2021年是德国拜耳化学研究实验室成立125周年。大量著名的小分子药物，从阿司匹林到拜瑞妥，都诞生于这家实验室。
2022年2月2日，拜耳公司研究与开发部的Hartmut Beck等人在Drug Discov Today杂志发表文章，回顾了小分子药物研究领域内的重大里程碑事件，讨论了小分子在多种治疗方式中的应用价值，并对基于人工智能的小分子药物发现进行了分析和解读。
以下是全文内容。
亮点
拜耳回顾并纪念了其在小分子药物发现方面的悠久历史。
小分子药物一直在医学进步中发挥着重要作用。
小分子拥有了新的作用模式并进入了新的靶点空间。
我们讨论了药物研究的技术趋势和社会影响。
小分子药物将继续改善患者的生活。
摘要
值此2021之际，位于德国伍珀塔尔的拜耳化学研究实验室迎来了成立125周年的纪念日。大量著名的小分子药物，从阿司匹林到拜瑞妥，都诞生于这家实验室。本文回顾了小分子药物研究领域内的重大里程碑事件，讨论了药物发现的现状和趋势，并以小分子为重点，对药物研究的未来提出了个人展望。
前言
2021年，我们迎来了拜耳化学研究实验室成立的125周年（图1）。这间实验室对拜耳的持续发展至关重要。1896年拜耳化学研究实验室刚成立时，它主要为蓬勃发展的纺织工业合成染料。该地区拥有丰富的有机煤焦油中间体，便于染料合成。大约那时，人们就发现了一些小分子染料和中间产物表现出了意想不到的生物活性。这些发现推动了第一批药物的合成，并为仍然年轻的化学工业开辟了一个新的业务领域。在当时的众多染料厂中，只有拥有自己研发设施的创新型企业才能抓住新的市场机遇并生存下来。在接下来的漫长岁月中，拜耳扩大了其药物研究的范围，并将其与越来越多的疾病联系起来，它研发的药物包括镇痛药和麻醉剂、抗感染药物和热带疾病药物，再到心血管、中枢神经系统和肿瘤药物，不一而足。自成立以来，拜耳化学研究实验室已研发了超过 125 种小分子药物，这些药物仍在各类疾病的治疗中大放异彩。
图1 位于伍珀塔尔的原始拜耳化学研究实验室。图为1908年化学研究室2号馆。
小分子一直在医学领域引领着突破并解决人们未被满足的需求，挽救了无数生命。此外，小分子在生物医学研究中作为化学探针发挥了至关重要的作用，加深了人们对疾病生物学的了解。过去一个世纪以来，传统的小分子药物一直主导着药物研究。然而，新的模式，如蛋白水解靶向嵌合体(PROTAC) 和 RNA 靶向小分子 (RSM)，以及生物方法，如基于抗体的治疗和细胞/基因治疗，已被添加到药物发现工具箱中。大多数大型制药公司也在以更多样的方式进行药物研究。
小分子在未来药物研究中将会起到哪些作用？小分子将如何继续满足患者的需求？本文借此机会回顾小分子药物研究史中的里程碑事件，讨论药物发现的现状和趋势，并以小分子为重点，对药物研究的未来提出了个人展望。
从阿司匹林研发至今：一些著名小分子药物的回顾
纵观历史，许多小分子药物推动了医学的发展并改善了患者的生活（图 2）。这些早期的药物中，有一些今天仍在使用，而另一些已经销声匿迹，但不可否认的是，它们为特定疾病的治疗改进做出了不可磨灭的贡献。我们在这里举例说明小分子在药物研究、医学和社会中的影响和积极的作用（图3）。
图2 小分子药物首次临床使用或上市时间表
图3 本文涉及的代表性小分子药物的化学结构式
1899年：阿司匹林
阿司匹林（乙酰水杨酸）是最早的合成药物之一，至今仍在世界范围内广泛使用（图 3）。它首先由德国伍珀塔尔的拜耳公司合成，并于1899年上市，适应证为疼痛和发热。乙酰水杨酸是一种前药，是水杨酸的一种耐受性更佳的乙酰衍生物。水杨酸是一种来自柳树皮的活性成分，自古以来就被作为草药使用。然而直至1970年代初，才确定乙酰水杨酸的主要作用方式为抑制前列腺素的生物合成。研究人员Sune K. Bergström、Bengt I. Samuelsson 和 John R. Vane因这一发现获得了1982年的诺贝尔生理学或医学奖。它还开辟了使用低剂量阿司匹林作为抗血小板药物预防心血管疾病（如冠状动脉疾病、心脏病发作和中风）的道路。此外，阿司匹林对其他适应证具有潜在的益处，这更加让人们认为它是一种“神奇的药物”。
1941年：青霉素
青霉素是一种由真菌产生的天然抗生素，迄今已挽救了数百万人的生命（图3）。1928 年，苏格兰研究员亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）在度假后返回实验室时偶然发现了它。弗莱明注意到，在一个培养皿中，一种通过空气传播的真菌阻止了葡萄球菌的生长。十年后，人们从霉菌发酵中分离出纯青霉素，并于1941年用于第一位患者，取得了非常好的疗效，之后人们又用它治疗二战期间的细菌性伤口感染。同Salvarsan (1910)和Prontosil (1935)类似，青霉素的发现标志着抗生素踏上了医学的舞台。1945年，X 射线晶体学揭示了青霉素具有独特的 β-内酰胺结构，12年后人们实现了第一次全合成。尽管细菌耐药性不可避免地随之出现，青霉素及其结构类似物今天仍在使用。
1960 年：Enovid，首个“药片”
Enovid（去甲肾上腺素和美雌醇）是首款激素避孕药，它的问世对社会的影响超过了其他药物（图 3）。Enovid由Searle于1960年在美国发明，联合使用两种类固醇进行避孕：去甲炔诺酮和美雌醇。这是药物首次为妇女提供方法，让她们能够可靠且可逆地控制妊娠。“避孕药”在接下来的几十年中极大地提升了妇女的地位，为全球妇女解放和自主做出了重大贡献。Enovid于1988年停产，取而代之的是具有较低剂量、成分不同且安全性更高的口服避孕药。今天，尽管避孕方法越来越多，全世界仍有约1.5亿女性服用避孕药。
1987年：Retrovir，第一种抗HIV药物
Retrovir（齐多夫定、叠氮胸苷、AZT）是第一种抗 HIV 药物，也书写了一个闪光的医学故事，它的问世使得致命的病毒感染逐渐转变为可控制的慢性病（图 3）。它诞生于1987 年Burroughs-Wellcome（现为葛兰素史克）对1960 年代失败的癌症药物的重新利用。这是对当时患有神秘疾病（后来被称为艾滋病）患者的首种疗法，这种疾病最初于 1981 年在美国出现。今天，好几个种类的小分子的组合被用于抗逆转录病毒治疗，将病毒载量降至最低，并帮助患者在药物治疗下实现近乎正常的生活。另一方面，在对抗丙型肝炎病毒 (HCV)的斗争中，小分子药物取得了重大成功，治愈率超过 90%。此外，用于应对严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)的最新病毒挑战，开发的第一个小分子抗病毒治疗药物Veklury（remdesivir，一种重新利用的埃博拉病毒候选药物）、Paxlovid [nirmatrelvir + ritonavir，一种主要的蛋白酶 (Mpro) 抑制剂联合一种细胞色素 P450 抑制剂] 和 Lagevrio（莫努匹拉韦，一种用于委内瑞拉马脑炎病毒和流感的候选药物）最近获得上市批准。
2008年：拜瑞妥
拜瑞妥（利伐沙班）是首个 Xa 因子直接抑制剂，它获批的心血管适应证数量超过了其他直接口服抗凝药物(DOAC)（图 3）。它由拜耳公司发明，并于2008年作为一种新的抗血栓药物上市。20世纪，由于生活方式的改变和预期寿命的延长，心血管疾病已成为全球死亡率最高的疾病之一。抗凝药物能够抑制血栓形成，降低血栓栓塞事件的风险。DOAC是活化因子Xa（利伐沙班、阿哌沙班、艾多沙班和贝曲沙班）或凝血酶（达比加群）的选择性抑制剂。随着DOAC的发明，患者可在经典的维生素 K 拮抗剂（华法林和苯丙香豆素）的基础上获益更多。
2014年：利奥西呱
利奥西呱 (riociguat) 用于治疗两种形式的肺动脉高压（图 3）。它是拜耳于2014年上市的首个上市的可溶性鸟苷酸环化酶 (sGC) 激活剂。sGC是一氧化氮(NO)的受体，一氧化氮是一种血管扩张性气体，也是一种重要的天然信号分子。这一发现具有革命性。因此，Robert F. Furchgott、Louis J. Ignarro 和 Ferid Murad于1998年获得了诺贝尔生理学或医学奖。Riociguat 不依赖于 NO刺激sGC，并导致cGMP增加，从而提供具有广泛治疗潜力的长效作用模式。基础的生理性 NO-sGC-cGMP 轴可通过使cGMP稳定的PDE5 抑制剂（西地那非、伐地那非和他达拉非）被抑制，这些抑制剂最初作为治疗勃起功能障碍的药物使用。
2018年：维特拉克
维特拉克(拉罗替尼) 是第一个广谱小分子抗癌药物，它的发现代表了精准肿瘤医学的一个里程碑（图 3）。这种选择性TRK激酶抑制剂首先由Array BioPharma发现，然后授权给Loxo Oncology，最后由拜耳在2018年获得转授权并投入市场。由此可以看出，小分子药物开启了化学治疗的纪元，例如20世纪40 年代问世的烷化剂，以及推动了肿瘤靶向治疗的Novaldex（他莫昔芬，1977 年）和格列卫（伊马替尼，2001 年）。传统的肿瘤治疗以特定器官或组织为中心，例如治疗乳腺癌或肺癌。相比之下，与肿瘤类型无关的广谱抗癌药物对各种不同部位的癌症都有效。这种新的治疗模式为携带罕见的基因突变的患者带来了希望。
小分子：在药物发现中具有多种用途的独特特性
小分子的关键特性
如上所述，一个多世纪以来，小分子一直在为疾病的治疗提供突破。它们能够作为药物使用，在很大程度上，要归因于它们的固有特性，包括它们跨越生物屏障和调节一系列不同生物靶标的能力。口服生物利用性是大多数小分子药物的一个关键特征，使得它们可以作为片剂进行标准口服给药。与生物制剂相比，这种便利性是一个巨大的优势。例如低氧诱导因子脯氨酰羟化酶（HIF-PH）小分子抑制剂，可替代重组生物促红细胞生成素（EPO）治疗肾性贫血，从而以片剂代替注射剂。
小分子的另一个重要特征是它们的模块化结构和易于通过化学合成获得。这种性质便于人们改变它们的化学结构的并系统地改进它们的性质。在大多数情况下，未经修饰的小分子作为活性成分。然而，可以通过合适的可逆化学修饰（前药）来解决潜在的缺点，例如低水溶性。对患者给药后，前药通过生物活化（例如酶水解或氧化裂解）或通过生物正交方法（例如irradiation）转化回活性形式。类似的策略可用于靶向激活或靶向输送药理学成分至靶组织。最后，小分子通常表现出保质期内的高稳定性，并且与大多数药物配伍成分和给药方式兼容。
表1 影响其在药物发现中使用的小分子的关键特性
小分子的新招数
小分子不断扩展到新的作用模式并取得新的成就，扩大了药物发现的经典工具箱。新的化学模式和使用小分子的新方法不断出现，以解决以前被认为无法治疗的疾病。在这里，我们重点介绍一些小分子的新招数。
靶向共价抑制剂
通过分子间力（例如氢键和范德华力）将小分子非共价结合，或者共价结合至其生物靶点。共价药物的早期例子包括阿司匹林和青霉素。乙酰水杨酸通过将乙酰基转移到活性位点丝氨酸残基上共价修饰环氧合酶，青霉素通过β-内酰胺开环机制共价结合青霉素结合蛋白的丝氨酸残基。
尽管这些早期的共价结合模式具有偶然性并且仅在回顾中才发现，但靶向共价抑制 (TCI) 最近已成为一种受到关注的方法，并得到蛋白质质谱学进展的支持。突出的例子包括2013年上市的用于治疗B细胞癌的布鲁顿酪氨酸激酶 (BTK) 的共价结合剂 Imbruvica (ibrutinib) 和2021 年上市的共价结合 KRAS 的 Lumakras (sotorasib)用于治疗具有 G12C 突变的实体瘤的抑制剂（图 4）。结合KRA蛋白长期以来被认为是相当大的困难。共价抑制剂与仅以突变形式存在的半胱氨酸残基结合，解决了这个难题。
图4 正文中提到的小分子药物成功扩大生物靶点空间的例子。
Venclextra、Selzentry和设计的肽杂交大循环代表蛋白质-蛋白质抑制剂（PPIs）；Envrysdi代表RNA靶向小分子；Lumakras代表共价抑制剂。
蛋白质-蛋白质相互作用
蛋白质之间的相互作用对于许多细胞过程至关重要，蛋白质-蛋白质相互作用 (PPI) 的稳定和破坏都能够对治疗的过程产生重要影响。尽管基于抗体的 PPI 调节剂在治疗方面占主导地位，但由于上述原因，小分子越来越受到关注，即它们具有良好的口服生物利用度、更好的组织穿透性、较低的免疫原性风险和较低的研发成本。与蛋白质相比，小分子的尺寸更小，结合面积更小，因此有效的小分子 PPI 调节剂的设计比小分子酶或受体结合剂的设计更具挑战性。
在这方面，一种有趣的方法是通过环肽杂合分子稳定蛋白质结合基序，例如α-螺旋（图 4）。小分子 PPI 调节剂的几个分子起点已通过筛选确定，其中一些已成功优化为临床候选药物。Selzentry (maraviroc)是第一个PPI（病毒 gp120/CCR5）小分子抑制剂，于2007年获批用于治疗 HIV（图 4）。Venclexta (venetoclax) 是一种用于治疗慢性淋巴细胞白血病 (CML) 的 Bcl-2/Bax PPI 抑制剂，于2016年上市（图 4）。
RNA靶向小分子
尽管大多数药物靶点是蛋白质，但RNA靶向小分子 (RTSM) 正在崭露头角。长期以来，人类 RNA 被认为无法成药，因为人们认为RNA缺乏合适的结合位点。现已知，RNA可以呈现离散的二级和三级结构，从而为小分子提供与之相互作用的结合位点。直至2020年，第一个人类 RTSM药物Evrysdi (risdiplam) 才获批，用于治疗脊髓性肌萎缩 (SMA)（图 4）。SMA是一种遗传性疾病，发病机制是运动神经元存活 (SMN) 蛋白水平降低，导致严重的肌肉无力。Risdiplam作为SMN2 mRNA上的剪接修饰剂，将外显子纳入转录中，导致功能性 SMN 蛋白增加。因此，risdiplam与真正改变疾病的作用方式相关，它的获批吸引了许多关注。除了靶向编码疾病相关蛋白的mRNA（如risdiplam）之外，非编码mRNA提供了一个可能更大的靶标空间，我们才刚刚开始了解其调节功能和疾病驱动潜力。
抗体-药物偶联物
小分子药物偶联物包括一个小分子共价连接到具有独特生物功能的第二个分子上。这种双功能分子概念在过去几十年中已经相当成熟。第二分子的任务是将偶联物靶向至预期的作用位点，以便第一分子可以高度特异性地发挥其药理活性。抗体-药物偶联物 (ADC) 是突出的例子，它使用高选择性抗体将偶联物引导至靶位点。ADC内化和小分子从抗体细胞内裂解后，以微环境特异性方式产生局部高浓度的药理活性小分子。局部浓度提高，体内全身药物浓度降低，总体副作用降低。
迄今为止，已有11种ADC药物获批用于治疗血液肿瘤和实体瘤。第一个是Mylotarg（gemtuzumab ozogamicin），最初于2000年上市（后来退市并重新改进），其次是Adcetris（brentuximab vedotin）和 Kadcyla（曲妥珠单抗 emtansine，图 5）。大多数美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的ADC药物仅在2019年或之后上市。它们包括高效的小分子成分，通常具有插入或破坏微管（microtubule-disrupting）的特性。ADC的一个特例是与抗体共价连接的放射性药物。BAY 2315497是一个最近的例子，其中偶联物的小分子成分是携带3-羟基-2-吡啶酮基序 thor-227的强螯合剂（图 5）。抗体成分靶向前列腺特异性膜抗原 (PSMA)，并将发射α粒子的Th传输至表达PSMA的前列腺肿瘤细胞。BAY 2315497 目前处于1期试验，用于治疗转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者。
图5 双功能小分子偶联物。Kadcyla和BAY 2315497为抗体-药物偶联物；ARV-110为蛋白质降解药物。
PROTAC、LYTAC 和分子胶
PROTAC 是蛋白质降解双功能药物偶联物，包含两个共价连接的小分子部分：一个与目标蛋白结合，另一个与E3连接酶结合。E3连接酶将泛素转移到其天然蛋白质底物上，便于它们进行蛋白酶体降解。PROTAC可以通过将目标蛋白靠近连接酶来“劫持”这种机制，即使它不是所用连接酶的天然底物，它也会将泛素转移到目标蛋白上。因此，感兴趣的蛋白质可以被细胞蛋白酶体降解，将其从细胞中移除，而不仅仅是调节其功能。
鉴于它们有着双功能的分子结构，PROTAC比传统的小分子更大，这对口服途径的生物利用性和细胞渗透性提出了潜在挑战。此外，优化药物结构有些复杂，因为不是每个PROTAC分子都能与靶蛋白和E3连接酶产生有效的相互作用。尽管存在这些障碍，第一批PROTAC已经成功应用于临床。2019年，ARV-110和ARV-471进入恶性肿瘤的临床试验（图5）。ARV-110靶向雄激素受体治疗mCRPC，ARV-471靶向雌激素受体治疗局部晚期或转移性ER+/HER2–乳腺癌。这两种化合物都具有口服生物可利用性，并且据报道在患者中达到了与临床前模型中有效水平相对应的暴露水平。
分子胶也可以诱导蛋白质降解，但其作用机制与PROTAC略有不同。它们通过与E3连接酶结合并通过粘附到蛋白质-蛋白质界面增强其与目标蛋白质的结合相互作用而发挥效果。 分子胶功能单一，因此它的体积通常比PROTAC小，并且它具有相当传统的小分子特性。目前获批的分子胶是沙利度胺及其衍生物，其作用方式是后来才发现的。
溶酶体靶向嵌合体(LYTAC)靶向膜和细胞外蛋白，PROTAC和分子胶无法解决这些问题。LYTACs于2020年首次报道，它参与了蛋白质降解的溶酶体途径，在未来可能会得到应用。
修饰肽和肽模拟物
治疗性多肽通常对其靶点显示出高效力和高选择性。然而，它们的治疗应用通常受到口服生物利用度低、血浆稳定性低和膜渗透性低的阻碍。复方制备方式，包括添加小分子渗透增强剂，以及几种化学改性技术可用于攻克这些难题。一种关键策略是设计环状、钉合、缝合结构来提高其稳定性，或使用其他限制性肽从而改善药代动力学和组织/细胞穿透特性。许多情况下，小分子类型的结构特征已包含在肽中。同样，肽与聚乙二醇（聚乙二醇化）或脂肪酸（脂化）的结合可以延长它们的半衰期而不影响效力。第一个口服生物可利用肽Rybelsus（口服 semaglutide）于2019年获批用于治疗2型糖尿病。Semaglutide是一种胰高血糖素样肽-1 (GLP-1) 受体激动剂，在结构上与天然GLP-1类似。最引人注目的化学变化是添加了一个通过合成接头连接的脂肪酸部分，导致蛋白质结合增加和循环半衰期延长。口服产品Rybelsus中，司美鲁肽与吸收促进剂共同配伍，以实现每日一次口服给药。
小分子作为化学生物学中的化学探针
小分子作为科学工具，能够在分子水平上阐明（病理）生理机制并识别或验证药物靶点。这个跨学科的药物研究领域被称为“化学生物学”，它在过去的25年里已经发展成熟，是化学、生物学、生理学和医学的结合产物。用作化学探针的小分子未必与用作药物的小分子有本质的不同，但它们通常不需要就其体内功效或体内药代动力学等特性进行全面优化。根据它们的特定目的，它们也可以被标记以在分离过程中进行识别或富集，或者可以用额外的官能团修饰以进行共价结合（例如在化学蛋白质组学研究中）。值得注意的是，在EubOpen和结构基因组学联盟 (SGC) 等开放科学倡议的支持下，科学界正在与学术界和工业界的合作伙伴一起产生越来越多的化学探针。全球开放科学运动目标2035（The global open science movement Target 2035）旨在确定整个人类基因组的探针，从而促进治疗疾病的新药发现。
小分子助力细胞和基因治疗
可以说，与细胞和基因治疗相比，当今没有其他治疗方式能在媒体上受到如此多的关注，给患者带来如此高的希望，并激发细胞和基因治疗等行业引领者的想象力。据FDA目前统计，有22种获批的细胞和基因治疗产品。这些新的治疗方式为疾病的治疗提供突破点，有望成为下一代疗法。在细胞和基因治疗中，小分子也越来越重要，可在不同阶段提高这些新疗法的安全性、有效性和可制造性。
细胞治疗过程中，小分子添加剂可以确保细胞复制、冷冻保存和制备过程中的产品质量，并可以改善毒理学特征，提高治疗效果。早期的例子是工具化合物 pluripotin (SC1)，它是一种ERK1和RasGAP的小分子激酶抑制剂。它能够促使增殖胚胎干细胞在未分化的多能状态下增殖。还有BET抑制剂JQ1 69和GSK3β抑制剂TWS119，它们用于T细胞大量复制及其表型控制。加入蛋白激酶A抑制剂 H89可以防止冷冻保存的诱导细胞死亡。另一个有趣的例子是c-Rel抑制剂IT-603，它用于控制宿主的免疫反应并预防移植物抗宿主病，且不会影响临床前模型中T细胞疗法的抗肿瘤活性。此外，PD-L1/2和VISTA免疫检查点阻断剂CA-170可用于体内消除T细胞抑制状态，从而提高细胞疗法的治疗效果。这些小分子目前都处于细胞治疗应用的临床或临床前开发阶段。
基因治疗过程中，人们已经开发了众多小分子来提高不同作用方式的治疗效果。应用于离体或体内基因修饰细胞的载体为我们了很多机会，但时间和精度是决定有效性和安全性的关键因素。小分子在基因治疗中的重要应用是增强载体内化、靶向转导的细胞内途径以及阻断细胞抗病毒途径。转导的过程较为复杂，至今人们未能完全理解；因此，表型筛选仍然是鉴别化学物质的首选方法。小分子蛋白激酶C激动剂佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸 (PMA) 可增强人类造血细胞系和CD34+造血干细胞的慢病毒转导。对于基于腺相关病毒的载体，已上市的蛋白酶体抑制剂Velcade (bortezomib)和Kyprolis (carfilzomib)是基因治疗中的重要工具化合物，具有增强转导功效的潜力。
成簇规律间隔短回文重复序列 (CRISPR) 基因编辑技术的建立，大大拓展了基因治疗方法的应用范围。小分子已被证实可以提高CRISPR/Cas9基因编辑的精确度，从而助力其在未来治疗中的应用。
小分子作为诊断试剂
小分子还可作为诊断试剂，这是与临床应用紧密联系的另一种方式。小分子可广泛用于成像，例如作为正电子发射断层扫描(PET)示踪剂以及X射线、磁共振成像(MRI)、超声和近红外造影剂。小分子可以扮演角色的多样性反映了其本身功能的多样性。PET示踪剂是用正电子发射放射性核素标记的生物活性分子，例如1994年获批用于PET成像、18F标记的氟脱氧葡萄糖(FDG)。作为MRI造影剂，小分子显示出金属螯合特性，如1987年上市的第一个基于Gd [3+]的MRI试剂Magnevist（钆喷酸）。近红外光谱中，小分子能够充当有机染料，如吲哚菁绿，1959年获批临床使用。
小分子助力器官移植
小分子可助力非药物干预方式，例如器官移植。作为免疫抑制剂，小分子用于抑制移植器官的排斥反应。患者接受器官移植后使用的一种重要免疫抑制剂是Prograf（他克莫司/FK-506），这是一种源自细菌的大环内酯类药物，可与FK结合蛋白结合，抑制钙调神经磷酸酶并降低T细胞活性。除了抑制移植器官的排斥反应外，小分子还可用于保护器官，使其免受储存和运输过程中缺氧和营养缺乏的影响。开发小分子添加剂改进器官保存介质仍然是一个持续研究的主题。
应用人工智能进行小分子药物发现
数字化和人工智能正在冲击所有行业，也为药物发现带来了改变。小分子特别适合机器学习方式。一方面，这是因为它们的模块化化学结构可以“翻译”成机器可读的格式。另一方面，历史上积累了大量合成方法、物理化学特征和蛋白质-靶点相互作用的数据集广泛可用。我们目前面临的挑战（也是一门艺术）是进一步开发计算工具、利用化合物数据并无缝整合高效的数字工作流程，利用这些数据集，来助力药物化学家发明新的治疗药物。
机器学习驱动的逆合成规划
尽管小分子的化学结构相对简单且可用方法丰富，但合成新的特定小分子仍然是一道难题。因此，机器开始学习有机化学语言是向前迈出的一大步。E.J. Corey最初尝试以计算机化方式处理逆合成，并于20世纪60年代提出了逆合成分析的概念，因此获得了诺贝尔化学或医学奖。他的程序，应用于合成分析的逻辑和启发(LHASA)，使用了一种系统化的方法来破坏给定分子的化学键，从而逐步简化合成分析并追溯至商业可用的构建块。然而，当时计算机还不能充分掌握化学的复杂性。
与此同时，现代数字化逆合成规划工具已经问世。基于该技术，2018年，逆合成工具SYNTHIA在实验室成功将计算机提出的合成路线付诸实践。同年，机器可以从数百万个映射的单步反应中学习转化规则，并将其应用于新的合成。曾经让游戏软件“AlphaGo”立于不败之地的人工神经网络 (ANN) 和蒙特卡洛树搜索 (MCTS) 的结合也在化学合成领域取得了成功。机器学习是这种方法的主要优点，可以完全避免人类手动“提取”规则。如今，自动规则生成算法已整合入Reaxys和SciFinder平台，以及诸如 ASKCOS 等开源工具，这些工具由药物发现与合成机器学习 (MLPDS) 联盟提供。逆合成技术的进步源于将分子结构表示为图表，以及将有机化学作为一种语言的想法。在后一种情况下，起始原料和产物之间的关系可以描述为文本序列之间的翻译问题，例如SMILES。这种完全由数据驱动的深度学习“端到端”模型可以像学习人类语言一样自然地学习有机化学，而无需依赖任何转换规则或反应方案。因此，它还可以预测其化学训练数据集之外的“新”化学。
ML 依赖于包含阳性示例和阴性示例的训练数据。然而，商业反应数据库对阳性有强烈的偏倚。这就是记录良好的正面和负面反应结果的大型企业反应数据库可以被视为宝库的原因。拜耳正在通过其内部的“AI4Synthesis”项目，挖掘其历史悠久的化学数据库的潜力，该数据库包含近500万个适合ML的化学反应。
人工智能驱动的药物化学
药物化学中的化合物优化可以说是一门艺术，它需要系统地改进分子所需的特性，同时削弱人们不需要的特性。然而，合成恰当的分子是一项复杂且耗时的工作，这项工作涉及多年的多参数优化以及众多迭代学习周期。它的目的是在机器学习和计算方法的帮助下加快这一药物搜寻过程，从而在更短的时间内提供优化的候选化合物。
在过去的几十年里，预测小分子物理化学和药代动力学特性的机器学习辅助方法有了很大的改进。同样，通过称为Pareto优化的ML辅助技术，同时实现多个相互冲突属性最佳平衡的任务已得到了很好的解决。这些创新方法的一个重要应用是设计新的筛选化合物，作为化合物优化的高质量分子起点。这个想法是，筛选具有优良特性（例如高溶解度和口服生物利用度）的结果将降低化合物优化任务的难度，从而显著缩短先导优化项目的时间。拜耳坚定不移地相信小分子药物发现能够实现可持续成功，因此最近在其公司筛选库中添加了 50 万个具有新型骨架的独家设计化合物。
小分子的一个固有特征是它们具有模块化性质，以及它们新组合几乎有无限的可能性能够产生生物活性分子。要成功发现小分子药物，不仅需要借助人类的想象力，还需要通过计算方法和人工智能来巧妙地处理虚拟化学空间。理论上存在约1060种药物小分子化合物，虚拟化学空间非常广阔。尽管化合物数量惊人，即使是最强大的计算机也无法处理，但包含109个分子的虚拟化合物库并不罕见。计算技术，如骨架跳跃（scaffold hopping,）、官能团变化和相似性搜索，经常被用来围绕初始化合物hit集扩展虚拟库，这一过程通常被称为 "hit扩展"。重要的是，如上所述，近年来人们特别关注通过ML方法提高这些库的合成可行性。此外，如Enamine和WuXi AppTec等公司提供的巨大的商业化需求化合物库的出现，促进了全球虚拟筛选方法的发展。
ZebiAI、Google Accelerated Science (GAS) 和 X-Chem 最近在一项联合研究中发表了一个融合 ML和小分子库方法的成功示例。研究人员从化学合成的DNA编码文库(DEL)开始，使用从DEL亲和力选择中获得的数据来建立有效的ML模型，并从包含8800万种化合物的商业文库中成功预测该文库之外具有相似化学结构的“hit”。
人工智能技术，如深度学习，也推动了从头药物设计的进步。一种利用小分子模块化特性的传统设计技术是将弱活性片段“生长”成完全成熟的药物样分子，方法是逐渐将它们装入蛋白质结合袋中。通过将从头分子设计技术和所谓的自由能扰动 (FEP) 模拟相结合，可以预见特殊的机会。FEP 模拟用于预测小分子配体与其蛋白质靶标的结合亲和力，这可以被视为计算机辅助药物设计中的“圣杯”。计算能力的大幅提高以及基于统计和生物物理的算法改进便于人们进行更准确的 FEP 预测，在某些情况下，预测质量已足够高，可以指导化合物优化项目中的合成优先级决策。
为了更好地人工智能在小分子药物发现中的巨大潜力，包括拜耳在内的大型制药公司已宣布与Schrödinger和 Exscientia 等专业的计算和人工智能供应商建立合作伙伴关系。 这些合作的一个重点是“整体方法”，它将各种工具结合在一起，从而“将一切” 集成到自动化分子设计解决方案中。小分子药物发现领域的 AI 时代无疑已经开始，借助 AI 创建的前三个小分子已经进入临床试验的公告也说明了这一点：用于强迫症的 5-HT1A 受体激动剂 (DSP-1181); 用于免疫肿瘤学的A2a受体拮抗剂(EXS-21546)；和用于阿尔茨海默病精神病的双靶点5-HT1A激动剂/5-HT2A拮抗剂 (DSP-0038)。
社会影响
120 多年来，新型小分子药物不仅对人类个体的预期寿命和生活质量产生了积极影响，而且在全球范围内对社会产生了重大影响。在 20 世纪上半叶，药物发现主要集中在对抗传染病领域。1900年，即使在工业化国家，平均预期寿命也仅为47岁，而到1950年美国平均预期寿命已延长至68岁，这主要归功于20世纪40年代抗生素的发现。青霉素类抗生素的成功在很大程度上得益于二战期间的政府支持，从而使美国公司在当时处于领先地位。美国、欧洲和日本制药业的“黄金时代”（20世纪40 年代至20世纪70年代中期）见证了用于研发的大力投资、民众大幅提高的生活水平以及对科技进步的普遍乐观情绪。这个时代的新型小分子药物，如抗抑郁药、抗精神病药和口服避孕药，开始对医疗、生活方式和整个社会产生影响。
预期寿命的延长以及生活方式的改变导致整个西方文明的心血管疾病急剧增加。饮食的改变、吸烟者数量的稳步增长以及运动和定期体育运动的减少与冠状动脉粥样硬化的增加有关，导致了冠心病。虽然在20世纪初，心脏病是一种相当罕见的死因，但到上世纪中叶，它成为美国最常见的死因，在20世纪60年代中期其死亡率达到顶峰。冠心病被称为“20世纪的流行病”。在20世纪60年代和20世纪80年代之间，科学进步改变了药物发现过程。药物研究现在专注于在分子靶标水平上针对特定生理过程的小分子，从而开发出更好地控制血压和心率的疗法，例如 β 受体阻滞剂、血管紧张素转换酶 (ACE) 抑制剂、钙通道阻滞剂和血管紧张素 II 受体阻滞剂 (ARB)。
在20世纪80年代后期，一种新的降胆固醇药物，他汀，即3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A (HMG-CoA) 还原酶抑制剂问世。从20世纪80年代到20世纪90年代，八种他汀类药物获得了批准。正如最近的一项荟萃分析所表明的那样，使用任何中等剂量的他汀类药物都会导致低密度脂蛋白 C (LDL-C) 水平降低 20-40%，并在类似程度上显着降低主要心血管事件和死亡率。因此，他汀类药物的引入改变了心血管疾病的治疗，并通过减少心肌梗塞和血运重建手术减轻了个人和社会层面的人文和经济负担。尽管所有他汀类化合物都相当有效，但不得不承认，营销策略是其商业上成功的主要因素。立普妥（阿托伐他汀）于1997年首次获得批准，它不是市场上第一个他汀类药物，但在商业上是迄今为止最成功的。值得注意的是，立普妥已成为有史以来最畅销的小分子药物，2006年的峰值销售额超过130 亿美元，到2011年专利到期前的总销售额为 1200 亿美元。他汀类药物的商业成功可以标志为医药行业的转折点。受专利保护的药物的成本成为医疗保健系统日益增加的负担。今天，医疗保健提供者和付款人不再有能力或意愿为无法证明治疗益处超过各自适应证范围的药物提供高价。因此，各种类型的成本控制政策相继出台。
自20世纪80年代以来，不断发展的生物技术为重大科学创新和社会变革做出了贡献。分子生物学的基本发现，如1990年至2003年间人类基因组的解码出现。同样，在治疗标准相对较低的适应症方面，如一些癌症和类风湿性关节炎的治疗，也取得了重要的医学突破。到2020年，最畅销的药物有一半是生物制剂，其中抗风湿抗体修美乐（阿达木单抗）位居榜首，年销售额超过200亿美元。然而，新生物制剂的治疗益处体现在高昂的价格上，从而使医疗保健系统和付款人面临更大的压力。例如，2017 年，美国只有 2% 的处方包含生物制剂，但这些药物占药物净支出的 37%。另一个例子是生物制剂Humira，在美国，在类风湿性关节炎的相同适应证中，它的年度成本是小分子 Olumiant (baricitinib) 的两倍多。这个例子揭示了一个伦理困境：即由于成本限制，并非所有有需要的患者都能获得潜在的最佳治疗。
成本预测在公众对突破性细胞和基因疗法的讨论中也有重要作用。由于每次给药的价格为几百万美元，医疗系统显然不可能为所有病人提供这些高价药品。有人认为，如果基因疗法仅适用于十分之一的遗传病患者（占美国人口的1%），其预算影响可能相当于3万亿美元，这相当于美国的整体医疗支出。正如正在进行的2019年冠状病毒（COVID-19）大流行所表明的那样，在近期和中期，可负担性和可持续性的讨论可能会成为全球许多社会的一个更加突出的话题。在这种情况下，小分子药物可能会发挥越来越大的作用，在给定的支付意愿考虑和潜在的预算限制下，灵活地确保尽可能好的人口健康。
在老龄化社会中，痴呆症和神经退行性疾病患病率日益上升，它们成为主要的公共卫生问题。目前，阿尔茨海默病既无法治愈，也无法改善，治疗只能暂时减轻症状。值得注意的是，有一百多种疾病修饰候选药物正在进行临床试验，其中小分子的占比很高（70%）。因此，对于阿尔茨海默病，人们可以乐观地认为，未来会有更好的治疗方法。
结束语和展望
小分子在医学史上作为里程碑药物发挥了重要作用，并影响了医学进步和社会变革。对于药物化学家来说，小分子一直是优化药物效力和选择性以及微调整体分子特性的完美方式。鉴于小分子的模块化性质以及组合产生生物活性分子几乎无限的可能性，新应用几乎没有限制，包括以前不可成药的靶标空间问题都可能不再成为阻碍。
在人工智能的帮助下，化合物合成和性能优化的总体前景达到了一个新的高度。目前，机器正在学习有机化学的语言，并部分承担了优化先导化合物的艰巨任务，或者至少充当了人类药物化学家的数字助手。然而，小分子在医学中的应用远远超出了直接的治疗用途。小分子可用作诊断、化学生物学的科学工具，以及细胞和基因治疗等新突破技术的促进剂。
在现代医学时代，CRISPR/Cas等新的生物技术已经开始进一步彻底改变我们对疾病的认识。高度个性化的医疗方法（如细胞和基因治疗）代表了一种更加治本的模式已经出现。满足这些需求对于患有无法治愈疾病的患者至关重要。同时，这些新技术总体上提高了药物发现方法的标准。过去，提供症状缓解的干预措施通常具有足够的吸引力，足以推动新药研发项目的实施。今天，创新水平需要更具变革性。令人兴奋的是，我们正在见证一个动态的科学发展，其中小分子展现了新的作用模式并进入了新的靶标空间。最近，除了传统的调节蛋白质的功能外，小分子还学会了靶向降解蛋白质，以及解决蛋白质-蛋白质相互作用和RNA的问题。尽管人们在这些新领域取得了巨大进展，但重大问题仍然存在，需要我们继续做大量工作。
制药行业的目标是采用多种方式来治疗疾病，包括小分子、抗体、核酸、聚糖以及细胞和基因治疗。考虑到特定疾病的治疗方法各有优劣，我们在选择治疗方式时应优先以患者意愿为中心。然而，对于许多疾病，小分子通常仍然是可选治疗方式之一。
除了小分子药物的固有优势，如灵活的作用方式和适应性强的给药途径，它们还提供了一条超越单靶点治疗的途径，即与其他药物联合治疗，从而提高临床效果。且它们的保质期通常较长，这使得小分子治疗比任何其他方式都能够可持续地为更多患者带来福音。正如整个医学史上多次说明的那样，小分子药物非常适用于解决未满足的医疗需求。预计它们将继续推动未来药物研究的创新，从而继续改善患者的生活质量。
参考资料
Small molecules and their impact in drug discovery: A perspective on the occasion of the 125th anniversary of the Bayer Chemical Research Laboratory. Drug Discov Today. 2022 Feb 21:S1359-6446(22)00073-3. doi: 10.1016/j.drudis.2022.02.015.
