諾獎成果“點(diǎn)擊化學(xué)”在ADC及PROTAC領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用
藥物化學(xué)專業(yè)，特別是手性藥物研發(fā)專業(yè)的學(xué)生或從業(yè)者，對于Sharpless是非常熟悉的。近年來，化學(xué)領(lǐng)域的獎項(xiàng)也更多的頒發(fā)給生物及醫(yī)藥領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，從手性催化反應(yīng)到不對稱催化氫化再到今年的點(diǎn)擊化學(xué)，讓自己更加自豪于當(dāng)時所選擇的專業(yè)。從理念到實(shí)際應(yīng)用，走過了漫長的歲月，也更加珍視能夠得到應(yīng)用的科學(xué)理論。在強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新卻又無比浮躁的時代背景下，珍惜你曾一直珍視的東西，時代校正的陣痛期，你感受到的痛苦越少，說明你既往與舊有時代的交集越少，在未來的時代才更容易輕裝簡行。
——2022年諾貝爾化學(xué)獎——
2022年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，美國科學(xué)家卡羅琳·貝爾托西 (Carolyn R. Bertozzi)、丹麥科學(xué)家摩頓·P·梅爾達(dá)爾 (Morten P. Meldal)、美國科學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯（K. Barry Sharpless）榮膺2022年諾貝爾化學(xué)獎，以表彰他們在點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。值得一提的是，K. Barry Sharpless曾于2001年獲得過諾貝爾化學(xué)獎（表彰其在手性催化氧化反應(yīng)方面的貢獻(xiàn)），時隔21年后再次獲得諾獎，實(shí)屬難能可貴。
圖1. 2022年諾貝爾化學(xué)獎得主
——點(diǎn)擊化學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用——
點(diǎn)擊化學(xué)（Click chemistry）是2001年美國諾貝爾化學(xué)獎獲得者貝瑞.夏普利斯（K.Barry Sharpless）等提出的一系列反應(yīng)，其核心是開辟一整套以含雜原子鏈接單元C-X-C為基礎(chǔ)的組合化學(xué)新方法，用少量簡單可靠和高選擇性的化學(xué)轉(zhuǎn)變來獲得更廣泛的分子多樣性。而生物正交“點(diǎn)擊”化學(xué)可以在不干擾正常生命活動的情況下在生命系統(tǒng)中進(jìn)行。
圖2. 點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)漫圖
簡單說來，點(diǎn)擊化學(xué)的原理是在一定環(huán)境條件下，一對功能性基團(tuán)彼此快速、有選擇性地相互反應(yīng)。即兩個相兼容的具有點(diǎn)擊功能基團(tuán)A和B被激活，被激活的兩個分子形成穩(wěn)定的偶聯(lián)體。
圖3. 點(diǎn)擊化學(xué)的原理示意
基于其能夠有效將兩個功能性基團(tuán)連接在一起的功能，點(diǎn)擊化學(xué)也開始在藥物研發(fā)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，近年來火熱的抗體-藥物偶聯(lián)物(ADC)領(lǐng)域，也有點(diǎn)擊化學(xué)的身影。在還處于概念，尚未形成成果的同樣火熱的PRO TAC領(lǐng)域，也有點(diǎn)擊化學(xué)應(yīng)用的空間。
——點(diǎn)擊化學(xué)與ADC——
在過去的二十多年中，生物無機(jī)化學(xué)家和藥物化學(xué)家越來越多地使用點(diǎn)擊化學(xué)，用于開發(fā)靶向藥物，如ADC。
圖4.?生物正交化學(xué)示意
Carolyn Bertozzi開發(fā)的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在疊氮化物和炔烴之間（上圖展示的是一種環(huán)辛炔）組分，由于這些基團(tuán)在生物分子中是不存在的，它使其他化學(xué)基團(tuán)能夠保持不變的狀態(tài)下，可以用于活細(xì)胞。
圖5. 采用生物正交化學(xué)的ADC臨床研究
通過點(diǎn)擊化學(xué)切割的 ADC 擴(kuò)大了使用范圍，能夠?qū)δ[瘤微環(huán)境中的藥物釋放進(jìn)行普遍和直接的時間控制。這將允許更均勻的藥物遞送，從而潛在地提高異質(zhì)或穿透性差的腫瘤的治療效果。目前都處于較為早期的臨床試驗(yàn)階段，真正在臨床上得到應(yīng)用，還需要很長的路要走。
——點(diǎn)擊化學(xué)與PROTAC——
人體的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasomesystem, UPS）是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要途徑，參與細(xì)胞內(nèi)80%以上蛋白質(zhì)的降解。簡單來說，這個過程就像是細(xì)胞將不用的文件（異常蛋白質(zhì)）交給秘書（E3酶）蓋上作廢章（泛素化），扔到碎紙機(jī)里（蛋白酶體）。UPS是細(xì)胞內(nèi)一系列生命進(jìn)程的重要調(diào)節(jié)方式,與疾病的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。三位杰出的科學(xué)家也因?yàn)橛嘘P(guān)泛素的研究而獲得了2004年諾貝爾化學(xué)獎。
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圖6.?2004年諾貝爾化學(xué)獎得主
所謂的PROTAC，全稱為靶向誘導(dǎo)蛋白降解聯(lián)合體（Proteolysis TargetingChimeras），說白了，如下圖所示，PROTAC能夠與目標(biāo)靶蛋白（POI）和E3連接酶結(jié)合形成三元復(fù)合物。在體內(nèi)可以將靶蛋白和E3酶拉近，使靶蛋白被打上泛素標(biāo)簽，然后通過泛素—蛋白酶體途徑降解。
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圖7. PROTAC技術(shù)
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理論上來說，使用催化量的藥物，就可以降解細(xì)胞內(nèi)80%以上的蛋白質(zhì)，從而使靶點(diǎn)從“不可成藥性”變成“可成藥性”屬性。因此，PROTAC技術(shù)在克服耐藥和靶向不可成藥靶點(diǎn)方面潛力巨大。
但PROTAC研發(fā)的難度與ADC一致，Linker也決定了成敗的關(guān)鍵，Linker的長短也會影響PROTAC的降解活性，常用的Linker長度一般在4~15個碳原子（或雜原子）。根據(jù)作用靶點(diǎn)的不同，Linker的長短對降解活性的影響也不同。
圖8. 點(diǎn)擊化學(xué)在Protac的應(yīng)用實(shí)例
Click chemistry（點(diǎn)擊化學(xué)）由于反應(yīng)條件較溫和、效率較高，常常被應(yīng)用到PROTAC分子的Linker當(dāng)中，用于連接兩端的分子。通過文獻(xiàn)檢索，已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)開始嘗試將點(diǎn)擊化學(xué)和Protac進(jìn)行融合，期冀能夠加速Protac從理念到應(yīng)用的突破。
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參考資料：?
The Nobel Prize in Chemistry 2022, Retrieved October 5, 2022, from?https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/press-chemistry2022.pdf
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Non-Genetic Generation of Antibody Conjugates Based on Chemoenzymatic Tyrosine Click Chemistry. Bioconjug Chem. 2021 Oct 20;32(10):2167-2172. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.1c00351. Epub 2021 Sep 14. PMID: 34519477; PMCID: PMC8532111.
A "Click Chemistry Platform" for the Rapid Synthesis of Bispecific Molecules for Inducing Protein Degradation. J Med Chem. 2018 Jan 25;61(2):453-461. doi: 10.1021/acs.jmedchem.6b01781. Epub 2017 Apr 17. PMID: 28378579.
