本文翻譯自拜耳醫藥全球藥物研發靶點研發的What makes a good drug target，文章不長，提供了藥企視角下的藥物靶點。
醫療缺口很大的領域需要創新的治療方法，而這基本依賴于新的藥物靶點的發現。盡管生物藥大大拓展了可以成藥的分子范圍，合適的藥物靶點依然缺乏。發現并評估藥物靶點的醫用價值，不僅需要大量的實驗性、機制和藥理學研究，還需要理論分子成藥性分析、可能副作用的早期分析、市場需求分析等等。本文旨在定義一個醫藥公司視角下的好的藥物靶點的性質。
前言
近來對中止研發的藥物產品和臨床失敗案例的分析發現，越來越多的化合物因無法通過藥效終點而夭折。新項目通過二期臨床的成功率從2006-2007年的28%下降到了2008-2009年的18%。湯森路透生命科學咨詢公司分析了2008年至2010年108例有報道的臨床二期失敗案例，包括新藥以及已經上市藥物的新適應癥，發現有51%藥物失敗的原因是藥效不足。而且，對2007年至2010年間III期臨床以及申報失敗的分析也發現醫療領域中三分之二的失敗原因為藥效不足。因此，經體內、體外模型預測，新的、有前景的、具備臨床藥效可能性的藥物靶點是藥物發現成功的關鍵。
2009年，拜耳醫藥提出了“Grant4Targets”倡議。其基本觀點是為學界提供橋梁和藥物發現技術來支持新的藥物靶點的評估和驗證。盡管我們收到了很多高質量的、有價值新藥靶點的提議，卻也越來越明白對于“什么是一個好的新藥靶點的關鍵性質”我們還沒有討論清楚、沒有清晰定義。
所以，本文旨在從醫藥公司的視角定義創新的、有前景的藥物靶點所需的基本條件。我們將重點講述藥物靶點的確立、挑選、評價、驗證過程中的重要方面。另外，我們還特別強調在該過程的早期就要重點考慮成藥性和可驗證性。此外，我們還對未來可能出現的提升藥物成藥性空間的技術做了展望。最后，我們希望新藥物靶點的定義能夠很大程度上依賴于有著豐富醫療需求和不同藥物安全性要求的醫療領域和特定適應癥。
理想藥物靶點的性質:
具備疾病修飾和/或有證明有效的病理學證據靶點的修飾對正常生理或其他病癥下的生理環境影響不大如果成藥性不明確(如激酶靶點的藥物)，要能夠獲得靶蛋白的3D結構或者類似結構進行成藥性分析具有好的可驗證性，能夠做高通量篩選在人體不同組織內呈現差異化表達存在可以用來檢測藥效的靶點/疾病特異性的biomarker通過表型數據(如基因敲除小鼠或基因突變數據庫)較容易推測潛在的副作用靶點具備較好的IP狀況(沒有競爭性靶點，沒有限制)
靶點定義和分類
盡管跨越多條通路的關鍵分子在靶點發現中很重要，也取得了很大的成功，但是，對多個通路分子靶點都有效的化合物(hit)往往也有嚴重的副作用。所以，對靶點的高度特異性識別左右著藥物研發的進程。
一個藥物靶點通常是蛋白、多肽或者核酸，該靶點的活性可以被藥物--小分子SMOL，或抗體/重組蛋白等大分子BIOL--修飾而發生改變。2006年針對所有申報成功的醫療藥物，科學家對324個藥物靶點的總數達成共識。采用生物信息學的手段，Bakheet和Doig從3573個非靶點分子中篩選出了668個具備靶點性質、可能成為新靶點的蛋白。雖然目前絕大多數的藥物發現中的靶點都是蛋白，核酸靶點將會越來越重要。
藥物靶點
小分子藥物靶點
SMOL藥物靶點主要為蛋白類:酶、胞外/核受體、離子通道、轉運體等。目前已經應用DrugBank數據庫對藥物靶點家族的增長進行了分析。該數據庫被認為是藥物和藥物靶點信息最重要的來源之一。Rask Andersen等人分析了2242組藥物-靶點相互作用，發現了人基因組中有435個效應介導的藥物靶點，可以被989個不同的藥物所修飾。所有藥物靶點中，193個為受體蛋白，占比44%。其中GPCR是降壓藥物和抗過敏藥物常用靶點，占所有藥物靶點的比例為36%。
除去已經建立的藥物靶點類型，新的技術手段也應用到原本無法成藥的靶點上，如蛋白-蛋白相互作用。Moellering等人研究表明直接與SAHM1的結合可以阻止活化的NOTCH-癌蛋白復合物的形成。近來有報道成功地使用競爭性抑制劑的方法，抑制了組蛋白和BRD蛋白的相互作用，把BRD4融合的癌蛋白從染色質上解離下來，進而達到控制腫瘤生長或調解炎癥進程的目的。也有前沿化學技術開發出小分子化合物活化酶活性的新機制。未來，新技術手段還會不斷拓展成藥性的空間，新的小分子藥物靶點還會發展出來。
生物藥靶點
由于抗體或重組蛋白類藥物無法進入細胞，胞外蛋白和細胞表面受體是大分子藥物的合適靶點。大多數開發的抗體藥物都是針對癌癥和炎癥類疾病的。ADCs屬于新生物藥發展的互補策略。如基因泰克的曲妥珠單抗-美坦辛(T-DM1)，就結合了單抗藥物和微管抑制劑的優勢，目前已經進入多臨床實驗。ADC策略中，靶點不需要具備修飾影響細胞的功能，因為細胞毒試劑會殺傷細胞，而抗體把細胞毒試劑定位到表達抗原的病理組織。
靶點評估
下圖詳細描述了拜爾醫療的靶點評估過程。新藥物靶點成功確立之后，需要進行詳細的分子靶點評估:根據疾病假設設計實驗研究藥代動力學性質、分子成藥性的理論分析以及潛在靶點相關biomarkers的預判。
靶點評估流程
靶點確立
靶點評估的第一步。新靶點的最大來源是相關文獻，因為全世界無數的科學家都在尋找新的分子通路以及基因和蛋白的新功能。文獻之外，最有價值的參考是分析目標組織或者比較正常組織與疾病組織中RNA和/或蛋白的表達。當綜合各信號通路分析、強大的整合數據，這些表達數據能夠提供比RNA或蛋白正常調控水平下更多的潛在靶點的信息。就蛋白質組學而言，基于活性的蛋白圖譜(ABPP)可以比較出疾病和正常組織中酶活力水平的不同，從而確立靶點，進而大大拓寬了靶點確立范圍。還有一種新藥物靶點信息的來源基于敲除小鼠基因改變和表型變化、體細胞突變、基因融合以及拷貝數變化等等，這些信息來源更適用于癌癥靶點。
靶點確立策略
如果針對靶點的藥物是抑制劑或激活劑，功能基因組學結合表型篩選更有優勢，因為在細胞模型體系中建立靶點，再進行挑選/改造表現出疾病模型的過程更便捷。細胞模型中，干擾基因表達(如siRNA或shRNA，過表達cDNA，或者使用小分子抑制基因功能)和合適的表型讀取系統聯合使用非常強大。眾多例子中，高通量RNA干擾篩選技術已經成功地應用于靶點確認。化合物基因組學方法通常不夠直接，因為表型篩選之后還需要靶點解碼。參考文獻[21,22,24,-28]對支持藥物靶點確認的復雜的數據庫有更為詳細的描述。在拜耳醫療，我們把公開的以及Phylosopher數據庫關于靶點的全部信息整合在一起，所有拜耳的科學家可以共享。靶點確認時，與整合后數據互補的信息被優先參考。不過，當采用公開數據時，關鍵結果會在內部被重復，因為我們發現僅有30%報道的體內和體外實驗結果可被重復。
下圖列出了成功確立靶點的三個關鍵要素:對疾病的深入理解、關于分子機制的知識以及預測模型和技術上的支持。對疾病了解得越多，預測模型的支持性越好。我們認為，深入理解病理學和引發疾病的分子機制，應用相關靶點確立和驗證技術是有前景藥物靶點的確立的基礎。
靶點確立三要素
靶點驗證
藥物靶點必須按照既定的作用方式通過實驗加以驗證。這里的數據與臨床起效的可能性直接相關(如重要人源細胞和組織實驗)。這類功能性實驗包括基因下調、基因敲除，如果有SMOL化合物庫或者工具抗體的話，還可以使用這些特定的工具。體外細胞機制研究可被用來揭示靶點的調控性質以及其所在的信號通路。最后，依據疾病種類的不同，還可以使用合適的動物模型來評估靶點和疾病的相關性。如果小鼠具有與人類同源的功能基因，而合適的疾病模型也存在的話，也可以使用基因敲除小鼠或者轉基因小鼠進行靶點驗證。然而，總的來說，經過驗證的靶點在進行人體驗證時也不是沒有風險的。因為一些模型對于人體內情況有高度預測性，而另外一些則有很大的偏差。而且，有些疾病是高級靈長類動物固有的，而絕大多數的動物實驗都使用老鼠做實驗。因此，不是所有風險在早期藥物發現過程中都能夠被預測。
把上述考慮應用到真正的藥物發現實際中來，IL-2誘導的酪氨酸激酶(Itk)可以說是炎癥性皮膚病治療領域的新靶點。Itk在病癥組織中特異性表達，主要存在于T細胞，且在皮炎病人受損皮膚中表達升高。采用RNA沉默策略可進行靶點驗證，體內實驗(Itk敲除小鼠模型)同樣可行。另一方面，證實該激酶在疾病模型中作用的SMOL抑制劑也已經得到確認。
成藥性評估
目前蛋白靶點的成藥性評估方法一般依據蛋白序列相關性質和蛋白的3D結構，文獻[24][33]中有描述。已知3D結構的藥物靶點可以在潛在藥物靶點數據庫中找到，目前該數據庫涵蓋了1207條目、841中已知/潛在藥物靶點，結構信息來自PDB(Protein Data Bank)。對于藥物靶點評估來說，知道3D結構具有巨大優勢，因為可以使用結構成藥性搜索引擎(EMBL-EBI)來預測是否具有SMOLs結合位點。
對SMOL結合靶點來說，除了成藥性預測之外，還要分析靶點的催化和/或功能因素，還要分析靶點的組織選擇性以及具有類似結合位點的其他蛋白?？紤]到蛋白的3D結構，各種算法被開發出來用來評估配體設計所需的蛋白結合位點(參考文獻[35])。
可驗證性評估
為后續篩選先導化合物需要，建立能夠確認靶點結合能力和功能的生化和/或細胞學實驗十分必要，該過程我們稱之為藥物靶點的“assayablility”。是否能建立起有意義的方法，取決于靶點類型和關于靶點的信息。因為很多GPCRs的活性可以通過檢測第二信使水平的方式來監測，所以一個能夠檢測下游產物的GPCR的可驗證預期也不錯，而無法檢測下游產物的GPCR，盡管成藥性毋庸置疑，但是可驗證性就比較低了。在這種情況下，就需要提供合乎藥理學相關實驗規范的功能性研究方案了。
適應癥評估
考察藥物靶點還有一個重要的方面就是起適用的臨床癥狀。拜耳有一個抗腫瘤藥物--激酶抑制劑sorafenib索拉菲尼(Nexavar/多吉美)，其成功至少部分得益于它可以抑制多個激酶活性(包括絲氨酸/蘇氨酸激酶Raf和ERK通路)的性質。雖然已有文獻數據證實Raf/MEK/ERK1/2活性與心肌肥大的相關性，而心肌肥大是心律失常、心臟病和猝死等病癥的危險信號。不過，心肌肥大是心臟病(心肌梗死或持續的血壓升高)發展過程中早期的適應不良癥狀。使用激酶抑制劑預防心肌肥大需要在治療早期即開始，并很有可能持續一生以防止疾病進展。
很顯然，從安全性和順應性角度考慮，用激酶抑制劑預防疾病所面臨的挑戰遠比用來治療威脅生命的癌癥要大得多。出于同樣的考慮，PubMed使用關鍵字“激酶&抑制劑&心血管&毒性”進行文章搜索，找到了200篇文獻(截止2011年6月)提及激酶抑制劑作為抗癌藥物在臨床上最大的副作用即心臟毒性。因此，有7個FDA批準的激酶抑制劑收到了FDA考慮可能的心臟毒性的警告。信號通路中多個激酶活性可能會導致心肌肥大，但它們也是維持正常細胞功能的重要組分，而另一方面抗癌的小分子激酶抑制劑的靶點特異性不強，這兩點或許可以解釋該類型藥物的副作用。因為激酶中的ATP結合位點非常保守，即使使用復雜的結構生物學工具也很難開發出高特異性的激酶抑制劑。如激酶抑制劑表現出來的SMOL藥物的靶點特異性不高的問題，提示我們，BIOL藥物--無論是單抗、重組蛋白或者反義核酸和RNA干擾都有更好的特異性--會是更有吸引力的選擇。不過，BIOL藥物都有無法口服的缺點，在某些適應癥中會是大問題。最后，BIOL藥物的成本比SMOL高很多，在需要長時間治療才能獲得臨床受益的情況下，成本也會是一個難以逾越的障礙。
綜上，更多的醫療情況需要特異性的治療方案，而且，基于目前對疾病的理解，是采用多靶點策略還是選擇一個藥物一個靶點的方案，還需要仔細評估。
臨床和商業需求
臨床的高度需求(無藥可用或者現有治療手段在療效和/或安全性上極大受限)和可預期的市場是還需要考慮的重要因素。
一個藥物靶點的醫療潛力在它被發現的初期通常并不顯現。一個有名的例子是膽固醇合成通路的限速酶，HMG-CoA還原酶，該靶點在醫藥產業的銷售額是目前已知靶點銷售額之冠，但在研發初期，該靶點的第一個抑制劑“compactin”卻沒有起到降低大鼠膽固醇的作用，因為它引發了大鼠肝臟大量代償性生成HMG-CoA還原酶，很多研究者因此誤入歧途。從抑制HMG-CoA還原酶降低膽固醇的概念提出，到最終為臨床所證實，研究者花費了20年的時間。有時候，靶點修飾過程中“失敗越早花錢越少”，在靶點確認早期階段，最好就通過表型學體外實驗或最晚在體內實驗時就看到藥物的療效。
即使一個靶點已經確認了適應癥，研究其在其他適應癥領域中的作用并擴大其醫療應用還是很有必要的，也是第一張圖中common mechanism potential所指的內容。如果藥物在開發晚期遇到巨大困難，還可以選擇其他的適應癥進行研發。
知識產權
如文獻[43/44]所述，藥企對價值鏈的貢獻在于最終成藥的小分子化合物(或BIOL)的專利而非靶點本身。理想但通常做不到的是兩者都保護起來:專利保護的化合物(BIOL或SMOL)和專利保護的對治療特定疾病的靶點修飾物的使用。
早期的FTO分析保證了特定的研究，如靶點修飾物的研發確認等，在不侵犯他人知識產品的情況下得以進行。
新的靶點提供了這樣的機會--如果化學空間允許--為可以和靶點結合的SMOL化合物申請專利，從而獲得知識產權保護。而只有當公司獲得靶點修飾物的特許經營權，并收取到他們為市售藥物付出努力的專利使用費，投資才算獲得完全的回報。對于化合物和/或抗體藥物都是類似的情況:如果我們沒有專利保護的SMOL或BIOL，我們就沒有辦法應對競爭者，保護自身的利益。
一般來說，因為很多靶點最初都是研究文獻報道出來的，對一個給定的靶點來說，它的確認程度和競爭度是直接相關的。一些公司不喜歡在選擇靶點時冒險而更樂于接受較大的競爭，其他一些公司卻愿意冒險選擇那些稍有競爭的靶點，以期研發出一類藥。
潛在副作用的早期評估
由于靶點的多效性，同一靶點在不同組織中功能可能不同，或在不同的生長發育階段表現出不同的功能。所以，檢測靶點在人體組織中的表達水平會很有幫助。盡管有例外，一般認為靶點表達范圍越廣，針對該靶點的藥物的副作用就越大，因為藥物是作用于整個人體系統的。評估潛在靶點相關副作用的另外一個參考信息是，靶點在疾病組織和正常組織之間的表達差異。舉例來說，用于治療胃返流疾病的質子泵抑制劑就有很高的劑量接受度，因為其分子靶標胃H+/K+ ATP酶幾乎只存在于胃粘膜組織。這些描述表癥的重要性因個體指癥不同而不同。很顯然，威脅生命的癌癥疾病對靶點相關副作用的忍受度遠遠高于不那么危險的疾病。
靶點敲除小鼠和人體靶點基因缺陷可以為靶點相關副作用提供更多提示。例如，用來治療類風濕性關節炎的線粒體酶二氫乳清酸脫氫酶(DHODH)在小鼠實驗中發現了致畸性。應用新的外顯子測序技術發現，該基因突變是米勒綜合征--一種經典遺傳病，表現為面不和肢體畸形--的罪魁禍首?？梢?，對人基因疾病相關數據的分析有助于靶點相關副作用的早期發現。
在Jackson實驗室的數據庫中可以容易地找到已知的表型。為避免純合敲除小鼠的胚胎致死性，也可以考慮限制性的和/或誘導型敲除小鼠。為評價突變型小鼠的表型，German Mouse Clinic(GMC)已經建立起Helmholtz Zentrum München表型平臺，對科研團體開發權限。對于那些作用很強或者不可逆抑制的藥物，敲除小鼠的表型學研究對于評估靶點相關的副作用很有幫助。
當已知靶點考慮其他適應癥時，已有臨床數據的詳細研究會很有幫助。醫療靶點數據庫(TTD)已經被開發出來提供了很多醫療靶點和相應藥物的信息。
從實驗室到臨床以及其他
靶點驗證的主要不足在于針對特定疾病的靶點的有效性只能通過臨床試驗來判斷。如上所述，2008至2010，僅有18%的新藥或藥物新適應癥的II期臨床實驗取得成功，而失敗案例中超過50%都是因為藥效不足。從這一角度來看，早期需要考慮驗證作用模式的mechanistic biomarkers作為靶點驗證的重要關切:
如果mechanistic biomarker顯示藥物不足以抑制靶點，最好還是尋找更為合適的先導結構。不過，如果mechanistic biomarker證實藥物對靶點/通路有很明顯的調節作用，但是臨床受益卻不顯著，就要考察該靶點/通路是否有效了。一個典型的案例是Mechanistic biomarker應用于判斷血管緊張素II受體拮抗劑用于高血壓治療的開發:I期臨床實驗中，在健康受試者身上沒有發現血壓降低效應，但是卻檢測到了血漿腎素的代償性增加，這說明該通路在人體內仍然是有效應的。那么，II期臨床發現該化合物因為靶點在人體內無效而導致達不到預期臨床目標的風險就大大降低了。所以，我們建議盡早使用mechanistic biomarker驗證靶點，最好在臨床前動物實驗中就使用。更多biomarker信息見文獻[50]。
所有體內靶點驗證的方法，只要可能，都要涵蓋已有的工具化合物或者已經建立的藥物處方。例如，一個抗腫瘤的新藥靶點，不僅需要驗證其對轉基因/敲除小鼠腫瘤重量的效應，還要評估不進行藥物處理時該效應是否還在。這是臨床上靶點調節劑面臨的一個情況。
總結
本文從拜耳醫療從業科學家的角度講述了靶點選擇標準、靶點驗證方法的關鍵點。不過，就不同的小型、中型和大型公司而言，驗證、臨床、未被滿足的需求、競爭和知識產權等方面在靶點選擇的占比會差異很大。
我們相信一個全面的靶點驗證會大大降低藥物研發后期的失敗率。從這個角度來看，如果最初的疾病前體無效，針對該靶點的SMOL或BIOL再好也是沒有意義的。
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