藥物重定位在新藥研發(fā)中的研究進展

張微，谷峰，付義凱，劉迎春

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院上海獸醫(yī)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部獸用化學(xué)藥物及制劑學(xué)重點實驗室，上海 200241)

盡管現(xiàn)在制藥公司對新藥研發(fā)的投入大幅增加，但是推向市場的新藥數(shù)量卻有所下降，主要是由于新藥開發(fā)困難，耗費時間久，并且需要面臨高成本和高風(fēng)險，這使得很多制藥公司望而卻步。在這種情況下，一個新思路——藥物重定位(drug repositioning)引起了大家的廣泛關(guān)注，并且成為藥物發(fā)現(xiàn)的重要途徑。藥物重定位又稱為“老藥新用”是指已批準(zhǔn)上市的藥物發(fā)現(xiàn)其新的適應(yīng)癥或新用途，主要針對正處于臨床研究階段或已批準(zhǔn)上市的藥物[1]。在通常情況下，新藥的研發(fā)從確定思路到藥物獲得批準(zhǔn)上市需要15～20年，且成功率低，風(fēng)險也高[2]；而藥物重定位只需3～15年，安全性顯著提高，研究中出現(xiàn)的不確定性減小，使得研發(fā)的時間縮短、風(fēng)險也顯著降低[3]。此外，重定位藥物的臨床前、藥代動力學(xué)、藥效學(xué)和毒性等相關(guān)數(shù)據(jù)可查詢，這樣使得研發(fā)的藥物可以迅速轉(zhuǎn)化為臨床研究的后期階段，從而降低開發(fā)成本，以此獲得更好的投資回報。

1 新藥開發(fā)的過程

藥物研發(fā)從思路確定到獲批上市需要經(jīng)歷以下幾個過程：首先為研發(fā)篩選階段，其中包括市場調(diào)查、專利調(diào)查等；其次為臨床前研究；再次為臨床階段；最后為新藥獲批上市(見圖1)[4]。

圖1 新藥開發(fā)過程圖

2 藥物重定位的途徑

藥物重定位的生物學(xué)依據(jù)為一個藥物對應(yīng)兩個及以上的作用靶位(一藥多靶)和一個靶位對應(yīng)兩個及以上的疾病治療(一靶多治)[5～6]。目前，藥物重定位研究的主要方法有兩類，一是高通量和高內(nèi)涵篩選，二是基于計算機的虛擬篩選和生物計算；而其中以藥物為中心的重定位研究所建立起來的高通量篩選技術(shù)需要購置專門的儀器設(shè)備，開發(fā)和購買特定的試劑盒，開展專門的數(shù)據(jù)分析和挖掘工作，還需投入大量專業(yè)技術(shù)人員，這就需要投入較高的成本并且只能對較少的藥物進行篩選，篩選結(jié)果也會受到藥物的化學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性等因素的影響[7～8]。根據(jù)研究策略的不同，可以將基于計算機的藥物重定位研究方法分為三類：一是基于小分子(或配體)特征，即針對特定的藥物或化合物，預(yù)測新的潛在靶點或藥物-靶點相互作用；二是基于藥物靶點(核酸、蛋白、酶、離子通道和受體等)的特征，即針對某一特定靶點而預(yù)測新藥、目標(biāo)化合物或藥物-靶點相互作用[7]；三是基于表型的特征，即通過藥物-靶點網(wǎng)絡(luò)預(yù)測藥物-靶點相互作用[9-10]。

2.1 基于小分子(或配體)技術(shù)

相似性結(jié)構(gòu)搜索和定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure - activity relationship，QSAR)是基于小分子(或配體)的藥物重定位研究方法主要內(nèi)容。相似結(jié)構(gòu)搜索是指通過計算機大數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)具有相似結(jié)構(gòu)分子可結(jié)合到同一靶點位置，并推測這些配體具有相似的生物學(xué)功能和藥理作用，同時該方法用于搜索不同生物大分子的藥物可能具有相似的生物結(jié)構(gòu)域，并且有相似的作用靶點，可用于預(yù)測一些藥物的未知靶點[11]。

定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)是指根據(jù)已有藥物的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過計算機的模擬研究定量得到有機分子和生物大分子之間相互作用、藥物在生物體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄等生理相關(guān)性質(zhì)的方法[12]。定量構(gòu)效關(guān)系通常被用于藥物的研發(fā)，并在分子信息與生物活性以及其他理化特性相關(guān)聯(lián)方面具有廣泛應(yīng)用[13]。

2.2 基于藥物靶點的技術(shù)

基于藥物靶點的重定位技術(shù)主要是指針對某一特定藥物靶點來預(yù)測新藥或目標(biāo)化合物，該方法可用于藥物-靶點親和力預(yù)測、藥物-靶點相互作用預(yù)測等[14]。使用此技術(shù)對目前已知其生物活性但作用機制不清楚的候選藥物可以預(yù)測其存在的潛在靶點；但對于作用機制已經(jīng)明確的藥物可通過反向?qū)犹剿魉幬锏拇渭壈悬c，將其用于藥物重定位，也稱為反向分子對接技術(shù)[15]。

2.3 基于網(wǎng)絡(luò)或表型的技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)或表型研究技術(shù)的基礎(chǔ)是一藥多靶、一靶多藥或多個藥物-靶點相互作用可形成網(wǎng)絡(luò)的理論，這種生物學(xué)現(xiàn)象最直接的證據(jù)就是通過藥物-靶點的聯(lián)系，經(jīng)定量分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)藥物或靶點呈現(xiàn)出多樣性，即一個藥物對應(yīng)多個靶點，且一個靶點又對應(yīng)多個藥物[14]?；趶?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)理論，已有高級推理算法應(yīng)用于藥物重定位研究[16-17]。

基于藥物作用相似性推理，推斷藥物是否共用一個靶點，并且闡明新的藥物-靶點相互作用[18]。

基于靶點相似性推理，一般采用以下策略: 一是對基因表達(dá)譜相似性的擾動，二是對基因表達(dá)標(biāo)簽相似性的擾動，兩種方法均需要首先獲得待研究藥物的基因表達(dá)譜[19]。

基于藥物網(wǎng)絡(luò)相似性，主要依靠藥物-靶點結(jié)合的拓?fù)鋵W(xué)相似性來探知藥物的新的靶位點[20]。

綜合運用以上三種推理方法來進行藥物重定位研究，能夠提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，但也存在缺點，在使用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)篩選內(nèi)容做出合理安排。

3 適用于重定位的藥物

在目前所熟知的藥物產(chǎn)品概念中，藥物產(chǎn)品包括的范圍很廣，在各國各地藥品管理局登記的處方藥以及非處方藥，不同廠家生產(chǎn)的同一類或同一種藥物，或同一廠家生產(chǎn)的同一種藥物的不同劑型以及不同的包裝都被認(rèn)為是不同的藥物產(chǎn)品。目前能夠查閱到的在美國FDA登記的藥物產(chǎn)品就已經(jīng)超過了10萬種。而人們通常說的“藥物”主要是指由藥品管理局批準(zhǔn)的含有一種或多種活性藥物成分的處方藥或非處方藥，根據(jù)這個要求能查詢到的藥物約2.5萬種，其中被美國FDA批準(zhǔn)的藥物約1萬種[21]?！盎钚运幱贸煞帧?active pharmaceutical ingredient，API)，又叫做“原料藥”，通常指由化學(xué)合成、植物中提取或生物技術(shù)所制備得到，無法直接服用的物質(zhì)，需要再經(jīng)過添加輔料、加工，才可直接使用的藥物[22]。據(jù)統(tǒng)計，全球API約1萬個，其中FDA批準(zhǔn)使用的超過了5 000個[23]?；瘜W(xué)實體(chemical entity，CE)，是指化學(xué)骨架獨特的物質(zhì)，即結(jié)構(gòu)與已知所有其他物質(zhì)的結(jié)構(gòu)都不同的分子，據(jù)統(tǒng)計，分子實體超過了4 000個，其中FDA批準(zhǔn)的達(dá)2 500個[24]。

高通量篩選是目前比較高效和快速評價藥物活性和毒性的方法，但其使用時存在部分缺點，所以在考慮應(yīng)用高通量研究方法評價藥物對新適應(yīng)證的活性時，應(yīng)針對化學(xué)實體，且這些化學(xué)實體還應(yīng)滿足以下幾個要求：一是能溶解于水或 DMSO，二是常溫下可以長時間穩(wěn)定保存，三是為體內(nèi)活性形式。符合上述要求的CE約2 800個，其中FDA批準(zhǔn)的約1 850個[24]。

以上FDA批準(zhǔn)的藥物均可以用于進行藥物重定位篩選，但在進行篩選時應(yīng)考慮使用哪種篩選方法。

4 藥物重定位的應(yīng)用

就目前來說，被美國FDA批準(zhǔn)上市的重定位藥物有一百多種，且很多重定位藥物在新適應(yīng)癥上表現(xiàn)良好。

4.1 重定位抗菌藥

隨著抗生素的大量使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的細(xì)菌耐藥性，超級細(xì)菌的出現(xiàn)也給抗生素濫用敲響了警鐘，細(xì)菌對傳統(tǒng)抗生素的耐藥性是當(dāng)今世界衛(wèi)生面臨的最嚴(yán)重問題之一。解決這種需求的有效方法是研發(fā)出新的具有抗菌能力的藥物。在過去幾年中，新的抗菌藥物在人類醫(yī)學(xué)中的發(fā)展速度大大減慢，在獸醫(yī)學(xué)中這種緩慢情況更為嚴(yán)重[25]，而“老藥新用”或又被稱作藥物重定位的想法為解決抗菌藥物的耐藥性提供了一種新的思路和方法。

雙硫侖是一種戒酒藥物，Thakare等[26]發(fā)現(xiàn)此藥可用于抑制金黃色葡萄球菌感染，通過體內(nèi)、外抑菌試驗發(fā)現(xiàn)，雙硫侖無論單獨使用還是與其他抗菌藥物聯(lián)合用藥，都能達(dá)到良好的抗菌效果。

布洛芬屬于解熱鎮(zhèn)痛類，非甾體抗炎藥，布洛芬作用于金黃色葡萄球菌(CECT 976)后，導(dǎo)致金黃色葡萄球菌細(xì)胞對碘化丙啶的滲透、細(xì)胞內(nèi)鉀的釋放及細(xì)胞表面疏水性的變化，最終抑制其游離生長和固著生長[27]。

依布硒對臨床分離的耐多藥金黃色葡萄球菌，包括耐甲氧西林和萬古霉素的金黃色葡萄球菌(MRSA和VRSA)表現(xiàn)出強大的殺菌活性，同時也證明了依布硒通過抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)合成，進而抑制MRSA中的毒素產(chǎn)生[28]。

通過藥物重定位將一些藥物應(yīng)用于治療新的疾病，在臨床已經(jīng)有很多成功的例子說明此種方法在發(fā)現(xiàn)新型抗菌藥物中具有很好的應(yīng)用前景。

4.2 重定位抗病毒藥物

N-乙酰半胱氨酸(NAC)是一種臨床上用于治療對乙酰氨基酚毒性的藥物，Martina等[29]研究人員發(fā)現(xiàn)，NAC能使登革熱病毒(DENV)引起的肝損傷患者受益。使用HepG2細(xì)胞進行添加試驗闡明，NAC在感染前、感染中和感染后能有效減少感染性病毒體；并且在DENV感染的小鼠中，NAC改善了DENV相關(guān)的臨床表現(xiàn)，包括白細(xì)胞減少癥和血小板減少癥，減少了肝損傷和肝細(xì)胞凋亡[30]。另外也有報道稱，奎寧是一種抗瘧疾藥，具有明顯的抗DENV活性，將其與未處理的對照組相比，奎寧能抑制DENV產(chǎn)生的毒素，大約80%；此外奎寧能抑制4種血清型DENV的毒素產(chǎn)生，這對開發(fā)奎寧針對DENV的抗病毒活性具有適用性[31]。

目前，F(xiàn)DA未批準(zhǔn)有用于治療裂谷熱病毒(RVFV)感染的療法，為了將藥物重新用于RVFV治療，Caroline等[32]對FDA批準(zhǔn)的藥物庫進行了篩選，并確定了其抑制RVFV的能力；從中發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞和腎細(xì)胞癌藥物——索拉菲尼是最有效的抑制劑，并且安全無毒，其以細(xì)胞類型和病毒株獨立的方式顯示出對RVFV的抑制作用，作用機理研究表明索拉菲尼靶向病毒感染周期的至少存在兩個階段，即RNA合成和病毒釋放[33]。

目前，藥物重定位方法已經(jīng)鑒別出許多用于其他疾病的舊有藥物具有抗病毒活性，并有可能用于臨床治療。

4.3 重定位抗腫瘤抗癌藥物

在癌癥中，最典型的重定位藥物為——沙利度胺，它是一種谷氨酸衍生物，因在使用過程中發(fā)現(xiàn)其存在致畸作用而被禁用，但隨后發(fā)現(xiàn)沙利度胺對麻風(fēng)結(jié)節(jié)性紅斑患者有快速的療效及抗炎作用，1998年被FDA批準(zhǔn)治療麻風(fēng)結(jié)節(jié)性紅斑[34]。另有研究表明，沙利度胺為腫瘤壞死因子的抑制劑，治療多發(fā)性骨髓瘤有良好療效，與其他藥物聯(lián)合治療惡性黑色素瘤、Kaposi’s肉瘤、腎癌、急性髓性白血病以及前列腺癌效果顯著，2006年FDA批準(zhǔn)沙利度胺能聯(lián)合地塞米松能夠治療多發(fā)性骨髓瘤[35]。

雙硫侖在1951年被FDA批準(zhǔn)為第一種治療酒精依賴的藥物；自20世紀(jì)80年代以來，研究人員注意到雙硫侖的腫瘤抑制作用[36]，并且在過去的30年中，越來越多的證據(jù)表明雙硫侖在體外和體內(nèi)治療各種人類癌癥方面具有巨大潛力[37]。目前銀離子和銀絡(luò)合物已被證明在體外具有出色的抗癌活性[38]；而最近，科學(xué)家報道了銀離子和雙硫侖的結(jié)合可以主要通過抑制蛋白酶體功能來誘導(dǎo)增強的抗癌活性[39]。

阿司匹林為解熱鎮(zhèn)痛藥類中的非甾體抗炎藥，主要用于類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的治療，但其作為環(huán)氧酶(cyclo-oxygenase，COX)的抑制劑，對COX-1有較強的親和力，在乳腺癌、腦癌、胃腸癌、食管癌、胰腺癌、前列腺癌、肺癌等癌癥中，通過COX依賴性途徑及其他途徑(如上調(diào)腫瘤抑制基因、下調(diào)抗凋亡基因)對上述癌癥產(chǎn)生抗癌活性[40]。

在以后的研究中，重定位藥物對相關(guān)癌癥的作用會引起更多學(xué)者的關(guān)注，雖然將重定位藥物用于癌癥治療存在利弊，但其依舊擁有光明的未來。

4.4 其他

Boyapally等[41]報告了尼洛沙胺的重新用途，它是一種抗蠕蟲藥，目前用于治療肺部疾病——肺纖維化(PF)；該研究表明，尼洛沙胺存在多種抗纖維化作用的潛力，包括上皮到間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的阻滯以及抑制細(xì)胞外基質(zhì)的沉積，血小板衍生生長因子(PDGF)表達(dá)的下調(diào)，這為成功開發(fā)PF治療候選藥物提供了研究空間[42～43]。

Spitzer等[45]采用聯(lián)合亞濃度的氟康唑?qū)Σ煌婢≡w進行篩選，篩選出抗抑郁類藥物——舍曲林[44]；這種殺菌劑組合對所有測試物種均有效，包括臨床分離出的耐藥念珠菌，及蠟螟體內(nèi)的新生隱球菌感染。事實表明，舍曲林聯(lián)合亞濃度的氟康唑能夠跨過血腦屏障作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)受體，從而治療真菌性腦膜炎。

以阿司匹林和布洛芬為代表的解熱鎮(zhèn)痛類非甾體抗炎藥，有研究證實阿司匹林對白色念球菌有抗生物膜活性作用，并且在單獨使用阿司匹林，以及阿司匹林聯(lián)合傳統(tǒng)抗真菌藥物時都能觀察到[46]。此外，布洛芬對念珠菌有很好的抗真菌活性，特別是與氟康唑合用時[47]。研究還發(fā)現(xiàn)，布洛芬能逆轉(zhuǎn)某些臨床分離的念珠菌株與外排活性相關(guān)的耐藥性[48]。

5 總結(jié)與展望

藥物在臨床使用過程中需要關(guān)注安全性、有效性以及不良反應(yīng)等，其中安全性和有效性是評價藥物的關(guān)鍵點。已上市的藥物因其人體安全性明確而使得老藥新用的研究周期縮短且成功率提高。藥物重定位的關(guān)鍵是深入了解疾病的病因和病理、藥物的作用靶點和作用機制，將已上市藥物和新適應(yīng)證相聯(lián)系，從而提供更多更好的用藥選擇。

現(xiàn)存已知藥物的數(shù)量可以為藥物重定位提供充足的來源。而相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，為藥物重定位提供了新的思路與方向，同時也驅(qū)動了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。多年來，生物和化學(xué)信息以前所未有的速度發(fā)展，標(biāo)志著人類進入了“大數(shù)據(jù)”時代，同時也提供了將藥物與疾病聯(lián)系起來的新機會。而藥物重定位的研究就是將已知疾病和藥物的靶點、途徑和配體的所有信息全部整合起來。考慮到獲得實驗和臨床數(shù)據(jù)的條件和條件的可變性，這項任務(wù)極具挑戰(zhàn)性；但藥物重新定位策略開辟了新的機遇，它最終能引領(lǐng)我們開發(fā)出更安全有效的藥物。