撰文
陈文强(哈佛医学院博士后)
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兮
靶向组织的药物递送策略
全身给药途径的药物的脱靶效应(off-targeteffects)是药物治疗的主要瓶颈，在带来预期疗效时也能带来相应毒性。药物在非靶器官的高聚集或在靶器官的低聚集，均能显著影响药物安全性及治疗效能，这也是药物开发过程中常见的失败原因。因此，开发特异靶向靶位点的药物递送策略能显著降低药物的脱靶效应，从而降低毒性，并提高药物治疗效能。
药物递送(drugdelivery)技术具有克服这些局限性的潜力，因此，常在药物研发过程中并行进行。数十年来，药物递送领域的研究主要集中在局部治疗(localtherapies)，然而，局部治疗虽然简单，但对难以接近的脏器和组织则无能为力。近年来，像核酸治疗、基因治疗、细胞治疗等这些新兴的治疗策略均开启了新的治疗策略，但也给递送系统的研究带来了新的挑战。
年4月2日，来自美国哈佛大学的SamirMitragotri博士及其同事在Cell杂志发表了题为TargetingStrategiesforTissue-SpecificDrugDelivery的长篇观点论文，详细综述了影响组织靶向治疗(tissue-targetedtherapy)的生物学屏障系统，并系统介绍了药物递送系统的主要策略及设计原则，以及基于小分子、配体、多肽、抗体及细胞的靶向治疗策略。
1.影响组织特异性药物递送的生物学屏障系统
经血管给药的药物在到达靶位点前会经历多个生物学屏障系统(图1)。药物在注射至血管后，首先经历血管内屏障(intravascularbarrier)，其中，血管内的蛋白酶及核酸酶均可降解药物有效成分，因此，血管内屏障形成第一级生物学屏障。随后，药物经过内皮层屏障(endothelialbarrier)，这一级屏障可阻止药物渗入靶组织。内皮细胞沿着血管壁排列，通过整联蛋白粘附于基底膜及细胞外基质。在特定疾病状态下，血管内屏细胞发生功能紊乱，从而改变通透性。在成功透过内胚层屏障后，药物将穿过细胞外基质(extracellularmatrix)，到达靶组织细胞。因此，细胞外基质构成第三级生物学屏障。小分子化合物可轻易穿过细胞外基质，而较大分子则需在细胞外基质中经历适当阻力。特定疾病状态可显著改变细胞外基质微环境，形成生物学屏障。
在到达靶组织后，靶向细胞内结构的治疗药物需跨过细胞膜到达胞浆或核内靶标以发挥生物学效应。疏水性小分子相对容易穿过细胞膜，而大分子及纳米颗粒则需要经过主动重摄取机制进入细胞，这一过程需要和细胞膜相互作用并通过随后的细胞内吞(endocytosis)机制进行。内吞的大分子及纳米颗粒通过核内体、吞噬体、溶酶体等细胞内囊泡结构进行转运。因此，核内体屏障(endosomalbarrier)形成另一层生物学屏障系统。
图1.靶向药物递送系统涉及到的配体、交联体及投递物
对以上生物学屏障的深层次理解能大大促进我们改进组织特异递送的靶向策略。此外，靶配体及其受体的契合需要紧密的分子接触，这需要由相应转运过程介导，包括血液循环、扩散及淋巴引流。因此，药物靶向策略可主要分为基于小分子、核酸、多肽及抗体及基于细胞的策略。以下将分别简单介绍这些靶向策略——
2.基于小分子的靶向策略
适用于小分子靶向策略的配体需要分子量小于1kDa。这些小分子物质的化学结构简单，易于与其他治疗载体耦连，因此通常是首先研究的靶向配体。然而，小分子配体通常与其靶标的相互作用较弱，因此需要通过策略来提高小分子配体与其受体结合的能力。图2总结了集中小分子靶向策略。
叶酸(folicacid)是最常用的小分子靶向制剂，这是因为也算是所有细胞进行核酸合成所必须的组分。叶酸受体表达在不同细胞，因此可进行选择性靶向，常应用于肿瘤及自身免疫性疾病的治疗。单糖(monosaccharides)是另一类重要的靶向配体，包括葡萄糖、甘露糖及半乳糖。葡萄糖可靶向表达在血脑屏障的GLUT1受体，因此，葡萄糖衍生物被用于治疗胶质瘤。多个单糖衍生物处于不同阶段的临床试验中，关于其临床适应症及临床试验识别号，读者可参考原文表格1。此外，尿素衍生物(ureaderivatives)被用于靶向前列腺特异性膜抗原(PSMA)，代表的是一类较为有前景的小分子靶向策略，其天然配体谷氨酸尿素已被用于靶向PSMA。除了以上提到的这些小分子，还有其他小分子用于组织特异性靶向，包括甘草次酸衍生物、磺酰胺衍生物、苯甲酰胺等。
靶向小分子配体的策略所面临的主要挑战是高流动性及较小尺寸：高流动性能引起脱靶效应，而较小尺寸则需要分子层面的接触来达到组织特异性。此外，配体的大部分无法迅速到达靶标，这使得靶向具有较短半衰期的配体或靶向肝脏这样的高代谢率器官更具难度。
图2.基于小分子及适配体的靶向策略
3.基于核酸片段的靶向策略
适配体(aptamer)代表着另一种低分子量的靶向系统，通常分子量为5-15kDa(图2)。适配体通常为识别受体特定结合片段的核酸片段。与小分子配体相比，核酸适配体的优势在于与具有独特三维结构受体的平坦表面结合。此外，适配体的合成较为简单，合成批次间差异较低，免疫源性较低，因此是不错的组织特异性药物递送的候选策略。然而，核酸在生物学基质中的降解是其应用面临的最大挑战。
4.基于多肽和抗体的靶向策略
像抗体这样的生物大分子物质也属于广泛用于靶向多种药物递送平台的制剂。重组单克隆抗体(mAbs)与其互补的抗原呈现高特异性和高结合力，因此，mAbs被广泛用于合成抗体-药物偶联物(antibody-drugconjugates,ADCs)或免疫偶联物。ADCs的结构组成主要包括靶向某个细胞表面的抗原或受体的抗体、具有生物活性的治疗药物及两者之间的化学连接(图3A)。到目前为止，ADCs的主要应用于肿瘤治疗，有4个ADCs已被FDA批准的治疗血液及实体瘤。原文的表格3总结了已被FDA批准或正在进行临床试验的ADCs，感兴趣的读者可自行阅读。
近年来，ADCs被拓展应用于其他适应症，包括多种自身免疫疾病，比如系统性硬化症、系统性红斑狼疮等。ADCs的主要局限在于剂量限制性毒性，这主要是来自较窄的治疗窗口。最近一代ADCs的主要开发策略在于识别新的肿瘤特异性靶标、使用亚纳摩尔级IC50值优化偶联的物理化学参数等。
此外，像合成多肽这样的较短的氨基酸类生物分子可提供更多选择性。尽管使用多肽作为药物递送靶标具有独特优势，其劣势也较为明显。多肽也需要在分子层面的接触来实现靶标的有效识别。蛋白降解也是基于多肽靶向策略常遇到的挑战之一。目前，现有药物发现工具使得识别特定靶标的多肽配体的选择性大大增加(图3B)。仿生肽(biomimeticpeptides)和噬菌体展示(phagedisplay)是两种常见的随机多肽序列策略，感兴趣的读者可以自行阅读原文表格4。
值得一提的是，当前基于多肽或抗体偶联物的靶向策略的主要局限是在靶组织的低水平聚集，这可能会限制治疗效果，并引发脱靶毒性。
图3.多肽和抗体介导的组织特异性靶向策略
5.基于细胞的靶向策略
基于细胞的靶向策略的主要灵感源于体内存在的天然程序，因此，人们可将天然存在或经遗传学改造的细胞作为位点特异性靶向策略。基于细胞的靶向策略具有高度特异性及灵活性，治疗药物既可被偶联在细胞表面，也可以被束缚于细胞内部。多种细胞类型被用于组织特异性的小分子、大分子甚至纳米颗粒的药物递送载体，这些细胞包括红细胞、白细胞、干细胞、血小板、树突细胞甚至细菌。
基于细胞的靶向策略主要依赖于两种生物学基本过程：免疫识别及靶组织的内在取向。当细胞被识别为“自己人”时，载入治疗药物的细胞通常不会被机体迅速清除，此外，特定细胞类型可敏锐感受到病理微环境的改变所引发的生物线索的变化(图4)。
图4.基于细胞的靶向策略
不同细胞类型所带来的独特的结构、机械及生物学特性使得基于细胞的靶向策略具有多种固有特性，包括藏匿特性及跨越生物学屏障的内在特性。与其他策略不同的是，基于细胞的靶向策略能显著提高药物在靶组织的有效聚集。尽管如此，基于细胞的靶向策略仍处于开发的早期阶段，需要考虑的问题较多，比如免疫源性、恶化某些疾病状况等。
6.未来展望
图5总结了本文所概述的提高组织特异性的药物递送策略。原文此图为图1，而笔者认为该图适合于阅读完全文后再总的概括全文精髓，故置于最后给读者分享。
总的说来，本文对靶向特定组织的不同策略进行了综述，并阐述了基于小分子、多肽或抗体、细胞的不同靶向策略的优势及不足，提示了选择不同策略应依赖于需要的临床应用。这种组织特异性的药物递送策略在避免药物毒性方面具有巨大的潜力，能显著提高患者的生命质量。
图5.药物靶向递送系统的总结
GPCR结构对新药发现的影响
G蛋白欧联受体(GPCRs)是可将化学信号从细胞外基质转换到细胞内的整合膜蛋白，从而外界信号产生多种多样的响应。目前已确定有70多种独特结构的GPCRs，在过去数十年来，结构药物设计(Structure-BasedDrugDesign)策略已经被应用于增加GPCRs的靶标数量，许多药物候选靶标已经进入临床研究。
基于其重要临床意义，年4月2日，来自英国MRC分子生物学实验室的ChtistopherTate博士及其同事在Cell杂志发表了题为ImpactofGPCRStructuresonDrugDiscovery的观点文章，详细介绍了基于GPCR结构的药物设计的策略。
基于氨基酸序列的相似性，GPCRs可以被分为6类，其中有4类在人类中发现，分别为A、B、C及F类(图6)。
(1)A类GPCRs(视紫红质样)数量最为庞大，人类中有个，其中一半涉及嗅觉或视觉感觉受体，而另一半非感觉受体可被激素或神经递质激活。被广泛研究的A类GPCRs包括广泛用于治疗心血管疾病的b1AR和治疗哮喘的b2AR。
(2)B类GPCRs可分为两个亚类，分泌素受体及黏附受体。对治疗糖尿病具有重要意义的胰高血糖素样多肽受体(GLP1R)即属于B类GPCRs。
(3)C类GPCRs可形成稳定二聚物，这对于受体信号通路具有重要意义。一个典型例子是代谢型谷氨酸受体(mGluRs)，在精神分裂症、抑郁症和运动障碍的发病过程中有重要意义。
(4)F类GPCRs含有卷曲及平滑受体，可被甾体类激素激活。
图6.不同类型GPCR结构的多样性
GPCRs是理想的药物靶标，目前有34%的小分子药物能结合至GPCRs。GPCRs的正构结合位点(orthostericbindingsite)的大小、形状及氨基酸组成使得GPCRs非常适合被小分子合成化合物结合。此外，GPCRs在激活后的受体构象的动态变化也使其成为理想的药物靶标。尽管基于GPCRs的药物靶标研究具有较久历史，其研发仍然有许多问题。可以举出的一个例子是，尽管毒蕈碱M1受体的激动剂在治疗神经退行性疾病效果显著，但是M1的正构结合位点实际上和其他相关受体M2、M3、M4和M5相同，而M2和M3受体的激活能带来多种副作用。因此，通过结构药物设计策略能很好的解决GPCRs类药物研发过程中的问题。
1.GPCRs的结构概述
过去20年来，X射线晶体学是研究GPCRs结构的主要方法，不仅可以研究失活态的GPCRs，还可以成功研究完全激活态下的GPCRs结构。X射线晶体学对于理解GPCRs药理学的分子基础具有重要意义，可以给我们带来配体与受体相互作用的分子图谱，对于激活态和失活态下GPCRs结构的比较能让我们更好地了解GPCRs如何被激动剂激活。
近年来，冷冻电镜(cryo-EM)技术给整个GPCRs研究领域带来了巨大推动作用，这是因为冷冻电镜可以研究更小的蛋白，分辨率可达3.0–3.5。随着冷冻电镜技术的持续改进，在未来，我们可以看到更多微小蛋白的结构能在更高分辨率下被解析。
2.GPCRs研究对药物发现的进展
当前表达在人体的GPCRs中仅有25%具有潜在成药性，在这个GPCRs中，有大约种GPCRs至少有一项靶标作为上市药物进入临床(详见原文表格S2)，其中41个为激动剂，27个为拮抗剂。GPCRs作为治疗药物靶标具有巨大潜力。图7的系统树形结构描绘的是GPCRs的结构、批准药物及临床制剂。
图7.GPCRs结构、批准药物及临床制剂
过去5年里，有41个靶向GPCRs的药物已被FDA批准，占同期批准的药物的19%，不仅说明GPCR家族作为药物靶标的重要性，也说明GPCRs在疾病中的重要意义。许多GPCRs的结构已经公开，但仍有许多GPCRs家族成员的结构仍不清楚。
GPCRs结构对于药物化学领域的新药发现是否具有巨大作用？这个问题难以直接回答，因为我们需要清楚理解结构生物学在药物设计过程中到底具有多大影响力。GPCRs的结构生物学领域对药物研发产生最显著影响的例子是13年前解析的咔唑心安与b2AR结合的高清结构。尽管过去5年以来，有许许多多GPCRs药物已经上市，然而其中没有一个药物是在其靶向GPCRs结构报道后开发的。
3.GPCR结构药物设计案例
年，科学家通过A2AR结构的解析来确定一系列拮抗剂，这是第一个报道的与GPCRs相关的结构药物设计案例。首先，X射线结构揭示了之前未发现的正构结合位点，将先导化合物放入这个结合位点后能得到更紧密和高效的系列化合物(图8)。这个区域也可以进行A2AR和A1R之间的结构优化。随后，其中一个先导化合物，也就是现在所称的AZD，在临床前研究中已被验证具有潜在抗肿瘤疗效。这也就是说，A2AR是第一个被用于肿瘤免疫研究的GPCRs。
另外两个依靠结构生物学指导设计的GPCRs先导化合物还包括HTL(M4受体激动剂)、HTL(新型mGlu复向变构调节剂)等。尽管可举出的这一系列例子的名单较短，我们仍然可以看到的是，GPCRs结构的解析确实能用于指导新药发现，而且这个影响将持续。
图8.A2AR与不同配体结合的正构结合位点
4.结束语
结合激动剂后，GPCR信号通路需要跨膜域的显著构象改变，而越来越多的证据表明，正向及负向变构调节剂在这一过程中有多个结合位点，机制多样，因此能影响信号通路。因此，可以预见的是，GPCRs结构生物学的进一步变革将提供这些变构调节剂的详细机制，从而指导结构药物设计。而在提高GPCRs结构解析的通量提高方面是另外一个挑战，从而可以跟上药物化学家新药研发的步伐。总的说来，GPCRs结构的解析对于新药研发能带来革命性的影响。