学作为制药行业的基础，其本质是破坏和重建化学键。虽然大多数药物通过与其靶点的非共价作用来发挥疗效，但自药物诞生以来，药物与靶点之间的共价结合一直发挥着重要作用。例如，被誉为“抗炎神药”的阿司匹林和 “奇迹之药”的青霉素，它们通过形成与生物靶标的共价键来施展功效。近年来，随着一系列共价抑制剂的成功问世，特别是针对那些传统上被认为难以成药的受体，如EGFR、BTK、KRAS的抑制剂，共价抑制剂已然成为小分子药物研发的热点。
01
共价抑制剂介绍
共价抑制剂组成和作用机制
共价抑制剂指与酶或受体等生物大分子形成共价结合，通过共价键的形成使生物大分子失活的药物[1]。相较于非共价抑制剂，共价抑制剂的优势在于它们能够提供持久的抑制作用和更长的药效持续时间，这种特性使得它们能够在更低的剂量下发挥作用，从而提高患者对治疗的依从性，并减少潜在耐药性风险。同时，共价抑制剂可以精确地定位到特定的蛋白或酶上，实现靶向治疗。
图1 传统抑制剂与共价抑制剂[1]
靶向共价抑制剂（Targeted Covalent Inhibitors, TCIs）是通过合理药物设计的新型共价药物，其结构一般由亲和性组件和弹头两部分构成[2]（图2 A），它们与靶蛋白的结合过程分为两个阶段（图2 B）。第一阶段，TCIs的亲和性组件与靶蛋白的特定结合位点发生非共价相互作用，形成初始的非共价复合物；第二阶段，抑制剂的弹头与蛋白中的氨基酸残基形成共价键，发生可逆或不可逆的（通常是不可逆）共价结合，从而进一步增强抑制剂与靶蛋白的结合强度。
图2 靶向共价抑制剂的组成和作用机制[2]
共价抑制剂发展和临床应用
回顾共价药物的发展历程，最早的共价药物可以追溯到1899年上市的阿司匹林（乙酰水杨酸）；随后是以青霉素为代表的抗生素类药物，其结构以β内酰胺为主；抗血小板凝剂和质子泵抑制剂药物的上市，标志着更多共价药物的出现；进入21世纪，一系列基于共价成药机制系统性研发的新药纷纷上市，包括抗病毒蛋白酶抑制剂，以及抗肿瘤抑制剂等[3]（图3）。
图3 主要共价药物的研发历史[3]
过去十年，随着结构生物信息学和药物化学技术的进步与突破，基于共价成药机制的研发策略不断成熟，共价药物在抗肿瘤领域得到了飞速发展，具有更高药效以及更低副作用的靶向共价抑制剂在此初现锋芒。在肿瘤治疗领域已有12个TCI药物获批上市[4]，为众多病患带来福音，这些TCI药物一共针对6种不同靶点，包括蛋白酶体、表皮生长因子受体EGFR、布鲁顿酪氨酸激酶BTK、输出蛋白Exportin 1、成纤维细胞生长因子受体FGFR，以及G12C突变型Kirsten大鼠肉瘤病毒蛋白KRAS G12C。从结构中看出，这类抑制剂大多含有丙烯酰胺或不饱和酰胺键的共价弹头（图4）。
图4 FDA获批TCI药物类型[4]
随着各种共价弹头和氨基酸残基在临床上的成功应用，特别是靶向共价抑制剂的精准设计取得多项突破后，共价抑制剂的发展迅速。这些共价药物被广泛用于治疗多种疾病，其中大约28%用于肿瘤治疗，23%用于中枢神经系统和心血管疾病，21%作为抗感染药物（主要是β-内酰胺类抗生素），以及约有11%用于胃肠道疾病治疗[5]（图5）。
图5 已获批共价药物的治疗领域[5]
02
共价药物发现策略
共价药物设计和发现流程
共价药物的设计和研发策略与传统药物相似，例如采用虚拟筛选和基于理性的药物设计技术。然而，在共价抑制剂的合理设计方面，仍存在一些特有的考量，如靶点的选择、共价弹头和靶点残基的确定。因此，共价药物的设计通常包括四个关键阶段：靶点识别和氨基酸残基的选择、苗头化合物的识别、结合特性的表征以及分子结构的优化[6]（图6）。
图6 共价药物发现过程[6]
图7 三代EGFR抑制剂结构的演变[3]
2. 基于片段（Fragment-based）的药物发现策略
目前，化学蛋白组学的药物研发策略得到广泛应用和关注[7]。这一策略具备强大的筛选能力，能够迅速揭示数千种癌症靶点与共价分子间的复杂相互作用机制，并能发现那些不易察觉的结合靶点。特别是对于那些传统上被视为难以成药的靶点，这种高通量筛选技术为新型蛋白质相互作用（POI）的探索和研发提供了可能。
图8 基于片段的共价配体发现[7]
图9 KRASG12C共价药物研发[7,8]
03
共价弹头
共价弹头是与蛋白靶点的氨基酸残基进行共价结合的部分，它们通常具备一定的亲电活性。共价弹头通常具有共轭不饱和键的酰胺或磺酰胺结构，环张力较大的如β-内酰胺和环氧结构，以及含不饱和C-N或C-O键的官能团，如氰基、醛基等（图10）。
图10 常用共价弹头结构
共价弹头的结构设计与其靶向的不同氨基酸残基类型紧密相关，因此在共价抑制剂的研发中，根据结合的氨基酸靶点的类型对共价弹头进行细致的分类和分析发现，靶向半胱氨酸的共价弹头类型最丰富（图11）。这是由于半胱氨酸残基在蛋白中丰度较低，是共价结合中针对性比较强的氨基酸残基。这种分类有助于指导共价抑制剂的定制化设计，确保分子能够针对性地与特定的靶点氨基酸残基发生高效和选择性的共价结合。
图11 结合不同氨基酸残基的常见共价弹头结构
对FDA批准的共价抑制剂中使用的弹头类型进行统计显示，β内酰胺结构是最常用结构，其次是丙烯酰胺类[2]（图12），随着技术进步，共价弹头的种类也越来越丰富。
图12 FDA批准的共价抑制剂中使用的弹头类型[2]
04
药明康德研发化学服务部
靶向共价抑制剂化学探索平台
根据客户的需求，药明康德研发化学服务部（Research Chemistry Services , RCS）搭建了完善的靶向共价抑制剂早期发现平台，为共价药物提供合成、分析及纯化全方位服务，加速其发现进程。不论是专业设计还是多样化定制，该平台有着独特的优势：
拥有超过1,000经验丰富的发现化学家； 服务过超过100客户或合作伙伴； 已合成超过40种共价弹头，包括丙烯酰胺（Acrylamide）、氯乙酰胺（Chloroacetamide）、2-氯丙酰胺（2-Chloropropionamide）和烯基砜（Vinyl Sulfone）等化合物类别； 自2021年起成功交付了超过18万个共价化合物。
图13 靶向共价抑制剂早期发现平台反应设备和仪器
05
结语
参考文献：
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