药物设计

冷冻电镜（cryo-EM）解析了一种帮助调节血压的蛋白质，即血管紧张素转换酶（ACE）的详细结构。这些结构提供了迄今为止对ACE的最全面的看法，将有助于改善心脏病的药物设计。这项工作是由开普敦大学（UCT）的研究人员与英国同步辐射光源"DIAMOND"的电子生物成像中心（eBIC）合作完成的。研究人员在《EMBO Journal》上发表了他们的研究结果（"冷冻电镜揭示了血管紧张素I转化酶的异构化和二聚化机制"）。ACE会产生激素血管紧张素II，使血管收缩并提高血压。高血压是心脏病和中风的主要风险因素。与以前的方法相比，冷冻电镜使研究人员能够在更多的功能相关状态下观察到ACE。他们的工作为其生物功能和潜在的药物结合特性提供了关键性的见解。ACE蛋白的一个副本（即单体形式）是由两个结构相似但功能不同的结构域连接而成的。二聚体化（即两个ACE单体的相互作用）发生在一个小的表面空腔附近，改变了对ACE功能至关重要的核心氨基酸的构象。研究人员提出，这种二聚体化可能像一个 "关闭开关"，触发蛋白质核心的变化，并可能抑制它。如果能设计出一种类似药物的分子在腔内结合并引起同样的效果，它就能提供一种新的手段来使该酶失活。目前，许多ACE抑制剂在临床上可用于治疗高血压。但这些抑制剂非选择性地针对两个ACE结构域，并因此会在一些患者中引发副作用。开普敦大学教授、该研究的主要研究者Edward Sturrock博士解释说:“了解这些新发现的ACE结构和动态至关重要，这可能针对结构域选择性抑制剂的设计提供新的结合位点，进而规避副作用。”ACE蛋白在Sturrock的实验室生产，在UCT的电子显微镜单元（EMU）进行成像前的准备，并在之后转运到eBIC，在Titan Krios上进行冷冻电镜成像。图像处理在南非的CSIR高性能计算中心（CHPC）和EMU进行。“即使有高分辨率的成像，ACE的独特形状、小分子量和高度动态等特征也带来了许多挑战。"该研究的共同作者之一Jeremy Woodward博士解释道。该研究的第一作者Lizelle Lubbe博士解释说："最近开发的冷冻电镜图像处理方法对解析这些结构至关重要。"我们必须通过广泛的分类来计算分离图像，这一过程相当于' 数字纯化' ，因为生化方法无法分离ACE的单体和二聚体形式。然后，我们可以将三维细化的重点依次放在结构的不同部分，从而解析这两种ACE结构"。该研究的发现独特地揭示了ACE的高度动态特征，以及其不同结构域之间发生二聚体化和交流的机制--这可能启发治疗心脏病的新药。DIAMOND科学组组长克里斯-尼克林博士说：“我们对非洲的杰出科学家团队利用eBIC先进的冷冻电镜取得的这项研究结果感到高兴。世界迫切需要针对致命的心脏病和其他慢性健康状况的可持续解决方案。我们非常高兴的是，这项研究的结构见解可以为改进抗高血压药物设计铺平道路。”相关文献：Cryo-EM Structures of a Key Hypertension Protein to Aid Drug DesignCryo-EM揭示了血管紧张素I转化酶的异构化和二聚化的机制高血压（高血压）是心血管疾病的一个主要风险因素，而心血管疾病是全世界死亡的主要原因。血管紧张素I转化酶（sACE）的体细胞异构体在血压调节中起着关键作用，因此ACE抑制剂被广泛用于治疗高血压和心血管疾病。我们目前对sACE结构、动力学、功能和抑制作用的理解是有限的，因为截短的、最小的糖基化形式的sACE通常被用于X射线晶体学和分子动力学模拟。在这里，我们首次报告了全长的、糖基化的、可溶性的sACE（sACES1211）的冷冻电镜结构。这个高度灵活的apo酶的单体和二聚体形式都是由一个数据集重建的。单体sACES1211的N端和C端结构分别在3.7和4.1Å被解析，而负责二聚体形成的相互作用的N端结构则在3.8Å被解析。此外，观察到两个结构域都处于开放构象，这对设计sACE调节剂有意义。参考资料："Cryo-EM reveals mechanisms of angiotensin I-converting enzyme allostery and dimerization"

本期山东大学药学院展鹏教授将分享精准药物设计策略浅析，以飨读者。“精准医疗”是以个体化医学概念为基础、与基因组深度测序技术、生物信息、大数据科学和其它医学前沿技术的交叉应用而发展起来的新型医学概念与医疗模式[1-3]。分子靶向药物，即精准药物设计，是实现“精准医疗”的物质基础（图1）。在分子靶向药物设计领域，首先要确证可用于治疗的药敏调控蛋白，然后通过结构生物学解析靶点三维结构，运用虚拟筛选、全新药物设计等基于结构的计算机辅助药物设计技术发现对靶蛋白具有亲和力的配体，进而通过初步的生物活性筛选进行确证；然后对苗头化合物进行结构优化及成药性评价发现具有临床开发前景的候选药物；在临床研究中，评价候选药物对对一种疾病不同状态和过程（疾病分型）、靶点家族不同亚型的效力，为最终实现疾病和特定患者的个性化精准治疗，进而为提高疾病预防与诊疗的效益奠定基础。目前精准药物设计策略主要分为六类：基于靶标结构的精准药物设计、基于靶标模板诱导型动态组合化学的配体“精准”组装、靶标-配体“精准”相互作用、精准“制导”化学合成（以C-H键功能化）、基于靶向递送前药策略的精准药物设计、精准药物设计的化学生物学基础——分子探针研究。图1 “精准医疗”与其相关学科的关系图示基于靶标结构的精准药物设计主要着眼于以下目的：提高靶点的亲和力、亚型选择性及化合物的抗耐药性。这种策略主要是针对蛋白靶标的结构，进行小分子抑制剂的设计和优化。基于靶标模板诱导型动态组合化学的配体“精准”组装开辟了使用相对较小的库组装很多的物质的途径，而不必单独合成每一个物质。它是发现具有高亲和力与特异性、具有亚型选择性或抗耐药性药物活性先导物的新策略[4-7]。靶标-配体“精准”相互作用既可用于提高化合物和靶标间的结合力，也可用于优化ADME/T性质。但靶标蛋白的结构是动态变化的，且药物-靶标之间的作用是十分复杂又相互影响的，需精确计算药物-靶标间的作用力。精准“制导”化学合成——以C-H键功能化为例，C-H键选择性活化常被用来构建和扩展分子骨架，或对复杂大型分子进行简洁明确的后期修饰，迅速讨论构效关系，或特异性地阻断代谢位点。基于靶向递送前药策略的精准药物设计可改善药物理化性质、增强化学及代谢稳定性、延长作用时间、提高生物利用度、增强血脑屏障渗透性以及减轻不良反应。精准药物设计的化学生物学以化学探针为“精准制导”的前哨“侦察兵”，从分子水平阐明重要靶标生物学功能的表型和作用机制，其研究手段为创新药物研究提供潜在新靶标以及针对新靶标发展活性分子，最终为相关药物“精准”设计与疾病“精准”诊疗带来突破。总之，“精准医疗”计划的实施将对药物发现领域产生深刻的影响，通过医药学多学科交叉合作，将大大促进基础研究的成果转化为疾病预防和诊疗的实际应用；同时从临床应用中提出新的科学问题回到药学基础研究，为精准药物设计提出新的研究思路和科学问题。参考文献[1] 何明燕 (He M Y)，夏景林 (Xia J L)，王向东 (Wang X D) 世界临床药物（World Clinical Drugs)，2015，(06)：418.[2] Collins F S，Varmus H. N. Engl. J. Med.，2015，372(9)：793.[3] 汤立达（Tang L D），徐为人(Xu W R). 现代药物与临床(Drugs & Clinic )，2015，4：351.[4] Hu X，Manetsch R. Chem. Soc. Rev.，2010，39(4)：1316.[5] Mamidyala S K ，Finn M G . Chem. Soc. Rev.，2010，39：1252.[6] Sharpless K B ，Manetsch R . Expert. Opin. Drug. Discov. ， 2006，1：525.[7] Corbett P T，Leclaire J，Vial L，West K R，Wietor J L，Sanders J K，Otto S. Chem. Rev. 2006，106：3652.作者简介：山东大学药学院药化所 展鹏教授展鹏，山东大学药学院教授，博士生导师，齐鲁青年学者，山东省杰出青年基金获得者。2005年、2008年、2010年于山东大学分别获学士学位、 硕士学位、博士学位。2012/11 - 2014/11，日本学术振兴会外国人特别研究员，国家留学基金委公派访问学者。从事抗病毒、抗痛风创新药物研究，研究方向包括基于合理药物设计与表型筛选的抗病毒创新药物研究（艾滋病、乙肝、流感、冠状病毒感染等）；基于药效团及作用机制的抗痛风创新药物研究；类药性化合物库构建与高效筛选方法研究。先后主持国家自然科学基金面上项目、山东省重大科技创新工程等项目10余项。以第一作者或通讯作者在Chem Soc Rev、J Med Chem、Elife、Acta Pharmaceutica Sinica B、Drug Discov Today、Med Res Rev、ACS Med Chem Lett、Eur J Med Chem等专业期刊发表SCI文章150余篇。共申请40余项国家发明专利（前三位），获得授权30项，第一完成人10余项。国际专利（PCT）3项。主编专著《基于靶标的抗艾滋病药物研究》、《Antiviral Drug Discovery and Development》，副主编教材1部，参编中英文专著3部。受邀在全国学术会议报告10余次，获“中国药物化学学术会议”优秀青年报告奖（2019）。获2016年中国药学会-施维雅青年药物化学奖、教育部全国百篇优博论文提名(2012)、山东高等学校优秀科研成果奖一等奖（2016）。入选World’s Top 2% Scientists 2020榜单。专家约稿招募：若您有生命科学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通邮箱：liuld@instrument.com.cn微信/电话：13683372576扫码关注【3i生仪社】，解锁生命科学行业资讯！

在昨日浦江创新论坛全体大会上，军事科学院研究员、中国科协副主席、中国工程院院士陈薇表示，正在申请雾化吸入式新冠疫苗紧急使用。吸入式新冠疫苗的研发初衷是什么？对于吸入药物的设计，粒度扮演了什么样的角色？一、吸入式新冠疫苗 vs 注射式新冠疫苗据陈院士介绍，吸入式新冠疫苗可以：强化免疫状态注射式新冠疫苗形成的体液免疫、细胞免疫，吸入式新冠疫苗还可形成黏膜免疫，这三重免疫是最理想的状态。减少药物剂量雾化吸入式疫苗只需针剂疫苗的五分之一的剂量。解决包装问题注射式新冠疫苗需要一瓶一瓶装，而雾化吸入式疫苗就可以解决目前疫苗瓶子的瓶颈问题。 二、吸入式新冠疫苗是如何作用的呢？雾化吸入治疗，是应用特制的吸入装置将药物以及溶剂，雾化成液体的微滴，吸入并沉积于各级气管、支气管、肺泡中，从而激发黏膜免疫。这种免疫是通过肌肉注射所不能带来的。通常，通过肌肉注射的新冠疫苗只能诱导体液免疫和细胞免疫。此外，使用雾化吸入方式免疫是无痛的，且拥有更高的可及性。该治疗方法是一种方便的局部给药的方式，与其他全身给药方式相比，药物以微滴的形式输送至呼吸道，具有副作用小，起效迅速等优势。 三、雾化吸入药物的粒度设计要求雾化吸入治疗，药物在肺部沉积的区域主要取决于吸入气雾剂中颗粒（液滴）的空气动力学粒径分布。颗粒的粒径分布须能达到设计要求，从而使药物能有效地沉积在肺部的目标靶位。一般认为粒径 0.5 -7μm的药物微粒才能到达肺部发挥药效，其中大多数应在 5μm 以下，以确保药物能有效沉积到肺部起效。如下图：目前吸入制剂粒径分布测量方法主要有多级撞击器和激光衍射法两种。因激光衍射法具有测量速度快、粒级分级多，且实验操作简便等优势，是雾化吸入制剂研发和生产过程中进行快速的装置筛选、处方研究和质量控制的理想方法。四、雾化颗粒的粒度表征技术 德国新帕泰克 HELOS & INHALER 激光衍射粒度仪，专门针对干粉吸入剂DPI、定量吸入气雾剂MDI、雾化吸入溶液Nebulizer、柔雾剂Soft mist和喷雾器分析开发的粒径分析仪。能够实现在 0.25 - 1750μm 范围内的粒度测量。 采用新帕泰克专业的人工喉管以及泵系统完美连接，确保吸入测试条件符合要求，并且通过适配器可与各种不同的吸入装置适配，广泛应用于气雾剂装置的开发与评估、处方研究的粒度分析等。HELOS & INHALER 气雾激光粒度仪