【前沿进展】Cell文章：汪胜组联合多团队提出多靶点、多功效药物设计新理念（FSCA）

北京时间3月28日，国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心汪胜研究组联合上海科技大学iHuman研究所程建军团队、中国科学院上海药物所徐华强团队的合作研究成果：“Flexible Scaffold-based Cheminformatics Approach for Polypharmacological Drug Design”。该研究综合运用化学信息学、结构生物学、细胞功能学、在体动物行为学等多学科技术手段，提出了一种名为“基于可变形骨架的化学信息学方法（FSCA）”的多靶点、多功效药物新设计理念（图1），为治疗复杂精神疾病的药物开发开辟了一条新路径。

图1 多靶点、多功效药物设计新方法FSCA

精神疾病的治疗一直以来是医学界的一大挑战。这些疾病的发病机理异常复杂，症状表现也千差万别1。以精神分裂症与痴呆症为例，这两类精神病患既发精神错乱、也表现出记忆力减退、思维混乱等认知障碍。传统的单一靶点药物难以满足患者的需求，而组合用药往往面临药物体内互作带来的未知副作用风险。因此，研发一种能够同时作用于多个靶点的药物变得至关重要。然而，如何设计这种多靶点、多功效药物一直以来都是一大难题。

以血清素1A受体与2A受体为例，这两个受体是许多精神疾病药物的主要靶点。匹莫范色林（Pimavanserin）是一种选择性拮抗血清素2A受体的药物，在缓解精神分裂症、阿尔兹海默症和帕金森病相关的精神错乱症状方面表现出显著的临床疗效，却不能延缓患者的认知减退进程2,3。另一方面，血清素1A受体的激动剂（例如坦度螺酮Tandospirone）能够改善老年痴呆症患者的精神错乱症状4。在精神分裂症治疗中，坦度螺酮与典型抗精神病药物氟哌啶醇（Haloperidol）联用可同时改善精神错乱以及部分认知功能5。研究团队于是尝试设计同时作用于这两类受体的多靶点、双向活性的化合物分子，即拮抗血清素2A受体和激活血清素1A受体，以实现双向调控精神疾病症状的目标。

“北冥有鱼，其名为鲲……化而为鸟，其名为鹏。”庄周在《逍遥游》中描绘了一幅大象无形的绮丽画卷。在不同的情境下，具象可以相互转化。与之类似，多靶点药物分子如同鲲鹏，在结合不同类型受体时也可以发生形态转化，通过调整分子本身构象状态和结合姿势，以适应不同受体口袋的形状，对受体活性进行调节。

通过结合模式预测功效活性

汪胜研究组基于多年来对受体结构药理研究发现：血清素受体家族的激动剂配体倾向于采取“舒展向上”的结合状态，而拮抗剂配体则倾向于采取“弯折向下”的结合状态。具有代表性的激动剂和拮抗剂分别是致幻剂LSD和抗精神病药物卢美哌隆（Lumateperone）。LSD的麦角林四环骨架在自然状态下呈现近似平面构象，与受体结合时四环骨架也保持平面构象，而侧链二乙基酰胺基团则伸展向上，结合于受体浅表口袋（Shallow binding pocket, SBP）；与之相反，卢美哌隆的四环骨架在自然和与受体结合的两种状态下都呈现弯折构象，与之相连的丁酮基氟苯基团则斜插向下，结合于受体的深部口袋（Deep binding pocket, DBP）（图2）。研究人员因此提出：具备类似构造的药物，其结合受体的模式可预测其药效活性。

图2 血清素受体的激动剂与拮抗剂常见结合模式

化学信息学方法辅助可变构多环骨架的筛选

作用于血清素受体家族的药物通常由两部分药效团构成：第一药效团与第二药效团。第一药效团结合于正位结合口袋（Orthosteric binding pocket，OBP），且大多数是含苯基芳香环或吲哚环。第二药效团则结合于延伸性结合口袋（Extended binding pocket，EBP，包括SBP和DBP）。

在“结合模式可预测功效活性”这一理念的启发下，研究人员首先运用化学信息学方法从ChEMBL与Enamine两大化合物库中筛选出具备可变构象特征的多环骨架，也就是结合于OBP的第一药效团。这类具备可变构象特征的多环骨架需具备以下三个特征：（1）第1环或第1环合并第4环是芳香环；（2）第2非芳香环含有一个sp3杂化的氮原子；（3）第3非芳香环含有一个质子化、带正电的氮原子，便于第二药效团的拼合连接以及与胺能类受体的保守氨基酸D3.32通过盐桥互作锚定；连接第2环和第3环的C-N键由于氮原子的sp3-sp2杂化轨道的可逆转化特性使得多环骨架具备构象柔性（图3）。经过图3筛选流程，研究团队鉴别出10个满足以上特征的多环骨架，其中8个是三环骨架，2个为四环骨架。

图3 可变构多环骨架的筛选流程与化学结构特征

分子对接与结构解析验证结合模式

基于结构进行分子对接是筛选发掘新化学型分子的常用方法，然而过去通常是针对单一靶点进行超大规模的虚拟筛选。这种虚拟筛选方法无法预知最终靶标分子的功效活性。在得到10个可变构骨架的基础上，研究人员首先将其与第二药效团氟苯环通过丁酮基连接子连接，虚拟合成出10个完整化学分子。先后针对血清素2A受体抑制态结构（PDB ID: 7WC8）和血清素1A受体激活态结构（PDB ID: 7E2Z）进行分子对接，最后有7个完整化学分子可分别以“弯折向下”的姿态结合2A受体，以“舒展向上”的姿态结合1A受体（图4A-4D）。

研究人员选取了代表性的三环与四环骨架，化学合成了完整分子IHCH-7162与IHCH-7179。在细胞水平上进行的化学发光共振能量转移（BRET）实验表明：IHCH-7162与IHCH-7179均是血清素2A受体的拮抗剂、血清素1A受体的激动剂。由于IHCH-7179分子其血清素1A受体激动活性（G蛋白信号半效激活浓度，EC50=112.78 nM）与血清素2A受体抑制活性（G蛋白信号半效抑制浓度，IC50=232.41 nM）相当，对应地，在体内可以平衡调节这两类受体活性，研究人员于是选取IHCH-7179进行后续进一步验证（图4E-4I）。

图4 分子对接筛选与化学合成IHCH-7179分子

进一步的结构解析再次表明IHCH-7179在血清素2A受体中采取“弯折向下”的姿态结合，在血清素1A受体中以“舒展向上”的模式结合（图5）。

图5 结构解析证实IHCH-7179分子在血清素1A受体（A）与2A受体（B）中的两种结合姿态

临床前动物模型验证IHCH-7179药效活性

IHCH-7179分子的多靶点、多功效活性可能赋予其具有广泛的药效。为此，研究人员运用多种行为学模型测试IHCH-7179分子在治疗精神错乱和认知功能障碍方面的药效潜能。在小鼠精神错乱模型中，IHCH-7179展现出优异的抗精神病样症状的效果。首先，它能有效地抑制LSD诱发的小鼠摇头幻觉反应（HTR），小鼠摇头幻觉反应是一种常见的精神错乱症状。其次，IHCH-7179还能有效缓解LSD诱发的前脉冲抑制障碍（PPI），这是一种感觉运动控制障碍，常见于精神分裂症、强迫症和亨廷顿舞蹈症等病人。再者，在MK-801诱发的躁狂多动症状方面，IHCH-7179也表现出显著的改善作用（图6A-6C）。

在认知行为模型方面，水迷宫测试和新物体识别测试是常用的评估认知功能的行为学实验。IHCH-7179在这两个测试中都显示出了积极的药效活性，不仅能缓解MK-801诱发的空间导航和学习记忆障碍，还能有效逆转MK-801诱发的新物体识别障碍，进一步证明了针对5-HT1AR与5-HT2AR两类受体设计出的多靶点药物分子在认知功能方面的潜在疗效（图6D-6E）。最后，在APP/PS1早老性痴呆小鼠模型中， IHCH-7179能够部分改善认知症状，这对于治疗早老性痴呆具有重要意义。这些结果表明，IHCH-7179可能成为一种潜在的多靶点、多功效药物，具备用于治疗多种精神疾病和认知功能障碍的潜力。

图6 IHCH-7179在精神错乱与认知模型中表现出良好的药效活性

综上所述，该研究融合化学信息学、结构生物学、细胞功能学以及行为药理学等多学科技术手段，提出了一种巧妙的多靶点药物设计新方法（FSCA）：通过筛选具有可变构象特征的药效团骨架适配不同受体口袋产生多样化的结合模式，从而实现多靶点、多功效的药效活性。这一研究成果深化了人们对于复杂精神疾病药物治疗的药理认知，为未来开发更多、更有效针对复杂疾病的多靶点药物提供了重要的理论指导。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈章成博士、余竞助理研究员，上海科技大学iHuman研究所王欢副研究员、中国科学院上海药物所徐沛雨博士（现为MIT和Broad研究所博士后）为该论文的共同第一作者。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心汪胜研究员、上海科技大学iHuman研究所程建军研究员、中国科学院上海药物所徐华强研究员为论文通讯作者。此外，北京康迈迪森公司提供重要的计算资源支持，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心裴钢院士团队在APP/PS1早老性痴呆小鼠模型方面提供协助。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发项目、上海市自然科学基金、中国科学院青年促进会等资助。

参考文献

1. Roth, B.L., Sheffler, D.J., and Kroeze, W.K. (2004). Magic shotguns versus magic bullets: selectively non-selective drugs for mood disorders and schizophrenia. Nat Rev Drug Discov 3, 353-359. 10.1038/nrd1346.

2. Friedman, J.I. (2021). Pimavanserin in Dementia-Related Psychosis. N Engl J Med 385, 372-373. 10.1056/NEJMe2109010.

3. Meltzer, H.Y., Elkis, H., Vanover, K., Weiner, D.M., van Kammen, D.P., Peters, P., and Hacksell, U. (2012). Pimavanserin, a selective serotonin (5-HT)2A-inverse agonist, enhances the efficacy and safety of risperidone, 2mg/day, but does not enhance efficacy of haloperidol, 2mg/day: comparison with reference dose risperidone, 6mg/day. Schizophr Res 141, 144-152. 10.1016/j.schres.2012.07.029.

4. Ochi, S., Mori, T., Iga, J.I., and Ueno, S.I. (2021). 5-HT(1A) Partial Agonist Tandospirone for Behavioral and Psychological Symptoms in Oldest-old Patients with Dementia at a Special Elderly Nursing Home. Clin Psychopharmacol Neurosci 19, 514-520. 10.9758/cpn.2021.19.3.514.

5. Sumiyoshi, T., Matsui, M., Nohara, S., Yamashita, I., Kurachi, M., Sumiyoshi, C., Jayathilake, K., and Meltzer, H.Y. (2001). Enhancement of cognitive performance in schizophrenia by addition of tandospirone to neuroleptic treatment. Am J Psychiatry 158, 1722-1725. 10.1176/appi.ajp.158.10.1722.

原标题：《【前沿进展】Cell文章：汪胜组联合多团队提出多靶点、多功效药物设计新理念（FSCA）》

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