明了这一假说。相反，内在受体亲和力和膜分配能力的结合最好地描述了β2AR部分激动剂的活性，突出了药物-脂质相互作用的相关性，即使配体结合位点不直接暴露于脂质双层。 现代案例 P2Y1受体拮抗剂的发现，为药物在膜蛋白界面的设计提供了一个有价值的案例研究。最近的结构工作进展极大地启发了现有的公开数据，包括广泛的SAR和无关基于结构的药物设计的理化数据。非核苷酸拮抗剂BPTU对P2Y1受体的结晶，显示了一个高度膜暴露的螺旋外调节位点(图4a )。值得注意的是，这种很大程度上疏水性较浅的结合口袋，具有BPTU的尿素基团与蛋白质上氢键受体之间的双齿氢键作用。BPTU母核上的亲脂取代对提高亲和力至关重要，叔丁基和三氟甲氧基取代提供了亲和力和代谢稳定性的最佳平衡。BPTU的高亲脂性和低溶解性是典型的针对高度膜暴露结合位点的中性配体，克服了典型的螺旋外位点的P2Y1拮抗剂研发的关键挑战。与这些观测结果一致，一个特别丰富的计算模拟描述了BPTU从水环境到膜嵌入结合位点的路径。这项工作表明，配体在受体结合前聚集在脂质双分子层的特定区域，是由BPTU的尿素基团与磷脂的二酰甘油骨架之间的极性相互作用介导的。  图4.新兴膜内结合位点的结构数据。膜蛋白结构与配体(以球体为代表)的复合物的表面呈现显示膜内结合位点。透明的表面绘制用于说明螺旋内结合位点。化学结构根据蛋白质或脂质的暴露而着色，部分配体暴露在脂质膜上呈红色。 最近与FDA批准的增效剂依伐卡托（ivacaftor）结合的囊性纤维化跨膜传导调节因子( CFTR )的冷冻的电镜( Cryo-EM )结构也揭示了脂质双分子层内的一个外螺旋结合位点（图4b）。令人惊讶的是，大约60 %的依伐卡托的分子表面暴露在膜上，这表明只有有限的配体-蛋白质相互作用对亲和力有帮助。对配体结合模式的分析也表明，依伐卡托的极性部分被屏蔽在膜环境之外，而更多的亲脂性部分则指向脂质膜。依伐卡托具有与BPTU惊人的相似性质，具有高亲脂性，低溶解性和延长的体内半衰期。尽管依伐卡托这种非传统的作用特征，然而它已经改变了囊性纤维化的治疗，突出了外螺旋结合位点作为药物研发焦点的重要意义。 用于治疗哮喘的瞬时受体电位锚蛋白1 ( TRPA1 )拮抗剂GDC-0334的发现，提供了一个针对离子通道上膜暴露的螺旋内结合位点的药物研发的案例（图4c）。Cryo-EM结构显示GDC-0334的脯氨酸磺酰胺部分结合在较浅的疏水的螺旋内口袋中，而双三氟甲基-二芳基基团则充分暴露在膜上。GDC-0334与其他具有膜暴露结合位点的药物具有许多相同的一般性质，包括水溶性差和高被动通透性。在这类TRPA1抑制剂中，降低亲脂性同时提高亲和力的努力最终都失败了，因为亲脂性对于体外和体内亲和力都是必要的，这可能与膜暴露结合位点有关。值得注意的是，GDC-0334中的8个氟原子通过增加脂溶性提供了增强的亲和力，同时也阻断了代谢，增加了体内半衰期。Cryo-EM结构最终表明，双芳基类似物之间观察到的亲和力差异并不是通过配体-蛋白质相互作用的改善来解释的。相反，双芳基基团可能是亲脂尾巴，有助于增强脂质相互作用和膜分裂。 在用于2型糖尿病潜在治疗的G蛋白偶联受体40(GPR40，又称 FFAR1)激动剂fasiglifam ( TAK-875 )中也观察到了有利于小分子-膜相互作用的亲脂尾，该激动剂同时还具有另一个膜暴露的螺旋内结合位点(图4d )。fasiglifam-GPR40共晶体结构显示：二氢苯并呋喃部分与螺旋内结合，而末端二甲苯基和甲基丙氧基则向膜相方向移动，与其他官能团相比，甲酰丙氧基尾具有较高的活性，表明两亲性磺酰基虽然降低了亲脂性，但与周围的脂质环境有良好的相互作用。 药物研发的关键概念 由于考虑膜通路可能与药物观察到的活性有关，针对膜内结合位点的研发团队应考虑这些与亲和力、理化性质、PK和安全性考虑有关的配体-脂质相互作用的关键概念。 膜分配影响药效 配体与膜受体的结合通常被认为是从溶剂到靶点的一步作用机制，但在靶分子参与之前的一个初始的膜分配步骤（也就是所谓的微动力学模型），会在高估和低估药物作用的复杂性之间产生微妙的平衡。脂质双分子层对药物而言，可通过充当蓄积体或“沉淀物”而实质性地影响小分子与靶点的结合。修正膜上局部药物浓度，可以使用的方程区（Kdobs = Kdint × Kmem-1）分膜和受体对亲和力的贡献。其中，Kdobs为“观察”或测量的平衡常数，Kdint为固有的受体亲和力，Kmem为定义为（[Ligand]膜/ [Ligand]水）的无量纲膜分配系数。因此，膜分配将通过增加药物在靶标附近的局部浓度来提高观察到的亲和力。 这里，采用两步结合模型的动力学分析探索了一系列β2AR激动剂，采用固定化人工膜( IAM )色谱评估药物膜浓度的药物-受体结合率。研究表明，药物与磷脂相互作用的程度直接影响到靶标的表观动力学缔合速率( kon )和表观解离常数( Kdobs )，而对靶标的解离速率( koff )没有影响。配体的膜分配能力与koff之间没有相关性，表明观察到的亲和力的增加可能独立于增强配体-受体相互作用。同时，膜内药物水平较高时，观察到的增加的缔合速率与增强的配体结合速率相一致。根据这个概念，当配体在膜中分配后，配体从通过溶剂的三维结合轨迹过渡到通过脂质双层分子的二维结合轨迹，从而大大提高了配体结合的动力学速率。除主体相分配外，生物膜还可能影响药物在靶分子结合之前在双层内的构象、取向和深度。值得注意的是，一些分子可以高效地靶向离子通路，这些药理学原理构成了药物分子天然存在的毒素的基础。 在实际应用中，两步结合模型为药物-靶点结合事件增加了一层复杂性，可能解释了业内描述的膜靶点常见的陡峭SAR，此理论认为配体结构的微小变化可能导致亲和力的剧烈丧失。从SBDD的角度看，对配体的微小改变并不直接影响蛋白质结合，实际上可能通过膜亲和力或分配的意外改变而降低亲和力。因此，阐明不同的结构-膜相互作用关系对于膜靶点的药物设计至关重要，但在该领域认识仍然有待深入研究。 药物-脂质作用的本质 小分子的膜分配常被描述为由本体亲脂性驱动的非特异性相互作用。尽管这对许多中性小分子来说是真的，但也是一种过度简化的说法。小分子和两亲性磷脂之间存在疏水和极性相互作用（图5）。辛醇-水体系较好地模拟了疏水性脂质与中性配体的相互作用，但无法解释离子化物质与两性离子磷脂的相互作用。带正电的碱性胺与脂类上的磷酸基团之间良好的静电相互作用是迄今为止膜双分子层中表征最好的极性相互作用。碱性分子可以通过添加疏水基团进一步稳定在膜上，这些疏水基团可以埋藏在双分子层的脂肪酸核心中。  图5.细胞膜组成。细胞膜由一系列磷脂、甾醇和跨膜蛋白组成。在脂质双分子层中，最丰富的甘油磷脂具有典型的结构，包括极性头基、阴离子磷酸盐和通过酯键连接两个可变疏水脂肪酸的二酰甘油骨架。 此外，中性配体可以与膜发生极性接触，主要是在双分子层的二酰甘油连接区域内存在的氢键供体配体和氢键受体酯羰基之间。离子化的弱酸如羧酸等在膜中的分配相对较少，这可能是由于带电的胆碱或乙醇胺头基位于脂-水界面处。胆固醇凭借其刚性的四环类固醇核，减少了小分子分配成模型脂质体，从而降低了生物膜内较柔性磷脂的流动性和增溶强度。尽管在现代药物设计的背景下很少考虑，但小分子有可能优先分配到具有明显脂质成分的特定细胞类型中，甚至可能进入脂筏等膜微域。 对药代动学的影响 药物-脂质相互作用影响小分子药物的PK性质，最显著的是，高度膜结合的化合物具有更大的分布体积，从而影响半衰期。这一思想在两个互补的视角中得到了拓展，都强调了相对于未结合间隙(CLu)的未结合分布体积(Vss,u)在确定药物半衰期中的重要性，其中Vss，u可描述为体内测定的药物的组织结合(即膜结合)。该工作最引人注目的是，通过使用卤素、含氟烷烃和选择杂环增加了分子的'代谢惰性亲脂性’，通过增加组织结合( Vss,u )和减少代谢(CLu)，从而延长药物半衰期。 这也许并不奇怪，相同的官能团在目前的离子通道和GPCR配体中无处不在，它们常常增强亲和力，增加代谢稳定性和延长体内半衰期。对TRPV4抑制剂的研究扩展了这些概念，该研究表明小分子构象也可以用来调节组织结合(Vss,u)，以达到PK优化。同时，最近对FDA批准的药物的分析表明，广泛的Vss,u值可能会改善临床疗效，关键是强调了探索广泛的亲脂性可能会通过增加化学多样性来影响总体成功率。 测量亲磷性 为了评估配体与脂质的相互作用，药物研发团队需要高通量的膜亲和力测量。虽然丁香酚和测得的logD7.4已成为评价辛醇-水体系中疏水性的标准理化性质，但需要更相关的膜分配措施，以充分考虑生物膜内部的疏水、极性和离子相互作用。目前最高通量的方法是使用IAM柱的高效液相色谱来测量，使用柱容量因子( logkIAM)来量化小分子和固定相之间的相互作用。 虽然这种方法具有易用性和可扩展性，但其对较为复杂的双层环境进行精确建模的能力比较有限。同时，利用啮齿类动物PK实验中的Vss,u，有可能捕获一种更相关的体内组织结合测度，来对先导化合物进行优化。然而，使用Vss,u的通量不高，需要动物实验。另外，微粒体结合(fu,mic)被认为是一种具有代表性的体外整体膜分配的测量参数，这可能作为一种需要高通量测试Vss,u时的替代选项。 基于脂质体的膜分配措施可以提供可扩展性和生理相关性之间的妥协，允许在模型双层中添加胆固醇和其他脂质成分。然而，在药物化学运动中，脂质体系统的综合使用是缺乏的，这可能是由于脂质体制备和稳定性的限制导致的。 研发风险和脱靶风险 重要的是，高水平的膜分配可能给候选药物带来研发风险。水溶性差和口服生物利用度差是最常见的两大挑战。与待测组分的非特异性结合也可能使亲脂化合物在先导化合物优化实验中的亲和力测定复杂化。高度亲脂性分子也会增加体内毒性的风险。许多负责临床毒性的常见的离子通道位于细胞膜上，这表明寻求在脂质双分子层内最大化药物浓度具有高度研发风险。值得注意的是，亲脂性碱性胺同时具有抑制hERG通道和增加磷脂质沉积的风险，在发现过程中必须积极监测。鉴于这些风险，局部给药是减轻膜靶向疗法的系统性脱靶效应的一种策略，吸入β2AR激动剂治疗哮喘的成功开发就说明了这一点。 同时，人类孕烷X受体( PXR )激活选择性抑制剂的报道，揭示了膜分配增加与异生物质解毒机制可能存在联系。例如，细胞色素P450酶是外周膜蛋白，很可能直接从膜相募集底物。以亲脂配体膜内结合位点为靶点的研发团队应该在发现阶段早期考虑这些潜在挑战，可能通过探索具有不同结合模式的多个化学系列来平衡这些开发风险。 药物设计策略 为了优化配体-膜相互作用和亲和力，以下概述了在蛋白质-磷脂界面上进行药物设计的几种一般策略(图2 )。靶向膜蛋白的小分子不需要包含下面描述的所有策略元素就可以获得成功。相反，拟议的策略代表了具有膜内结合位点的药物的共同特征，旨在激发创造力，而不是规定特定的方法或方法。从最简单的意义上讲，蛋白质-磷脂界面的理性设计可以在表征屏蔽膜疏水环境极性的同时合理利用亲脂性。加强或尽量减少配体-膜相互作用应当在仔细调查对药理学、PK、疗效和特定靶标的安全性的影响后进行评估。 亲脂功能化 修饰具有亲脂性官能团的小分子骨架，通常会提高其在膜内的分配能力(图2a )。疏水烷基(例如异丙基、环丙基、环己基和叔丁基)和卤素(例如氟和氯)普遍存在于靶向膜蛋白的药物中。其中，氟具有独特的亲脂密度和靶向膜的能力，其大小和形状相对于氢原子变化很小。三氟甲基基团已成为在阻断代谢( CLu )的同时增强亲脂性( Vss , u )的特别流行的基团，并在存在于多种靶向膜蛋白的药物中。 同时，研究表明磺酰基可能具有以最小的亲脂性(即logD7.4 )靶向膜的独特能力。虽然没有公开报道通过测量膜分配系数来研究这一概念，但已知在蛋白质-磷脂界面结合其靶标的几种配体都有砜基团，包括药物fasiglifam和fevipiprant (图4d)。磺酰基作为氢键受体和作为疏水基团的双重特性在多种配体-蛋白质结构中被观察到，这为该基团的两亲性提供了额外的支持证据。 亲脂尾巴 我们将亲脂尾(图2b )定义为具有增加小分子膜分配的主要作用的官能团。从SBDD的角度来看，亲脂尾巴可能与靶蛋白接触极小，并大量暴露于脂膜上，如fasiglifam的甲酰丙氧基尾巴(图4d )和GDC-0334的高氟双芳基(图4c )所示。当它们处于深深的蛋白质结合口袋时，亲脂尾巴也可能有助于提高内在的受体亲和力。沙美特罗的苯烷氧基烷基尾最能说明这一点(图3d )，它与β2AR有广泛的接触，但也通过通过膜分离8提高通过率而影响观察到的亲和力。亲脂性尾巴可能最终无法进行严格的定义，但对“脂靶向锚”的概念的阐述有助于药物设计过程的创新和SARs的解释。 碱性胺 胺类是广泛存在于GPCRs和离子通道中的常见药效团，可能用于增加膜分配和调节药物的PK谱。碱性胺通过与脂质双分子层中阴离子磷酸盐的静电作用增加膜分配(图2c )。携带正电荷的质子化胺在去质子化后可能会穿透脂质双层的疏水内核，往往与靶标结合位点的酸性氨基酸发生作用。钙通道阻滞剂氨氯地平说明了碱性胺的潜在影响(图3c )，该胺既增加了膜分配，又增加了体内半衰期。 碱性胺还可能在膜-水界面附近形成浓度梯度，这是因为相对于水的胞外环境，碱性胺与膜双分子层的阴离子磷酸盐之间的相互作用增强。为支持这一概念，荧光相关光谱法观察到基础β2AR拮抗剂普萘洛尔在细胞膜附近的浓度增加。然而，碱性胺的用途是有限的，因为具有高的极性表面积和低亲脂性的二碱性或高极性胺实际上可能阻碍膜的渗透性。 屏蔽极性 与使用碱性胺增强膜分离相反，配体的大部分极性应该隐藏或屏蔽在脂质双分子层之外。小分子氢键供体很少被观察到暴露在膜内结合位点的膜相中。相反，氢键供体通常通过分子内氢键与其他氢键受体接触，以限制它们暴露在疏水膜环境中(图2d )。在依伐卡托中看到的分子内氢键是这种屏蔽策略的最明显的例子(图4b )。SAR趋势显示，破坏这些内部氢键网络往往会降低亲和力，可能是由于通过抑制了小分子的膜分配能力。 配体极性也可能通过小分子构象隐藏，可能形成U型或大环结构，往往预先重组分子内氢键网络，限制了膜暴露极性(图2d )。通过小分子构象进行极性屏蔽的例子有GDC-0334的U型(图4c )和大环抗生素Globomycin，它们抑制的脂蛋白信号肽酶Ⅱ( LspA )结合我点位于螺旋外。 埋葬极性 膜上的配体-蛋白直接相互作用应该以与可溶性蛋白的相互作用相同的方式进行，在可能的情况下使用极性与目标蛋白接触，以提高特异性，无论是在蛋白质表面还是在结合位点内(图2e )。对膜暴露的GPCR配体的分析表明，小分子极性表面积比暴露在膜内的更经常地被埋在蛋白质结合位点内。识别极性相互作用，来提高亲和力是很有挑战性的，但是，增加的极性也会影响配体的膜可及性和分配。如果一个极性残基成功地接合蛋白质但抑制膜分离，其亲和力可能不会提高。 总结和展望 随着结构生物学技术的不断发展，可用膜蛋白结构在药物发现的先导优化阶段会越来越多。有鉴于此，认识到膜嵌入结合位点日益普遍，需要在靶向这些位点时对药物发现原理进行战略性的重新评估。我们认为，增加对配体-膜相互作用和膜通路的考虑，可以为探索新的化学空间提供机会，并最终增加在这些领域的研发团队的成功机会。 计算机方法模拟小分子膜分配的计算方法可能在配体设计和发现中发挥越来越大的作用。除了提供膜分配和配体结合事件的生动案例外，计算方法可能有助于阐明不明确的结构-膜相互作用关系，包括双分子层内特定区域的配体姿势。超大型库对接方法在新的虚拟靶标筛选方面表现出类似的前景。值得注意的是，褪黑素受体MT1的膜可进入的螺旋内位点已被证明是一个易于处理的虚拟筛选目标，然而研究没有具体说明膜可进入的途径。这些方法的扩展以包括膜脂的额外考虑可能是实现在高膜暴露位点的虚拟配体筛选的关键。 药物研发领域越来越接受膜通路理论。我们鼓励对新出现的数据进行公开讨论，以便在针对这些位点时更加精细地理解药效、PK和安全性，以便将这些概念系统地整合到未来的药物化学研发中。我们希望以上的分析、观点和提出的策略可以被视为朝着这一方向努力的催化剂。 参考资料 Payandeh, J., Volgraf, M. Ligand binding at the protein–lipid interface: strategic considerations for drug design. Nat Rev Drug Discov 20, 710–722 (2021). https://doi-org.unlv./10.1038/s41573-021-00240-2 |
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