伊布替尼（粉红色）结合在布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）的ATP结合口袋中，丙烯酰胺弹头位于Cys481（黄色）附近。弹头与半胱氨酸硫醇形成的共价键是伊布替尼持续占据靶点的结构基础，也是仅凭血浆药代动力学无法预测其药理效应的关键原因。（PDB: 5P9J）[使用PyMOL制作]
自1899年阿司匹林首次获批以来，共价药物已成为一项变革性的医学进步。青霉素紧随其后，是人类历史上影响最深远的药物突破之一。
大约十年前至今，越来越多的新型共价药物获批用于各种疾病，为那些曾经被认为"不可成药"的疾病患者带来了希望。然而，开发共价药物也带来了独特的挑战，特别是处理其特殊的药代动力学特性。
共价药物的简要历史
早期共价药物的突破是偶然的，在上市前对其作用机制的理解甚少。例如，阿司匹林通过形成共价键抑制COX（环氧化酶）活性的机制，直到监管机构批准该药物70年后才被完全理解。青霉素的共价抑制机制也是在获批50多年后才被理解。
开发者最终认识到，共价药物通过与生物大分子（如酶或受体）形成共价键来使其失活。例如，青霉素通过与细菌转肽酶酶上的丝氨酸残基形成共价键来抑制细菌繁殖。
由于共价药物设计中使用的亲电化合物普遍被认为不安全，共价药物的研发曾一度停滞。早期研究表明，某些化学物质可被代谢成高度反应性的亲电物，无差别地与蛋白质、脂质甚至DNA结合，造成细胞损伤，在某些情况下导致癌症。
高调的毒性案例，如对乙酰氨基酚、溴苯和漆酚相关的毒性，强化了亲电物是药物开发"禁区"的看法。因此，药物开发转向了可逆的非共价药物，并在数十年内基本上避开了共价机制。
当前共价药物研发格局
如今，共价药物使用更新的、温和的亲电物，如使用丙烯酰胺和腈基作为"弹头"。这些亲电物的反应性低得多，已被证明安全且在临床上成功，打破了早期认为它们本质上是非选择性和不安全的观念。
这种转变突显了在药物发现过程中仔细调节弹头亲电性以降低化合物毒性的的重要性。例如，甜味剂蔗糖氯和药物硫芥都含有烷基氯。蔗糖氯作为食品甜味剂长期使用是安全的，而芥子气用作化学武器，由于其高反应性导致有害的烷基化。
这些低反应性弹头，特别是通过合理设计的靶向共价抑制剂（TCIs）的成功，推动了共价药物研发的蓬勃发展。迄今为止，已有110多种共价药物在多个治疗领域获批，包括青霉素（传染病）、奥美拉唑（胃肠道疾病）、特拉匹韦（HCV）、奥希替尼（肿瘤学）。
随着该领域的发展成熟，研究人员现在使用考虑其反应动力学和潜在脱靶效应的指标来评估共价药物，如kinact/Ki、GSH结合和TDI风险。然而，其独特机制仍然带来持续的药代动力学挑战。
应对共价药物独特的药代动力学特性
共价药物独特的共价结合机制导致其药代动力学特性与传统小分子药物不同。关键考虑因素包括蛋白质结合、清除机制、CYP450抑制以及PK/PD关系。
靶标蛋白以外的蛋白质结合
共价药物与靶标蛋白的结合对其治疗效果至关重要，但它们也可能与体内的其他蛋白质结合。这些脱靶相互作用可能影响分布、代谢和毒性。例如，共价药物可与人血清白蛋白（HSA）形成稳定的加合物，从而降低血浆中的游离药物浓度，并可能影响分布和清除。它们还可能与组织蛋白结合，包括肝脏中的蛋白，这可能影响代谢、滞留和潜在毒性。
对开发者的建议：高水平的结合并不一定与不良反应相关，因此药物开发者必须在归因毒性前区分靶标参与和脱靶反应性。需要仔细优化这些抑制剂的选择性和反应性，以减少毒性和脱靶效应。
共轭和蛋白加合物介导的清除机制
许多共价药物通过共轭途径被清除，特别是通过谷胱甘肽和半胱氨酸加合物形成，这代表了主要的代谢失活途径。例如，已获批用于FGFR2重排胆管癌的不可逆FGFR1-4抑制剂Futibatinib主要通过O-去甲基化和谷胱甘肽结合进行代谢。在14C-futibatinib的质量平衡研究中，主要循环代谢物是半胱氨酰甘氨酸结合物（约13% CRA），肝细胞研究表明还存在额外的GSH、半胱氨酸、葡萄糖醛酸和硫酸代谢物。
对开发者的建议：开发者应早期量化非酶和GST介导的反应性，对亲电物反应性进行排序，并使用重组GST亚型和肝细胞系统评估多态性相关风险。此外，共价药物可通过药物-蛋白加合物（如白蛋白结合物质）的分解和清除来消除，这可能占总药物排泄的很大一部分。
CYP450酶的时依性抑制（TDI）
研究表明，大多数共价药物对至少一种人CYP酶表现出时依性抑制（TDI）。例如，Moghaddam MF等人评估了十种共价药物在多个CYP亚型中的表现，发现大多数对至少一种酶表现出时依性抑制。这表明许多共价药物可能存在TDI风险。
对开发者的建议：早期动力学表征（KI, kinact）和机制建模有助于预测临床DDI风险，并指导结构优化或给药策略。
共价药物的PK/PD关系
对于传统小分子药物，必须将血液浓度维持在特定水平以维持药理效应。然而，共价药物与靶标蛋白结合后，会持续占据活性位点以发挥其作用。靶标活性的恢复期取决于合成新靶标蛋白所需的时间，与药物的血浆半衰期关联较小。
例如，对于不可逆BTK抑制剂CC-292，给药后24小时内血浆水平降至接近或低于定量下限，但靶标占据率在24小时内保持较高水平，并且仅随着BTK重新合成而下降。这说明了共价药物的PK和PD是解耦的，并表明优化血浆暴露度不如实现足够的初始靶标参与关键。
对开发者的建议：为应对这种关系带来的挑战，研究人员应关注Cmax驱动的快速靶标参与，并直接对靶标占据率建模，因为PD由靶标周转率而非药物半衰期决定。
结语
共价药物解决了现代治疗中一些最关键的医疗需求。为充分利用这一点，开发者必须了解其独特的药代动力学特性，并在整个开发和监管审查过程中有效应用这些知识。他们的共价药物项目必须展示出有目的、有选择性的化学设计，以及对安全性和暴露的机制理解。
随着技术进步，共价药物研发将继续加速。拥有设计、表征和建模这些独特机制的专业知识和经验的开发团队，将更好地定位以高效安全地将变革性疗法带给患者。
来源
- Moghaddam MF, Tang Y, O'Brien Z, Richardson SJ, Bacolod M, Chaturedi P, Apuy J, Kulkarni A. A proposed screening paradigm for discovery of covalent inhibitor drugs. Drug Metab Lett. 2014;8(1):19-30.
- Evans EK, Tester R, Aslanian S, Karp R, Sheets M, Labenski MT, Witowski SR, Lounsbury H, Chaturvedi P, Mazdiyasni H, Zhu Z, Nacht M, Freed MI, Petter RC, Dubrovskiy A, Singh J, Westlin WF. Inhibition of Btk with CC-292 provides early pharmacodynamic assessment of activity in mice and humans. J Pharmacol Exp Ther. 2013 Aug;346(2):219-28.
作者简介
作者：郑启干博士，药明康德DMPK部门高级研究总监
简要简介：郑启干博士目前是药明康德DMPK部门的高级研究总监。他在药物发现和开发领域拥有超过10年的研究经验，在临床前药代动力学领域拥有6年的研究经验。他已成功支持全球30多种新药的IND申请。
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