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共价药物的发展[1] 与传统的非共价药不同，共价结合药物常常与目标生物大分子共价键合。由于共价药物潜在的毒副作用，药物科学家常常将 “避免共价键结合” 作为一种指导思想。然而，近年来越来越多的研究表明，现行许多药物是通过共价结合发挥药效作用，包括经典的解热镇痛药阿司匹林，抗菌药青霉素，用于消化道疾病治疗的奥美拉唑，用于乳腺癌治疗的来那替尼等（Fig 1），2011年，约有26种已知的“共价键结合”药物在销售，全球销售额达到330亿美元。药物开发人员越来越意识到共价药物的重要性。
Fig 1 共价药物时间轴 共价药物的药理机制特征 共价药物与靶蛋白的结合主要包括两步（公式1），第一步与非共价结合药物作用相同，形成药物-靶点复合物，此过程属于热力学过程，能很快达到平衡，其亲和力用解离常数Ki或者IC50描述；第二步共价药物反应基团与靶蛋白上的特定氨基酸共价连接成键，形成速率相对较慢，且存在一个反应平衡常数, 当K2远远大于K-2时，反应平衡常数趋向无穷大，可视为不可逆共价结合，当K2与K-2相差不大时，反应平衡常数处于合理的数值范围内，可视为可逆共价结合。第一步可通过选择亲和力适中的分子起到初步识别功能，再通过第二步选择特异性活性基团与其反应，起到二次特异性识别作用。
共价药物设计与优化的特殊考虑 对于共价药物的设计和优化，需要从计算辅助的药物设计，体外生物学，化学，蛋白组学，临床和临床前药理学几个方面着手(Fig 2)。在计算辅助的药物设计方面，可以利用生物信息学分析确定具有罕见氨基酸的蛋白，模拟设计具有合适反应头的配体分子，运用量子化学调整反应头的反应活性；在体外生物学中，运用体外酶活评估结合和键合分子配体时的酶活效率，分析靶蛋白的循环再生速率，从细胞中洗掉配体分子后结合的共价药物活性持续时间；在化学方面，发展能够在结合位点选择性与目标氨基酸键合的化学体系，设计具有好的结合、键合能力和维持良好成药性的分子骨架/反应头组合；在蛋白组方面，筛选具有非特异共价反应活性的蛋白和配体分子（比如谷胱甘肽），分析目标蛋白在细胞内特有选择性和反应活性，评估共价药物分子对血浆蛋白等通用蛋白的反应活性；在临床和临床前药理学方面，分析共价药物在模式动物和人体内的药效学/药代动力学关系，体内靶蛋白的再合成速率，靶蛋白在体内的独特性质。
Fig 2 靶向性共价抑制剂的发现和设计 基于结构的共价药物设计[2] 1. 选择合适的靶蛋白是进行共价抑制剂设计的前提。通常来说，共价抑制剂设计偏爱与肿瘤相关的蛋白，然而, 随着蛋白领域不断发展，共价抑制剂选择更广泛蛋白作为靶标。为了选择合适的蛋白靶标，需要初步的生物学数据。比如蛋白半衰期长短可以帮助评估共价抑制剂设计是否有用，最终候选分子的药效学和药代动力学数据可以帮助判断共价药物设计是否可行。 2. 选择正确的共价药物结合残基。结合残基的位置是一个重要的考虑因素;它应该靠近结合口袋，或者是共价抑制剂结合口袋的一部分。深入分析共价药物结合残基和它们的作用环境有助于提高共价药物设计的成功率，或早期预测任何可能出现的问题。计算算法可以帮助预测潜在的共价结合口袋，并根据结合口袋中残基形成共价键的能力进行相对排序，同时对结合残基周围的环境进行分析。 3．发现或者设计一种共价反应头。最常见的几种共价抑制剂筛选策略包括共价抑制剂的表型筛选，共价片段方法，共价前体筛选，在可逆性前体上添加反应头，在可逆性抑制剂上添加反应头（Fig 3）。1）共价抑制剂的表型或“黑匣子”筛选方法通过选择适当的细胞试验进行共价药物筛选，鉴定得到那些可以产生理想表型的共价化合物。2）共价片段方法主要适用于没有已知可逆抑制剂的目标蛋白，首先筛选得到一个能形成低分子量共价化合物的配体分子，然后使用x射线结晶学、质谱学和氨基端残基的消化研究证实共价结合。3）共价药物的高通量筛选方法是通过聚焦那些已知的共价抑制剂，也包含那些共价反应范围较广的反应头，或者与能靶蛋白形成可逆共价连接的二硫键，筛选得到针对靶蛋白的共价药物。4）确定与靶蛋白可逆结合的前体分子，然后将其作为共价抑制剂的骨架添加反应头，这种方法的一个主要优点是初始可逆结合可以增加共价药物的亲和力和选择性。可逆非共价化合物库比共价库更大，因此找到一个可逆前体的概率更高，而且还能同时优化可逆过程和共价相互作用。然而，这种策略只有在筛选库中找到合适的可逆前体的条件下才能设计成功。5）增加反应头到一个已经优化好的的作用于目标蛋白的可逆药物分子上。这是一个潜在的快速鉴别共价抑制剂的方法，但抑制剂的性质在添加反应头后可能需要重新优化，而且这种方法完全依赖于化合物与目标蛋白结合的结构信息。
Fig 3 共价抑制剂的设计策略 总结 综上，共价药物设计是一个正在成长和有前途的研究领域。共价抑制剂的数量和多样性以及如何发现它们的知识正在不断增加。在这一领域还有进一步的发展空间，特别是靶向半胱氨酸以外非催化残基的共价药物。共价药物设计有许多策略，策略的选择将受到先前信息和/或筛选分子库的数量影响，计算化学技术可以对共价抑制剂的设计产生至关重要的影响。 GoDesign ID：Molecular_Design_Lab |
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